PEMANFAATAN KALOR LATEN PADA SISTEM BAHAN BAKAR LPG UNTUK PENDINGINAN RUANG PASSANGER

Transkripsi

1 5 Mei 2018 PEMANFAATAN KALOR LATEN PADA SISTEM BAHAN BAKAR LPG UNTUK PENDINGINAN RUANG PASSANGER M Khoirul Ma arif m.khoirul.maarif.dy@gmail.com Universitas muhammadiyah purworejo Abstrak LPG telah menjadi kebijakan energi alternatif sebagai bahan bakar yang paling penting, karena efisiensi yang tinggi, harganya lebih murah dari bensin, dan ramah lingkungan (Werpy, 2010). Sehinga pemanfaatan kalor laten yang terserap akibat perubahan fasa LPG dari cair ke uap pada kendaraan berbahan bakar LPG untuk mendinginkan ruang penumpang. Keutamaannya adalah sebuah bentuk energy recovery dari perubahan fasa bahan bakar, yang memberikan kontribusi pada program penghematan energi. Hal ini menghasilkan model baru pada sistem bahan bakar LPG yang menghasilkan efek pendinginan ruang penumpang. Salah satu metode yang digunakan adalah dengan mengunakan prototipe yang mewakili kondisi sebenarnya. Laju aliran LPG diatur dengan katup ekspansi dengan bukaan 1/2, 1, 11/2. Sementara laju aliran massa udara dikontrol dengan blower yang divariasikan pada 2 kecepatan, yaitu kecepanan 10 m/s dan 11,2 m/s. Dari hasil uji, diperoleh kapasitas pendinginan maksimal sebesar 256,97952 watt pada kecepatan blower 11,2 m/s dan bukaan katup ekspansi 11/2 sistem ini juga mampu menurunkan temperatur udara dari 28 o C menjadi 21 o C. Kata Kunci : Mobil Bahan Bakar LPG, kalor laten, efek pendinginan. PENDAHULUAN LPG merupakan bahan bakar alternatif yang paling banyak digunakan dan diterima sebagai pengganti bahan bakar minyak di sektor transportasi. Sejumlah negara saat ini memiliki perkembangan yang signifikan. Konsumsi global dari LPG mencapai 22,9 juta ton pada tahun 2010, dan meningkat sangat cepat. Permintaan meningkat sebesar 8,5 Mt atau sekitar 59% antara tahun 2000 sampai dengan tahun Walaupun demikian, permintaan yang besar terkonsentrasi hanya pada beberapa negara, belum mewakili dari keseluruhan negara di setiap benua. Korea, Turki, Rusia dan Polandia menjadi peringkat teratas dalam konsumsi LPG sebagai bahan bakar kendaraan selama periode tahun 2000 sampai tahun 2010 (WLPGA, 2012). LPG telah menjadi kebijakan energi alternatif sebagai bahan bakar yang paling penting, karena efisiensi yang tinggi, harganya lebih murah dari bensin, dan ramah lingkungan (Werpy, 2010). Kandungan racun dari LPG termasuk yang paling rendah dari semua bahan bakar otomotif tersedia secara komersial saat ini. Selain itu, efek gas rumah kaca dari LPG umumnya lebih rendah dibandingkan dari bensin, diesel dan beberapa bahan bakar alternatif. LPG memiliki beberapa keunggulan dari segi teknis dan ekonomis. Tekanan LPG dalam tangki antara 1,0 sampai 1,2 MPa, sedangkan CNG mencapai sekitar 20 MPa. Dari sisi besarnya tekanan dalam tangki dan faktor ketersediaan didaerah dalam kemasan tabung, LPG relatif lebih aman untuk dikembangkan sebagai bahan bakar alternatif kendaraan di Indonesia. Harga per unit massa yang relatif lebih rendah dari pada bensin, menjadikan LPG sangat cocok untuk diaplikasikan pada angkutan umum (Setiyo, 2013). 106

