Metode Tidak Langsung Buku Pedoman Aunergi Industri 2015

188 Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air di dalam bahan bakar dan yang disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak dapat dikendalikan dari desainnya. Data-data yang dibutuhkan untuk menghitung efisiensi boiler metode tidak langsung adalah: 1. Analisis ultimate bahan bakar H 2 , O 2 , S, C, kadar air, kadar abu, [] 2. Persentase oksigen atau CO 2 di dalam gas buang, [] 3. Temperatur gas buang Tf, [ o C] 4. Temperatur ambien Ta, [ o C] 5. Kelembaban udara, [kgkg udara kering] 6. GCV bahan bakar, [kcalkg] 7. Persentase bahan yang dapat terbakar di dalam abu untuk bahan bakar padat, [] 8. GCV abu untuk bahan bakar padat, [kcalkg] Prosedur rinci untuk perhitungan efisiensi boiler menggunakan metode tidak langsung disajikan berikut ini. Tahap 1: Menghitung kebutuhan udara teoritis TAtheoritical combustion air TA = [11,43xC+{34,5xH2 –O28}+4,32xS]100 kgkg bahan bakar… 6 Tahap 2 : Menghitung persen kelebihan udara yang dipasok EAexcess air O - 21 O EA 2 2  ………………………………………………………………… 7 Tahap 3: Menghitung massa udara sebenarnya yang dipasokkg bahan bakar AAS AAS = {1 + EA100} x TA ………………………………………………………… 8 Tahap 4: Memperkirakan seluruh kehilangan panas THLtotal heat loss  Persentase kehilangan panas yang diakibatkan oeh gas buang yang kering, heat loss due to dry flue gas Ldfg 00 1 x bakar bahan GCV T - T C x m Ldfg a f p  …………………………………………………..……. 9 189 Keterangan: m = massa gas buang kering, [kgkg bahan bakar] = massa hasil pembakaran keringkg bahan bakar + massa N 2 dalam bahan bakar pada basis 1 kg + massa N 2 dalam massa udara pasokan yang sebenarnya Cp = Panas jenis gas buang = 0,23 kcalkg  Persen kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya H 2 di dalam bahan bakar, heat loss due to evaporation of water formed due to H2 in fuel LH 2 00 1 x bakar bahan GCV } T - T C 584 { H x 9 LH a f p 2 2   ………………………….…………. 10 Keterangan: H 2 = jumlah kg H 2 dalam 1 kg bahan bakar C p = panas jenis uap lewat jenuhsuperheated steam 0,45 kcalkg  Persen kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar, heat loss due to evaporation of moisture present in fuel Lmf 00 1 x bakar bahan GCV } T - T C 584 { M Lmf a f p   ……………………………….……………… 11 Ketarangan: M = persen kadar air dalam 1 kg bahan bakar  Persen kehilangan panas karena kadar air dalam udara, heat loss due to moisture present in air Lma 00 1 x bakar bahan GCV } T - T C kelembaban faktor AAS Lma a f p  …………………………. 12  Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang, heat loss due to unburnt in fly ash Lfa 00 1 x bakar bahan GCV g abu terban GCV x terbakar yang bakar bahan pulkg abu terkum total Lfa  … 13 190  Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah, heat loss due to unburnt in bottom ash Lba 00 1 x bakar bahan GCV bawah abu GCV x terbakar yang bakar bahan pulkg abu terkum total Lfa  14  Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung, furnace body heat losses L Q 100 100 273 100 273 88 . 4 4 4 x a t L Q                          ………………………………………………... 