Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No. 1, April 2014 ISSN

Transkripsi

1 Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No., April 04 ISSN PEMANFAATAN GAS BUANG MOTOR DIESEL DAN PROSES PERPINDAHAN PANAS PADA DESTILATOR AIR LAUT Daniel Parenden, Peter Sahupala Dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas TeknikUniversitas Musamus ABSTRAK Tujuan yang ingin dicapai pada penelitian ini adalah mengetahui seberapa besar proses perpindahan panas yang terjadi padadestilator denganpemanfaatan panas gas buang.penelitian dilakukan Laboratorium Universitas Musamus Merauke, dengan menggunakan metode pengujian. Adapun data-data yang diambil adalah Temperatur air pada bagian-bagian destilator maupun temperatur gas pada dinding pipa exaust manifold. Pengujian menggunakan motor Diesel selinder tungga dengan daya 8,5 HP dan putaran motor adalah 600 rpm.hasil dan kisimpulan menunjukkan bahwa Putaran motor 600 rpm, temperatur air mulai konstan pada menit 90 yaitu 80 o C begitu juga temperatur permukaan pipa yaitu 80 o C, pada kondisi tersebut temperatur gas buang 7 o C dan temperatur air 60 o C dicapai dengan waktu 80 menit temperatur gas buang yang keluar dari destilator akan berada pada temperatur 60 o C. Kalor hasil pembakaran adalah sebesar 3,4 kj dan laju alir massa gas buang adalah sebesar 0,0443 kg/s. Koefisien s perpindahan pada pada bagian luar pipa adalah,5447 W m, sedangkan perpindahan panas menyeluruh adalah,04 W/m. o C. Penelitian destilasi air laut dengan memanfaatkan panas gas buang mesin Diesel dengan luas destilator 0, m. Kata kunci : Destilator, Perpindahan Panas, Motor Diesel o C PENDAHULUAN Air bersih merupakan masalah yang dihadapi masyarakat disebabkan karena daerah pemukiman penduduk yang memiliki kondisi yang berbeda-beda. Bagi masyarakat yang berada pada daerah yang banyak terdapat sumber air bersih dan air tawar, bukanlah suatu masalah. Hal ini jauh berbeda jika dibandingkan dengan masyarakat yang bermukim pada daerah-daerah yang terletak di pulau-pulau kecil, daerah pesisir pantai. Hal serupa juga dialami oleh para nelayan di samping daerah-daerah tujuan mereka mendapat persoalan seperti di atas, juga masalah dalam mengangkut air tawar dari darat yang mereka gunakan sehingga air yang dipersiapkan juga terbatas. Solusi yang akan diupayakan adalah destilasi atau penyulingan airlaut menjadi air tawar dengan memanfaatkan energi panas gas buang mesin yang selama ini belum dimanfaatkan. Destilasi pemanfaatan panas gas buang mesin kapal nelayan untuk mengubah fase cair menjadi faseuap air dan fase uap menjadi air tawar. 38

2 Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No., April 04 ISSN Penguapan merupakan suatuproses yang terjadi pada permukaan fluida (surface phenomena), dapat terjadi pada tekanan uap jenuh lebih kecil dari tekanan udara luar dantemperatur fluida dibawah temperatur didih. Jika temperatur fluidamencapai temperatur 00 o C pada tekanan standar atm yang dikenal dengan proses pendidihan maka proses penguapan akanterjadi pada bagian volume fluida sehingga prosespenguapan terjadi lebih cepat BAHAN DAN METODOLOGI Tempat Dan Waktu Pembuatan dan pengujian alat destilasi serta pengambilan data dilakukan pada Laboratorium Teknik Mesin Universitas Musamus Merauke, pada bulan Juli 03. Penelitian dilakukan dengan mencatat data-data teknis berupa temperatur tiap-tiap bagian destilator permukaan yang telah ditentukan. Pengolahan Data, Analisis data berupa perhitungan prestasi motor Diesel dan perhitungan perpindahan panas. HASIL DAN PEMBAHASAN Perhitungan Thermodinamika Motor Diesel Siklus motor Diesel yang terdiri atas langkah pengisian udara dalam silinder, langkah kompresi, langkah usaha/ekspansi dan langkah buang. Siklus tersebut dapat dihitung dengan menggunakan perhitungan termodinamika untuk mengetahui prestasi dari motor. a. Langkah Pengisian b. To Tw rr. Tr Ta r 0 ; K To = Temperatur udara luar,30 0 K Tw = Kenaikan temperatur udara akibat persinggungan panas dengan dinding silinder besarnya antara (0 0 C 0 0 C) diambil 0 0 C r = koefisien gas residu (0,03 0,04) diambil 0,035 Tr = Temperatur gas residu = K Maka : 300 0, Ta 0,035 Ta = 37,5 0 K Ta mempunyai batas ( K) Jadi Ta = 37,87 0 K memenuhi syarat. Randemen pengisian (ch) didapat; ch Pa = 0,85 atm. Pa. To 0 ; K. Psup( To tw ( rxtr)) =Perbandingan kompresi = Tekanan awal kompresi 39

