Alkohol merupakan salah satu dari
sekian banyak sumber energi pengganti, antara lain : tenaga air, panas
matahari, batu bara, angin, nuklir, dan lain-lain. Dalam hal ini dipilih
alkohol sebagai alternatif pengganti bahan bakar bensin premium atas
pertimbangan – pertimbangan sebagai berikut :
Ø Alkohol dengan Etanol merupakan
bahan bakar yang renewable (dapat diperbaharui dari waktu ke waktu).
Ø Sifat–sifat alkohol yang mirip
dengan gasoline sehingga masih memungkinkan masih dapat dipergunakan pada mesin
piston 4 langkah dengan melakukan sediki modifikasi yang di butuhkan.
Ø Karena alkohol dapat di produksi
dari biomass, antara lain ubi–ubian maka pemakaian alkohol sebagai bahan bakar
akan memberikan dampak lingkungan yang positif.
Bertolak dari berbagai
kepositipan dalam berbagai permasalahan di atas, maka baik didalam maupun diluar
negeri usaha-usaha penelitian yang dilaksanakan semakin mendekati saat nyata
pemakaian alkohol. Dari berbagai penelitian terdahulu tentang alkohol,
diperoleh kesimpulan tentang kemampuan suatu kendaraan berbahan bakar alkohol
adalah amat memadai, pengaruh pencemaran juga lebih ramah dibandingkan dengan
gasoline. Apalagi jika kita bandingkan terhadap bahan baku pembuat alkohol yang
tersedia berlimpah-limpah serta amat bervariasi, yang selama ini bersumber dari
energi yang kurang dimanfaatkan, seperti ketela pohon serta ubi jalar.
Salah satu penggerak mula yang banyak digunakan adalah mesin kalor.
Mesin kalor adalah mesin yang mempergunakan energi termal untuk melakukan kerja
mekanik, atau yang merubah energi termal menjadi energi mekanik. Dimana energi
itu sendiri dapat diperoleh dengan proses pembakaran, proses fisi (pemisahan)
bahan bakar nuklir dan dari proses lainnya.
Jika dilihat dari cara memperoleh energi termal, mesin kalor dibagi
menjadi dua golongan, yaitu Mesin Pembakaran Luar (External Combustion Engines)
dan Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engines).
Mesin
pembakaran luar adalah mesin dimana proses pembakarannya terjadi diluar mesin
(mesin uap, turbin uap, mesin udara panas dan turbin gas siklus tertutup).
Sedangkan mesin pembakaran dalam adalah mesin dimana proses pembakarannya
terjadi didalam mesin. Mesin pembakaran dalam sering disebut dengan nama motor
bakar. Jenis dari motor bakar ini antara lain adalah, Motor bakar torak, sistem
turbin gas, dan propulsi pancar gas.
Hubungan Antara
Rasio Kompresi dan Nilai Oktan Bahan Bakar
Ada beberapa
hal yang mempengaruhi unjuk kerja mesin bensin, antara lain besarnya
perbandingan kompresi, angka oktan bensin sebagai bahan bakar. Semakin besar perbandingan udara yang dihasilkan maka
mesin akan semakin efisien, akan tetapi semakin besar perbandingan kompresi
akan menimbulkan knocking, dalam hal ini gas baru yang belum terbakar terdesak
oleh gas yang telah terbakar, sehingga tekanan dan suhunya naik sampai
mencampuri keadaan hampir terbakar, jika pada saat ini gas tadi terbakar dengan
sendirinya, maka akan timbul ledakan (detonasi) yang menghasilkan gelombang
kejutan berupa suara ketukan (knocking) pada mesin yang berpotensi menurunkan
daya mesin, bahkan bisa menimbulkan kerusakan serius pada komponen mesin.
Untuk
mengatasi hal ini maka harus dipergunakan bahan bakar yang memiliki angka oktan
tinggi. Angka oktan pada bahan bakar mesin Otto Menunjukkan kemampuannya
menghindari terbakarnya campuran udara bahan bakar sebelum waktunya yang
menimbulkan knocking tadi. Untuk memperbaiki kualitas campuran bahan bakar dengan udara maka aliran udara dibuat
turbulen, sehingga diharapkan tingkat homogenitas campuran akan lebih baik. Mesin bensin empat langkah
menjalani satu siklus tersusun atas empat tahapan/ langkah.
Proses Pembakaran Pada Motor Bensin
Pada umumnya pembakaran didefinisikan sebagai
reaksi kimia atau reaksi persenyawaan bahan bakar dengan oksigen dengan
diikuti oleh sinar dan panas. Mekanisme
pembakaran sangat dipengaruhi oleh keadaan dari keseluruhan proses pembakaran.
Ini dikenal dengan
3 teori mengenai terbakarnya hidrokarbon tersebut.
v Hidrokarbon terbakar
bersama-sama dengan oksigen sebelum karbon bergabung dengan oksigen.
v Karbon
terbakar lebih dahulu dari pada hydrogen,
v Senyawa hidrokarbon
terlebih dahulu bergabung dengan oksigen dan membentuk senyawa (senyawa
hidroxilasi) yang kemudian dipecah secara
terbakar.
