12 JURNAL MATRIX VOL. 2, NO. 1, MARET 2012

PENGARUH KADAR AIR PADA ETANOL TERHADAP KECEPATAN PEMBAKARAN DALAM HELE SHAW CELL

I Made Suarta

Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bali Bukit Jimbaran, PO Box 1064 Tuban Badung-Bali

Phone: (0361)701981, Fax (0361)701128, Email: suarta_bedil@yahoo.com

Abstrak : Salah satu sifat penting dari nyala premixed adalah kecepatan pembakaran. Kecepatan pembakaran memegang peranan penting dalam menentukan beberapa aspek penting dari proses pembakaran didalam motor bakar bensin, diantaranya saat pembakaran, ketebalan dari lapisan dinding pendingin dan enegi pembakaran minimum. Etanol merupakan salah satu bahan bakar alternatif yang secara teoritis memiliki angka oktan di atas standar maksimal bensin, cocok diterapkan sebagai substitusi sebagian ataupun keseluruhan pada mesin bensin. Terdapat beberapa karakteristik internal etanol yang menyebabkan penggunaan etanol pada mesin Otto lebih baik daripada bensin. Namun hasil penyulingan berupa 95% etanol tidak dapat larut dalam bensin, agar larut diperlukan etanol berkadar 99% atau disebut etanol kering. Dalam penelitian ini etanol basah(96%; 70%) yang diuapkan dimasukkan kedalam hele-shaw cell yang telah berisi udara dengan perbandingan equivalen rasio (ф=0,8; 1; 1,2; 1,4) kemudian pemantik dinyalakan. Hasilnya direkam dengan kamera kecepatan tinggi pada interval waktu 4,77 ms dan hasilnya menunjukan bahwa kadar air berpengaruh terhadap kecepatan pembakaran dan kecepatan tertinggi terjadi pada etanol 96%v pada ф=1,2 yaitu 47,24 cm/s. Kata kunci:etanol, kecepatan pembakaran, equivalen rasio.

ON THE INFLUENCE OF THE WATER CONTENT OF ETANOL TO VELOCITY OF FIRE PROPAGATION IN HELE SHAW CELL

Abstract : One of the important properties of the premixed flame is fire propagation. Fire propagation plays an important role in determining some important aspects of the combustion process in gasoline engines, such as combustion, wall thickness of the layer cooling and combustion enegi minimum. Ethanol is one of the alternative fuel which theoretically has the octane number above the maximum standard gasoline, suitable to be applied as a substitute in part or in whole on the gasoline engine. There are some internal characteristics of ethanol led to the use of ethanol in Otto engine better than gasoline. However, the distillation of 95% ethanol can not dissolve in gasoline, required in order to dissolve the ethanol yield of 99% or so-called dry ethanol. In this study the wet ethanol (96%, 70%) which was evaporated inserted into the Hele-shaw cell that has been filled with air at a ratio equivalent ratio (ф = 0.8, 1; 1.2, 1.4) and then the lighter ignited. The results recorded by the hihg speed camera at 4.77 ms intervals and the results show that water levels affect the combustion velocity and the highest speed occurs in 96% v ethanol at ф = 1,2 ie 47,24 cm / s. Keywords:ethanol,fire propagation, equivalence ratio I Pendahuluan Latar Belakang Semakin meningkatnya harga BBM , agaknya menyebabkan masyarakat mulai melirik alternatif energi yang lebih murah. Salah satu bahan bakar yang mulai dirintis pengembangannya secara massal di Dunia adalah penggunaan etanol sebagai bahan bakar. Seperti apakah itu dan bagaimana efeknya terhadap lingkungan hidup sekitar kita? Mulai diliriknya alternatif energi lain oleh masyarakat, seperti penggunaan etanol sebagai bahan bakar kendaraan bermotor, merupakan suatu yang positif. Sebab, penggunaan bahan bakar fosil secara kontinu dan dalam kuantitas yang cukup besar, sebenarnya memunculkan paling sedikit dua ancaman serius.