3 Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No., April 04 ISSN To =Temperatur udara luar = 30 0 K tw = 0 C r =0,035 Tr =750 0 K maka : nilai ruas kiri dan ruas kanan sama maka didapat nilai n =, bukti antara ruas kiri dan kanan bernilai sama : 5, Sehingga tekanan akhir langkah kompresi didapat : ch 7,8.0, ,5.(300 0,035x800)) = 0,7996 = 80% b. Akhir langkah kompresi Tekanan dan temperatur akhir langkah kompresi dapat dihitung berdasarkan persamaan.3 yaitu garis lengkung politropi kompresi yatitu : Pc = Pa. n ; atm Pa=,875 atm =6 n=... Nilai n dapat dicari dengan menggunakan persamaan : A B.Ta.( n-,985 ) n- A = 4,6 B = 0,00053 A dan B merupakan koefisien yang didapat dari eksperimen. n=eksponen politropi (range antara,34,39) dengan menggunakan sistem trial and error pada persamaan di atas hingga Pc =,875. 7,5, = 47,06atm Temperatur pada akhir langkah kompresi (Tc) Tc = Ta. n ; 0 K = 37,87. 7,5, = 96,0 0 K c. Perhitungan Proses Pembakaran Faktor Peningkatan Tekanan () Pz Pc Pz=Tekanan pembakaran gas maksimum (untuk motor putaran tinggi 70 0 atm) diambil 70 atm Pc = Tekanan akhir kompresi = 47,06atm 70 =,487 47,06 Jumlah molekul udara teoritis yang diperlukan untuk pembakaran yang sempurna kg bahan bakar dapat dicari dengan persamaan : 40

4 Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No., April 04 ISSN b.b C H O Lo' - ; mol/kg 0, 4 3 C = Kandungan karbon dalam bahan bakar = 85 % H = Kandungan hidrogen dalam bahan bakar = 4 % O = Kandungan oksigen dalam bahan bakar = % Lo' b.b 0, 0,85 = 0,505 mol/kg b.b 0,4 0,0 - ;mol/kg 4 3 Jumlah molekul udara yang sebenarnya dibutuhkan untuk pembakaran sempurna kg bahan bakar. L =. Lo ; mol/kg b.b = Koefisien udara lebih (,3,7) diambil,3. sehingga didapat : L =,3 x 0, = 0,6534 mol/kg b.b Komposisi gas-gas hasil pembakaran, Banyaknya gas-gas hasil pembakaran sempurna kg bahan bakar adalah sebagai berikut : Mg= M CO + M HO + M O + M N. Carbon dioksida (CO) 0,85 CO ; M CO. Uap air (HO) 0, mol/kg b.b 0,4 HO ; M HO 0,07 mol/kg b.b 3. 4 Oksigen (O) O ; M O 4. Nitrogen (N) 0, ( -) Lo' 0, (,3 -). 0,505 N ; M N 0, ,79.. Lo' 0,56047 mol/kg b.b 0,79.,5. 0, mol/kg b.b Jadi jumlah seluruh gas-gas hasil pembakaran kg bahan bakar adalah : Mg = M CO + M HO + M O + M N = 0, , , ,597008= 0, mol/kg b.b Volume relatif untuk tiap gas hasil pembakaran : V CO M CO M 0, , g M H O V H O M V V O N 0,07 0, g M O M 0, , g M N M 0, , g 0,0875 0,0655 0, , Nilai panas jenis molekul dari gas-gas pada volume konstan ( MCv)g; Nilai ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus ; 4