Dalam pembakaran hidrokarbon yang biasa (normal) tidak akan terjadi gelaga apabila kondisinya memungkinkan untuk
proses hidroxilasi. Hal ini hanya akan
terjadi bila percampuran pendahuluan antara bahan bakar dan udara mempunyai waktu yang cukup, sehingga
memungkinkan masuknya oksigen kedalam
molekul hidrokarbon. Bila oksigen dan hidrokarbon ini tidak bercampur dengan
baik, maka akan terjadi proses cracking dimana pada nyala akan timbul asap. Pembakaran semacam ini disebut pembakaran
tidak sempurna.
Ada dua kemungkinan yang dapat terjadi pada
pembakaran motor bensin ini yaitu:
Ø Pembakaran
normal (sempurna), dimana bahan bakar dapat terbakar seluruhnya pada saat dan keadaan yang
dikehendaki.
Ø Pembakaran tidak
normal (tidak sempurna), dimana sebagian bahan
bakar tidak ikut terbakar, atau tidak terbakar bersama-sama pada saat dan keadaan yang dikehendaki.
Pembakaran
yang tidak sempuma seperti misalnya knocking dan pre ignition memungkinkan
timbulnya gangguan dan kesukaran-kesukaran dalam motor bensin.
Seperti
telah diterangkan sebelumnya pada peristiwa pembakaran normal api menyebar
keseluruh bagian ruang bakar dengan kecepatan konstan dan fungsi berfungsi
sebagai pusat penyebaran. Dalam hal ini gas baru yang belum terbakar terdesak
oleh gas yang telah terbakar, sehingga tekanan dan suhunya naik sampai
mencampuri keadaan hampir terbakar, jika pada saat ini gas tadi terbakar dengan
sendirinya, maka akan timbul ledakan (detonasi) yang menghasilkan gelombang
kejutan berupa suara ketukan (knocking noise). Fluktuasi tekanan yang besar dan
cepat, ini terjadi pada akhir langkah pembakaran. Sebagai akibatnya tenaga
mesin akan berkurang, dan jika sering terjadi akan memperpendek umur mesin.
Hal-hal
yang menyebabkan terjadinya knocking adalah.
- Perbandingan kompresi yang
tinggi, tekanan kompresi, suhu pemasangan campuran dan suhu silinder yang
tinggi
- Masa pengapian terlalu
cepat.
- Putaran mesin rendah.
- Penempatan busi dan kontuksi
ruang bakar tidak tepat, serta jarak penyebaran api terlampau jauh.
Pembakaran
yang normal pada motor bensin adalah, dimulai pada saat terjadinya loncatan
bunga api pada busi dan membakar semua hydrogen dan oksigen yang terkandung
dalam campuran bahan bakar. Tetapi dalam pembakaran yang tidak lengkap yaitu
pembakaran yang ada kelebihan atau kekurangan oksigen atau hydrogen. Contoh
reaksi kelebihan oksigen : Cm + 3C>2 CC>2 + 62 dalam persamaan reaksi
diatas jelas ada kelebihan O2 (oksigen).
Sistem Karburator
Proses
mempersiapkan campuran udara-bahan bakar yang dilaksanakan diluar silinder
dimana sebagai proses pengkabutan. Alat yang bisa melaksanakan proses pengkabutan
disebut karburator. ( Ref. Sistem Bahan bakar )
Sebuah karburator yang baik harus secara otomatis bisa mengukur jumlah
dan menyediakan campuran udara bahan-bakar dalam perbandingan yang tepat untuk
bermacam-macam kondisi operasi. Sebap kondisi saat putaran dengan bahan kecil
akan membutuhkan campuran udara-bahan bakar yang berada dengan kondisi saat
putaran tinggi dengan beban maksimum.
Dengan perkataan lain sebuah karburator haruslah siap melayani kebutuhan
campuran udara - bahan bakar yang tepat selama mesin beroperasi.
Secara umum ada beberapa modifikasi yang harus dilakukan pada mesin
berbahan bakar alkohol, salah satunya adalah karburator. Diameter main jet
orifice menunjukan seberapa miskin atau kaya campuran yang akan masuk ruang
bakar, semakin kecil lubangnya akan semakin miskin. Karena alkohol memerlukan
campuran yang lebih kaya maka lubang
tersebut harus diperbesar. Untuk memperoleh keuntungan dari sifat anti knocking
yang dimiliki alkohol maka ignition timing harus diubah. Jika pada umumnya
mesin yang berbahan bakar bensin waktu penyalan adalah 8-100 sebelum
TMA, karena etanol memiliki bilangan oktan lebih tinggi maka ignition timing
dapat dimajukan.
Pada proses pengabutan yang sempurna, udara mengalir melewati bagian
dalam ( venturi ) karburator, yang kemudian masuk kedalam mesin, sedangkan
bahan bakar masuk melalui suatu saluran yang akhirnya berujung pada alat
penyembur di dalam karburator.
Berbagai hal yang mempengaruhi sempurnanya proses pengabutan antara lain
adalah :
a. Waktu Yang Tersedia
Lamanya waktu yang tersedia amat mempengaruhi sempurna atau tidaknya
proses pengabutan . Makin sempit waktu yang tersedia akan makin tidak sempurna
proses pengabutan yang terjadi. oleh sebab itu untuk mesin yang mempunyai
putaran kerja tinggi, sulit diharapkan proses pengabutan yang baik.
b. Temperatur Pengabutan
Kondisi udara sekitar, khususnya keadaan temperatur, tekanan dan relatif
humadity amat mempengaruhi terhadap baik buruknya karburasi.
