BAB V DATA DAN ANALISA PERHITUNGAN 5.1 Proses pengambilan data Seperti dijelaskan pada subbab 4.2 diatas, pengambilan data dilakukan dengan cara mengukur temperatur pada tiga jenis bahan bakar yang berbeda yaitu : limbah jerami (diindikasikan dengan L1), limbah kapas (L2), dan limbah kardus (L3). Masing – masing limbah tersebut (L1, L2, dan L3) diuji dengan 2 jenis aliran udara yang berbeda dan dilakukan pengulangan sebanyak 2 kali, dengan demikian, ada sebanyak 12 data penelitian yang didapat pada penelitian ini yang terdiri dari :
Data pengujian pada limbah jerami aliran alamiah pengujian 1 (diindikasikan dengan : L1 uji 1 konveksi alamiah)
Data pengujian pada limbah jerami aliran alamiah pengujian 2 (diindikasikan dengan : L1 uji 2 konveksi alamiah)
Data pengujian pada limbah jerami aliran konveksi paksa pengujian 1 (diindikasikan dengan : L1 uji1 konveksi paksa)
Data pengujian pada limbah jerami aliran konveksi paksa pengujian 2 (diindikasikan dengan : L1 uji 2 konveksi paksa)
Data pengujian pada limbah kapas aliran alamiah pengujian 1 (diindikasikan dengan : L2 uji 1 konveksi alamiah)
Data pengujian pada limbah kapas aliran alamiah pengujian 2 (diindikasikan dengan : L2 uji 2 konveksi alamiah)
Data pengujian pada limbah kapas aliran konveksi paksa pengujian 1 (diindikasikan dengan : L2 uji1 konveksi paksa)
45
46
Data pengujian pada limbah kapas aliran konveksi paksa pengujian 2 (diindikasikan dengan : L2 uji 2 konveksi paksa)
Data pengujian pada limbah kardus aliran alamiah pengujian 1 (diindikasikan dengan : L3 uji 1 konveksi alamiah)
Data pengujian pada limbah kardus aliran alamiah pengujian 2 (diindikasikan dengan : L3 uji 2 konveksi alamiah)
Data pengujian pada limbah kardus aliran konveksi paksa pengujian 1 (diindikasikan dengan : L3 uji 1 konveksi paksa)
Data pengujian pada limbah kardus aliran konveksi paksa pengujian 2 (diindikasikan dengan : L3 uji 2 konveksi alamiah) Dijelaskan juga bahwa pengambilan data temperatur pada pengujian ini
menggunakan data akuisisi sebagai alat bantu untuk penampilan data pada perangkat laptop/PC. Gambar berikut adalah contoh gambar proses pengambilan data yang telah dilakukan pada penelitian ini.
Gambar 5.1 Proses pengambilan data pengujian.
