ANALISA PENAMBAHAN SIRIP (L DAN U) SERTA ALAS BERSIRIP (L DAN U) PADA COOKING VESSEL BAJA AISI 304 TERHADAP EFISIENSI TERMAL DAN TINGKAT KONSUMSI BAHAN BAKAR LPG Sadino1 1
Widyastutui1
Brand
Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia
ABSTRACT Increasing of thermal eficiency in the cookware especially cooking vessel can reduce consumption of LPG because time for cook faster. So that modification is needed by adding fins under surface of cooking vessel in order that the surface area increase so the absorption of thermal from stove to cooking vessel became optimum. There are five types of cooking vessel from stainless steel type 304, which were cooking vessel without fins, with fin L and U, and conventional cooking vessel with finned round mat L and U. Cooking vessel were tested by using water heating and boiling test. Water heating test would be done until whereas boiling test be done during 30 minutes. From the research, boiling test indicate that finned cooking vessel type U got the best performance of all, 20,62 % thermal eficiency and consumption of LPG was 0,06 lt. And the conclusion was more increasing surface area the thermal conductivity will also high. Keyword : Fin, Cooking vessel, Eficiency, Thermal conductivity ABSTRAK Peningkatan efisiensi termal pada peralatan masak khusunya panci (cooking vessel) dapat mengurangi pemakaian bahan bakar gas LPG. Hal ini disebabkan karena waktu yang dibutuhkan untuk memasak lebih cepat. Oleh karena itu dilakukan modifikasi cooking vessel dengan menambahkan fin atau sirip pada bagian luar bawah permukan cooking vessel agar luas permukaan bawah cooking vessel bertambah luas sehingga penyerapan panas dari kompor ke cooking vessel optimal. Terdapat 5 jenis cooking vessel yang terbuat dari baja AISI 304, yaitu cooking vessel tanpa sirip, cooking vessel bersirip L dan U serta cooking vessel beralaskan sirip L dan U. Masing-masing cooking vessel akan di uji coba dengan water heating test dan water boiling test. Water heating test dilakukan dengan memanaskan air hingga air tepat mendidih sedangkan boiling test dilakukan dengan memanaskan air hingga 30 menit. Data yang diperoleh dari water heating test dan boiling test menunjukkan bahwa performa terbaik pada cooking vessel bersirip U, dimana nilai efisiensi termal sebesar 20,62% dan konsumsi gas LPG sebesar 0,06 lt. Kata kunci: Sirip, Laju perpindahan panas, Efisiensi termal
1. LATAR BELAKANG
2.1 Water Heating Test
Krisis energi saat ini merupakan topik yang sering diperbincangkan di berbagai Negara. Banyak Negara melakukan riset untuk menemukan alternatif baru sebagai pengganti energi yang tidak terbarukan ataupun menciptakan alat-alat yang lebih efesien terhadap pemakaian bahan bakar. Bahan bakar fosil merupakan energi yang tidak terbarukan, minyak tanah adalah salah satu contohnya. Dalam penelitian ini, penghematan konsumsi bahan bakar yang melatarbelakangi dilakukannya penelian ini. Penghematan konsumsi bahan bakar ini menggunakan prinsip perpindahan panas akibat pertambahan luas permukaan benda sehingga terjadinya peningkatkan laju perpindahan panas. Dengan meningkatnya laju perpindahan panas maka benda kerja akan memiliki nilai efisiensi yang besar sehingga waktu yang diperlukan untuk pemanasan relatif sebentar. Penambahan sirip (fin) adalah cara untuk memperluas luas permukaan benda kerja. Oleh karena itu objek penelitian ini menggunakan sirip yang diletakan pada bagian bawah luar permukaan cooking vessel dengan menggunakan las Tungsten Inert Gas (TIG) sebagai proses penyambungan antara sirip dan cooking vessel.
Semua cooking vessel di uji dengan memanaskan air hingga air tepat mendidih. Volume air yang digunakan sebesar 2/3 dari kapasitas total cooking vessel, yaitu 1,75 lt. Sebelum air dipanaskan, terlebih dahulu mengukur berat dan temperatur air. Sensor dari thermocouple dimasukkan ke dalam cooking vessel yang telah berisi air. Api dinyalakan dengan menggunakan kecepatan aliran gas LPG sebesar 2.67 gr/menit. Bersamaan dengan dinyalakannya api, waktu mulai dicatat menggunakan stopwatch. Pencatatan temperatur dilakukan 3 menit sekali dan berakhir hingga air tepat mendidih pada temperatur 100 °C. Apabila air sudah mendidih, api dimatikan dan dilakukan pencatatan konsumsi gas LPG.
2. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini menggunakan 5 jenis cooking vessel, yaitu cooking vessel tanpa sirip, cooking vessel bersirip L dan U, serta cooking vessel beralaskan sirip L dan U. Bahan yang digunakan pada semua jenis cooking vessel, alas serta sirip adalah Baja AISI 304. Antara cooking vessel dengan sirip dan alas dengan sirip, proses penyambungannya menggunakan las TIG. Selanjutnya semua jenis cooking vessel akan di uji menggunakan water heating test, water boiling test dan program Ansys. Selanjutnya data yang diperoleh akan diproses dan kemudian dianalisa.
2.2 Water Boiling Test Tahapan pengujian water boiling test hampir sama dengan water heating test, hanya saja pemanasan air dilakukan selama 30 menit. Volume air yang digunakan sama sebesar 2/3 dari kapasitas total cooking vessel, yaitu 1,75 lt. Data yang diperoleh adalah peningkatan temperatur setiap 3 menit sekali selama 30 menit, uap air yang terbuang ke udara selama proses pemanasan dan konsumsi LPG selama proses berlangsung. Massa air setelah pemanasan ditimbang dengan menggunakan timbangan. Selisih antara massa air sebelum pemanasan dengan massa air sesudah pemanasan adalah massa uap air yang terbuang ke udara. Dari data yang diperoleh akan didapat nilai kalor yang diterima oleh air serta efisiensi termal pada masing-masing cooking vessel. Adapun persamaan yang dipakai untuk menghitung nilai kalor serta efisiensi termal seperti yang ditunjukkan pada persamaan Persamaan kalor sensibel: = . .∆ Persamaan kalor laten: Q=mL
[(
.
).(
)]
. (
.(
. )
)
(
. )
× 100%
2.3 Heat Distribution Test Pengujian heat distribution menggunakan program Ansys 12.1. Sebelum pengolahan data menggunakan Ansys, terlebih dahulu dibuat pemodelan 3 dimensi dari masing-masing cooking vessel menggunakan program solidworks 2010. Penggunaan program ini bertujuan untuk memudahkan pencitraan termal pada masing-masing cooking vessel. Data yang digunakan adalah temperatur bagian bawah dan bagian atas cooking vessel, konduktifitas panas baja AISI 304 pada berbagai temperatur tergantung dari temperatur minimum (bagian atas cooking vessel) dan temperatur maksimum (bagian bawah cooking vessel). Proses meshing pada permukaan masing-masing cooking vessel menggunakan ukuran 10 mm dan waktu percobaan selama 60 detik. Fitur yang digunakan pada program Ansys adalah Ansys Workbench dengan kondisi Steady State Thermal Analysis. Proses komputasi analisis termal berlangsung selama kurang lebih 5 menit disebabkan rumitnya model dan meshing yang kompleks terutama di bagian-bagian lekukkan pada cooking vessel. Faktor yang lainnya adalah kinerja dari komputer (laptop) yang membutuhkan performa tinggi untuk komputasinya. 3.
PEMBAHASAN
3.1 Water Heating Test Hasil pengujian menunjukkan bahwa pada cooking vessel tanpa sirip, air mendidih pada menit ke 15. Pada cooking vessel bersirip L dan U, air mendidih pada menit ke 12 dan menit ke 11. Sedangkan pada cooking vessel beralaskan sirip L dan U, air mendidih pada menit ke 28 dan menit ke 24.
120 100
Temperatur (°C)
=
Untuk konsumsi gas LPG yang terpakai, pada cooking vessel tanpa sirip gas LPG yang terpakai sebesar 0,08 lt. Untuk cooking vessel bersirip L dan U sebesar 0,07 lt dan 0,06 lt. Sedangkan untuk cooking vessel beralaskan sirip L dan U sebesar 0,15 lt dan 0,13 lt. Pada Gambar 3.1 cooking vessel beralaskan sirip L dan U membutuhkan waktu pendidihan yang paling lama diantara cooking vessel lainnya. Hal ini disebabkan nilai hambatan perpindahan panas yang besar sehingga menghambat aliran panas dari api ke air sehingga energi yang dibutuhkan akan semakin besar (Incropera, 2007). Energi diperoleh dari gas LPG. Oleh karena itu, konsumsi gas LPG akan semakin besar juga seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.2.