Bila karburasi cukup tinggi akan menghasilkan karburasi yang baik. Bila
tekanan udara tinggi juga akan menghasilkan karburasi yang baik. Sedangkan bila
relatif humadity udara tingi proses karburasi cenderung lebih buruk. Demikian
juga terjadi hal yang sebaliknya.
c. Kontruksi Karburator
Faktor–faktor penentu terhadap merata atau tidaknya distribusi dan
kontinuitas campuran udara–bahan bakar yang masuk kedalam silinder pada
berbagai kondisi operasi yang berbeda–beda tergantung dari pengaturan letak
bagian demi bagian, permukaan udara–bahan bakar serta bentuk penampung lintang
dari saluran.
Apa lagi perancangan jelek akan mengakibatkan proses pengabutan yang
jelek. Tetapi bila perencanan baik akan mengakibatkan proses pengabutan yang
baik pula.
d. Kwalitas Bahan Bakar
Kwalitas bahan bakar amat mempengaruhi hasil proses pengabutan. Pada
mesin versi bensin yang mempunyai daya penguapan baik tidak akan menimbulkan
masalah. Tapi pada mesin versi gasohol dan dengan adanya kandungan air, maka
daya penguapan akan menurun, sehingga dikhawatirkan proses pengabutan gasohol
akan mengalami gangguan yang merugikan.
Pemanas
Buatan Berupa Elemen Elektrik
Pemanas
ini merupakan suatu alat yang berfungsi untuk memindahkan energi berupa energi
panas sebagai akibat adanya perbedaan suhu antara daerah-daerah
disekelilingnya. Adapun fungsi dari pemanas ini pada motor bensin empat langkah
adalah untuk menaikan koefisien perpindahan panas pada bahan bakar. Pemanas ini
dipasangkan pada sistem karburator, sehingga sebelum bahan bakar sampai pada
ruang bakar maka terlebih dahulu dipanaskan oleh pemanas ini agar lebih
memudahkan dalam proses pembakaran.
Secara umum konstruksi dari
pemanas buatan ini adalah sebagai berikut :
- Terminal
4
3
1
2- Tube (Alumunium)
Gambar 1 Pemanas Buatan
|
1
|
|
2
|
|
3
|
|
4
|
|
5
|
Keterangan :
1. : Lilitan Kawat
2. : Bahan Bakar Alkohol
3. : Pipa (Al)
4. : Keramik
5. : Bahan Isolasi (Kertas)
|
1
|
|
3
|
|
4
|
|
2
|
Gambar 2 Konstruksi Secara Umum Dari Pemanas Buatan
Keterangan :
v Pipa (Al)
v Keramik
v Kabel Tembaga
v Lilitan Kawat
Hubungan Motor Bakar
Dengan Alkohol
Pengertian Alkohol
Alkohol
merupakan turunan hidroksil dari alkana, maupun turunan dari aklil dari air. Alkohol mempunyai
satu atau lebih gugusan OH, yang menggantikan
kedudukan H pada parafin
hidrokarbon. (Ref.
Kimia 2000 Untuk SMU kelas 2 Hal : 7)
( H-OH )Air
Methil alcohol ( metanol ) serta
ethil alkohol ( etanol ) merupakan dua suku pertama dari deret alkohol yang
luas. Rumus kimia
dari metanol adalah CH3 OH dan
untuk etanol adalah C2 H5
OH
Jenis – jenis Alkohol
Berdasarkan
jenis atom karbonnya yang mengikat gugusan OH,
alkohol dibedakan atas alkohol primer, akohol sekunder, dan alkohol tersier.
A. Metanol (CH3 OH)
Metanol (CH3 OH) merupakan hasil
sitesa gas CO dan H2, dimana gas tersebut
dapat di peroleh dari ” Steam Reforming ”. Sintesa methanol dari CO dan H2 adalah dimana reaksi tergantung pada suhu dan tekanan
operasi :
Bahan baku untuk pembuatan
metanol antara lain gas alam, batu bara, kayu (serutan kayu / serbuk kayu),
serta bahan buangan yang mengandung Bagse dimana dapat dikonfersikan menjai gas
CO dan H2 ( gas sintesa ).
Sifat-sifat fisis metanol : (Ref. Kimia 2000 Untuk SMU Kelas 2 Hal: 19)
v
Merupakan larutan tak berwarna & tak berbau.
v
Merupakan racun yang kuat.
v
Titik didih
650C.
v
Titik bekuh -97,80C.
v
Mudah dipindahkan.
v
Larut dalam air.
v
Nilai kalor = 24.400 kJ/kg
Pemanfaatan Metanol
v
Merupakan bahan baku untuk pembuatan asam
asetat, protein sel tunggal, pelarut bahan kimia dan sebagainya.
v
Sebagai bahan bakar baik murni maupun dicampur.
v
Metanol mengandung 30 % berat oksigen, dimana
oksigen tesebut membentuk gugusan
hidroksil sehinga metanol bersifat semakin polar (cepat terbakar) dibandingkan dengan bahan
bakar hidrokarbon.
v
Jumlah hidrokarbon yang tidak terbakar sempurna CO lebih rendah dari pada gasolin. Hal
ini mengakibatkan berkurangnya pengotoran udara dan efek lainnya.
v
Udara pembakaran yang dibutuhkan akan menurun,
yakni untuk metanol lebih rendah dari pada gasolin.
v
Adanya sejumlah kecil air yang terbawa pada
pembakaran.
v
Dengan nilai oktan yang lebih tingi.