Ancaman pertama berupa faktor ekonomi karena ketersediaan bahan bakar fosil akan habis dalam beberapa dekade mendatang serta bertambah mahalnya bahan bakar tersebut seiring dengan menipisnya stok Ancaman kedua berupa faktor lingkungan. Seperti diketahui polusi yang ditimbulkan akibat gas buangan bahan bakar fosil sangat mengganggu lingkungan. Memang, polusi yang ditimbulkan dari pembakaran bahan bakar fosil ini tidak langsung dirasakan efeknya bagi manusia dan lingkungan, namun, tidak dapat dipungkiri emisi buangan dari bahan bakar fosil ini memiliki dampak langsung maupun tidak langsung kepada derajat kesehatan manusia.

I Made Suarta : Pengaruh Kadar Air Pada Etanol Terhadap Kecepatan Pembakaran.. 13

Polusi langsung yang menyebabkan memburuknya kesehatan manusia dan lingkungan bisa berupa gas-gas berbahaya, seperti CO, NOx, dan UHC (unburn hydrocarbon), juga unsur metalik seperti timbal (Pb). Sementara itu, polusi tidak langsung mayoritas berupa ledakan jumlah molekul CO2 yang berdampak pada pemanasan global (Global Warming Potential). Kesadaran terhadap ancaman serius yang dapat ditimbulkan dari penggunaan bahan bakar fosil ini menyebabkan para pakar mengintensifkan berbagai risetnya. Riset-riset ini bertujuan menghasilkan sumber-sumber energi (energy resources) ataupun pembawa energi (energy carrier) yang lebih terjamin keberlanjutannya (sustainable) dan lebih ramah lingkungan. Penggunaan etanol sebagai bahan bakar mulai diteliti dan diimplementasikan di Amerika Serikat (AS) dan Brazil sejak terjadinya krisis bahan bakar fosil di kedua negara tersebut pada tahun 1970-an. Brazil tercatat sebagai salah satu negara yang memiliki keseriusan tinggi dalam implementasi bahan bakar alkohol untuk keperluan kendaraan bermotor dengan tingkat penggunaan bahan bakar etanol saat ini mencapai 40 persen secara nasional. Di AS sendiri, bahan bakar etanol relatif murah, misalnya saja E85, yang mengandung etanol 85 persen semakin populer di masyarakat. Selain etanol, metanol juga tercatat digunakan sebagai bahan bakar alkohol di Rusia. Pemanfaatan etanol juga sedang gencar dilakukan di Jepang. Bahkan, Kementerian Lingkungan Hidup Jepang telah menargetkan pada tahun 2008 campuran gasolin dengan etanol 10 persen akan digunakan untuk menggantikan gasolin di seluruh Jepang Kementerian yang sama juga meminta produsen otomotif di Jepang untuk membuat kendaraan yang mampu beroperasi dengan bahan bakar campuran tersebut mulai tahun 2003. Tak heran jika kemudian kendaraan buatan Jepang sudah dilengkapi dengan mesin yang mampu menerima bahan bakar campuran ini. Pemerintah Indonesia, dalam hal ini Kementerian Negara Riset dan Teknologi telah menargetkan pembuatan minimal satu pabrik biodiesel dan gasohol (campuran gasolin dan alkohol) pada tahun 2005-2006. Selain itu, ditargetkan juga bahwa penggunaan bioenergy tersebut akan mencapai 30 persen dari pasokan energi nasional pada tahun 2025. Etanol bisa digunakan dalam bentuk murni ataupun sebagai campuran untuk bahan bakar gasolin (bensin) maupun hidrogen. Interaksi etanol dengan hidrogen bisa dimanfaatkan sebagai sumber energi fuel cell ataupun dalam mesin pembakaran dalam (internal combustion engine) konvensional. Dewasa ini, hampir seluruh mesin pembangkit daya yang digunakan pada kendaraan bermotor menggunakan mesin pembakaran dalam. Mesin bensin (Otto) dan Diesel adalah dua jenis mesin