5 Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No., April 04 ISSN (MCv)g = Ag + Bg. Tz ; kcal/mol 0 C Ag =VCO.ACO+VHO.AHO+ VO.AO +VN.AN Bg =VCO.BCO+VHO.BHO+O.BO +VN.BN Dengan hubungan empiris yang mendekati nilai-nilai panas jenis molekul isokhorik dari gas-gas yang terdapat dalam gas-gas hasil pembakaran adalah sebagai berikut : Untuk temperatur gas dari 0 0 hingga T 0 K ACO = 7,8 ; BCO =5 x 0-5 AHO = 5,79 ; BHO = x 0-5 AN, O = 4,6 ; BN, O = 53 x 0-5 Ag =VCO.ACO + VHO.AHO + VO.AO +VN.AN Ag =(0,0875.7,)+(0,0655.5,79)+ 0, ,6)+(0, ,6) =5, Bg =VCO.BCO + VHO.BHO + VO.BO +VN.BN =(0, ,005)+( 0, ,00)+(0, ,00053)+( 0, ,00053) = 5,6 x 0-4 maka didapat : (MCv)g = 5, (5,6 x 0-4 ) Tz ; kcal/mol Nilai panas jenis dari gas-gas pada tekanan konstan (MCp)g : (MCp)g = (MCv)g +,985 ; kcal/mol 0 C =5, (5,6 x 0-4 ) Tz +,985 = 6, (5,6 x 0-4 ) Tz Nilai panas jenis molekul udara pada volume konstan dan temperatur Tc. (MCv)a =Aa + Ba. Tc ; kcal/mol =4,6 + 0, ,0 =5,99 kcal/mol Koefisien dari perubahan molekul yang menyebabkan gas bekas (µ) 0 r r µ0 = koefisien kimia dari perubahan molekul selama pembakaran. Mg 0, L 0, ', Maka didapat :, ,035 0, ,035 Temperatur pembakaran maksimum (Tz) Tz ditentukan dengan menggunakan persamaan : z. HL.L0 '(r) (MCv)g,985 x Tc (MCp)gx Tz LHV =Nilai kalor bahan bakar = 0000 kcal/kg ξz= Koefisienpenggunaan panas (0,65 0,85)diambil 0,75 λ = Tingkat kenaikan tekanan =,487 4

6 Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No., April 04 ISSN L = Jumlah udara yang dibutuhkan = 0,6534 MCv = 5,99 kcal/mol MCp=6, (5,6 x 0-4 ) Tz =, Tc= 96,0 0 K Maka diperoleh : 0, ,99 (,985 x,487) 96,0,3.0,6534 ( 0,035),054059(6, (5,6 x 0-4) Tz ) x Tz 7775,30 = 6,887 Tz + 0, Tz 0, Tz + 6,887 Tz ,30 = 0 dari persamaan di atas Tz dapat dicari dengan menggunakan rumus abc - b Tz maka : b - 4ac a - 6,887 Tz Tz = 56,873 K a =0, b=6,887 c = 7775,30 6,887-4.(0, x 7775,30) x0, a. Perhitungan Proses Ekspansi Perhitungan derajat ekspansi pendahuluan ().Tz.Tc =Koefisien dari perubahan molekul yang menyebabkan gas bekas = 0, = Faktor peningkatan tekanan =,487 sehingga didapat :, x 56,873,487 x 96,0 0,960 Perhitungan derajat ekspansi susulan () = Perbandingan kompresi = 7,5 sehingga didapat : 7,5 0,960 8,8985 Perhitungan tekanan gas pada akhir ekspansi (Pb) Pb Pz n Pz = Tekanan pembakaran maksimum = 70 atm n = Eksponen politropik ekspansi) yang dihitung dengan menggunakan persaamaan : Ag,985 Bg. Tz( ) n- n - Ag= 5, Bg= 5,6 x 0-4 Tz= 56,873 0 K dengan menggunakan sistem trial and error sampai ruas kanan dan kiri identik maka didapat nilai 5, dengan 43