47 5.2 Data hasil pengujian Sesuai dengan tujuan awal, data yang diperoleh dari hasil pengujian proses sterilisasi kumbung jamur merang ini adalah berupa : temperatur gasifikasi, temperatur air dan uap, temperatur kumbung, dan data tentang massa bahan bakar biomassa yang terpakai selama proses pembakaran tersebut. Berikut ini adalah contoh dari salah satu data yang diperoleh dari pengujian dengan menggunakan bahan bakar jerami. Tabel untuk data – data dengan bahan bakar biomassa yang lainnya yang lebih lengkap dapat dilihat pada bagian lampiran dari laporan ini. Tabel 5.1 data pengukuran temperatur menggunakan bahan bakar limbah jerami (L1 uji1) dengan aliran udara alamiah Mnt ke1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Temp gasifikasi (⁰C) T1 387 385 399 429 367 386 437 422 411 437 397 432 438 445 487 513 505 500 494 490 514 531
T2 323 317 335 325 344 365 388 356 372 361 351 379 388 354 365 403 407 416 393 381 401 417
T3 265 225 272 258 219 276 237 275 295 301 349 331 365 352 332 389 399 337 321 330 351 342
T4 125 106 112 116 153 157 173 163 129 153 184 195 238 227 251 241 255 238 265 255 289 317
T air & uap (⁰C) T5 T6 30 29 31 29 31 30 31 30 30 30 30 30 30 30 31 30 31 31 32 31 34 31 36 31 40 31 44 31 45 31 47 31 49 31 51 31 53 32 58 32 60 33 62 33
Temp kumbung (⁰C) T7 33 33 33 34 34 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35
T8 33 33 33 34 34 35 35 35 36 36 37 37 37 37 37 37 37 37 37 37 37 37
T9 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32
T10 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33
Supply biomassa (gr) 420 210 -
48 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51
527 578 650 624 618 609 596 564 538 551 521 516 447 457 476 497 514 479 460 534 528 519 485 473 463 423 455 432 418
400 466 515 523 502 497 476 456 442 437 472 438 413 410 453 443 487 416 376 493 418 484 461 386 337 384 365 349 332
317 397 480 494 456 483 437 428 455 438 441 435 365 389 409 414 421 385 331 392 399 375 359 309 268 275 254 233 265
326 319 350 361 343 323 337 376 361 392 341 369 335 378 302 336 315 295 306 286 265 273 241 233 206 187 164 166 163
66 66 68 69 69 70 72 73 73 74 75 75 75 78 80 81 83 85 86 87 90 93 94 95 97 97 98 99 99
33 34 36 38 40 42 44 46 47 49 51 52 53 55 59 60 62 64 66 70 72 73 76 79 83 84 85 85 84
35 36 36 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 39 39 39 39 39
37 38 38 38 38 38 38 38 38 39 39 39 39 39 39 39 39 39 39 39 39 39 39 39 40 40 40 40 40
32 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 34 33 33 34 34 34 34 34 34 34 34
33 34 34 35 34 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35
∑ biomassa = Jumlah abu =
FCR =
445 170 1145 195 18.6
gr gr gr/min
Selain itu, data hasil pengujian di lab dari sampel masing – masing bahan bakar biomassa juga telah didapatkan untuk mengetahui kandungan unsur dan nilai kalor dari masing – masing bahan bakar tersebut. Beberapa data hasil uji lab tersebut juga dapat dilihat pada bagian lampiran A dari laporan ini.
49 5.3. Grafik temperatur hasil pengujian Berdasarkan
hasil yang diperoleh pada data – data tersebut kemudian
daidapatkan sebuah grafik data agar dapat lebih mudah dipahami tentang fluktuasi temperatur yang telah didapatkan pada data tersebut. Sesuai dengan data temperatur yang didapat, grafik hasil pengujian yang dibuat juga terbagi menjadi tiga jenis grafik, yaitu : grafik temperatur gasifikasi, grafik temperatur air dan uap, dan grafik temperatur kumbung.
(a)
(b) Gambar 5.2 Grafik karakteristik temperatur pada pengujian limbah jerami dengan aliran udara alamiah. a) temperatur gasifikasi, b) temperatur uap/air dan kumbung.