Etanol (C2H5 OH)
Etanol (C2H5
OH) merupakan hasil dari pada fermentasi (reaksi perubahan) beberapa
karbonhidrat yang mengandung ” Fermentable Sugar ” atau suatu polisachrida yang
dapat dihidrolisa menjadi permentable sugar.
Reaksi :
Sifat-sifat fisis Etanol : (Ref. Kimia 2000 Untuk SMU Kelas 2 Hal: 19)
v Merupakan larutan berupa zat cair
bening dan berbau khas.
v Mudah menguap dan mudah
dipindahkan.
v Tidak beracun.
v Larut dalam air.
v Titi didih 78 oC dan
Titik Cair -115 oC.
v Nilai Kalor = 23.930 kJ/kg
Bahan baku yang dapat dipakai
pembuatan etanol antara lain adalah :
tetes gula, jagung, ketela pohon, ubi jalar, jewawut, bahan buangan kertas.
Tabel 1. Perbandingan sifat panas
gasoline dan etanol
Keterangan
|
Gasolin
|
Etanol
|
Panas
laten pembakaran ( kcal / kg )
Titik didih ( 0C )
Berat oksigen ( % )
Anka oktan
Perbandingan
udara pembakaran dan bannyaknya bahan bakar
|
65
99
0
87
14,4
|
206
78o C
34,7
111
8,47
|
( www.wikipedia.com, Alkohol
Fuels)
Dengan
memperhatikan tabel tersebut diatas beberapa gambaran atas dipakainya etanol
sebagai bahan bakar adalah :
v
Nilai panas etanol kurang jika dibandingkan
terhadap gasolin, hal ini akan mengakibatkan berkurangnya tenaga yang
dihasilkan. untuk 1 liter etanol akan menghasilkan 2/3 energi dari 1 liter
gasolin. Dengan demikian teoritis diperlukan 33% lebih banyak daripada gasolin
untuk menghasilkan daya yang sama.
v
Disebabkan karena besarnya panas laten penguapan
persatuan berat etanol yang lebih tingi daripada gasolin maka akan mempersulit
star engine. Hal ini terutama terjadi pada pagi hari .
v
Sebanding dengan nilai oktan yang lebih tinggi
dari pada gasolin, untuk mengimbangi jumlah pemakaian bahan bakar spesifik yang
lebih tinggi maka perbandingan kompresi bisa lebih ditingkatkan.
v
Dengan adanya sifat–sifat kimia serta kadar air
didalam etanol maka terhadap setiap komponen fuel sistem etanol engine, perlu
diadakan pencegahan korosi .
v
Tingkat polusi yang lebih rendah dari pada
gasolin.
Pengaruh Alkohol Terhadap Performa Mesin
Yang
dimaksud dengan performance suatu mesin adalah prestasi kerja kemampuan yang
bisa ditunjukan oleh mesin yang bersangkutan.
Perfomance
suatu mesin dikatakan baik bila prestasi-prestasi kerja yang ditunjukan olehnya
adalah sesuai atau lebih baik dari pada perencanaan yang diharapkan oleh
perencananya. Dan begitu pula bila terjadi hal yang sebaliknya.
Hal-hal yang
bisa diklasifikasikan sebagai perfoma suatu mesin khususnya dalam program
pemakaian bahan bakar alkohol ini antara lain :
v
Torsi
v
Daya mesin.
v
Fuel Consumption.
v
Efisiensi Mesin.
Dalam
penelitian oleh para ahli, mesin-mesin yang diteliti adalah mesin jenis bensin.
Sehingga dengan demikian akan timbul kelainan-kelainan bila mesin-mesin
menggunakan alkohol sebagai bahan bakarnya.
Pengaruh Alkohol Terhadap Sistem Bahan Bakar
Sistem bahan
bakar pada kendaraan bermotor bensin bisa dijamin aman apa bila kendaraan
bermotor tersebut memakai bensin sebagai bahan bakarnya. Tetapi sistem tersebut
belum tentu aman apa bila memakai bahan bakar lain selain bensin.
Dengan kata
lain sistem bahan bakar bagi kendaraan bermotor versi bensin apa bila
menggunakan alkohol akan menimbulkan akibat-akibat tersendiri .
Akibat-akibat tersebut antara
lain:
A. Terjadinya Korosi
Senyawa
hirokarbon pada umumnya tidak bersikap korosif, tetapi karena adanya
senyawa-senyawa impurities seperti misalnya asam-asam organik, basa dan sulfur
bebas akan dapat menyebapkan terjadinya korosi dari elemen-elemen yang terbuat
dari logam tertentu.
Terjadinya
senyawa impurities ini adalah akibat dari proses pengilangan minyak, proses
yang tidak sempurna. Dapat juga diakibatkan oleh penyimpanan yang tidak
sempurna, jadi sebetulnya bensin mempunyai bakat untuk bersifat korosif bila mana diperlakukan tidak dengan
semestinya.