2 Seminar Nasional Pendidikan Teknik Otomotif Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan - Universitas Muhammadiyah Purworejo Saat ini, ada lebih dari 17,4 juta kendaraan LPG digunakan dan menghiasi jalan jalan diseluruh dunia sebagai kendaraan yang lebih ramah lingkungan dengan lebih dari stasiun pengisian bahan bakar (WLPGA, 2012). Sementara di Indonesia, jumlah kendaraan lebih dari 85 juta unit yang meliputi kendaraan penumpang, bus, truk, dan sepeda motor ( 2012). Hampir seluruh jenis kendaraan tersebut menggunakan bahan bakar minyak. Dari jumlah total tersebut, lebih dari 8 juta unit merupakan kendaraan penumpang yang potensial untuk dikonversi ke bahan bakar LPG dengan sistem bifuel ataupun dengan sistem full dedicated. Dengan harga LPG/LGV sebesar Rp / lsp, lebih murah dari pada harga pertamax yang berkisar Rp / liter. Sebagai catatan, kandungan energi LPG sebesar MJ/kg dan 26 MJ/l, sedangkan kandungan energi bensin sebesar 44.4 MJ/kg dan 34,8 MJ/l dengan nilai oktan LPG diatas 108 (ETSAP, 2010). Penelitian mengenai LPG sebagai bahan bakar kendaraan sudah banyak ditemukan. Penggunaan LPG kaitannya dengan performa mesin dilakukan oleh, Rohmat (2003), M.A. Ceviz (2006), dan Setiyo (2012). Penelitian yang berkaiatan dengan emisi gas buang dilakukan oleh Mockus (2006), Mandloi (2010), Tasik (2011), dan Shankar (2011). Sementara penelitian yang berkaiatan dengan penyesuaian komponen mesin mesin dilakuan oleh Dziubiński (2007), Bosch (2008), dan Lejda (2008). Dari penelitian tersebut, diperoleh bahwa performa mesin LPG dapat ditingkatkan dari tahun ke tahun melalui mekanisme optimasi dan hampir menyamai performa mesin bensin. Dari sisi emisi gas buang, LPG lebih rendah daripada bensin khususnya kandungan CO dan HC. Salah satu yang terlewat dari perhatian peneliti-peneliti sebelumnya antara lain adalah studi potensi kalor laten yang terkandung dalam LPG ketika berubah fasa dari cairan ke bentuk uap. Perubahan fasa dari bentuk cairan (liquefied) dengan tekanan 1 MPa ke bentuk uap (vapor) dengan tekanan 0,2 MPa membutuhkan kalor yang diserap dari sekitarnya. Dengan demikian, temperatur disekitarnya akan menjadi lebih rendah. Melihat fenomena tersebut, jika sistem bahan bakarnya dikondisikan dengan memodifikasinya, potensi tersebut dapat dimanfaatkan untuk mendinginkan atau menyejukkan ruangan dalam mobil untuk membantu kinerja sistem air conditioner (AC). PEMBAHASAN Pengertian, Sejarah LPG, dan data LPG memiliki sejarah yang panjang sampai digunakan sebagai bahan bakar kendaraan. Percobaan menggunakan LPG dimulai sekitar tahun 1910 hingga tahun Percobaan pertama diterapkan pada kendaraan di California Amerika Serikat. Pada tahun 1950, Chicago Transit Authority memesan unit bus dengan bahan bakar LPG, dan Milwaukee mengkorversi 270 unit taksi untuk beralih dari bahan bakar minyak ke LPG. Sejak saat itu, LPG menjadi salah satu bahan bakar alternatif yang sangat populer untuk kendaraan. Dari Amerika Serikat berkembang ke Eropa, Asia, dan hingga kini telah merambah ke seluruh benua (Werpy, 2010). Saat ini, teknologi bahan bakar LPG menggunakan sistem vaporizer-mixer dan system injeksi squensial. Pada system vaporizer-mixer, LPG berubah fasa dari cair ke uap. Perubahan ini akan menyerap kalor dari sekitarnya. Pada teknologi yang ada, kalor diambilkan dari sirkulasi air pendingin seperti tersaji pada gambar 2.1 berikut (Setiyo, 2013). 107

