EVALUASI RANCANGAN PEMANAS MINYAK JARAK MEMANFAATKAN KALOR BUANG ENGINE DIESEL

(1)

Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak 125 EVALUASI RANCANGAN PEMANAS MINYAK JARAK MEMANFAATKAN

KALOR BUANG ENGINE DIESEL 1_{Chandra Permana}

2_{Wisnu Hendradjit} 3_{FX Nugroho Soelami}

Program Studi Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung

1_{chandra_permana_zm@yahoo.com,}

2_{wisnu131@tf.itb.ac.id}_{(kepadanya komunikasi dan korespondensi ditujukan),} 3_{nugroho@tf.itb.ac.id}_.

ABSTRAK

Minyak jarak murni mempunyai kekentalan yang lebih besar dari minyak Diesel sehingga tidak dapat langsung digunakan sebagai bahan bakar engine Diesel. Oleh karena itu minyak jarak perlu dipanaskan minimal hingga 70oC agar kekentalannya setara dengan minyak Diesel. Untuk memanaskannya dirancang suatu piranti penukar kalor yang memanfaatkan gas buang engine Diesel sebagai sumber energinya.

Piranti penukar kalor yang dibuat dari rancangan terdahulu, menghasilkan waktu pemanasan awal sepanjang 26.4 menit, sejak engine di-start hingga minyak jarak cukup panas untuk menggantikan minyak Diesel. Engine dioperasikan pada putaran 1500 rpm. Pada penelitian in, rancangan itu dievaluasi dalam upaya menyingkat waktu pemanasan awal. Dipertimbangkan tiga cara pada upaya tersebut, yaitu menambahkan insulator glasswool pada tabung pemanas, memperpanjang permukaan kontak knaalpot dan minyak jarak dan gabungan kedua cara tersebut.

Untuk perhitungan waktu pemanasan digunakan iterasi dengan program Matlab. Hasilnya adalah cara pertama menghasilkan waktu pemanasan awal menjadi 16.7 menit, cara kedua menjadi 17.4 menit, dan cara ketiga waktunya menjadi 14.2 menit. Kata Kunci:

Minyak jarak murni, kekentalan, engine Diesel, gas buang, penukar kalor, waktu pemanasan awal, insulator.

1. PENDAHULUAN

Kekentalan minyak jarak murni agar setara dengan minyak Diesel harus dipanaskan terlebih dahulu. Oleh karena itu, dirancang suatu sistem penukar kalor untuk memanaskan minyak jarak tersebut yang sumber kalornya memanfaatkan kalor dari gas buang sebuah engine Diesel, yang berfungsi sebagai penggerak mula sebuah generator elektrik (genset). Rancangan penukar kalor yang terdahulu masih menghasilkan waktu pemanasan minyak jarak yang cukup panjang. Oleh karena itu, dicoba untuk mengevaluasi rancangan tersebut dengan menerapkan upaya mencari peluang untuk menyingkat waktu pemanasan itu.

2. TINJAUAN PUSTAKA

Untuk menggunakan minyak jarak sebagai bahan bakar engine Diesel dapat dilakukan dengan memodifikasi sistem

engine dengan dua tangki atau converter two-tank system. Minyak jarak yang

digunakan sebagai bahan bakar pada sistem ini adalah minyak jarak murni atau

straight jatropha oil (SJO). SJO ini hanya

melalui proses pembuangan kandungan lilinnya (degumming), serta tidak diolah secara kimiawi ataupun dicampur dengan minyak Diesel. Permasalahan penggunaan minyak jarak sebagai bahan bakar Diesel adalah kekentalan minyak jarak lebih tinggi dari pada minyak Diesel, sehingga sulit untuk dikabutkan di dalam engine

(2)

126 Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak

(Chandra Permana)

minyak jarak perlu dipanaskan minimal

hingga suhu 70 oC (Frybrid, 2008).

Untuk memanaskan minyak jarak dirancang suatu sistem penukar kalor. Pada

buang engine Diesel di sepanjang knaalpot

engine tersebut sebagai sumber kalornya.

Penampang sistem penukar kalor tersebut dapat ditampilkan oleh Gambar 1

Gambar 1 Penampang Sistem Penukar Kalor Dalam merancang sistem penukar

kalor ini, perlu diperhatikan mekanisme proses perpindahan kalor yang terjadi pada sistem tersebut, seperti tampak pada Gambar 2.

Gambar 2 Peristiwa Perpindahan Kalor pada Sistem Penukar Kalor

Dalam merancang sistem ini, digunakan anggapan dua keadaan berbeda, yaitu saat keadaan saat tunak dengan waktu pemanasan awal, serta suhu yang seragam disepanjang H knaalpot.

Perancangan Sistem Penukar Kalor pada Keadaan Tunak

Saat tunak dianggap tidak ada perpindahan kalor dari knaalpot ke minyak jarak. 3 _ 2 _ 1 _ out out out in

Q

=

+

(

knalpot oil

)

m oil

(

m oil

)

oil

muffler

in

D

H

h

T

A

h

T

Q

=

2 π

.

