ANALISA VARIASI SIRIP DENGAN (MODEL L DAN U) PADA COOKING VESSEL ALUMUNIUM 3004 TERHADAP EFISIENSI TERMAL DAN TINGKAT KONSUMSI BAHAN BAKAR LPG Fikri Surya Andika Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia Email :
[email protected]
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 Alumunium 3004, 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. Dari hasil penelitian terlihat bahwa profil sirip U menghasilkan hasil yang paling baik yaitu efisiensi sebesar 22,67 % dan menghemat konsumsi gas LPG hingga mencapai 0,057 L. Semakin luas permukaan, maka semakin tinggi konduktivitas panasnya. Kata kunci : sirip, cooking vessel, efisiensi, konduktivitas panas
PENDAHULUAN Pengunaan panci (cooking vessel) digunakan untuk memenuhi kebutuhan primer setiap manusia, yaitu memasak makanan yang akan dikonsumsi. Material yang digunakan sebagai bahan panci umunya adalah alumunium, tembaga, stainless steel, carbon steel, dan cast iron. Sifat-sifat yang dibutuhkan dalam pemilihan panci antara lain heat transfer yang baik, ketahanan terhadap goresan, memiliki estetika yang indah, tidak
berpengaruh pada makanan yang dimasak (inert), serta harga jual yang rendah. Heat transfer yang baik didapat dengan memilih sifat thermal conductivity material yang tinggi, contohnya tembaga dengan nilai 401 W/mK, akan tetapi nilai ekonomisnya tidak tercapai sebab tembaga memiliki harga jual yang tinggi, sehingga hanya menjangkau kalangan menengah ke atas. Material dengan thermal conductivity kedua terbaik adalah alumunium dengan
nilai 237 W/mK, dapat dipilih karena nilai ekonomisnya dapat tercapai. Material alumunium 3004 sering digunakan dalam industri peralatan dapur dikarenakan mudah dibentuk untuk proses drawing panci dan sifat machinability yang baik. Peningkatan performa thermal conductivity alumunium 3004 dilakukan dengan berbagai cara, salah satunya dengan menambahkan sirip alumunium pada bagian bawahnya, konsepnya adalah dengan menambah luasan permukaan tanpa menambah diameter panci alumunium (Andreattha 2009). TINJAUAN PUSTAKA Setelah logam perunggu, besi, dan tembaga ditemukan pada abad pertengahan, manusia mulai beralih menggunakan cooking vessel yang terbuat dari logam. Proses produksi yang digunakan adalah dengan teknik pengecoran, karena pengecoran pada waktu itu merupakan teknologi pengolahan logam paling mutakhir saat itu. Baru pada abad ke-19 dan ke-20 teknologi pengolahan logam mulai berkembang dan material yang digunakanpun beralih menggunakan bahan logam dari baja dan alumunium yang harganya lebih murah serta terjangkau (Beard, 1975). Kalor adalah salah satu bentuk energi panas yang mengalir dari benda bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur rendah. Satuan kalor dalam SI adalah joule (J). Satuan kalor lainnya adalah kalori. 1 joule = 0,24 kalori dan 1 kalori = 4,2 joule. Kalor yang diberikan pada suatu benda dapat mengubah temperatur (sensibel) dan wujud benda (laten) (Surdijhani dkk, 2006). Kalor sensibel dinyatakan dengan rumus : (Holman, 1988)
=
. .∆
(1)
Dimana :
Q m c ∆
= kalor yang dibutuhkan (J) = massa benda (kg) = kalor jenis benda (J/kg.°C) = perubahan temperatur (°C)
Sedangkan secara matematis kalor laten ditulis sebagai berikut (Pauliza dkk, 2008). Q=mL
(2)
Dimana :
Q = kalor yang dibutuhkan (J) m = massa benda (kg) L = kalor laten (J/kg) Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi panas yang terjadi pada benda bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah. Rumus dasar perpindahan panas secara konduksi dinyatakan dengan persamaan di bwah ini : (Incropera, 2006)
q=−
. .∆
(3)
Dimana : q = laju perpindahan panas (W) k = konduktivitas panas (W/m.oC) A= luasan perpindahan panas arah normal Q (m2) ΔT = beda temperatur (oC) x = ketebalan bahan (m)
Studi tentang komponenkomponen perpindahan panas berunjuk kerja tinggi yang berkenaan dengan berat, volume, dan biaya yang semakin kecil,
dan perilakunya dalam berbagai kondisi lingkungan termal disebut permukaan perpindahan panas yang diperluas (extended surface heat transfer). Permukaan-permukaan penyerap panas maupun pembuang panas masing-masing dikenal sebagai permukaan utama (prime surface). Apabila permukaan utama diperluas dengan permukaan tambahan seperti dalam Gambar 1, maka gabungan antara kedua permukaan tersebut dinamakan permukaan yang diperluas (extended surface). Elemen yang digunakan untuk memperluas permukaan utama dikenal sebagai sirip (fin). Jika elemen sirip tersebut berbentuk kerucut atau silinder, sirip tersebut dinamakan spines atau pegs (Incropera, 2006).