50
Terlihat pada grafik pada gambar 5.2a diatas, keempat temperatur gasifikasi (T1, T2, T3, dan T4) masing – masing memiliki karakter yang berbeda. Sesuai dengan 4 tahap proses gasifikasi, bagian proses oksidasi dari sistem gasifikasi (diindikasikan dengan T1) merupakan bagian yang memiliki temperatur tertinggi dari ketiga temperatur yang lainnya. Bagian proses reduksi dari sistem gasifikasi (T2) berada di bawah temperatur oksidasi, namun berada lebih tinggi dari temperatur proses pirolisis (T3). Temperatur paling rendah terdapat pada temperatur pengeringan dari sistem gasifikasi (T4). Terlihat juga pada grafik gambar 5.2b diatas, temperatur air (T5) cenderung meningkat lebih cepat daripada temperatur uap (T6), dan temperatur kumbung (T7,T8,T9, dan T10) mengalami kenaikan yang sangat lambat bila dibandingkan dengan temperatur air dan uap. Biasanya temperatur kumbung mulai mengalami kenaikan jika temperatur uap sudah mencapai temperatur jenuh, namun karena pada grafik tersebut temperatur uap belum mencapai jenuh, maka temperatur kumbung pun belum mengalami kenaikan. Grafik dengan bahan bakar yang lain (misal data L3 uji2 konveksi paksa pada lampiran) terlihat jelas kenaikan temperatur kumbung ini terjadi setelah temperatur uap mencapai titik jenuhnya. Adapun untuk grafik dengan kondisi pengujian yang lain dapat dilihat pada bagian lampiran dari laporan ini. 5.4 Pengolahan data pada energi input biomassa (pada kompor) Analisa pengolahan data pada bagian gasifikasi dan pembakaran (pada bagian kompor) meliputi perhitungan – perhitungan performansi gasifikasi melalui persamaan – persamaan yang telah ada sebelumnya pada bab 2 diatas. Parameter – parameter yang dihitung tersebut menunjukkan karakteristik performansi dari masing
51 – masing bahan bakar biomassa terhadap proses gasifikasinya. Adapun pengolahan data yang dimaksudkan tersebut berupa : FCR, Energi kalor pembakaran (kalor input bahan bakar, Qf ), laju kalor pembakaran (Q˙f ), dan kebutuhan udara pembakaran (ɛ ) pada tiap pengujian. 5.4.1 Perhitungan FCR FCR, atau sering disebut sebagai laju konsumsi bahan bakar merupakan hal yang terpenting yang harus diketahui pada tiap proses pembakaran. FCR didapat dengan cara menentukan terlebih dulu sejumlah massa bahan bakar yang terpakai selama proses pembakaran tersebut kemudian membaginya dengan lamanya waktu yang terjadi selama proses pembakaran tersebut. Berikut contoh perhitungan FCR yang didapatkan dari data pada tabel 5.1 diatas. Diketahui : Jumlah massa jerami = 1145 gr Jumlah abu (sisa)
Lama waktu
= 51 min
= 195 gr
FCR = (jumlah massa jerami – jumlah abu) / waktu = (1145 – 195) gr / 51 min = 18,6 gr/min 5.4.2 Perhitungan energi kalor input bahan bakar (Q fuel, Qf ) Energi kalor yang dihasilkan dari pembakaran pada kompor tersebut merupakan energi kalor input yang bersumber dari energi bahan bakarnya, dalam hal ini merupakan energi biomassanya. Persamaan yang digunakan untuk menghitung
52 pelepasan energi yang terjadi pada pembakaran biomassa tersebut adalah dengan menggunakan persamaan (10) seperti yang tertera pada bab 2 diatas, yaitu :
= (1145 – 195) gr = 950 gr = 0,95 kg HHVjerami = 11881 kJ/kg (lampiran A)
= 0,95 kg x 11881 kJ/kg = 11287 kJ 5.4.3 Perhitungan laju kalor pembakaran (Q˙f ) Setelah data FCR diketahui, selanjutnya nilai kapasitas pembakaran pada proses sterilisasi tersebut dapat di hitung dengan menggunakan persamaan (11) seperti yang tertera pada bab 2 diatas. Nilai kapasitas pembakaran ini juga sering disebut sebagai kalor input pembakaran sebagai hasil atau produk dari pembakaran biomassa tersebut. contoh berikut merupakan perhitungan kapasitas pembakaran yang didapatkan dari data pada tabel 5.1 diatas. HHVjerami = 11881 kJ/kg (lampiran A) = = 3,69 kW Data – data perhitungan energi kalor input yang telah dilakukan untuk bahan bakar biomassa yang lain disajikan pada tabel 5.2 berikut baik untuk aliran udara alamiah maupun untuk aliran udara konveksi paksa.