pembakaran dalam yang paling banyak digunakan di dunia. Mesin Diesel, yang memiliki efisiensi lebih tinggi, tumbuh pesat di Eropa. Sedangkan komunitas di AS yang cenderung khawatir pada tingkat polusi sulfur dan UHC pada Diesel, lebih memilih mesin bensin. Meski saat ini, mutu solar dan mesin Diesel yang digunakan di Eropa sudah semakin baik yang berimplikasi pada rendahnya emisi sulfur dan UHC. Etanol yang secara teoretik memiliki angka oktan di atas standar maksimal bensin, cocok diterapkan sebagai substitusi sebagian ataupun keseluruhan pada mesin bensin. Terdapat beberapa karakteristik internal etanol yang menyebabkan penggunaan etanol pada mesin Otto lebih baik daripada gasolin. Etanol memiliki angka research octane 108.6 dan motor octane 89.7. Angka tersebut (terutama research octane) melampaui nilai maksimal yang mungkin dicapai oleh gasolin (pun setelah ditambahkan aditif tertentu pada gasolin). Sebagai catatan, bensin yang dijual Pertamina memiliki angka research octane 88. Angka oktan pada bahan bakar mesin Otto menunjukkan kemampuannya menghindari terbakarnya campuran udara-bahan bakar sebelum waktunya (self-ignition). Terbakarnya campuran udara-bahan bakar di dalam mesin Otto sebelum waktunya akan menimbulkan fenomena ketuk (knocking) yang berpotensi menurunkan daya mesin, bahkan bisa menimbulkan kerusakan serius pada komponen mesin. Selama ini, fenomena ketuk membatasi penggunaan rasio kompresi (perbandingan antara volume silinder terhadap volume sisa) yang tinggi pada mesin bensin. Tingginya angka oktan pada etanol memungkinkan penggunaan rasio kompresi yang tinggi pada mesin Otto. Korelasi antara efisiensi dengan rasio kompresi berimplikasi pada fakta bahwa mesin Otto berbahan bakar etanol (sebagian atau seluruhnya) memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan bahan bakar gasoline. Alternatif energi ini haruslah yang lebih terjamin pengadaannya serta ramah terhadap lingkungan. Etanol adalah salah satu alternatif yang memungkinkan transisi ke arah implementasi energi alternatif berjalan dengan mulus [6] Tujuan Penelitian Penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui lebih jauh mengenai bahan bakar etanol ini, terlepas apakah bahan bakar alternatif ini bisa diterapkan atau tidak di kendaraan yang ada pada saat ini. Secara lebih spesifik tujuan penelitian ini dibedakan menjadi 2(dua),yaitu: 1. Tujuan khusus

a. Penelitian ini mempunyai tujuan untuk mengetahui Bagaimana visualisasi dinamika api pembakaran, yang dihasilkan oleh pembakaran etanol.

14 JURNAL MATRIX VOL. 2, NO. 1, MARET 2012

b. Tujuan lainnya adalah untuk membuktikan apakah ada perbedaan bentuk dan cepat rambat api pada etanol dengan kadar air yang berbeda.

2. Tujuan Umum a. Memberikan informasi kepada masyarakat

bahwa etanol 100% dapat digunakan sebagai bahan bakar dengan karakteristiknya dipengaruhi atau tidak oleh kadar airnya.

II Penelitian Sebelumnya A.A. Konnov et al. (2010)[1] dalam

penelitiannya “Kecepatan nyala laminer dari etanol + udara pada suhu ruang dan dipanaskan” menyatakan metode fluk panas telah dikembangkan untuk pertama kalinya kearah bahan bakar cair dan digunakan untuk menentukan kecepatan pembakaran ketika kondisi kehilanan panas dari nyala api ke pembakar adalah nol. Ketidak pastian pengukuran telah dianalisa dan diperkirakan secara percobaan, secara keseluruhan ketelitian dari kecepatan pembakaran diperkirakan lebih baik dari ± 1 cm/s. Pengukuran dari kecepatan nyala pembakaran pada kondisi adiabatik dari etanol + udara pada temperature awal campuran 298 oK seperti ditunjukan pada gambar 1.