15 Keterangan: t = Temperatur permukaan dinding furnace, [ o C] a = Temperatur udara sekitar furnace, [ o C]  = Emisivitas radiasi permukaan dinding boiler Kehilangan radiasi dan konveksi aktual dapat dikaji dengan mengetahui emisivitas permukaan yang beraneka ragam, kemiringan, pola aliran udara. Kehilangan dapat diasumsikan secara tepat tergantung pada kondisi permukaan. Namun demikian ada cara yang dapat dilakukan dengan mengukur temperatur permukaan boiler. Tahap 5: Menghitung efisiensi boiler dan rasio penguapan boiler L + Lba + Lfa + Lma + Lmf + LH + L - 100 η Efisiensi Q 2 dfg  Data-data yang dikumpulkan berupa data spesifikasi, bahan bakar, temperatur, dan pengukuran gas buang untuk masing-masing boiler. Hasil pengukuran temperatur gas buang Boiler 1 adalah 270 o C lebih rendah bila dibandingkan dengan temperatur Boiler 2 yaitu 350 o C. Persentase O 2 pada gas buang sama, yaitu 8. Data spesifikasi, bahan bakar, temperatur, dan pengukuran gas buang untuk masing-masing boiler secara detail diperlihatkan pada Tabel Lk-4-1. 191 Tabel Lk-4-1 Spesifikasi dan hasil pengukuran boiler Uraian Boiler 1 Boiler 2 Satuan Kapasitas 10 5 th Dimensi: Panjang 6 4,8 m Diameter 2,9 2 m Luasan dinding vertikal 13,20 6,28 m 2 Luasan permukaan silinder 54,64 30,14 m 2 Total luasan 67,84 36,42 m 2 Emisivitas 0,85 0,85 Bahan Bakar dan Gas Buang: Nilai kalori 42.119 42.119 kJkg Jumlah udara teoritis 11,09 11,09 Nm 3 kg Amount of the west gas air ratio =1 G0 11,82 11,82 Nm 3 kg Panas udara spesifik 1,3 1.3 kJNm 3 o C Panas spesifik gas buang 1,38 1,38 kJNm 3 o C Temperatur gas buang 270 350 o C O2 pada gas buang 8 8 Excess Air Ratio 1,62 1,62 NOx gas buang 250 250 ppm Temperatur permukaan 150 150 oC Konsumsi bahan bakar 750 394,7 kghr Konsumsi air 10600 5200 kghr Temperatur bahan bakar 33 33 o C Temperatur air umpan 20 20 o C Temeperatur udara pembakaran 33 33 o C Temperatur ambien 33 33 o C Blow rate 6 6 Blow Temp. 170 170 o C Berdasarkan hasil survei dan pengumpulan data, maka terdapat beberapa peluang penghematan energi yang dapat dilakukan, antara lain: perbaikan pembakaran dengan mengontrol rasio udara pembakaran dan pemanfaatan gas buang untuk pemanasan udara pembakaran. Pada Boiler 1 terdapat beberapa potensi yang dapat dilakukan untuk meningkatkan efisiensi boiler, yaitu pengaturan udara umpan dan bahan bakar, serta pemanfaatan gas buang untuk pemanasan udara bakar dengan memasang preheater. Hasil perhitungan perbaikan efisiensi pada boiler dapat dilihat pada Tabel Lk-4-2. 192 Tabel Lk-4-2 Hasil perhitungan perbaikan efisiensi pada Boiler 1 Kondisi sebelum perbaikan Perbaikan dengan Satuan Boiler 1 Pengaturan udara umpan dan bahan bakar Pemanfaatan gas buang untuk pemanasan udara bakar Analisis Data Temperatur Gas Buang 270 270 170 o C O2 di dalam gas buang 8 4,5 4,5 Perbandingan Udara Lebih 1,62 1,27 1,27 NOx di dalam gas buang 250 250 250 ppm Temperatur permukaan 150 150 150 o C Konsumsi bahan bakar 750 750 725 kghr Konsumsi air 10.600 10.600 10.600 kghr Temperatur bahan bakar 33 33 33 o C Temperatur air umpan 20 20 20 o C Temperatur ambien 33 33 33 o C Laju alir blowdown 6 6 6 Temperatur blowdown estimasi 170 170 170 o C Perhitungan Energi masuk Energi masuk = konsumsi bahan bakar X Nilai kalori 31.589,25 31.589,25 30.536,28 MJhr 1 Kehilangan pada Gas Buang Laju alir gas buang = Laju alir bahan bakar x G0 + A0 x rasio udara lebih-1 13.983,46 11.133,41 10.762,30 m 3 h Hilang panas di gas buang = laju gas buang x Nilai kalori x Temperatur gas buang 5.210,24 4.148,31 2.524,83 MJhr 2 Kehilangan panas 514,22 514,22 514,22 MJhr Hilang radiasi = 4,88x4.186 x Emisivitas x