53 Tabel 5.2 Perhitungan analisa pada sisi kompor gasifikasi
Konveksi paksa
Konveksi alamiah
No
Ket :
Parameter perhitungan
Kondisi bahan bakar biomassa : total (gr) sisa (gr) terpakai (gr) waktu op, t (min) FCR (gr/min) HHV bb, (kJ/kg) Energi kalor total bahan bakar, Qf (kJ) Laju kalor pembakaran bb, Q˙f (kW) Temp. gasifikasi tertinggi (ᵒC) Temp. kumbung tertinggi (ᵒC) Kondisi bahan bakar biomassa : total (gr) sisa (gr) terpakai (gr) waktu op, t (min) FCR (gr/min) HHV bb, (kJ/kg) Energi kalor total bahan bakar, Qf (kJ) Laju kalor pembakaran bb, Q˙f (kW) Temp. gasifikasi tertinggi (ᵒC) Temp. kumbung tertinggi (ᵒC)
Limbah 1 (jerami)
Limbah 2 (kapas)
Limbah 3 (kardus)
Uji 1
Uji 2
Uji 1
Uji 2
Uji 1
Uji 2
1145
1260
1580
1590
1560
1715
195
225
235
240
215
265
950
1035
1345
1350
1345
1450
51
58
71
74
70
75
18.63
18.02
18.94
18.24
19.21
19.33
11881
11881
15355
15355
14338
14338
11287
12416
20652
20729
19285
20790
3.69
3.57
4.85
4.67
4.59
4.62
618
604
683
643
689
695
40
46
70
70
71
70
2030
2120
1935
2085
2095
2210
260
265
265
285
260
275
1770
1885
1670
1800
1835
1935
68
71
59
64
62
66
26.03
26.13
28.31
28.13
29.60
29.32
11881
11881
15355
15355
14338
14338
21029
22039
25643
27639
26310
27744
5.15
5.17
7.24
7.20
7.07
7.01
723
747
750
765
753
771
70
70
71
70
70
71
data tidak dapat dibandingkan karena temperatur kumbung < 70 oC Selanjutnya gambar 5.3 berikut ini merupakan contoh grafik hasil perhitungan
yang membandingkan antara nilai laju kalor pembakaran (Q˙f) pada aliran udara alamiah dengan aliran konveksi paksa. Terlihat dari tabel 5.2 dan grafik pada gambar 5.3 tersebut, nilai laju kalor pembakaran cenderung meningkat untuk aliran udara konveksi paksa. Terdapat perbedaan yang cukup signifikan antara nilai Q˙f dengan aliran udara yang berbeda, walaupun hanya dengan menambahkan blower dengan daya 3 watt pada tambahan aliran udara konveksi paksanya.
54
Gambar 5.3 Grafik laju kalor pembakaran hasil pengolahan data dengan perbandingan aliran udara yang berbeda 5.5 Pengolahan data pada energi output (pada air) Perhitungan pengolahan data pada sisi energi kalor output adalah meliputi energi kalor sensibel (QS.H2O) dan energi kalor laten penguapan air (QL.H2O) di dalam tangki air boiler. Energi kalor total yang diterima oleh air tersebut merupakan penjumlahan antara kedua jenis energi kalor tersebut. 5.5.1 Perhitungan kalor sensibel dan kalor laten penguapan air Besarnya nilai kalor sensibel yang diperlukan untuk menaikkan temperatur air sampai pada temperatur jenuhnya, dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (12) pada bab 2 diatas, dan berikut merupakan contoh perhitungan yang didapatkan pada data tabel 5.1 diatas.