Sedangkan
metanol yang mempunyai nilai PH antra 4 ,5-5 bersifat asam. Jelas bahwa gasohol mengandung senyawa-senyawa impurites yang
berupa asam organik. Hal ini akan menyebabkan gasohol bersifat korosif terhadap
logam tertentu dan juga menyebapkan karet mudah rusak.
Agar lebih jelas kita
bandingkan sifat-sifat antara bensin dengan gasohol :
Tabel 2. Perbedaan Sifat Bensin dengan Gasohol
No
|
Keterangan
|
Unit
|
Bensin
|
Gasohol
|
1.
2.
3.
4.
|
Kadar Gum
Sulfur
Kandungan air
Kandungan
O2
|
Mg / 100 ml
% berat
% vol .
% vol .
|
Max . 4,0
Max . 0,02
nol
nol
|
6,4
0,007
1,0
8,675
|
(
www.wikipedia.com, Alkohol Fuels)
Dari daftar
perbandingan diatas tampak bahwa gasohol mempunyai kandungan air, kandungan
oksigen dan eksistensi gum yang lebih besar bila di banding dengan bensin.
Kandungan
air dan oksigen yang terdapat didalam gasohol di tambah lagi dengan sifat
higroskopis gasohol akan berakibat meningkatnya jumlah konsentrasi atom-atom
oksigen. Hal ini mengakibatkan terjadinya korosi alektrolitik dan korosi
oksidasi.
Reaksi
elektrolitik yang terjadi melibatkan korosi terhadap seng dan besi yang
termasuk oksidasi anodik.
Reaksi yang terjadi adalah :
Reaksi
diatas diikuti oleh proses pembebasan elektron. Elektron-elektron yang
terbebaskan selanjutnya akan dilihat oleh reaksi katodik pada permukaan katoda
secara satu persatu ataupun secara serempak.
Sedangkan
pada lingkungan larutan yang bersifat alkais, reaksi yang terjadi adalah reaksi
dari oksigen yang membentuk ion-ion hidroksil.
Reaksi :
Sedangkan
dalam keadaan yang normal akan terjdi reduksi dari ion-ion hidrogen menjadi gas
hidrogen.
Reaksi :
Dengan
demikian terlihat bahwa seng, besi serta unsur-unsur yang lain menimbulkan
hasil korosi yang tidak larut didalam bahan bakar. Tetapi karena gasohol
bersifat asam, maka reaksi-reasi yang terjadi hanyalah reaksi a , b , dan d
saja.
Reaksi
oksidasi yang terjadi adalah akibat kandungan oksigen dalam gasohol yang
cendrung aktif mengoksidasi bahan logam dari komponen-komponen sistem bahan
bakar.
Reaksi yang terjadi adalah :
Konsep Dasar Perpindahan Panas
Perpindahan panas dapat
didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara
daerah-daerah tersebut. Selain itu
perpindahan panas terdiri dari beberapa proses, yaitu proses dalam keadaan stedi dan tak stedi. Proses stedi
adalah bila laju aliran panas dalam suatu sistem tidak berubah dengan
waktu, yaitu bila laju itu konstan, maka suhu dititik
manapun lidak berubah. Dengan kondisi stedi, kecepatan masuk panas pada titik
manapun harus tetap sama dengan kecepatan keluar, dan jika terdapat atau terjadi perubahan energi dalam contohnya adalah
pendinginan bola lampu listrik dengan udara sekitar, atau perpindahan
panas dari fluida yang panas ke fluida yang
dingin didalam penukar panas. Sedangkan yang dimaksud dengan proses tak stedi
bila suhu diberbagai titik dari sistem tersebut berubah dengan waktu. Karena
perubahan suhu menunjukkan perubahan energi dalam, kita berkesimpulan bahwa penyimpanan energi bagian yang tidak terpisahkan
dari aliran proses tak stedi.
Kepustakaan perpindahan panas pada umumnya mengenal tiga cara
perpindahan panas yang berbeda : konduksi ( conduction, juga dikenal
dengan istilah hantaran ), radiasi ( radiation
) dan konveksi ( convection ).
Konduksi adalah proses dimana
panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah
didalam suatu medium ( padat, cair, gas ) atau
antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Dalam
aliran perpindahan panas secara konduksi, perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul yang cukup besar. Menurut
teori kinetic, suhu elemen zat sebanding dengan energi kinetic rata-rata
molekul yang mcmbentuk elemen itu.
Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat yang disebabkan oleh
kecepatan dan posisi relatif molekul-molekulnya disebut energi dalam. Jadi,
semakin cepat molekul-molekul bergerak, semakin tinggi suhu maupun energi dalam
elemen zat tersebut.
Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang
bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah tanpa melalui zat
perantara, kalor juga dapat berpindah melalui daerah-daerah hampa. Panas
radiasi dipancarkan oleh suatu benda dalam bentuk kumpulan energi yang terbatas
atau kuanta. Gerakan panas radiasi didalam ruangan mirip perambatan cahaya dan
dapat diuraikan dengan teori gelombang. Bila gelombang radiasi menjumpai benda
yang lain, maka energinya diserap dan dikekal oleh permukaan benda tersebut.
Perpindahan panas secara radiasi semakin pcnting dalam meningkatkan suhu suatu
benda.