Gambar 1 Kecepatan nyala laminer pembakaran etanol + udara pada tekanan

atmospir dan temperature awal 298 oK.

HARA Takashi dan TANOUE Kimitoshi

(2006) [2] Dalam penelitiannya berjudul “Kecepatan nyala laminer dari etanol, n-heptana, iso-oktana dicampur udara” mengatakan kecepatan api laminer memegang peranan penting dalam menentukan beberapa aspek penting dari proses pembakaran dalam motor bakar bensin, diantaranya adalah ignition delay, ketebalan lapisan dinding pendingin, dan energy penyalaan minimum. Ini mengemukakan pengtahuan secara rinci bahwa api premixed laminer akan memberikan pengertian yang mendalam seperti sifat

laju pelepasan panas, batas mampu nyala, laju perkembangan, pendinginan karakteristik emisi. Ini juga dasar yang digunakan untuk mengukur laju pembakaran untuk memvalidasi gambar kinetic kimia. Hasil pengukuran yang akurat pada api premixed laminer memegang peranan kunci dalam proses memahami besar batas api. Meskipun kebanyakan dari bahan bakar mungkin terbakar secara turbulen, data dari kecepatan pembakaran laminer masih dibutuhkan sebagai masukan untuk beberapa model pembakaran turbulen. Juga dalam mesin internal combustion engines pembakaran awal adalah laminer. Dalam penelitiannya menunjukkan gambar hubungan kecepatan pembakaran laminer Su

0 terhadap equivalence ratio ( ) gambar 2.

Gambar 2. Hubungan kecepatan pembakaran laminer

terhadap equivalen ratio

S.Jerzembeck et al. (2009)[3] dalam penelitiannya pengukuran kecepatan pembakaran laminer dengan metode ledakan bejana tertutup untuk bahan bakar campuran – udara pada temperatur 373 oK dan 20 bar. Dua penelitian dilakukan terhadap campuran bahan bakar yang terdiri dari 78.3% vol. iso-oktana, 11,7% vol. n-heptana dan 10% vol. etanol; dan 90 % vol. bensin dan 10 % vol etanol. Untuk campuran bahan bakar bensin-etanol pada 10 dan 20 bar dan temperatur 373 oK untuk equivalence ratio yang bervariasi ditunjukkan dalam gambar 3

Gambar.3. Kecepatan pembakaran laminer pada 10 dan 20

bar dan 373 oK equivalence ratio antara 0,8-1,2 untuk campuran etanol bensin.

III Metode Penelitian

Penelitian ini menggunakan metode penelitian eksperimental (true experimental research), yaitu melakukan pengamatan langsung untuk

-O.L. Gulder dkk(1982) -F.N. Egolfopoulos dkk (1992) -D. Bradley dkk (2009)

& -A.A. Konnov (2009) + - A.A. Konnov (2010)

I Made Suarta : Pengaruh Kadar Air Pada Etanol Terhadap Kecepatan Pembakaran.. 15

mengetahui hubungan sebab akibat. Dalam hal ini perangkat penelitian dibuat dalam skala laboratorium. Adapun literatur buku dan jurnal ilmiah yang relevan dengan masalah yang diteliti diperlukan sebagai bahan pendukung. Bahan bakar yang digunakan dalam penelitian ini adalah etanol dengan kadar 70% dan 90% vol. Etanol dipanaskan dalam tabung etanol sampai menguap sekitar 78oC, ruang bakar hele-shaw cell yang telah berisi penuh air kemudian dimasukkan udara dengan volume tertentu contoh untuk ф=1 diisi udara setinggi 46,7 cm kemudian dimasukan uap etanol setinggi 3,3 cm kamera disiapkan diseting pada

210 fps kemudian pemantik dinyalakan dan hasilnya direkam dengan kamera. Kemudian dilakukan hal yang sama untuk equivalen rasio yang berbeda dengan perbandingan yang berbeda pula. Hasil yang direkam kamera kemudian diekstrak setiap 4,7 ms. Hasilnya terlihat seperti pada gambar 5.[4].