= 10 kg ; T2 = 100 oC, T1 = 29 oC Cp = 4,2 kJ/kg. oC
QS.H2O = 10 kg x 4,2 kJ/kg.oC x (99 – 20) oC
55 = 2940 kJ Sebelum menghitung berapa besarnya nilai kalor laten penguapan air pada tangki boiler tersebut, terlebih dahulu menentukan jumlah massa uap yang terpakai selama proses sterilisasi berlangsung. Jumlah massa uap yang terpakai pada proses sterilisasi tersebut dapat diketahui dengan mengukur selisih ketinggian air awal dan akhir di dalam tangki. Setelah selisih ketinggian didapat barulah massa uap yang terpakai pada proses sterilisasi dapat diketahui. Seperti diketahui bahwa tangki air boiler yang digunakan memiliki diameter 28 cm dan tinggi 36 cm, dan volume 22,2 liter, maka setiap 1 mm ketinggian air akan memiliki volume sebesar : Volume air pd tinggi 1 mm = (0,1/36) cm x 22,2 L = 0,062 L Volume air pada tinggi 1 mm yang sebesar 0,062 L (62 mL) tersebut sama dengan massa air sebesar 62 gram, sehingga dapat dikatakan bahwa untuk setiap selisih ketinggian air 1 mm akan sama dengan selisih massa air sebesar 62 gram. Massa uap yang terpakai pada proses sterilisasi dapat ditentukan dengan mengalikan nilai 62 gr/mm tersebut dengan selisih ketinggian air awal dan akhir. Diketahui dari tabel 5.1 bahwa untuk selisih ketinggian air adalah sebesar 1 mm, sehingga massa uap yang terpakai pada proses sterilisasi adalah : = 1 mm x 62 gr/mm = 124 gr = 0,062 kg Sesuai dengan persamaan (13) pada bab 2 diatas, besarnya nilai energi kalor yang terpakai untuk menguapkan air di dalam tangki boiler tersebut adalah sebagai berikut :
56 hfg = 2240 kJ/kg = 0,0624 kg x 2240 kJ/kg = 139 kJ Energi kalor total yang pada air tersebut dapat dihitung dengan menjumlahkan kalor sensibel (QS.H2O) dan kalor latennya (QL.H2O) . Berdasarkan contoh perhitungan diatas, didapatkan nilai kalor total pada air tersebut adalah : Total QH2O = QS.H2O + QL.H20 = 2940 + 278 = 3121 kJ 5.5.2 Perhitungan efisiensi pembakaran (efisiensi boiler =
)
Sesuai dengan persamaan (14) pada bab 2 diatas, besarnya efisiensi boiler pada proses pengujian ini didapatkan dengan cara membandingkan nilai kalor output yang terpakai pada air (QH2O ) dengan energi kalor yang dihasilkan pada sisi intputnya (Qf ). Berikut ini merupakan contoh perhitungan efisiensi boiler yang didapatkan dari data pada tabel 5.1 diatas.
= 27,4 % Data – data perhitungan energi kalor output pada air yang telah dilakukan untuk bahan bakar biomassa yang lain disajikan pada tabel 5.3 berikut :
57 Tabel 5.3 Perhitungan analisa pada air No
Parameter perhitungan
Limbah 1 (jerami) Uji 1 Uji 2
Limbah 2 (kapas) Uji 1 Uji 2
Limbah 3 (kardus) Uji 1 Uji 2
Konveksi alamiah
Kondisi air : temp awal, T air.aw (ᵒC)
29
29
29
30
30
30
temp akhir, T air.ak (ᵒC)
99
100
100
100
100
100
massa air (kg)
10
10
10
10
10
10
waktu pemanasan sensibel, t s (min)
51
58
41
43
44
45
tinggi air awal (mm)
162
162
162
162
162
162
tinggi air akhir (mm)
161
160
145
144
145
144
0.062
0.124
1.054
1.116