−

=

−

(

)

(

knalpot

)

atas

(

oil udara

)

(

oil ud

)

out d D U T T A U T T Q _{_}₁ = . 2 − 2 ⋅ − = ₁⋅ ₁ − 4 π

(

oil ud

)

ud oil sil o out

r

H

U

T

A

U

T

Q

_{_}₂

=

2 .

π

.

.(

−

)

==

₂

⋅

₂

−

(

)

(

muffler

)

bawah

(

oil udara

)

(

oil ud

)

out

d

D

U

T

A

U

T

Q

_{_}₃

=

.

2

−

2

⋅

−

=

₃

.

₃

−

4 π

(3)

Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak 127 atas udara sil sil atas oil atas h k t h U _ _ 1 1 1 + + = bawah udara sil sil bawah oil bawah h k t h U _ _ 1 1 1 + + = udara sil in o o oil sil h k r r r h U 1 ln . 1 1 + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + =

Besarnya h (koefisien konveksi) ditentukan oleh bilangan Nusselt, Nu, (Todd dan Ellis, 1982). Sedangkan Nu ditentukan oleh bilangan Rayleigh, Ra, dan bilangan Prandtl, Pr, (Incropera dan

DeWitt, 1990). Besarnya Nu untuk tiap-tiap peristiwa perpindahan kalor berbeda-beda tergantung pada peristiwa konveksi yang terjadi (Incropera dan DeWitt, 1990) sebagaimana ditunjukkan oleh Tabel 1.

Tabel 1

Rumus bilangan Nusselt pada tiap-tiap kasus perpindahan kalor.

Koefisien Konveksi Bilangan Nusselt

hoil_atas dan hatas_udara Nu =0.54⋅

( )

Ra 0.25 (9)

hoil_bwh dan hbwh_udara Nu=0..27⋅

( )

Ra 0.25 (10) hoil 25 . 0 28 . 0 2 . Pr 2 . 0 . Pr . 22 . 0 − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = muffler D L Ra Nu ₍₁₁₎ hudara 2 27 8 16 9 6 1 Pr 492 . 0 1 . 387 . 0 825 . 0 ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + = Ra Nu (12)

Perancangan Sistem Penukar Kalor pada Waktu Pemanasan Awal

Waktu pemanasan awal adalah waktu pemanasan minyak jarak hingga

mencapai suhu minimal 70 oC sejak saat

engine di-start. Untuk mendapatkan waktu

pemanasan tersebut, persamaan (2) akan dirubah menjadi:

(

)

3 _ 2 _ 1 _ 1 2 .

. out out out

oil oil oil oil in Q Q Q t T T Cp m Q + + + Δ − = ₍₁₃₎

Δt menyatakan waktu yang diperlukan untuk menaikkan suhu minyak jarak

sebanyak moil dari suhu Toil1 menjadi

Toil2. Dengan menyisipkan persamaan (2),

(3), (4), dan (5) ke dalam persamaan (13) diperoleh:

(4)

(Chandra Permana)

Jika dimisalkan: Amhoil = B, moil.Cpoil =

C, dan A1U1 + 1 / Rsil + A3U3 = D,

setelah satu detik (Δt = 1 detik), suhu

minyak jarak selanjutnya (Toil2) akan

menjadi:

(

)

_⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + − − = C T D B C T D T B T m ud oil oil 1 2 . . (15) Pada penelitian ini, untuk

mendapatkan seberapa lama waktu yang

diperlukan untuk mencapai Toil2 dari

suatu Toil1 pada Tm (suhu knaalpot) dan

Tud (suhu udara) tertentu dihitung secara

iteratif menggunakan Matlab.

Diagram alir algoritma penentuan waktu pemanasan awal ditunjukkan pada Gambar 3. Koef Q menyatakan perkalian antara A (luas permukaan) dengan U (koefisien transmisi kalor menyeluruh). Menggunakan persamaan (15) ditentukan suhu minyak jarak setelah satu detik pemanasan. Perhitungan tersebut diulang terus sehingga suhu minyak jarak (oil

temperatur) mencapai 70 oC dari semula

bersuhu lingkungan sekitarnya. Banyaknya pencacahan dihitung sebagai

waktu pemanasan dan dinyatakan dalam satuan detik.

3. HASIL DAN ANALISIS

Dari sistem penukar kalor yang dibuat berdasarkan rancangan sebelumnya, diukur waktu pemanasan minyak jarak

hingga mencapai suhu minimal 70 oC mulai

dari engine di-start. Tabel 2 menunjukkan rentang waktu yang diperlukan untuk memanaskan minyak jarak hingga mencapai

suhu 70 oC untuk putaran engine yang

berbeda:

.