3 5 Mei 2018 Gambar Skema sistem bahan bakar LPG LPG adalah nama generik untuk campuran hidrokarbon yang berubah dari fasa gas ke cair ketika dikompresi pada tekanan sedang atau dingin. Komposisi kimia LPG dapat bervariasi, tetapi biasanya terdiri dari sebagian besar propana (C 3 H 8 ) dan butana (C 4 H 10 ) (butana normal dan iso-butana) serta mengandung hidrokarbon ringan lain dalam jumlah kecil, misalnya etana (C 2 H 6 ) dan pentana (C 5 H 12 ). Propana dan butana adalah dua gas yang sama sama berasal dari minyak bumi. Propana dan butana terbakar pada temperatur yang sama. Jika keduanya dibakar dengan proses yang sempurna, akan menghasilkan produk pembakaran berupa uap air (H 2 O) dan karbon dioksida (CO 2 ). Namun demikian, propana dan butana memiliki struktur kimia yang berbeda. Propana memiliki struktur kimia C 3 H 8, sedangkan butana C 4 H 10. Tabel 2.1 berikut menyajikan beberapa parameter pembeda antara propada dan butana. Tabel 2.1 Perbandingan Properti Fisik Propana dan Butana GAS PROPANA BUTANA Rumus kimia C 3 H 8 C 4 H 10 Berat molekul Berat spesifik Kg/l Kg/l Titik didih -43 C -0.5 C LHV Kcal/Kg Kcal/Kg Titik nyala ( C) 510, di udara 490, di udara Limit pengapian (% volume) Kecepatan pembakaran (cm/s) 32, di udara 32, di udara Sumber : Lo-gas Dalam kondisi atmosfer, LPG akan berbentuk gas. Volume LPG dalam bentuk cair jauh lebih kecil dibandingkan dalam bentuk gas untuk ukuran massa yang sama. Dengan alasan ini, LPG dipasarkan dalam bentuk cair (liquefied) dalam tabung-tabung logam bertekanan. Hal ini bertujuan untuk efisiensi dalam hal penyimpanan dan mudah untuk ditransportasikan. Kedepan, dengan pertimbangan praktis memungkinkan dikemas dalam tabung komposit untuk mengurangi berat tabung. Untuk memungkinkan terjadinya ekspansi panas (thermal expansion) dari cairan yang dikandungnya, tabung LPG tidak diisi secara penuh. Biasanya hanya diisi sekitar 80% sampai 85% dari kapasitas penuh sebuah tabung (storage tank). Volume sisa sebesar 15% sampai 20% ini berfungsi sebagai ruang kompensasi penambahan volume akibat dari kenaikan temperatur dan tekanan. Rasio antara volume LPG dalam fasa uap (vapor) dengan LPG 108

4 Seminar Nasional Pendidikan Teknik Otomotif Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan - Universitas Muhammadiyah Purworejo dalam keadaan cair bervariasi tergantung komposisi, tekanan dan temperatur, tetapi biasaya sekitar 250~270 : 1 (Hofmann, 2011). Sebuah alasan mengapa LPG disimpan dalam bentuk cairan bertekanan adalah untuk menghemat ruang. Cairan lebih padat daripada uap, sehingga dalam bentuk cair bisa menyimpan bahan bakar (energi) yang jauh lebih banyak. Seperti cairan lainnya, LPG akan mengembang bila dipanaskan. LPG mengembang sekitar 1% untuk setiap kenaikan temperatur 6 C. Jika LPG cair dilepaskan ke udara, dengan cepat menguap dan meluas hingga 270 kali volume awalnya. Oleh karena itu, kebocoran cairan LPG lebih berbahaya daripada kebocoran uap karena akan terjadi pengembangan uap. Fenomena yang lain, ketika LPG cair dilepaskan ke atmosfer, penguapan yang cepat menarik panas dari udara di sekitarnya dan menyebabkan efek pendingin. (Hofmann, 2011). Panas laten dari suatu jenis bahan bakar cair adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk memungkinkan terjadinya penguapan. Nilai panas laten merupakan data penting selama desain sistem vaporizer. Ketika LPG menguap pada vaporizer, panas laten yang dibutuhkan diambil dari cairan itu sendiri dan lingkungan sekitarnya. Pada saat yang sama menyebabkan penurunan temperatur. Hal ini dikenal dengan istilah autorefrigeration. Besarnya panas laten yang timbul akibat proses penguapan ini dapat dihitung berdasarkan rumus berikut (Pasco, 2006).... (1)... (2) Keterangan : Q actual = Efek pendinginan / kalor yang terserap (watt) m. a = laju masa udara (kg/s) C pa = kalor jenis (j/kg. 0 c) T a = perubahan temperatur udara masuk dan keluar...(3)...(4) Berangkat dari teori panas laten dan lay out sistem perpipaan (fuel pipe line) pada sistem bahan bakar LPG pada kendaraan, diperoleh suatu potensi energi dalam bentuk penurunan yang besarnya setara dengan laju aliran massa LPG dan kalor laten saat perubahan fasa dalam perbedaan tekanan dan temperature tertentu. Jika kalor penguapan yang semula diambilkan dari lingkungan sekitarnya kemudian dimodifikasi atau diarahkan dari dan ke ruang penumpang, maka akan diperoleh penurunan temperatur ruangan untuk membantu kinerja sistem AC. Mesin pendingin dengan pemanfaatan kalor laten yaitu mesin pendingin yang bekerja dengan memanfaatkan kalor laten dari Penyerapan kalor yang di lakukan dalam evaporator yang memiliki temperatur dan tekanan rendah. Di dalam evaporator, LPG menyerap kalor dari fase uap campur menjadi fase uap, lalu masuk ke vaporizer. Karena kerja katup expansi lpg menjadi gas yang bertemperatur rendah dan bertekanan rendah. instalasi mesin pendingin mengunakan LPG dari 3-4 dan 4-1 di tunjukan pada gambar 2.2 di bawah ini: 109