Konveksi adalah proses perpindahan energi dengan kerja gabungan dari
kunduksi panas, penyimpanan energi dan gerakkan mencampur perpindahan panas
dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida
sekitarya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akan mengalir secara
konduksi dari permukaan partikel-partikel fluida yang terbatas. Energi
berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam
partikel-partikel fluida. Kemungkinan partikel-partikel fluida tersebut akan
bergerak ke daerah yang bersuhu lebih rendah didalam fluida dimana mereka akan
bercampur, dan memindahkan sebagian energinya kepada partikel-partikel lainnya.
Perpindahan
pada konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas dan konveksi paksa menurut
cara pergerakkan alirannya. Maka bila gerakkan mencampur berlangsung
semata-mata sebagai akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh
gradient suhu disebut dengan konveksi bebas. Dan bila gerakan mencampur
disebabkan oleh suatu alat dari luar, seperti pompa, kipas, maka prosesnya
disebut konveksi paksa.
Koefisien Perpindahan
Panas
Metode
perhitungan perpindahan panas secara konveksi khususnya cara-cara mencari nilai
koefisien perpindahan panasnya dalam hal masalah perpindahan panas konveksi
diperlukan analisis dinamika fluida tersebut.
Sebelum menelaah lebih
jauh terlebih dahulu harus memahami dan menentukan angka Reynolds terlebih
dahulu. Penentuan angka Reynolds ini bertujuan untuk dapat memastikan apakah
aliran fluida dalam pipa / tabung tersebut laminar atau turbulen.
Angka Reynolds digunakan
sebagai kriteria untuk menunjukan apakah aliran dalam tabung atau pipa tersebut
itu laminar atau turbulen. Untuk
Red =
>
2300 ( Ref. Perpindahan Kalor J.P. Holman Hal : 195 )
Aliran itu biasanya turbulen.
Sekali lagi pada daerah
transisi terdapat suatu jangkau angka Reynolds, yang bergantung dari kekerasan
pipa dan kehalusan aliran. Jangkau transisi yang biasanya di gunakan adalah :
2000 < Red
< 4000 ( Ref. Perpindahan Kalor J.P. Holman Hal : 195 )
Walaupun dalam kondisi yang dikendalikan ketat
dalam laboratorium aliran laminar masih bisa didapatkan pada angka Reynolds
25.000.
Hubungan Kontinuitas untuk aliran satu dimensi dalam tabung ialah :
m = ρumA ( Ref. Perpindahan Kalor J.P. Holman Hal : 195 )
Dimana :
m = Laju aliran massa (kg/s)
μm =
Kecepatan rata-rata (m/s)
A = Luas penampang (m2)
Untuk Kecepatan Rata-rata μm dimana
panjang jarak yang dilalui pada selang bahan bakar dibagi dengan waktu yang
dibutuhkan oleh bahan bakar tersebut. Maka :
μm =
=
Kecepatan massa didefinisikan sebagai berikut :
Kecepatan
Massa = G =
= ρum
Sehingga angka Reynolds dapat dituliskan sebagai berikut :
Red
=
atau
Red =
Untuk menentukan Laju aliran massa dapat digunakan :
m = ρ
kg/s ( Ref. Perpindahan Kalor
J.P. Holman Hal : 260 )
Dimana :
ρ = masa jenis bahan
bakar (kg/m3)
d = diameter tabung (m)
μm =
Kecepatan rata-rata (m/s)
Untuk dapat menentukan berapa laju perpindahan
panas pada bahan bakar yang keluar setelah melewati pemanas buatan dapat
diketahui berdasarkan rumus sebagai berikut :
Pada suhu dinding luar dapat diketahui suhu yang keluar
q = mCp(Tb2 – Tb1) J/s ( Ref. Perpindahan Kalor J.P. Holman Hal : 260 )
Dimana :
M = Laju
aliran massa (kg/s)
Cp = Koefisien perpindahan panas karena tekanan
(kJ/kg.K)
Tb2 = Suhu Alkohol setelah melewati pemanas ( oC
)
Tb1 = Suhu Alkohol sebelum melewati pemanas ( oC
)
Berdasarkan persamaan aliran yang telah diketahui didapat :
Nud = 0,023
Red0,8Pr0,4 ( Ref. Perpindahan Kalor J.P. Holman Hal : 234 )
Untuk dapat menentukan koefisien perpindahan
panas konveksi secara paksa berdasarkan aliran yang telah diketahui dapat
menggunakan rumus :
h =
W/m2.K ( Ref. Perpindahan Kalor
J.P. Holman Hal : 260 )
Dimana :
k = Konstanta ( W/m/K)
Pr = Bilangan Prandtl
Parameter Yang Mempengaruhi Kemampuan mesin
Yang dimaksud
dengan kemampuan mesin adalah prestasi dari suatu mesin yang erat hubungannya
dengan daya mesin yang dihasilkan serta daya guna dari mesin tersebut. Ada
beberapa parameter yang mempengaruhi kemampuan mesin yang dapat diperincikan
sebagai berikut :
Torsi (T)
Proses pembakaran di dalam
silinder akan menimbulkan tekanan terhadap torak. Akibat adanya tekanan pada
torak sehingga menimbulkan gaya yang akan di teruskan ke batang torak yang akan
mengakibatkan timbulnya tenaga putar pada engkol yang di sebut sebagai torsi.