Luas permukaan x Ts+273100 4 - Ta+273100 4 1000 273,85 273,85 273,85 MJhr Hilang konveksi =9,208 x Luas permukaan x Ts-Ta 0,25 x Ts-Ta1000 240,37 240,37 240,37 MJhr 3 Kehilangan karena Blowdown Hilang panas karena Blow = Laju alir blow x Koefisien panas x Beda temperatur 394,00 394,00 394,00 MJhr Efisiensi Boiler 80,6 84,0 88,8 193 Kondisi sebelum perbaikan Perbaikan dengan Satuan Boiler 1 Pengaturan udara umpan dan bahan bakar Pemanfaatan gas buang untuk pemanasan udara bakar Penghematan Penghematan bahan bakar 25,21 34,54 kghr 105.892,92 145.081,22 kgyr Penghematan biaya 21.178,58 29.016,24 Yr Biaya investasi air heater 40.000.00 Reduksi emisi CO 2 91.067,91 124.769,85 kgyr Payback period 1,45 Yr Salah satu hal yang sangat penting untuk mengoptimalkan dan penyempurnakan pembakaran di dalam burner boiler adalah sistem pengendalian rasio udara pada sistem pembakaran combustion control system. Sistem tersebut memiliki peranan yang sangat penting dalam meningkatkan efisiensi boiler serta berfungsi menjaga komposisi aliran udara dan aliran bahan bakar yang tepat, sehingga tarjadi proses pembakaran sempurna. Berdasarkan hasil pengamatan, pengendalian rasio udara dan bahan bakar yang ada di pabrik ini dilakukan secara manual oleh operator dengan mengamati kandungan kadar oksigen O 2 dan memperhatikan asap yang keluar dari stack cerobong. Selain itu kadar O 2 yang berfungsi sebagai indikator sempurna-atau tidaknya proses pembakaran mengalami fluktuasi. Hal ini mengindikasikan bahwa rasio aliran udara dan aliran bahan bakar serta sistem pengendalian yang ada masih belum optimal. Oleh karena itu direkomendasikan untuk memasang sistem pengendalian rasio udara dan bahan bakar pada pembakaran boiler, serta mencari rasio aliran udara dan aliran bahan bakar yang optimal. Hal ini akan menurunakan kadar oksigen dari 8 menjadi 4,5. Dengan demikian excess air ratio dapat diturunkan dari 1,6 menjadi 1,27. Hal ini akan meningkatkan efisiensi boiler dari 80,6 menjadi 84, atau naik 4,2. Peningkatan efisiensi pada Boiler 2 dapat dilkukan dengan cara perbaikan pembakaran dengan mengontrol rasio udara, dan pemanfaatan gas buang untuk pemanasan awal udara pembakaran dan pemansangan economizer. Ringkasan hasil perhitungan peningkatan efisiensi Boiler 2 dapat dilihat pada Tabel Lk-4-3. 194 Tabel Lk-4-3 Hasil perhitungan perbaikan efisiensi pada Boiler 2 Kondisi sebelum perbaikan Perbaikan dengan Satuan Boiler 2 Pengaturan udara umpan dan bahan bakar Pemanfaatan gas buang untuk pemanasan udara bakar Pemanfaatan gas buang dengan memasang ekonimizer Analisis Data Temperatur Gas Buang 350 350 242 140 o C O 2 di dalam gas buang 8 4.5 4.5 4.5 Rasio Udara Lebih 1,62 1,27 1,27 1,27 NOx gas buang 250 250 250 250 ppm Temperatur permukaan 150 150 150 150 o C Konsumsi bahan bakar 394,7 394,7 382 362 kghr Konsumsi air 5.200 10.600 10.600 10.600 kghr Temperatur bahan bakar 33 33 33 33 o C Temperatur air umpan 20 20 20 56 o C Temperatur udara bakar 33 33 o C Temperatur ambien 33 33 33 33 o C Laju alir blowdown 6 6 6 6 Temperatur blowdown estimasi 170 170 170 170 o C Perhitungan Energi masuk Energi masuk = konsumsi bahan bakar X Nilai kalori 16.624,37 16.624,37 16.089,46 15.247,08 MJhr 1 Kehilangan pada Gas Buang Laju alir gas buang = Laju alir bahan bakar x G0 + A0 x rasio udara lebih-1 7.359,03 5.859,14 5.670,62 5.373,73 m 3 h