5 5 Mei 2018 Gambar Daur Kompresi uap standar dalam diagram tekanan-entalpi Pada penelitian ini, aliran bahan bakar LPG melewati katup ekspansi/regulator lalu masuk ke evaporator, sehinga perubahan fase berada di evaporator yang mengambil kalor dari evaporator, evaporator di tiyup dengan kipas blower meenuju ruang pessenger. Set up penelitian di sajikan dalam gambarn dan tabel. T5 T3 T2 P2 T1 P1 T4 Katup Keterangan : P = presure, T = temperatur. Gambar1Set Up letak alat ukur No Putaran blower 1. Level 1 2. Level 2 lpg (bukaan katup expansi) Tabel Set Up data Notifikasi Hasil pengukuran T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 P 1 P2 Q L 1 A L 1 B L 1 C L 2 A L 2 B L 2 C Keterangan : L 1 A : level blower 1 dan bukaan katup ekspansi, L I B : level blower 1 dan bukaan katup ekspansi, L 1 C : level blower 1 dan bukaan katup ekspansi, 110

6 Seminar Nasional Pendidikan Teknik Otomotif Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan - Universitas Muhammadiyah Purworejo L 2 A : level blower 2 dan bukaan katup ekspansi, L 2 B : level blower 2 dan bukaan katup ekspansi, L 2 C : level blower 2 dan bukaan katup ekspansi Dari pengujian sistem dan efek pendinginannya yang tersaji di tabel muncul grafik secara berurutan. Meskipun didalam tabel dan grafik terlihat perbedaan hasil pengujian pada setiap variasi bukaan katup ekspansi namun nilai dari setiap variasi hampir sama dalam artian tidak terlalu ada perbedaan yang signifikan. 111

7 5 Mei 2018 Tabel perhitungan Q actual Bukaan katup ekspansi T.udara,in ( ) T.udara,out( ) ) ) Q actual (Watt) L 1 A ,10 ⁴ 10 1,214 0, ,778 L 1 B ,10 ⁴ 10 1,214 0, ,112 L 1 C ,10 ⁴ 10 1,214 0, ,668 L 2 A ,10 ⁴ 11,2 1,214 0, ,5568 L 2 B ,10 ⁴ 11,2 1,214 0, ,5568 L 2 C ,10 ⁴ 11,2 1,214 0, ,