1.054
1.116
0
0
30
31
26
30
Energi kalor sensibel (kJ)
2940
2982
2982
2940
2940
2940
Energi kalor laten (kJ)
139
278
2361
2500
2361
2500
Energi kalor total air Q H2O (kJ)
3079
3260
5343
5440
5301
5440
Energi kalor total bahan bakar Qf (kJ)
11239
11940
20652
20729
20288
20790
27.4
27.3
25.9
26.2
26.1
26.2
temp awal, T air.aw (ᵒC)
30
30
29
30
31
30
temp akhir, T air.ak (ᵒC)
100
100
100
100
100
100
massa air (kg)
10
10
10
10
10
10
waktu pemanasan sensibel, t s (min)
41
37
31
34
28
30
tinggi air awal (mm)
162
162
162
162
162
162
tinggi air akhir (mm)
146
145
143
142
141
140
0.992
1.054
1.178
1.24
1.302
1.364
massa uap (kg) waktu pemanasan laten, t L (min)
Eff. boiler, η b (%)
Konveksi paksa
Kondisi air :
massa uap (kg)
27
34
28
30
34
36
Energi kalor sensibel (kJ)
waktu pemanasan laten, t L (min)
2940
2940
2982
2940
2898
2940
Energi kalor laten (kJ)
2222
2361
2639
2778
2916
3055
Energi kalor total air Q H2O (kJ)
5162
5301
5621
5718
5814
5995
Energi kalor total bahan bakar Qf (MJ)
21029
22039
25643
27025
26310
27744
24.5
24.1
21.9
21.2
22.1
21.6
Eff. boiler, η b (%)
5.6 Analisa sterilisasi pada kumbung jamur Berbeda pada bagian kompor dan tangki air, pada bagian kumbung ini pengolahan data berupa perhitungan beban pemanasan media tanam (Qload) dilakukan dengan terlebih dahulu menghitung temperatur – rata kumbung. Hal ini dikarenakan temperatur yang terbaca pada tiap titik pada kumbung berbeda – beda. Pengukuran
58 temperatur pada kumbung hanya sebatas pada temperatur rangan kumbungnya saja, dan itupun distribusi temperaturnya masih jauh dari kondisi steril yang diharapkan. Berikut ini merupakan pengolahan data berupa distribusi temperatur rata – rata kumbung yang didapat pada bagian akhir pengujian tiap limbah biomassa yang berbeda. Tabel 5.4 Perbandingan temperatur steril pada kumbung Temperatur kumbung tertinggi (˚C) No Jenis briket T7 T8 T9 T10 T rata2 Konveksi alamiah : 1 Limbah jerami uji 1 37 39 40 34 36 2 Limbah jerami uji 2 37 40 42 34 33 3 Limbah kapas uji 1 51 70 64 34 35 4 Limbah kapas uji 2 51 71 63 36 35 5 Limbah kardus uji 1 50 70 60 35 36 6 Limbah kardus uji 2 51 70 65 35 35 Konveksi paksa : 1 Limbah jerami uji 1 48 70 55 34 34 2 Limbah jerami uji 2 49 70 56 34 35 3 Limbah kapas uji 1 52 70 63 37 38 4 Limbah kapas uji 2 53 71 67 36 37 5 Limbah kardus uji 1 53 70 68 37 38 6 Limbah kardus uji 2 54 71 70 37 36
Seperti terlihat dari tabel 5.4 diatas, temperatur rata – rata kumbung yang paling tinggi terdapat pada limbah kardus dengan nilai temperatur rata – rata sebesar 54 oC. Temperatur rata – rata terendah terdapat pada limbah jerami dengan nilai 37 oC. Langkah selanjutnya setelah temperatur rata – rata kumbung tersebut didapat adalah menghitung kalor pada beban pemanasan media tanam (Qload) yang ada di dalam kumbung menggunakan persamaan (15) pada bab 2 diatas.
Berikut contoh
perhitungan beban pemanasan kumbung pada data limbah kapas uji1 (L3 uji1) konveksi alamiah.