Hilang panas di gas buang = laju gas buang x Nilai kalori x Temperatur gas buang 3.554,41 2.829,97 1.893,76 1.038,20 MJhr 2 Kehilangan panas 276,09 276,09 276,09 276,09 MJhr Hilang Radiasi = 4.88x4.186 x Emisivitas x Luas permukaan x Ts+2731004 - Ta+2731004 1000 147,03 147,03 147,03 147,03 MJhr Hilang Konveksi =9.208 x Luas permukaan x Ts-Ta 0.25 x Ts-Ta1000 129,06 129,06 129,06 129,06 MJhr 3 Kehilangan karena Blowdown Hilang panas karena Blow = Laju alir blow x Koefisien panas x Beda temperatur 193,28 394,00 394,00 299,44 MJhr Efisiensi Boiler 75,8 78,9 84,1 89,4 195 Kondisi sebelum perbaikan Perbaikan dengan Satuan Boiler 2 Pengaturan udara umpan dan bahan bakar Pemanfaatan gas buang untuk pemanasan udara bakar Pemanfaatan gas buang dengan memasang ekonimizer Penghematan Penghematan bhn bakar 12,4 19,6 19,4 kghr 52.224,8 82.126,1 81.357,8 kgyr Penghematan biaya 10.445,0 16.425,2 16.271,6 Yr Biaya investasi air heater 30.000,0 60.000,0 Payback period 2,1 4,8 Yr Reduksi emisi CO 2 44.913,3 70.628,4 69.967,7 kgyr Dari proses pengukuran, analisis data, dan perhitungan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Peningkatan efisiensi boiler dapat diperoleh dengan jalan mengontrol komposisi udara pembakaran dan bahan bakar, pemanfaatan gas buang untuk memanaskan udara pembakaran, dan pemasangan economizer. 2. Efisiensi Boiler 1 dapat ditingkatkan dari 80,6 menjadi 88,8 dengan memasang air heater seharga US40.000.- Total penghematan yang diperoleh adalah US50.194 atau Rp592.298.000.- per tahun. 3. Perbaikan efisiensi Boiler 2 dapat dilakukan dengan cara mengontrol komposisi udara pembakaran dan bahan bakar, pemanfaatan gas buang untuk memanaskan udara pembakaran, dan pemasangan economizer. Total investasi yang dibutuhkan adalah US90.000, dan penghematan yang didapatkan US3.141,6 per tahun atau Rp509.070.000,-per tahun. DAFTAR PUSTAKA [1] Bhatia, A., B.E. 2012. Improving Energy Efficiency of Boiler Systems. www.pdhcenter.com. [2] Boiler Efficiency Guide. Printed in the USA, ©2010 Cleaver-Brooks, Inc. CB-7767. [3] BS 845-1:1987. Methods for Assessing thermal performance of boilers for steam, hot water, and high temperatur heat transfer fluids — BS 845-1:1987 Incorporating Amendment No. 1, 1999. [4] Dockrill, Paul, Frank Friedrich. Boiler and Heaters: Improving Energy Efficiency. I Federal Industrial Boiler Program Natural Resources Canada CANMET Energy Technology Central. 1 Haanel Drive, Nepean ON K1A 1M1. [5] Einstein, D., E. Worrell, M. Khrushch. Systems in Industry: Energy Use and Energy Efficiency Improvement Potentials. Lawrence Berkeley National Laboratory. http:www.osti.govbridgeservletspurl789187-uTGqsPnative. 196 [6] Energy Efficiency Best Practice Guide: Steam, Hot Water, and Process Heating Systems. http:www.sustainability.vic.gov.auresourcesdocumentsBest_Practice_Guid e_Heating.pdf [7] Energy Information Administration EIA. International Energy Annual. Online Retrieved 3rd January 2009, from www.eia.doe.goviea. [8] ERC. How to Save Energy and Money in Boilers and Furnace Systems. Energy Research Centre ERC. University of Cape Town, South Africa. [9] Farthing, David C. Tech Paper 901. Improving Boiler Room Efficiencies. A Seminar on the ways and means of increasing boiler room efficiencies. [10] February 2002. Boiler Blowdown Heat Recovery Project Reduces Steam System Energy Losses at Augusta Newsprint. Office of Industrial Technologies Energy Efficiency and Renewable Energy U.S. Department of Energy Washington DC 20585-0121. [11] Krishnanunni, S., Josephkunju Paul, Mathu Potti, Ernest Markose Mathew. 