8 Q ACTUAL (Watt) Seminar Nasional Pendidikan Teknik Otomotif Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan - Universitas Muhammadiyah Purworejo Dari hasil perhitungan Q aktual diatas di sajikan dalam grafik di bawah ini : 300 Grafik Q actual 256, , , , , ,778 L1A L1B L1C L2A L2B L2C Bukaan katup ekspansi dan putaran blower Grafik Grafik Q aktua Dari grafik di atas di peroleh informasi bahwa, dari hasil pengujian sistem dengan variasi bukaan katup ekspansi dan 2 kecepatan blowe yang di hitung dalam tabel di peroleh hasil Q aktual yang rendah pada L 1 A, dan diperoleh hasil Q aktual yang maksilmal pada L 2 C. KESIMPULAN Dengan mengkaji kegiatan yang meliputi proses pengambilan data, hasil pengujian, serta hasil pengamatan secara menyeluruh, maka dapat di ambil kesimpulan bahwa kombinasi kecepatn blower dan bukaan katup ekspansi yang memberikan kinerja terbaik adalah pada L 2 C (level blower 2, bukaan katup ekspansi ), dengan kapasitas pendinginan yang dihasilkan mencapai 256,97952 watt. Pada konfigurasi ini, mampu menurunkan temperatur udara dari 28 C ke 21 C. Sementara pada kombinasi kecepatan blower level 1 dan bukaan katup ekspansi hanya menghasilkan kapasitas pendinginan sebesar 32,778 watt dari potensi yang ada, sistem ini menjanjikan untuk dikembangkan lebih lanjut sebagai pendingin ruang passanger kendaraan berbahan bakar LPG. DAFTAR PUSTAKA Bosch. (2010). LPG Spark Plugs. Road Claiton Vic: Robert Bosch (Australia) Pty Ltd. Etsap. (2010, April). Automotive Lpg And Natural Gas Engines. Technology Brief T03. Hofmann, F. (2011). Converting Vehicles To Propane Autogas Part 1: Installing Fuel Tanks And Fuel Lines. Washington D.C: Propane Education & Research Council. M.A. Ceviz_, F. Yu Ksel, 2005, Cyclic Variations On Lpg And Gasoline-Fuelled Lean Burn Si Engine, Renewable Energi 31 (2006) Pasco. (2006). Latent Heat Of Vaporization. Dalam Physics With The Xplorer Glx (Hal. P.229). R.R. Saraf, S.S.Thipse And P.K.Saxena, 2009, Comparative Emission Analysis Of Gasoline/Lpg Automotive Bifuel Engine, International Journal Of Civil And Environmental Engineering 1:

9 5 Mei 2018 R K Mandloi And A Rehman, 2010, Long Term Continuous Use Of Auto- Lpg Causes Thermal Pitting In Automotive S.I. Engine Parts, International Journal Of Engineering Science And Technology Vol. 2(10), 2010, Saulius Mockus Et.Al, 2006, Analysis Of Exhaust Gas Composition Of Internal Combustion Engines Using Liquefied Petroleum Gas, Journal Of Environmental Engineering And Landscape Management 2006, Vol Xiv, No 1, Shankar K. S And Mohanan P, 2011, Mpfi Gasoline Engine Combustion, Performance And Emission Characteristics With Lpg Injection, International Journal Of Energy And Environment Volume 2, Issue 4, 2011 Pp Setiyo, M. (2013). Desain Coupling Dan Mixer Variabel Untuk Mempercepat Pemanfaatan Lpg Sebagai Bahan Bakar Angkutan Umum Serta Pemilihan Vaporizer Yang Sesuai. Dalam D. Ahmad Dading Gunadi, Direktori Hasil Insentif Riset Sistem Inovasi Nasional (Sinas) (Hal. 160). Jakarta: Asdep Relevansi Program Riptek, Deputi Bidang Relevansi Dan Produktivitas Iptek, Kementerian Riset Dan Teknologi. Setiyo, M. (2013). Karakteristik Kurva Daya Mesin Efi 1,5 L Berbahan Bakar Lpg Pada Berbagai Jenis Vaporizer. Prosiding Seminar Nasional Teknoin 2013 Vol.2,. Isbn (Hal. B59-B62). Yogyakarta: Fakultas Teknik Uii. Tri Agung Rohmat, 2003, Pengaruh Waktu Penyalaan Terhadap Kinerja Spark-Ignition Engine Berbahan Bakar Lpg, Media Teknik No.3 Tahun Xxv Edisi Agustus 2003issn Werpy, M. R. (2010). Propane Vehicle: Status, Challenges, And Opportunities. Chicahgo: Center For Transportation Research, Argonne National Laboratory. Wlpga. (2012). Autogas Incentive Policies. Neuilly-Sur-Seine.: World Liquified Petroleum Gas Association. 114