80 60 Tanpa Sirip Sirip L Sirip U Alas L
40 20 0 3
6
9
12 15 18 21 24 27 30 Waktu (menit)
Gambar 1. Grafik water heating test dari masing-masing cooking vessel 0.18 0.16 Volume gas LPG yang terpakai (lt)
Persamaan efisiensi termal:
0.14 0.12 0.10
Tanpa Sirip Sirip L Sirip U Alas L Alas U
0.08 0.06 0.04 0.02 0.00
Gambar 2. Diagram konsumsi gas LPG dari masing-masing cooking vessel
3.2 Water Boiling Test Kalor yang diterima oleh air (kJ)
1600
Tanpa Sirip Sirip L Sirip U Alas L Alas U
1200 800 400 0
Gambar 3. Diagram kalor yang diterima oleh air dari masing-masing jenis cooking vessel 25 20 Efisiensi (%)
Hasil pengujian dari water boiling test menunjukkan bahwa pada cooking vessel tanpa sirip, besarnya kalor yang diterima oleh air adalah 1.429,1 kJ. Untuk cooking vessel bersirip L dan U, besarnya kalor yang diterima oleh air sebesar 1.722,4 kJ dan 1.767,5 kJ. Pada cooking vessel beralaskan sirip L dan U adalah sebesar 955,3 kJ dan 1.045,6 kJ seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.3. Untuk efisiensi termal, cooking vessel tanpa sirip memiliki efisiensi sebesar 16,67%. Cooking vessel bersirip L dan U memiliki efisiensi termal sebesar 20,1% dan 20,62%. Semantara itu pada cooking vessel beralaskan sirip L dan U sebesar 11,19% dan 12,23% seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.4. Pada pengujian ini nilai kalor yang diterima oleh air serta efisiensi termal terbesar diperoleh pada cooking vessel bersirip U. Hal ini disebabkan karena luas permukaan cooking vessel bersirip U lebih luas dibandingkan dengan cooking vessel lainnya (Incropera, 2007). Luasan permukaan yang lebih luas akan menyebabkan penyerapan panas dari sumber panas (api) ke cooking vessel optimal sehingga air akan cepat mendidih dan uap air yang dihasilkan akan semakin banyak. Air yang lebih cepat mendidih dan dihasilkan uap air yang lebih banyak menandakan bahwa kalor yang diterima oleh air besar. Selanjutnya dilakukan perhitungan nilai efisiensi termal, dimana efisiensi termal merupakan kemampuan suatu bahan untuk menerima panas. Jadi apabila nilai efisiensinya besar maka kemampuan bahan menerima panas akan semakin besar juga. Itu ditunjukkan dari panas yang diterima (Eout) terhadap panas yang diberikan (Ein) (Moran dan Shapiro 2004).
2000
Tanpa Sirip Sirip L Sirip U Alas L Alas U
15 10 5 0
Gambar 4. Diagram efisiensi dari masingmasing cooking vessel 3.3 Water Distribution Test Dari grafik distribusi termal yang ditunjukkan pada Gambar 6, diketahui temperatur maksimum (bagian bawah cooking vessel) dan temperatur minimum (bagian atas cooking vessel) dari masingmasing cooking vessel. Pada cooking vessel tanpa sirip temperatur maksimum dan temperatur minimumnya sebesar 67 °C dan 451,33 °C. Pada cooking vessel bersirip L dan U temperatur minimumnya adalah 78 °C dan 96 °C. Sedangkan temperatur maksimumnya sebesar 462,81 °C dan 480,8 °C. Untuk cooking vessel beralaskan sirip L dan U, temperatur minimumnya sebesar 54 °C dan 61 °C. Sedangkan temperatur maksimumnya sebesar 438,36 °C dan 445,65 °C.
Dari pengujian heat distribution test seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 terlihat perambatan panas pada daerah berwarna merah bergelombang pada cooking vessel bersirip L dan U. Ini disebabkan penyerapan panas yang lebih optimal terjadi pada daerah sirip sehingga distribusi panas mengikuti bentuk sirip. Untuk cooking vessel beralaskan sirip L dan U, gelombang yang terlihat lebih smooth karena adanya alas berbentuk lingkaran. Oleh karena itu
perambatan panasnya mengikuti bentuk alas bersirip sehingga dihasilkan bentuk gelombang yang lebih smooth. Pada cooking vessel jenis ini harusnya tidak terlihat gelombang dari degradasi warna tersebut. Tetapi karena sirip ditempatkan tepat berbatasan pada sisi lingkaran, maka terdapat pengaruh dari bentuk sirip tersebut sehingga masih terlihat gelombang pada daerah berwarna merah.