. Gambar 4. Gambar sekema penelitian IV Analisa nyala dan Kecepatan Pembakaran

Cara untuk menentukan kecepatan api premixed adalah dengan melakukan eksperimen pembakaran reaktan didalam ruang helle-shaw cell seperti gambar 4. Dengan asumsi bagian depan api adalah tipis, lembaran reaktif, model dibabagi menjadi dua zona pembakaran yaitu daerah terbakar dan daerah tidak terbakar dan didasarkan pada asumsi sebagai berikut [2]:

a. Campuran akan segera terbakar setelah dimasuki daerah api.

b. Gas yang dibakar dalam butir api merupakan kesetimbangan kimia

c. Tekanan adalah seragam diseluruh dearah yang terbakar dan belum terbakar.

Dari hukum kekekalan massa diketahui bahwa massa alir reaktan sama dengan massa alir produk yang besarnya tetap.

(1)

(2)

Dimana adalah massa alir reaktan

adalah massa alir produk.

adalah densitas reaktan

adalah densitas produk

A luas penampang lintang ruang bakar. Karena luas penampang sepanjang ruang bakar sama sebesar A maka

Jika api premixed di dalam tabung adalah stationer (diam), itu berarti bahwa kecepatan api laminer sama dengan kecepatan reaktan, yakni SL = vu jadi kecepatan api laminer di dalam tabung adalah

Keterangan gambar: 1.Ruang bakar model helle- shaw cell 2.Pemantik 3.Tabung pelimpah 4.Tabung etanol 5.Kompresor 6.Kamera 7.Saklar pemantik 8.Selang pemasukan udara dan bahan bakar 9.Thermometer digital

9

7

8

2

1

4

3

6 5

3

16 JURNAL MATRIX VOL. 2, NO. 1, MARET 2012

Besarnya nilai densitas adalah . Jika di dalam

tabung pembakar premixed reaktan sebelum dibakar berada pada kondisi stasioner, maka kecepatan api yang terekam kamera (pengamat) adalah kecepatan produk . Dengan demikian kecepatan api laminer

bisa diperoleh dengan mengalikan kecepatan yang terekam kamera dengan rasio densitas ( .

Untuk campuran hidrokarbon stoikiometri dengan udara luar tebal api premixed adalah dan

bergerak dengan kecepatan SL 0,5 m/s. Penurunan

tekanan dalam api sangat kecil yakni sekitar 1 Pa.

Temperatur pada zona reaksi adalah berkisar T=2200-2600oK sedangkan rasio densitas reaktan terhadap produk adalah sekitar [5].

V Hasil dan Pembahasan

Setelah percikan terjadi, pengapian dimulai di dalam ruang bakar. Sejak saat itu, menyebaran api bebas dari sumber percikan pengapian dalam campuran etanol-udara dapat ditemukan. Ditunjukkan pada Gambar. 5 adalah contoh kasus perkembangan nyala api, dapat dilihat bahwa gambar api menunjukkan pertambahan panjang meningkat terhadap waktu.

Gamrbar 5. Model pertumbuhan api dari etanol 70% dan udara. Interval waktu 4,7 ms ф=1.

Gambar 6 menunjukkan contoh grafik

pertumbuhan nyala api pada etanol 70% volume terhadap waktu pada equivalen rasio 1, tujuan utama adalah untuk mendapatkan kecepatan pertumbuhan nyala api. Analisis gambar api dilaksanakan untuk

menyimpulkan perkembangan panjang api terhadap waktu. Oleh karena itu, untuk memperlihatkan perkembangan nyala api, seseorang dapat mempertunjukan perubahan kecepatan api dalam fungsi dari panjang.