Torsi dapat di hitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
T
= F . r ( Ref. Motor Bensin Hal : 21 )
Dimana:
T = Torsi (Nm)
F = Beban Dynamometer (N)
r = Lengan Dynamometer (m)
Daya Poros
Power atau Daya
yang diberikan oleh poros penggerak dikenal dengan BHP ( Brake Horse Power )
atau pun Ne. Daya ini biasanya diukur dengan beberapa macam
dinamometer seperti dinamometer listrik dan dinamometer hydraulik. Daya Poros
biasanya diukur dengan menentukan reaksi dinamometer dan memakai rumus berikut
:
Ne =
(Ref. Motor Diesel
Putaran Tinggi Hal : 24)
Dimana :
Ne = Daya Poros (kW)
n =
Putaran mesin (rpm)
T = Torsi (Nm)
Konsumsi Bahan Bakar (Fc)
Pemakaian bahan bakar di
definisikan sebagai jumlah penggunaan bahan bakar persatuan waktu dalam kg/jam.
Dalam pengujian ini di gunakan gelas ukur dengan volume 10 cc dan alat pencatat
waktu untuk mengukur pemakaian bahan bakar tiap 5 cc bahan bakar dalam proses
pengujian.
Fc =
(Ref. Motor Diesel
Putaran Tinggi Hal : 24)
Dimana:
Fc = Konsumsi bahan bakar (kg/jam)
Vb
= Volume pemakaian bahan bakar (m
)
t
= Waktu pemakaian bahan bakar (dtk)
Pemakaian Bahan Bakar Spesifik
Pemakaian bahan
bakar spesifik merupakan parameter yang berhubungan erat efisiensi thermal
motor. Pemakaian bahan bakar spesifik ini didefinisikan sebagai banyaknya bahan
bakar yang terpakai setiap jam untuk menghasilkan setiap kW dari daya motor.
Untuk mengetahui
pemakaian bahan bakar dari motor perlu terlebih dahulu menghitung besarnya
Spesific Fuel Consumtion :
Dimana :
SFC =
Pemakaian bahan bakar spesifik (kg/jam.kW)
Fc = Konsumsi bahan bakar (m3/jam)
Ne = Daya poros (kW)
Efisiensi Termal
Efisiensi Termal merupakan
perbandingan antara daya yang dihasilkan terhadap jumlah pemakaian bahan bakar
untuk waktu tertentu.
Dimana:
Ne = Daya poros (kW)
Fc =
Konsumsi bahan bakar (kg/jam)
LHV
= Nilai kalor bawah bahan bakar (20930 kJ/kg)
Perhitungan Koefisien Perpindahan Panas Pada Bahan Bakar
A. Perhitungan Menggunakan Bahan Bakar Etanol
1. Menentukan Laju Massa aliran
m = ρ
Dimana :
ρ = 800 kg/m3 t = 68
detik
d = 30 mm = 0,03 m s = 15
cm = 0,15 m
μm =
=
=
0,0022 m/s
Maka :
m = ρ
=
800 x
kg/s
= 0,0012
kg/s
2. Kecepatan Massa Aliran
G =
= ρum
Dimana :
m = 0,0012 kg/s
A =
= 0,0007065 m2
Maka :
G =
G =
kg/s.m2
G = 1,7 kg/s.m2
3. Sehingga angka Reynolds didapat
Dimana :
μ = 260,4 x 105
kg/m.s
Maka :
Red =
Red =
Red = 1,96 x
10-9 - Maka alirannya adalah
Laminar
4. Koefisien Perpindahan Panas
Nud = 0,023
Red0,8Pr0,4
Dimana :
Pr = 38,1
k = 0,17 W/m.oC
Red = 1,96 x
10-9
Nud = 0,023
Red0,8Pr0,4
= 0,023 x (1,96 x 10-9)0,8
x (38,1)0,4
= 1,07 x 10-8
Maka:
h =
h =
x 1,07
x 10-8 W/m2.oC
h = 6,06 x 10-8
W/m2.oC
5. Laju Perpindahan panas Bahan Bakar
q = mCp(Tb2 – Tb1)
Dimana :
h = 6,06 x 10-8 W/m2.oC Tb1 = 28 oC
d = 0,007 m Tb2
= 36 oC
m = 0,0012 kg/s Cp = 2,39 kJ/kg.oC
Maka :
q = mCp(Tb2
– Tb1)
q = 0,0012 kg/s x 2,39 kJ/kg.oC
(36-28)oC
q = 0,023 kJ/s
Perhitungan Menggunakan Bahan Bakar Metanol
1. Menentukan Laju Massa aliran
m = ρ
Dimana :
ρ = 786,6 kg/m3 t = 53
detik
d = 30 mm = 0,03 m s = 15
cm = 0,15 m
μm =
=
=
0,0028 m/s
Maka :
m = ρ
=
786,6 x
kg/s
= 0,00156
kg/s
2. Kecepatan Massa Aliran
G =
= ρum
Dimana :
m = 0,00156 kg/s
A =
= 0,0007065 m2
Maka :
G =
G =
kg/s.m2
G = 2,21 kg/s.m2
3. Sehingga angka Reynolds didapat
Dimana :
μ = 260,4 x 105
kg/m.s
Maka :
Red =
Red =
Red = 2,55 x
10-9 - Maka alirannya adalah
Laminar
4. Koefisien Perpindahan Panas
Nud = 0,023
Red0,8Pr0,4
Dimana :
Pr = 38,1
k = 0,17 W/m.oC
Red = 2,55 x
10-9
Nud = 0,023
Red0,8Pr0,4
= 0,023 x (2,55 x 10-9)0,8
x (38,1)0,4
= 1,32 10-8
Maka:
h =
h =
x 1,32
10-8 W/m2.oC
h = 7,48 x 10-8
W/m2.oC
5. Laju Perpindahan panas Bahan Bakar
q = mCp(Tb2 – Tb1)
Dimana :
h = 7,48 x 10-8 W/m2.oC Tb1 = 28 oC
d = 0,007 m Tb2
= 36 oC
m = 0,00156 kg/s Cp
= 2,39 kJ/kg.oC
Maka :
q = mCp(Tb2
– Tb1)
q = 0,00156 kg/s x 2,39 kJ/kg.oC
(36-28)oC
q = 0,0298 kJ/s
Perhitungan Performa Mesin
A. Menggunakan Bahan Bakar Etanol
Jenis mesin : Honda Astrea Legenda
Kapasitas : 97,1 cc
Bahan bakar : Alkohol
Putaran : 3000 rpm
Pemakaian bahan bakar per-5 ml :
68 detik
Data-data diatas maka dapat
dihitung sebagai berikut :
1. Momen Torsi (Mt)
Mt
= F . r
Dimana:
r = 30 cm = 0,3 m
F
= m . g
= 2,5
kg x 9,8 m/s2
Maka :
Mt = ( 2,5 kg x 9,8 m/s2
) x 0,3 m
=
7,35 Nm
2.