2012. Evaluation of Heat Losses in Fire Tube Boiler. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering Website: www.ijetae.com ISSN 2250- 2459, ISO 9001:2008 Certified Journal, Volume 2, Issue 12, December 2012. [12] Morimoto. 2003. Energy Conservation in the Textile Industry. ECCJ. Japan. [13] Saidur, R. 2011 Energy Savings and Emission Reductions in Industrial Boilers. THERMAL SCIENCE, Year 2011, Vol. 15, No. 3, pp. 705-719. [14] Schiffhauer, Mark. 2009. Increasing Natural Gas Boiler Efficiency by Capturing Waste Energy. ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Industry. Pp 683- 693. [15] Stein, Jeff. 2010. Designing Efficient Boiler Systems for Commercial Buildings. Taylor Engineering Alameda, CA. PGE Energy Center 14. [16] Syllabus Boilers: Types, Combustion in boilers, Performances evaluation, Analysis of losses, Feed water treatment, Blow down, Energy conservation opportunities. Bureau of Energy Efficiency. [17] Teir, Sebastian, Antto Kulla. 2002. Boiler Calculations. Helsinki University of Technology Department of Mechanical Engineering Energy Engineering and Environmental Protection Publications Uap Boiler Technology eBook. [18] The Energy Saving Technology in Boiler. 2003. Tokyo Gas. Japan. 197 Hari Yurismono Pudjo Wahono Hadi Nur Rachman Iskandar Soleh Heru Eka Prawoto udit energi di industri sering meliputi pula kajian pada unit diesel- generator. Di beberapa industri unit ini dioperasikan secara kontinyu dalam menunjang kebutuhan sebagian energi listriknya. Namun lebih sering dijumpai peralatan tersebut diposisikan sebagai cadangan. Dengan statusnya sebagai cadangan maka pengoperasian diesel-generator hanya pada saat sumber energi utama, misalnya pasokan listrik dari PT PLN Persero, mengalami gangguan. Sedangkan selagi pasokan listrik tersebut berlangsung normal maka diesel-generator dioperasikan secara berkala, terjadwal, dan waktu yang relatif singkat dalam rangka perawatan dan menjaga kehandalannya. Sehingga kapanpun diperlukan maka diesel-generator ini siap dioperasikan dan menghasilkan energi listrik yang dibutuhkan. Audit energi dilakukan terhadap unit diesel-generator yang sedang dioperasikan. Atau dengan kata lain terhadap unit yang berstatus sebagai cadangan dan sedang tidak dioperasikan tidak harus dilakukan audit energi terhadap unit tersebut. Meskipun demikian adakalanya, di suatu industri sekalipun unit diesel generator tersebut berstatus sebagai cadangan dan sedang tidak dioperasikan, pihak industri ingin mengetahui status kinerjanya. Untuk itu unit tersebut mesti dihidupkan atau dioperasikan selama beberapa jam hingga kondisinya stabil dengan menggunakan beban dummy. Selanjutnya dilakukan kajian atau “pemotretan” terhadap unit tersebut dengan pengambilan dataparameter operasionalnya misal: laju alir dan A 198 temperatur bahan bakar, komposisi dan temperatur gas buang, dan beberapa lainnya melalui pemasangan alat-alat ukur atau alat ukur yang sudah terpasang pada unit tersebut. Selanjutnya dilakukan analisisperhitungan untuk mendapatkan status kinerja atau efisiensinya. 5 5 . . 