Gambar 1. Beberapa contoh jenis extended surface (Referensi : Incropera, 2006) Sirip dengan berbagai geometri dan konduktivitas termal akan memberikan reaksi yang berbeda terhadap sumber panas dan penyerap panas (source and sink) yang seragam dan identik. Hal penting dalam menganalisis geometri sirip adalah asumsi-asumsi yang diambil untuk menentukan dan membatasi masalah dan tentunya menyederhanakan penyelesaiannya. Analisis dari tiga geometri dasar sirip dapat dilakukan dengan mengacu pada asumsi MurrayGardner, yaitu:
a. Aliran panas dalam sirip dan temperaturnya tetap konstan terhadap waktu. b. Material sirip adalah homogen, konduktivitas termal sama di segala arah, dan tetap konstan. c. Koefisien perpindahan panas konveksi di permukaan sirip konstan dan seragam di keseluruhan permukaan sirip. d. Temperatur dari medium lingkungan sirip konstan. e. Ketebalan sirip adalah kecil, dibandingkan dengan tinggi dan panjangnya, sehingga gradien temperatur melewati ketebalan sirip dan perpindahan panas dari tepi sirip dapat diabaikan. f. Temperatur dasar sirip adalah seragam. g. Tidak ada tahanan kontak dimana dasar sirip digabung dengan permukaan utama. h. Tidak ada sumber panas di dalam sirip itu sendiri. i. Panas yang ditransfer melalui ujung sirip diabaikan dibandingkan dengan panas yang meninggalkan permukaan lateralnya. j. Perpindahan panas ke atau dari sirip sebanding terhadap kelebihan temperatur antara sirip dan medium sekitar. Dalam penelitian yang dilakukan oleh Harmim dkk, (2007) mereka melakukan studi tentang dua macam cooking vessel, yang pertama adalah cooking vessel konvensional dan yang kedua merupakan cooking vessel yang telah dimodifikasi dengan menambahkan sirip pada bagian selimutnya. Pada pengujian tersebut digunakan double exposure solar cooker sebagai sumber panas bagi cooking vessel dengan memfokuskan arah pantulan sinar
matahari tepat di bagian bawah cooking vessel.
untuk mengukur kalor sensible air hingga mendidih sehingga didapatkan data-data sebagai berikut.
Gambar 2. Skema Double Exposure
Gambar 4. Water Heating Test pada 25 Februari 2007 (Referensi : Harmim dkk, 2007)
Solar Cooker (Referensi : Harmim dkk, 2007)
Gambar 3. Dua tipe cooking vessel yang diuji coba (Referensi : Harmim dkk, 2007) Tipe finned cooking vessel menggunakan sirip alumunium dengan jenis rectangular berdimensi panjang 55 mm dengan tebal 0,5 mm, masingmasing sirip diberi warna hitam dimaksudkan agar penyerapan energi panas matari diterima oleh panci secara maksimal. Pengujian dilakukan menggunakan thermocouple yang dipasang tepat ditengah-tengah tutup panci yang telah dilubangi hingga menyentuh air yang di dalamnya. Penggunaan thermocouple digunakan
Gambar 5. Water Heating Test pada 13 Maret 2007 (Referensi : Harmim dkk, 2007)
METODE PENELITIAAN Adapun cooking vessel yang digunakan dalam penelitian ini seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.