7 Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No., April 04 ISSN n =, Sehingga didapat : 70 Pb 8,8985, kg/cm, Temperatur gas pada akhir ekspansi (Tb) Tz Tb n- Dengan ; TZ =Temperatur pembakaran maksimum =56,873 0 K sehingga didapat : 56,873 Tb =, , ,557 0 K b. Tekanan indikator (Pi), Tekanan efektif (Pe) dan Daya Efektif (Ne) Tekanan indikator (Pi) Nilai tekanan indikator teoritis (Pit) Pit Pc. ( -) (- ) - (- ) n- n- - n - n- Pc= Tekanan akhir langkah kompresi = 47,06atm = Ekspansi susulan = 8,8985 = Tingkat kenaikan tekanan =,487 = Ekspansi pendahuluan =,960 = Perbandingan kompresi = 7,5 n= Eksponen politropik ekspansi =, n= Eksponen politropik kompresi =, sehingga didapat : 47,06 Pit 7,5 - N i =,487. 0,960,487(,960 -), (- ), , ,5 = 5,45 atm Tekanan indikator (Pi) Pi =. Pit (- ), ,8985 =, x 5,45 = 5,4946 atm Daya indikaor N i = P ix V h x i x n p 60 x z 5,4946 x (035 N m)x (6,943 x 0 4 m 3 )x x x N i = 897,747 Nm s N i =, kw N i = 5,9554 hp Tekanan indikasi rata-rata Untuk menghitung tekanan efektif motor (Pe) digunakan persamaan : Pef = Pi x ηm ηm = untuk motor dengan turbocharger adalah 0,78 0,83. diambil 0,80 Pef = 5,4946 x 0,80 Pef = 4,3356 atm Daya efektif mesin nilai - 44

8 Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No., April 04 ISSN N e = P efx V h x i x n p 60 x z N e = 4,3356 x (035 N m)x (6,943 x 0 4 m 3 )x x x Ne = 6608,533 Nm/s Ne = 6, kw Ne = 8,86 hp Pemakaian Bahan Bakar Efektif Spesifik Fi= Fi = 38,4. ch.. Po '. LO.To.Pi 38,4.0,80.,3.0, ,4946 Fi = 0,3903 kg/hp.jam Komsumsi bahan bakar spesifik F e = F i η m F e 0,3903 0,80 0,9879 Jumlah kalor hasil pembakaran Qh = Fh x LHV Dari hasil pengukuran saat pengujian (kg/hp.jam) diperoleh Fh (komsumsi bahan bakar per jam adalah,375 liter/jam atau sama dengan Q h =,00 kg/jam.,00 x Q h = 3,056 kcal s Q h = 3,4 kj s Laju aliran massa gas buang m g = (μ o + Δ sc ) x ( F e x N e x L x m a ) 3600 m g = (, ,5) x ( m a = 0,0443 kg/s 4. Gas Buang Dalam Pipa Destilator a. Temperatur borongan gas buang T g = (T g + T g o) ( ) T g = Tg = 38 o C b. Temperatur film gas buang T f = Tf = 0 o C (38 + 8) 0,9879 x 8,5 x 0,6534x 4 ) 3600 c. Gas uang yang merupakan karbon dioksida (CO) yang mempunyai sifat-sifat fisik pada temperatur Tf = 0 o C ditenukan dengan interpolasi linier antara lain : ρ = 0,08794 lbm/ft 3 =,40848 kg/cm 3 cp= 0,6 Btu/lbm. o F = 0, kj/kg. o C μ=,49754 x 0-6 lbm/ft.sec = 8,5984 x 0-6 kg/m-s vt= 4,30 ft /sec = 33,039 m /s k=0, Btu/hr-ft. o F = 0,0389 W/m-K Pr= 0,74378 d. Laju aliran massa gas buang 45