1 1 . . D D E E S S K K R R I I P P S S I I S S I I S S T T E E M M D D I I E E S S E E L L - - G G E E N N E E R R A A T T O O R R 5 5 . . 1 1 . . 1 1 . . G G a a m m b b a a r r a a n n U U m m u u m m Dalam penentuan sumber listrik di industri diperlukan pertimbangan- pertimbangan dari segi teknis dan ekonomis. Pada umumnya industri menggunakan kombinasi sumber daya listrik dari PLN dan pembangkit listrik sendiri. Untuk pembangkit listrik sendiri, jenis pembangkit listriknya ditentukan oleh besarnya daya keluaran output yang diinginkan. Untuk daya kecil sampai dengan sedang 2 MW penggunaan diesel-generator akan memberikan nilai ekonomis yang relatif tinggi. Sedangkan untuk daya di atas 2 MW, pilihan turbin-generator akan lebih menguntungkan. Keuntungan diesel-generator adalah kemampuannya mencatu daya pada kapasitas kecil dengan efisiensi dan penggunaan yang fleksibel. Dalam hal sumber listrik berasal dari PLN dan diesel-generator maka dibedakan 3 fungsi diesel-generator, yaitu: 1. Sebagai Sistem Pendukung Dalam hal ini industri menggunakan sumber listrik PLN untuk menanggung beban dasarnya. Diesel-generator berfungsi sebagai sistem pendukung yang akan mencatu daya hanya pada waktu beban puncak, sedangkan pada waktu beban normal semua beban listrik ditanggung PLN. 2. Sebagai Sitem Cadangan Back-up System Pada sistem ini diesel-generator hanya akan bekerja pada waktu terjadi gangguan pada PLN. Pada waktu biasa maka diesel-generator tidak dioperasikan tetapi tetap pada kondisi siap pakai stand-by. 3. Sebagai Sistem Pembangkit Bagi industri yang sama sekali tidak menggunakan PLN, maka pembangkitan listrik seluruhnya ditanggung diesel-generator. 5 5 . . 1 1 . . 2 2 . . P P r r i i n n s s i i p p K K e e r r j j a a M M e e s s i i n n D D i i e e s s e e l l Mesin diesel bekerja dengan dasar siklus diesel yang ditemukan oleh Rudolph Diesel pada tahun 1890. Siklus ini dikenal juga mesin kompresi compression engine. Pada mesin diesel udara dikompresi sampai dengan temperatur udara lebih tinggi daripada temperatur nyala bahan bakar auto ignition temperature. Pada kondisi ini bahan bakar diinjeksikan sehingga terjadi pembakaran dengan sendirinya. 199 Pada umumnya mesin diesel, terdapat tiga bagian utama yang meliputi silinder, torak, poros engkol, katup hisap, dan katup buang. Mekanisme inilah nantinya akan mengubah energi termal dari gas hasil pembakaran bahan bakar menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Prinsip kerja mesin diesel diperlihatkan pada Gambar 5-1 yang mengilustrasikan skema gerakan torak dan katup pada mesin diesel empat langkah. Gambar 5-1. Skema gerakan torak dan katup pada mesin diesel empat langkah. Secara skematis prinsip kerja motor diesel empat langkah dapat dijelaskan sebagai berikut: 1. Langkah Pemasukan atau Hisap Gambar 5-1-a Pada langkah ini torak atau piston bergerak dari posisi TMA Titik Mati Atas atau jarak terdekat dari kepala silinder menuju TMB Titik Mati Bawah atau jarak terjauh dari kepala silinder, sedangkan katup masuk membuka dan katup buang tertutup. Akibat gerakan torak ini maka udara segar dari atmosfer terhisap dan mengalir masuk ke dalam silinder. 