(a)
(b)
(c)
Gambar 8. Sirip Model U
(d)
(e)
Gambar 6. Jenis-jenis cooking vessel: (a) Tanpa sirip (b)Bersirip L (c)Bersirip U (d)Beralaskan alas sirip L (e)Beralaskan alas sirip U Spesifikasi bahan dan ukuran dari masing-masing cooking vessel sama seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.1. Tabel 1 Spesifikasi Cooking Vessel Bahan Diameter (mm) Tinggi (mm) Ketebalan (mm)
Spesifikasi Alumunium 3004 180 135 1
Bentuk sirip yang digunakan serta dimensinya ditunjukkan pada Gambar 7 dan Gambar 8
Gambar 7. Sirip Model L
BAHAN DAN PERALATAN 1. Bahan Bahan penelitian terdiri dari: 1. LPG LPG yang digunakan pada penelitian ini adalah LPG 3 kg sebagai bahan bakar dengan temperatur ±900 oC. 2. Air Air adalah media yang digunakan untuk dipanaskan selama 30 menit. Volume air yang dipakai adalah 2/3 kapasitas cooking vessel sebesar 1.750 ml 3. Plat Alumunium 3004 Plat Alumunium 3004 dengan tebal 1 mm mengandung 1-1,5% Mangan (Mn) dengan melting point mencapai 1170oF. Plat ini nantinya digunakan untuk dibentuk menjadi sirip model L dan U. 2. Peralatan Adapun peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Thermocoupel 2. Timbangan digital 3. Stopwatch digital 4. Gelas ukur 5. Penggaris 6. Jangka sorong 7. Flowmeter
120 Temperatur (oC)
100 80
Sirip U Sirip L Normal Alas Sirip U Alas Sirip L
60 40 20 0 2
5
8
10 11 14 Waktu (menit)
15
Gambar 11. Grafik Water Heating Test dari 5 Model Cooking Vessel Pada cooking vessel tanpa sirip, air mendidih pada menit ke 14. Pada cooking vessel bersirip L dan U, air mendidih pada menit ke 10 dan menit ke 11. Sedangkan pada cooking vessel yang ditambahkan alas sirip L dan U, air mendidih pada menit ke 15.
Gambar 9. Thermocouple
Gambar 10. Flowmeter
HASIL PENELITIAN 1. Hasil Water Heating Test Hasil pengujian dari water heating test adalah berupa grafik laju pemanasan air seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11 dan diagram konsumsi gas LPG hingga air tepat mendidih seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12
Volume Gas LPG yang terpakai (lt)
0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
Tanpa Sirip Sirip L Sirip U Alas L Alas U
Model Cooking Vessel
Gambar 12. Diagram Konsumsi Gas LPG 5 Model Cooking Vessel Konsumsi gas LPG yang terpakai, pada cooking vessel tanpa sirip gas LPG yang terpakai sebesar 0,067 lt. Untuk cooking vessel bersirip L dan U sebesar 0,061 lt dan 0,057 lt. Sedangkan untuk cooking vessel beralaskan sirip L dan U sebesar 0,084 lt dan 0,085 lt.
25
2. Hasil Water Boiling Test
Tanpa Sirip Sirip L
120 20
Efisiensi (%)
Temperatur (oC)
100 Sirip U
80
Sirip L
60
Normal
40
Alas Sirip U 20
Sirip U
10
Alas L
5
Alas U
Alas Sirip L
0
0
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Waktu (menit)
Model Cooking Vessel
Gambar 13. Grafik Water Boiling Test dari 5 Model Cooking Vessel Untuk efisiensi termal, cooking vessel tanpa sirip memiliki efisiensi sebesar 18,48%. Cooking vessel bersirip L dan U memiliki efisiensi termal sebesar 21,09% dan 22,67%. Semantara itu pada cooking vessel beralaskan sirip L dan U sebesar 17,96% dan 19%. 2500
Kalor Total (kJ)
15
2000
Tanpa Sirip Sirip L
1500
Sirip U
1000
Alas L Alas U
500 0
Model Cooking Vessel
Gambar 14. Diagram 1Kalor Output 5 Model Cooking Vessel Pada cooking vessel tanpa sirip, besarnya kalor yang diterima oleh air adalah 1.587,0 kJ. Untuk cooking vessel bersirip L dan U, besarnya kalor yang diterima oleh air sebesar 1.812,6 kJ dan 1.948,0 kJ. Pada cooking vessel beralaskan alas sirip L dan U adalah sebesar 1541,9 kJ dan 1.632,1 kJ.