Daya Poros
Dimana :
n = 3000
rpm
Mt = 7,35 Nm
Maka :
BHP =
BHP =
kW
BHP = 2,3 kW
3. Konsumsi Bahan Bakar (Fc)
Fc =
Dimana:
Vb = 0,005 m3
t
= 68 detik
Maka :
Fc
=
=
x
800 x
kg/jam
= 0,21 kg/jam
4. Pemakaian Bahan Bakar Spesifik SFC
Dimana ;
Fc = 0,21 kg/jam
BHP =
2,3 kW
Maka :
SFC =
=
=
0,09 kg/kW.jam
5.
Efisiensi Termal
Dimana:
BHP = 2,3 kW
Fc = 0,2 kg/jam
LHV = 20930 kj/kg
Maka :
ηth
=
x 100 %
ηth
= 1,88 %
B. Menggunakan Bahan Bakar Metanol
Jenis mesin : Honda Astrea Legenda
Kapasitas : 97,1 cc
Bahan bakar : Alkohol
Putaran : 3000 rpm
Pemakaian bahan bakar per-5 ml :
53 detik
Data-data diatas maka dapat
dihitung sebagai berikut :
1. Momen Torsi (Mt)
Mt
= F . r
Dimana:
r = 30 cm = 0,3 m
F
= m . g
= 3
kg x 9,8 m/s2
Maka :
Mt = ( 3 kg x 9,8 m/s2
) x 0,3 m
=
8,82 Nm
2.
Daya Poros
Dimana ;
n = 3000
rpm
Mt = 8,82 Nm
Maka :
BHP =
BHP =
kW
BHP = 2,76 kW
3. Konsumsi Bahan Bakar (Fc)
Fc =
Dimana:
Vb = 0,005 m3
t
= 53 detik
Maka :
Fc
=
=
x
786,6 x
kg/jam
= 0,27 kg/jam
4. Pemakaian Bahan Bakar Spesifik SFC
Dimana ;
Fc = 0,27 kg/jam
BHP =
2,76 kW
Maka :
SFC =
=
=
0,1 kg/kW.jam
5.
Efisiensi Termal
Dimana:
BHP = 2,76 kW
Fc = 0,27 kg/jam
LHV = 24400 kj/kg
Maka :
ηth
=
x 100 %
ηth
= 1,51 %
Daftar Pustaka
1. J. D. Anderson.
Modern Compressible Flow with Historical Perspective. 3rd ed. New York:
McGraw-Hill, 2003.
2. Y. A. Çengel and
J. M. Cimbala. Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications. New York:
McGraw-Hill, 2006.
3. H. Cohen, G. F.
C. Rogers, and H. I. H. Saravanamuttoo. Gas Turbine Theory. 3rd ed. New
York:Wiley, 1987.
4.W.J.Devenport.CompressibleAerodynamicCallculator,http://www.aoe.vt.edu/~devenpor/aoe3114/calc.html.
5. R. W. Fox and A.
T. McDonald. Introduction to Fluid Mechanics. 5th ed. New York:Wiley, 1999.
6. H. Liepmann and
A. Roshko. Elements of Gas Dynamics.Dover Publications, Mineola, NY, 2001.
7. C. E. Mackey,
responsible NACA officer and curator.Equations, Tables, and Charts for
Compressible Flow.NACA Report 1135,
http://naca.larc.nasa.gov/reports/1953/naca-report-1135/.
8. A. H. Shapiro.
The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow. vol. 1. New York:
Ronald Press Company, 1953.
9. P. A. Thompson.
Compressible-Fluid Dynamics. New York: McGraw-Hill, 1972.
10. United
Technologies Corporation. The Aircraft Gas Turbine and Its Operation. 1982.
11. Van Dyke, 1982.
12. F. M. White.
Fluid Mechanics. 5th ed. New York: McGraw-Hill, 2003.