2. Langkah Kompresi Gambar 5-1-b Kedua katup menutup, torak bergerak dari TMB ke TMA menekan udara yang berada di dalam silinder. Kerja torak ini akan mengakibatkan terjadinya kenaikkan tekanan dan temperatur udara di dalam silinder. Selama langkah kompresi ini terjadi, torak akan terus menekan hingga sampai pada jarak tertentu dari kepala silinder atau pada posisi TMA. Beberapa saat sebelum torak mencapai posisi TMA, bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder. 3. Langkah Ekspansi Gambar 5-1-c Injeksi bahan bakar ke dalam silinder yang berisi udara bertemperatur tinggi menyebabkan bahan bakar terbakar. Energi yang mengiringi gas hasil pembakaran akan mendorong torak bergerak menjauhi TMA dan akan memutar Si lin d e r TMA TMB Katup Hisap Katup Buang Torak Poros Engkol 200 poros engkol. Perilaku gas hasil pembakaran dalam mendorong torak disebut sebagai langkah ekspansi. Langkah ekspansi ini akan terus menggerakkan torak ke bawah hingga berada pada posisi yang terjauh dari kepala silinder atau posisi TMB. Kedua katup pada langkah ini tertutup. 4. Langkah Buang. Ketika torak hampir mencapai posisi TMB, katup buang terbuka dan katup masuk tetap tertutup. Selanjutnya dari posisi TMB piston bergerak menuju posisi TMA. Ggas sisa pembakaran dibuang keluar ruang bakar melalui katup buang. Akhir langkah ini adalah ketika piston mencapai TMA. Siklus kemudian berulang kembali. Berdasarkan prinsip kerja mesin diesel di atas, proses yang terjadi dapat disederhanakan menjadi penghisapan udara segar, kompresi, ekspansi, pembuangan, dan pencampuran dengan udara. Urutan proses tersebut dapat digambarkan pada diagram tekanan p terhadap volume spesifik  yang akan membentuk suatu proses tertutup dan disebut dengan siklus diesel. Secara ideal siklus diesel empat langkah dapat dilihat pada Gambar 5-2. Gambar 5-2. Diagram Siklus Diesel Siklus Tekanan Konstan. Proses pada Gambar 5-2 dapat dijelaskan, sebagai berikut: a. Langkah Hisap 0 – 1 Langkah ini terjadi pada tekanan tetap. Pada kondisi ini udara masuk ke dalam ruang silinder akibat pergerakkan torak dari TMA menuju TMB. Sehingga udara seolah-olah melakukan kerja sebesar W dengan persamaan: T e ka n a n p 3 4 1 2 Ise ntro fis lse ntro fis Volume Spesifik v Q in Q out a Diagram p vs v 2 V Ko nst an P Ko nsta n 1 3 4 q in q out Entropi s T e mp e ra tu r T b Diagram T vs s 201 W 0-1 = P x V 1 – V keterangan: W 0-1 = kerja yang dilakukan, [kJ] P = tekanan gas, [kPa] V = volume pada kondisi di titik 0, [m 3 ] V 1 = volume pada kondisi di titik 1, [m 3 ] b. Langkah Kompresi 1 – 2 Proses yang terjadi pada langkah kompresi adalah kompresi isentropis Q = 0 dan S = 0. Untuk proses ini berlaku persamaan: 1 k e i k 1 k i e i e V V P P T T                 Subskrip i dan e berturut-turut menandakan keadaan awal dan keadaan akhir, maka persamaannya menjadi: 1 k 1 k 1 2 1 k 2 1 k 1 k 1 2 1 2 r γ γ V V P P T T                           keterangan: k = perbandingan panas spesifik  = massa jenis bahan bakar, [kgm 3 ] r = perbandingan kompresi = S S L 2 1 V V V V V   V L = volume langkah torak, [m 3 ] V S = volume sisa, [m 3 ] Dengan demikian kerja yang dilakukan: W 3-4 = U = U 3 – U 4 c. Proses Pembakaran 2 - 3 Proses pembakaran ini berlangsung pada tekanan konstan atau P 2 = P 3 . Persamaan yang berlaku pada proses ini adalah: Q 2-3 = U 3 – U 2 + W 3-2 Sedangkan besarnya kerja yang dilakukan adalah: W 2-3 = P 2  V 3 – V 2 202 Dengan mensubstitusikan kerja tersebut, maka besarnya kalor yang masuk adalah: Q in = Q 2-3 = U 3 – U 2 + W 3-2 = U 3 – U 2 + P 2  V 3 – V 2 = U 3 + P 2 .V 3 – U 2 + P 