Gambar 15. Diagram Efisiensi dari 5 Model Cooking Vessel PEMBAHASAN 1. Pembahasan Hasil Water Heating Test Pada Gambar 11 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. Alas tempat melekatnya sirip adalah penyebab nilai hambatan konduktivitas ini semakin besar karena alas tersebut membentuk sebuah lapisan dengan bagian bawah luar cooking vessel. Oleh karena itu tidak ada bagian permukaan dari cooking vessel yang dapat secara langsung kontak dengan api. Nilai hambatan dapat juga bertambah dengan tidak sempurnanya bidang kontak antara bagian permukaan bawah luar cooking vessel dan alas yang mengakibatkan terbentuknya celah udara sehingga memperbesar nilai hambatan total. Selain itu penyambungan sirip yang tidak sempurna dengan bagian alas dan permukaan bawah luar cooking vessel juga akan memperbesar nilai hambatan konduktivitas walaupun nilai hambatannya tidak begitu besar.
Pada pengujian water heating test diperoleh juga besarnya tingkat konsumsi gas LPG, dimana konsumsi terbesar diperoleh pada cooking vessel beralaskan sirip L seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12. Hal ini disebabkan atomatom pada benda yang menghantarkan panas secara konduksi tidak dapat bergerak secara bebas. Pergerakan atom yang tidak bebas disebabkan karena pada atom yang satu dengan atom yang lainnya terdapat ikatan yang saling mengikat (Bueche dan Hecht, 2006). Oleh karena itu untuk memindahkan panas diperlukan energi yang cukup besar. Energi untuk proses pemanasan air diperoleh dari gas LPG sehingga apabila energi yang dibutuhkan besar maka konsumsi gas LPG yang digunakan juga akan semakin besar. Kebutuhan energi terbesar sebenarnya terdapat pada cooking vessel beralaskan sirip U karena memiliki luasan lebih besar dibandingkan dengan cooking vessel beralaskan sirip L. Akan tetapi, seperti yang dinyatakan oleh Incropera (2007) bahwa luasan yang besar akan meningkatkan penyerapan panas. Oleh karena itu walaupun energi ikatan antar atom pada cooking vessel bersirip U lebih besar tetapi karena penyerapan panas yang lebih optimal maka kebutuhan energi untuk memindahkan panas akan diimbangi dengan penyerapan panas yang optimal. Dengan kata lain kebutuhan energi untuk memindahkan panas pada cooking vessel beralaskan sirip U lebih sedikit dibandingkan dengan cooking vessel beralaskan sirip L. 2. Pembahsan Hasil Water Boiling Test Pada pengujian menggunakan water boiling test 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). KESIMPULAN Setelah melakukan penelitian mengenai pengaruh penambahan sirip dan alas bersirip maka dapat disimpulkan bahwa : 1. Dari hasil water heating test diperoleh waktu pendidihan dan konsumsi gas LPG dari cooking vessel bersirip U air mendidih pada menit ke 10 dan konsumsi gas sebesar 0,057 lt. 2. Dari hasil boiling test diperoleh jumlah kalor yang diterima oleh air dan efisiensi termal pada cooking vessel bersirip U besarnya kalor dan efisiensi termal sebesar 1948 kJ dan 22,67 %. 3. Hasil keseluruhan untuk cooking vessel bersirip U memiliki performa yang lebih baik dibandingkan dengan cooking vessel lainnya dikarenakan memiliki luas permukaan yang lebih luas.
DAFTAR PUSTAKA Al-Azab, A., Al-Odat, Q., Al-Hussien M.,“Experimental Investigation of a Box-Type Solar Cooker with Finned Pot Thermal Performance in Jordan”. Jordan: Mechanical Engineering Department, Al-Huson University College. 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 0-06-0115637. 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. College of Engineering, University of Notre Dame.
Kalpakjian, S., dan Schmid, R. 2001. Manufacturing, Engineering & Technology (5th Edition). America: Prentice-Hall Metals and Materials for Research and Industry. PT. Atlas Steels. Australia Mink, T., Grafman, L., Sept. 2010. Heat Distribution Test,
. Musaikan. 2002. Teknologi Pengelasan. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh November. Perry, R.H., dan Green, D.W. 1984. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook, 6th Edition. Tokyo: McGraww Hill Co. Prasetyo, D. D. 2011. “Analisa Distribusi Kalor Coil Tube Terhadap Pelat Lambung pada Modifikasi Sistem Pendingin Motor Induk Kapal Aluminium”. Program Studi D4 - Teknik Perpipaan Jurusan Teknik Permesinan Kapal ITS Surabaya 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. 1987. Ilmu Logam II. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh November.
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.