Gambar 3. Algoritma penentuan waktu pemanasan awal Tidak Y

Mula

Hitung Koefisien Hitung Koefisien Hitung Koefisien Q_in

Hitung Koefisien

Hitung T Oil next detik = detik+1

T_Oil_nex t <= 70

Waktu pemanasan =

(5)

Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak 129

Tabel 2. Hubungan Putaran Engine Diesel dengan Waktu Pemanasan pada Beban Generator 0 kW

No Putaran Engine (rpm) Waktu (menit)

1 1000 30,2

2 1500 26,4

3 2000 24,8

Untuk mempercepat pemanasan dilakukan modifikasi rancangan dengan tiga cara:

1. Penambahan insulator pada tabung pemanas berupa glasswool setebal 3 cm. Insulator itu ditambahkan untuk mengurangi kalor yang keluar dari dinding tabung pemanas. Semakin berkurang kalor yang keluar dari tabung pemanas maka semakin banyak kalor yang terkumpul di dalam sistem pemanas sehingga waktu yang diperlukan untuk memanaskan minyak. jarak juga akan semakin

berkurang. Dari perhitungan didapatkan waktu pemanasan awal pada saat putaran

engine 1500 rpm, suhu permukaan luar knaalpot sekitar 90oC dan beban

generator elektrik 0 kW adalah 16.7 menit, dari semula 26.4 menit. Penggunaan insulator kurang efektif pada saat suhu knaalpot sudah tinggi, karena kalor yang keluar dari tabung pemanas hampir sebesar kalor yang masuk. Gambar 4 menunjukkan perbandingan penggunaan insulator dengan beberapa

tingkat ketebalan.

Gambar 4. Perbandingan waktu pemanasan tanpa dan dengan insulasi glasswool. 2. Memperluas permukaan sentuh

knaalpot - minyak jarak untuk

memperluas permukaan knaalpot yang bersentuhan dengan minyak jarak, dan meningkatkan kalor yang masuk ke dalam pemanas. Kalor yang ada di dalam tabung pemanas akan semakin meningkat dan waktu untuk

pemanasan juga akan berkurang. Cara ini dilakukan dengan memperpanjang permukaan knalpot yang berada didalam tabung pemanas menjadi 0.2024 cm. Dari perhitungan didapat waktu pemanasan awal pada saat putaran engine 1500 rpm adalah 17.4 menit, dari semula 26.4 menit. Cara ini dapat mempercepat waktu

(6)

(Chandra Permana)

4. Cara yang ketiga adalah dengan menggabungkan kedua cara di atas.

putran mesin 1500 rpm dan beban generator elektrik adalah 17.4 menit dari sebelumnya 14.2 menit.

Gambar 5. Perbandingan waktu pemanasan tanpa dan dengan penambahan panjang

kontakknaalpot.

Gambar 6. Perbandingan waktu pemanasan tanpa dan dengan penambahan panjang kontak

knaalpot serta glasswool. 4. KESIMPULAN

Berdasarkan percobaan, perhitungan serta analisis dapat diambil

kesimpulan sebagai berikut.

1. Penggunaan insulator glasswool setebal 3 cm dapat mempercepat waktu pemanasan awal menjadi 16.7 menit dari sebelumnya selama 26.4

menit pada saat suhu permukaan luar

knaalpot 90oC oC.

2. Penggunaan insulator glasswool setebal 3 cm tidak begitu efektif pada suhu pemukaan luar knaalpot yang lebih tinggi dari 95 oC.

3. Penambahan panjang permukaaan kontak knaalpot dengan minyak jarak sepanjang 5 cm dapat mempercepat

(7)

Evaluasi Rancangan Pemanas Minyak 131

waktu pemanasan awal menjadi 17.4 menit dari sebelumnya selama 26.4 menit pada saat suhu permukaan luar

knaalpot 90oC..

4. Penambahan panjang permukaaan kontak antara knaalpot dengan minyak jarak sepanjang 5 cm dapat mempercepat waktu pemanasan secara efektif pada semua suhu permukaan knaalpot.

5. Penggabungan cara pemakaian

glasswool dan penambahan panjang

permukaaan kontak knaalpot dengan minyak jarak dapat mengurangi waktu pemanasan awal menjadi 14.2 menit dari sebelumnya selama 26.4 menit pada saat suhu permukaan luar

knaalpot 90oC. Pengakuan:

Penelitian ini terlaksana berkat segala kemudahan yang disediakan oleh Pusat Penelitian dan Pengembangan Bahan Logam (MIDC), melalui Luky

Krisnandi, S.T., yang juga telah membantu

dengan berbagai data, saran dan pandangan hingga terselesaikannya kegiatan ini.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Addison, K. 2008. Straight vegetable

oil as diesel fuel“, dimuat di dalam

dan diunduh dari web

http://journeytoforever.org/biodiesel _svo.html. pada 6 Juni 2008.

[2] Frybrid. 2008. Diesel/Vegetable oil,

SVO / WVO (Straight vegetable oil / waste vegetable oil) Theory, dimuat

di dalam dan diunduh dari web