9 Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No., April 04 ISSN m g = ρu m A i Dimana luas penampang A dihitung sebagai berikut : A = 3,4 4 (0,0490) A = 0,00885 m Kecepatan gas buang untuk motor putaran tinggi dengan putaran 000 rpm keatas berkisar antara m/s. m g = (,40848 )(35)(0,00885) m g = 0,09909 kg/s e. Bilangan Reynolds R e = G. d i μ Dengan kecepatan massa gas buang adalah sebagai berikut G = m g = 0,09909 A i 0,00885 Sehinga diperoleh : R e = = 49,8868 kg s. m (49,8868). (0,0490) 8,5984 x 0 6 = 9857,693 Bilangan Nusselt untuk konveksi paksa aliran turbulen dalam pipa ditentukan dengan persamaan : Nu = h. di k = (0,03)Re0,8. Pr 3 Yang berlaku untuk 0000 < Re < dan 0,5 < Pr < 00 dan > 60. L/D Nu = h. di k = (0,03)(9857,693) 0,8. (0,74378) 3 Nu = 56,836 Koefisen perpindahan panas h f = h f = Nu. k di 56,836. 0,0389 0,0490 =,5447 W m o C 4.5. Air laut didalam destilator Konveksi Bebas dari selinder horizontal dihitung dengan menggunakan persamaan perpindahan kalor : Nu = 0,53(Gr. Pr ) 4 Gr Pr = g. β. ρ. c p υ. k. Pr Sehingga koefisien perpindahan kalor secara konveksi adalah ho = Nu. k do Temperatur di dalam evaporator ditentukan dengan persamaan berikut : T f = Temp permukaan pipa + Temp air laut didalam bak destilator T f = = 78,5 o C Dari tabel lamiran, di peroleh nilai-nilai sebagai berikut : g.β.ρ.c p υ.k Pr =,74 =,09 x 0 l/m 3. o C Gr Pr = (,09 x 0 ). (,74) Gr Pr =,386 x 0 46

10 Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No., April 04 ISSN Maka bilangan Nusselt diperoleh Nu = 0,53(Gr. Pr ) 4 Nu = 0,53(,386 x 0 ) 4 Nu = 367,78 Koefisien perpindahan panas diluar pipa adalah perpindahan panas konveksi alami. ho = 367,78 x 0,669 0,0508 ho = 4843,40 W m o C Koefisien panas secara keseluruhan dapat ditentukan dengan persamaan berikut U = U = d o d i x h i + d o x k + ln d o d i + h o 0, ,0509 0, ln + 0,0490 x,5447 x 63,305 0, ,40 U =,04 W/m. o C Perbedaan temperatur logaritma rata-rata (LMTD) untuk bak penampung air laut pada destilator. ΔT LMTD = ΔT ΔT ln ( ΔT ΔT ) ΔT = T gi T s = = 90 o C ΔT = T go T s = = 34 o C Sehingga diperoleh ΔT LMTD = ln( ) ΔT LMTD = 57,57 o C Luas permukaan perpindahan panas total ditentuan dengan persamaan berikut A tot = π x d o x L x n A tot = π x (0,0509) x (0,94) x A tot = 0,3965 m Sehingga total perpindahan panas yang terjadi pada destilator dimana pemanfaatan kalor untuk menguapkan air menjadi uap jenuh ditentukan dengan persamaan berikut Q total = A total x U x LMTD Q total = (0,3965) x (,04) x (57,57) Q total = 406,7636 W = 0, kw KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa selama 3 jam pengujian produk air hasil destilasi meningkat yaitu : Pada putaran mesin 600 rpm dengan daya 8,5 HP, perpindahan panas total pada destilator adalah sebesar 406,7636 W atau 0, kw. Berdasarkan hasil penelitian ini diharapkan dapat dilanjutkan dengan menambah luas permukaan perpindahan panas pada pipa yang dialiri gas buang. Dapat pula dilakukan penelitian lanjutan dengan mengatur jarakpermukaan plat miring dengan permukaan air yang didestilasi guna mengetahui perbedaan kadar garam air hasil destilasi. 47

11 Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.3 No., April 04 ISSN DAFTAR PUSTAKA. Arismunandar, W. dan Tsuda K. Motor Diesel Putaran Tinggi. PradnyaParamita. Jakarta. Cengel Y. A. and Boles M. A. Property Tables Booklet CengelThermodynamics 6 th ed. 3. Holman. J.P Perpindahan Kalor. Erlangga. Jakarta 4. Heywood J.B Internal Combustion Engine Fundamentals.McGraw-Hill. New YorkMasduki, A dan Abdu F.A Kays, W.M. and Crawford. M.E Convective Heat and Mass Transfer. McGraw-Hill,Inc., New York 6. Ozisik, M.N Heat Transfer A Basic Approach. McGraw-HillBook Company. New York. 7. Purwoto, S Desalinasi Air Payau dengan Metode DesalinasiSederhana,) 48