(a)
(c)
(b)
(d)
(e)
Gambar 5. Pemodelan cooking vessel: (a) Tanpa Sirip (b) Bersirip L (c) Bersirip U (d) Beralaskan sirip L (e) Beralaskan sirip U
600 Tanpa Sirip Sirip L Sirip U Alas L Alas U
Temperatur (°C)
500 400 300 200 100 0 1
2
3
4
5
6
7
Titik 1 Titik 2 Titik 3 Titik 4 Titik 5 Titik 6 Titik 7 Titik 8 Titik 9 Titik 10 Titik 11 Titik 12 Titik 13 Titik 14 Titik 15
8 9 10 11 12 13 14 15 Titik
Gambar 6. Grafik distribusi termal dari masing-masing cooking vessel
4.
KESIMPULAN
Setelah melakukan penelitian mengenai pengaruh penambahan sirip dan alas bersirip maka dapat disimpulkan bahwa : Performa yang paling baik terdapat pada cooking vessel bersirip U, dimana air tepat mendidih pada menit ke 11 dan volume gas LPG terpakai sebesar 0,06 lt. Jumlah kalor yang diterima oleh air serta efisiensi termal pada cooking vessel ini sebesar 1.767,5 kJ dan 20,62%. Performa cooking vessel bersirip U dibandingkan dengan cooking vessel tanpa sirip. Volume gas LPG terpakai sebesar 25%. Jumlah kalor yang diterima oleh air sebesar 23,68%.
5. DAFTAR PUSTAKA Ayo, S.A. 2009. “ Design, Construction and Testing of an Improved Wood Stove”. AU J.T. 13(1): 12-18. Beard, James. 1975. “The Cooks' Catalogue. et al”. Harper & Row. ISBN 0-06011563-7. Bueche, F.J., dan Hect, E. 2006. Fisika Universitas, 10th ed. Jakarta: Erlangga. Çengel, Y.A., dan Turner, R.H. 2001. Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences. Reno: University of Nevada. Harmim, A., M. Boukar, M. Amar. 2007. “Experimental Study of a Double Exposure Solar Cooker With Finned Cooking Vessel”. Solar Energy 82 : 287–289. Holman. J.P. 1988. Perpindahan Kalor, 6th ed. Jakarta: Erlangga. Incropera, F.P., DeWitt, D.P., Bergman, T.L., dan Lavine, A.S. 2007. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th Edition. Indiana: University of Notre Dame. Khatak, H.S., dan Raj. B. 2002. Corrosion of Austenitic Stainless Steels. India: Corrosion Science and Technology Division.
Metals and Materials for Research and Industry. PT. Atlas Steels. Australia Mink, T., dan Grafman, L., Sept. 2010. Heat Distribution Test,
. Moran, J.M., dan Shapiro, H.N. 2004. Termodinamika Teknik Jilid 1, 4th ed. Jakarta: Erlangga. Musaikan. 2002. Teknologi Pengelasan. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh November. Pauliza, O., Gustanti, D., dan Bukhori, A. 2008. Fisika Kelompok Teknologi dan Kesehatan. Jakarta: Grafindo Media Pratama Perry, R.H., dan Green, D.W. 1984. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook, 6th Edition. Tokyo: McGraww Hill Co. Rokhadi, A.W. 2010. “Pengujian Karakteristik Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Dari Sirip-Sirip Pin Elips Susunan Selang-Seling Dalam Saluran Segiempat”. Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Suherman, Wahid. 1999. Ilmu Logam II. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh November. Surdijani, Dian., Sumala., dan Sugiarti, Astute. 2006. Be Smart Ilmu Pengetahuan Alam. Jakarta: Grafindo Media Pratama. SNI 7368- 2007.One-burner LPG stove with mechanical ignition system. William, F.S. 1993. Structure and Properties of Engineering Alloys, 2nd Edition. University of Central Florida. Young, H.D., dan Freedman, R.A . 2003. Fisika Universitas, Edisi kesepuluh Jilid 2. Jakarta: Erlangga.