Gambar 6. Grafik kecepatan terhadap waktu dari etanol 96% dan 70%vol, ф=1.

Ganbar 7. Seperti kita ketahui, peran percikan

api adalah untuk memulai biji api, jelas terlihat bahwa kecepatan api menggambarkan awalnya rendah, dan kemudian meningkat secara bertahap setara pertambahan panjang, karena kehilangan panas pada tahap awal pertumbuhan api. Efek dari kesetaraan rasio bahan bakar / udara diperlihatkan dalam gambar 7. Untuk etanol 70%v dan gambar 8 untuk etanol 90%v.

Gambar 7. Hubungan kecepatan dan waktu yang ditumpuk untuk equivalen rasio berbeda dari etanol 70%vol.

I Made Suarta : Pengaruh Kadar Air Pada Etanol Terhadap Kecepatan Pembakaran.. 17

Gambar 8. Hubungan kecepatan dan waktu yang

ditumpuk untuk equivalen rasio berbeda dari etanol 96%vol.

Dalam gambar 9 ditunjukkan pengukuran kecepatan laminer rata-rata untuk nyala etanol-udara pada 1 atm, pada beberapa equivalen rasio. kesalahan yang terkait dengan eksperimental seperti pengukuran panjang produk dan panas yang hilang ke dinding burner (sehingga mengurangi kecepatan nyala pada dinding). Menurut hasil penelitian ini kecepatan pembakaran maksimum untuk nyala etanol-udara terjadi pada etanol 96% yaitu 37,243 cm/s dan 28,717 cm/s pada etanol 70% yang terjadi pada equivalen rasio (ф)=1,2. Gambar 9 memperlihatkan pengaruh kadar air pada etanol terhadap kecepatan rambat api pada beberapa equivalen rasio.

Gambar 9 Pengaruh kadar air terhadap kecepatan pembakaran laminer pada beberapa equivalen rasio.

VI Kesimpulan Berasarkan penelitian dan pembahasan yang

telah dilakukan, menunjukkan bahwa kadar air mempengaruhi kecepatan pembakaran laminer hal ini disebabkan oleh uap air pada etanol akan menyerap panas yang menyebabkan berkurangnya kecepatan pembakaran. Kecepatan tertinggi terjadi pada etanol 96%v pada equivalen rasio ( )=1,2 atau sedikit di atas stoikiometri. Pada kondisi stoikiometri ( )=1 kecepatan api laminer untuk etanol 96%v adalah 45,72 cm/s dan 34,12 cm/s untuk etanol 70%v.. VII Saran

Untuk penelitian lebih lanjut agar tabung pemanas etanol agar temperaturnya dijaga lebih konstan sehingga etanol yang masuk kedalam ruang bakar betul-betul berupa uap dan agar bahan bakar etanol basah diaplikasikan pada mesin. VIII Ucapan terima kasih Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada teman-teman dosen dan teknisi work-shop otomotif Politeknik Negeri Bali sehingga penelitian ini bisa diselesaikan dan kepada UP3M Politeknik Negeri Bali sehingga tulisan ini bisa dipublikasikan. Daftar Pustaka [1] Konnov.A.A. R.J. Meuwissen, L.P.H. de Goey,

Laminer burning velocity of etanol +air flames at room and elevated temperatures.(2010)

[2] Takashi HARA dan TANOUE Kimitoshi Laminer flame speeds of etanol, n-heptane, iso-octane air mixtures.(2006)

[3] Jerzembeck.S C.Glawe, N.Peters, Development and experimental evaluation of a high temperatur mechanism for blended n-heptane-isooctane-etanol-air-mixtures and gasoline-etanol-air-mixtures. (2009)

[4] Hardyansah S.P. ,Pengaruh variasi campuran bioetanol dengan petrolium terhadap bentuk api dan kecepatan api dalam silinder shaw cell.(2010).

[5] Wardana. ING Bahan bakar dan teknologi pembakaran (2008)

[6] http://www.balipost.co.id, diunduh tgl. 1 Oktober 2010.