TUGAS AKHIR TM Ari Budi Santoso NRP : Dosen Pembimbing Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT.

TUGAS AKHIR

TM091486

Ari Budi Santoso NRP : 2106100132 Dosen Pembimbing

Dr. Bambang Sudarmanta, ST. MT. JURUSAN TEKNIK MESIN

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012

KARAKTERISASI UNJUK KERJA MESIN

DIESEL SET SISTEM DUAL FUEL

SOLAR DAN BIOGAS DENGAN

PENAMBAHAN FAN UDARA SEBAGAI

PENYUPLAI UDARA

Latar Belakang

Persediaan bahan bakar fosil

Adanya teknologi yang dapat digunakan untuk memperoleh bahan bakar renewable (terbarukan)

Adanya teknologi yang dikembangkan untuk mensubsitusi penggunaan bahan bakar fosil dengan bahan bakar renewable (terbarukan)

Rumusan Masalah

Karakterisasi unjuk kerja sistem dual fuel biogas dan solar yang diaplikasikan pada mesin diesel dengan system

pemasukan udara secara paksa oleh fan.

Mekanisme pemasukan biogas dan pemasukan udara oleh fan pada sistem dual fuel sehingga dapat diperoleh

karakterisasi unjuk kerja yang optimum.

Kondisi operasi mesin diesel melalui pengukuran temperatur gas buang, oli pelumas, dan cairan pendingin.

Batasan Masalah

Percobaan menggunakan mesin diesel 1 (satu) silinder empat langkah yang telah dimodifkasi pada bagian saluran isap untuk menyuplai biogas dan penambahan fan sebagai penyuplai udara.

Kondisi mesin diesel dalam keadaan standar. Kondisi udara dalam keadaan ideal.

Tidak membahas proses pembuatan biogas serta reaksi kimia yang terjadi.

Bahan bakar yang digunakan adalah minyak solar yang didistribusikan di pasaran dan biogas dari bahan baku kotoran sapi.

Minyak solar yang dipakai adalah minyak solar yang diproduksi oleh Pertamina dengan spesifikasi minyak solar sesuai dengan keputusan Dirjen Migas No. 113.K/72/DJM/1999 tanggal 27 Oktober 1999.

Bahan bakar solar

• Diperoleh dari destilasi pendidihan minyak mentah (crude oil) pada suhu 250 sampai 370 0_C.

• Hidrokarbon yang terdapat didalamnya terdiri dari parafin,

naphtalene, olefin, dan aromatik dengan jumlah atom karbon

Biogas

• Biogas merupakan renewable energi yang dapat dijadikan bahan bakar alternatif untuk menggantikan bahan bakar yang berasal dari fosil seperti minyak tanah, solar, dan gas alam[4].

• Biogas dihasilkan oleh proses pemecahan bahan limbah organik yang melibatkan aktivitas bakteri anaerob dalam kondisi anaerobik dalam suatu digester [4]

Mesin diesel

Mesin diesel bekerja dengan menghisap udara luar murni, kemudian dikompresikan sehingga mencapai tekanan dan temperature yang tinggi. Sesaat sebelum mencapai TMA, bahan bakar diinjeksikan dengan tekanan yang sangat tinggi dalam bentuk butiran-butiran halus dan lembut. Kemudian butiran-butiran lembut bahan bakar tersebut bercampur dengan udara bertemperatur tinggi dalam ruang bakar dan menghasilkan pembakaran.

Tahap pembakaran mesin diesel

• Ignition delay period

• Uncontrolled combustion

• Controlled combustion

Mesin dual fuel

• Merupakan mesin yang

memiliki dua sistem penyuplai bahan bakar yang berbeda.

• Dalam sistem ini bahan bakar gas disebut sebagai bahan bakar primer dan bahan bakar minyak solar disebut sebagai bahan bakar sekunder yang bertindak sebagai bahan bakar pilot [14].

Mesin dual fuel

• Merupakan mesin yang

memiliki dua sistem penyuplai bahan bakar yang berbeda.

• Dalam sistem ini bahan bakar gas disebut sebagai bahan bakar primer dan bahan bakar minyak solar disebut sebagai bahan bakar sekunder yang bertindak sebagai bahan bakar pilot [14].

Teknologi Sistem Dual-Fuel Pada

Mesin Diesel

Low Pressure Injected Gas (LPIG)

High Pressure Injected Gas (HPIG)

Combustion Air Gas Integration

Low Pressure Injected Gas (LPIG)

• Bekerja dengan melakukan injeksi gas pada saluran isap mesin pembakaran.

• Proses dilakukan pada tekanan yang cukup rendah biasanya lebih kecil dari 50 psi.

High Pressure Injected Gas (HPIG)

• Sistem ini bekerja dengan menyediakan gas langsung ke ruang bakar dengan tekanan yang sangat tinggi sekitar 3000 psi.

• Injeksi bahan bakar gas dan bahan bakar pilot dilakukan secara bersamaan ketika piston mencapai akhir langkah kompresi.

Combustion Air Gas Integration

• Model ini bekerja dengan mencampur udara-bahan bakar gas sebelum memasuki saluran isap.

• Sistem pencampuran dilakukan dengan alat yang dinamakan

Penelitian tentang dual fuel

Penelitian Bedoya, I.D

• Mengadopsi model combustion air gas integration, dengan melakukan dua jenis percobaan dual fuel biogas sebagai bahan

bakar utama dan biosolar sebagai bahan bakar pilot dengan variasi beban 40%, 50%, 70%, dan 100%.

• SM 1 : Natural Aspiration

Penelitian Rico A

• Mengadopsi Model Combustion Air Gas Integration dengan bahan bakar biogas dari kotoran sapi.