59
=2,7 kJ/kg.oC
=35 kg, ;
T2 = 52 oC ; T1 = 30 oC
= 35 x 2,7 x (52 – 30) = 1771 kJ
Selanjutnya efisiensi pemanasan pada kumbung dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (16) pada bab 2 diatas, yaitu :
; =
= 0,8
= 83,9 %
Tabel 5.5 berikut ini merupakan tabel perhitungan energi pemanasan pada pada kumbung secara lengkap untuk semua pengujian tersebut. Tabel 5.5 Perhitungan energi pemanasan pada kumbung No
Parameter perhitungan
Limbah 1 ( jerami )
Limbah 2 ( kapas )
Limbah 3 ( kardus )
uji 1
uji 2
uji 1
uji 2
uji 1
uji 2
massa (kg)
35
35
35
35
35
35
kalor jenis (kJ/kg.ᵒC)
2.7
2.7
2.7
2.7
2.7
2.7
temp awal, T rt2.aw (ᵒC)
30
30
30
30
30
30
Konveksi alamiah : 1
Kondisi media tanam jerami :
temp akhir, T rt2.ak (ᵒC)
37
37
51
51
50
51
2
Energi kalor total jerami (kJ)
662
662
1985
1985
1890
1985
3
Energi kalor laten air, Q L.H2O (kJ)
139 475.9
278 237.9
2361 84.1
2500 79.4
2361 80.1
2500 79.4
massa (kg)
35
35
35
35
35
35
kalor jenis (kJ/kg.ᵒC)
2.7
2.7
2.7
2.7
2.7
2.7
temp awal, T rt2.aw (ᵒC)
30
30
30
30
30
30
temp akhir, T rt2.ak (ᵒC)
48
49
52
53
53
54
1449 2222 81.5
1530 2361 81.0
1771 2639 83.9
1852 2778 83.3
1852 2916 79.4
1932 3055 79.1
Effisiensi kumbung Konveksi paksa : 4
1
Kondisi media tanam jerami :
2
Energi kalor total jerami (kJ)
3
Energi kalor laten air, Q L.H2O (kJ)
4
Effisiensi kumbung
Ket :
data tidak dapat dibandingkan karena temperatur kumbung < 70 oC
60 5.7 Neraca energi pada proses sterilisasi Setelah semua data energi kalor pada proses sterilisasi dapat diketahui, maka selanjutnya kesetimbangan energi pada boiler yang digunakan untuk sterilisasi kumbung jamur merang tersebut dapat dibuat. Analisa kesetimbangan energi diawali dari energi kalor biomassa yang digunakan sebagai bahan bakar (Qf) sebagai energi input, energi kalor output pada air (Q
H2O)
dan sampai pada energi kalor / beban
pemanasan media tanam (Qload) pada kumbung . Hal ini dilakukan untuk mengetahui seberapa besar potensi energi yang dihasilkan pada sisi akhir outputnya bila dibandingkan dengan energi total inputnya. Gambar berikut ini merupakan contoh neraca energi pada proses sterilisasi dengan bahan bakar limbah kapas (data pengujian L2 uji 1) aliran udara alamiah.
Energi input fuel, Qf : 20652 kJ (100,0%)
Energi output air, QH2O : 5343 kJ (25,9%)
Energi output steam, QSteam : 1889 kJ (9,1%)
Loses pd tangki & pipa uap : 3454 kJ (16,8%)
Energi output media tanam, QLOAD : 1610 kJ (7,8%)
Losses pd kumbung : 279 kJ (1,3%)
Losses pd kompor : 15306 kJ (74,1%)
Gambar 5.4 Skema neraca energi pada proses sterilisasi kumbung jamur merang Selain dapat dibuat dalam bentuk skema seperti diatas, untuk data neraca energi yang lain yang lebih lengkap dapat dilihat dalam bentuk tabel. Tabel neraca energi yang lebih lengkap untuk semua pengujian pada proses sterilisasi tersebut dapat dilihat pada bagian lampiran D dari laporan ini.
61
5.8 Perhitungan kebutuhan udara stoikiometrik pembakaran Seperti diketahui melalui persamaan (8) dan (9) pada bab 2 diatas bahwa untuk pembakaran sempurna 1 atom karbon (C) akan membutuhkan sejumlah 2,67 kg Oksigen (O2) dan 1 atom Hidrogen akan membutuhkan sejumlah 8 kg Oksigen (O2). Berdasarkan acuan ini maka dapat diperkirakan besarnya kebutuhan udara untuk dapat terjadinya pembakaran sempurna (stoikiometrik) dengan terslebih dahulu mengetahui kandungan unsur C dan H pada biomassa tersebut. Besarnya kandungan C dan H dapat diketahui berdasarkan hasil uji ultimat di lab terhadap ketiga jenis bahan bakar biomassa tersebut (jerami, kapas, dan kardus).