2 .V 2 = H 3 – H 2 Q in = m  C P  T 3 – T 2 keterangan: Q in = kalor yang diserap bahan bakar, [kJ] m = massa bahan bakar, [kg] C P = kapasitas panas bahan bakar pada tekanan tetap, [kJkg. o C] T 3 = temperatur pada titik 3, [ o C] T- 2 = temperatur pada titik 2, [ o C] d. Langkah Ekspansi 3 - 4 Pada langkah ini terjadi proses ekspansi secara isentropis dan tidak ada kalor yang terbuang Q = 0; S = 0, sehingga persamaan yang berlaku adalah: 1 k 1 k 3 4 1 k 3 4 k 1 k 3 4 3 4 r γ γ V V P P T T                           Sedangkan kerja yang dihasilkan adalah: W 3-4 = U = U 3 – U 4 keterangan: W 3-4 = kerja yang dihasilkan selama langkah ekspansi, [kJ] U = perubahan energi dalam, [kJ] e. Proses Pembuangan 4 - 1 Proses ini terjadi pada tekanan konstan dan besarnya kalor yang dihasilkan adalah: Q 4-1 = U = m  C V  T 1 – T 4 keterangan: Q 4-1 = kalor yang dihasilkan, [kJ] m = massa bahan bakar, [kg] C V = kapasitas panas bahan bakar pada tekanan tetap kJkg. o C T 1 = temperatur pada titik 1, [ o C] 203 T 4 = temperatur pada titik 4, [ o C] f. Langkah Buang 1 - 0 Langkah Buang 1 – 0 Pada proses ini kerja yang dilakukan terjadi pada tekanan konstan. W 1-0 = P V 1 – V keterangan: W 1-0 = kerja yang dilakukan kJ P = tekanan pada kondisi titik 0 kPa V 1 = besarnya volume pada titik 1 m 3 V = besarnya volume pada titik 0 m 3 Dengan demikian apabila ditinjau dari satu siklus penuh, maka kerja yang dihasilkan untuk setiap 1 kg udara adalah: W = H 3 – H 2 + U 1 – U 4 = Q 3-2 + Q 4-1 = Q i + Q o = {m  C P  T 3 – T 2 } – {m  C V  T 1 – T 4 } Tanda negatif di atas menyatakan bahwa kalor tersebut keluar dari sistem. Dari perumusan di atas dapat diketahui pula besarnya efiseiensi siklus dengan persamaan sebagai berikut: i o i i Q Q Q Q W η    = i o Q Q 1  =     1 3 P 1 4 V T T C T T C 1    5 5 . . 1 1 . . 3 3 . . K K i i n n e e r r j j a a M M e e s s i i n n D D i i e e s s e e l l Kinerja mesin diesel merupakan suatu ukuran atau nilai yang menyatakan baik tidaknya kondisi kerja mesin tersebut. Ukuran-ukuran tersebut meliputi: a daya poros, b energi bahan bakar, c energi panas, d energi gas buang, dan e efisiensi termal.

a. Daya Poros

204 Daya poros merupakan daya yang digunakan untuk menggerakkan beban yang dalam hal ini adalah alternator. Besarnya daya poros dapat diketahui dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: N e = ω T  = 60 n 2 T π  keterangan: N e = daya poros, [Watt] T = torsi, [Nm] n = putaran poros, [rpm]

b. Energi Bahan Bakar

Energi bahan bakar merupakan energi yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar, yaitu: E bb = m b x N c keterangan: E bb = energi bahan bakar, [kW] m b = aliran massa bahan bakar, [kgdetik] N c = nilai kalor bahan bakar, [kJkg]

c. Energi Panas

Energi panas yang dimaksud adalah energi yang terbuang melalui fluida pendingin dalam bentuk panas. Besarnya energi ini adalah: Q c =   in c out c P c T T C m     keterangan: Q c = energi panas yang terbuang melalui fluida pendingin, [kW] m c = laju alir massa fluida pendingin, [kgdetik] C P = kapasitas panas fluida pendingin, [kJkg. o C] T c out = temperatur keluar fluida pendingin, [ o C] T c in = temperatur masuk fluida pendingin, [ o C]

d. Energi Gas Buang

Energi ini merupakan energi dari gas hasil pembakaran yang sudah tidak dapat dimanfaatkan dan terbuang melalui gas buang.

e. Efisiensi Termal