• Menggunakan motor diesel satu silinder, variabel beban.

• Menggunakan mixer berbentuk venturi sebagai pencampur bahan bakar gas dan udara.

Hasil

• Nilai specific fuel consumption (sfc) minyak solar saja mengalami penurunan dengan adanya penambahan biogas rata-rata hingga 67,89% dari kondisi berbahan bakar solar.

• Efisiensi termal (η_th) mesin pada tekanan 0.3 psi mengalami penurunan dengan penambahan biogas rata-rata sebesar 18.58%, penurunan AFR rata-rata sebesar 88.82%, serta kenaikkan temperatur cairan pendingin rata-rata sebesar 3.73%, kenaikkan temperatur minyak pelumas rata-rata sebesar 4.86% dan kenaikkan temperatur gas buang rata-rata sebesar 5.17%.

Pengujian pada kondisi standar

dengan bahan bakar minyak solar

Persiapan alat ukur

Menghidupkan mesin + Pemanasan 20 minutes

Set beban 200 – 2000 Watt ( interval 200 Watt) + Putaran mesin 1500 rpm

Waktu konsumsi minyak solar (5.024ml), (Arus & Voltase) Listrik, ∆L udara, Temperatur (gas buang, udara , oli pelumas, cairan pendingin)

Prosedur Percobaan (Dual Fuel)

Persiapan alat ukur

Pasang mixer & mixing jet Oasang fan udara

Menghidupkan mesin & pemanasan 20 menit

Set tekanan biogas di presure regulator (0.5 – 3 kgf/cm2)

Set beban 200 – 2000 Watt ( interval 200 Watt) + Putaran mesin 1500 rpm

Waktu konsumsi minyak solar (5.024ml), (Arus & Voltase) Listrik, ∆L udara & biogas, Temperatur (gas buang, udara , oli pelumas, cairan pendingin)

Mass flow biogas dan udara

P₁ ρ + V₁2 2 + gz1 = P₂ ρ + V₂2 2 + gz2 𝑉₁2 2 = 𝑃₂ 𝜌 − 𝑃1 𝜌 𝑉 = 2 𝑃2 − 𝑃1 𝜌_{𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎} 𝑚 = 𝞺𝑣𝐴

Unjuk kerja

• 𝑁𝑒 = 𝑉. 𝑖 .cos φ 746 𝑥 𝜂_{𝑔𝑒𝑛.}𝑥 η_trnsm (𝑕𝑝) • 𝑀_𝑡 = 71620 . 𝑁𝑒 𝑛 (𝑘𝑔. 𝑐𝑚) • 𝑏𝑚𝑒𝑝 = 0,456 . 𝑁𝑒 . 𝑧 𝐴 . 𝑙 .𝑛 .𝑖 (𝑘𝑔/𝑐𝑚2) • 𝑠𝑓𝑐 = 3600 . m bb 𝑁𝑒 𝑘𝑔 𝑕𝑝. 𝑗𝑎𝑚 • η_th = _{5,6145 (m} Ne

AFR

AFR =

m

udara

Flowchart pembuatan biogas

START  Studi literatur  Kotoran sapi  Digester Membersihkan digester

Mencampur dan mengaduk kotoran sapi dengan air, masing-masing 1 : 1

Memasukkan campuran kotoran sapi an air ke dalam digester

Menutup pintu masuk digester

Biogas

Flowchart percobaan

START

 Persiapan peralatan

 Aktifasi alat ukur dan kalibrasi

 Pemanasan rpm 1500

 L udara

 Pengaturan mass flow biogas

 Pengaturan mass flow rate udara standart single fiel

Pembebanan 200 W

Pencatatan kebutuhan arus listrik ( I ) dan voltase ( V )

Pencatatan waktu konsumsi bahan bakar 5.024 ml

Pencatatan Temperatur gas buang, oli, coolant, udara masuk, dan biogas

200W + n n = 200, n ≤ 2000W

 Waktu konsumsi bahan bakar 5.024 ml

 Arus listrik

 Voltase

 Temperatur gas buang, oil, cooler, udara masuk, danbiogas

 ∆L manometer

Dari percobaan ini data-data yang didapatkan dihitung, dan kemudian ditampilkan dalam bentuk grafik:

- Daya = f(beban) - Torsi = f(beban) - bmep = f(beban) - Sfc = f(beban) - η_th = f(beban) - AFR = f(beban)

- T_{gas buang} = f(beban)

- T_{minyak pelumas} = f(beban)

Grafik efisiensi thermal fungsi

Beban

Grafik Suplai Udara Blower

fungsi Tekanan Biogas

Kesimpulan

• Secara umum sistem dual fuel biogas-solar, dengan penambahan biogas sebagai bahan bakar akan mengurangi konsumsi minyak solar rata-rata 35,08%

• Nilai specific fuel consumption (sfc) sitem dual fuel mengalami peningkatan yang cukup besar rata-rata sebesar 326,95% dari nilai specific fuel

consumption (sfc) single fuel .

• Nilai specific fuel consumption (sfc) solar pada sistem dual fuel mengalami penurunan maksimal sebesar 50,72% dari nilai specific fuel consumption (sfc) solar pada sistem single fuel.

• Efisiensi thermal (η_th) mesin pada sistem dual fuel mengalami penurunan rata-rata sebesar 12,57% dari efisiensi thermal (η_th) mesin pada sistem single fuel.

• Air fuel ratio (AFR) pada sistem dual fuel mengalami penurunan rata-rata

sebesar 74,53% dari Air fuel ratio (AFR) pada sistem single fuel.

• Dengan penambahan blower, mass flowrate udara pada sistem dual fuel mengalami kenaikan rata-rata sebesar 13,56% dari nilai mass flowrate udara pada single fuel.