Berikut merupakan contoh
perhitungan kebutuhan udara stoikiometrik pada jenis bahan bakar jerami. = % massa C x 2,67 kg O2 + % massa H x 8 kg O2 = (0,3271 x 2,67 + 0,0383 x 8) kg O2/kg jerami = 1,18 kg O2/kg jerami Mengingat perbandingan massa udara dengan massa oksigen adalah sekitar 4,3 kg udara berbanding 1 kg oksigen, maka kebutuhan udara total yang diperlukan dalam proses pembakaran sempurna bahan bakar jerami diatas adalah sekitar 5,07 kg udara / kg jerami. Langkah selanjutnya untuk dapat mengetahui laju aliran udara yang dibutuhkan pada pembakaran tiap pengujian, adalah dengan cara mengalikan nilai tersebut dengan FCR yang didapat pada masing – masing pengujian. Diketahui pada pengujian dengan bahan jerami didapat nilai FCR sebesar 26,85 gr/min ( pengujian L1 uji1 konveksi paksa), sehingga laju aliran udara yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna dengan FCR 26,85 gr/min tersebut adalah :
62 Laju al. ud. stokiometri = FCR x kg ud./kg jerami = 26,85 gr/min x 1kg/1000 gr x 5,07 kg ud./kg jerami = 0,14 kg/min Melalui cara yang sama, didapat kebutuhan udara maksimum dalam proses pembakaran sempurna untuk bahan bakar limbah kapas dan kardus. Nilai untuk laju aliran udara stokiometrik yang lengkap untuk tiap pengujian tersebut dapat dilihat pada table 5.4 di bagian akhir bab ini.
5.8 Perhitungan kebutuhan udara gasifikasi (ɛ) Perhitungan akan kebutuhan udara pada proses pembakaran gasifikasi ini hanya dapat dilakukan pada pengujian dengan sistem aliran udara konveksi paksa. Untuk pengujian pada aliran udara alamiah, kebutuhan udara pembakarannya tidak dapat ditentukan karena tidak dapat mengukur jumlah udara yang masuk ke pembakaran tersebut karena udara mengalir secara alamiah. Berbeda pada sistem aliran udara konveksi paksa, aliran udara yang masuk ke pembakaran dijaga konstan dengan debit tertentu melalui blower yang terpasang pada sisi saluran udara masuk. Debit aliran udara (
) yang masuk ke pembakaran tersebut dapat dihitung
dengan terlebih dahulu mengukur kecepatan aliran udara blower (Vud) dan mengukur dimensi luas saluran masuk udara (Aud). Berdasarkan hasil pengukuran di lapangan, didapat: Aud = p x l, p = 0,06 m; dan l = 0,02 m = 0,06 x 0,02 = 0,0012 m2
63 Vud = 0,9 m/s ; sehingga debit udara masuk : = 0,9 x 0,0012 = 0,00108 m3/s = 64,8 L/min Untuk mengetahui berapa laju aliran massa udara yang dialirkan oleh blower tersebut adalah dengan mengalikan nilai debit aliran udara dengan massa jenis udaranya (ρ ud). ; ρ ud = 0,0012 kg/L = 64,8 L/min x 0,0012 kg/L = 0,0778 kg/min Besarnya nilai laju aliran massa udara yang disupplai pada proses gasifikasi tersebut masih lebih kecil bila dibandingkan dengan kebutuhan udara stokiometrik yang telah dihitung diatas yang sebesar 0,14 kg/min. Nilai tersebut jika dinyatakan dalam persentase, jumlah suplai udara yang masuk (dinyatakan dengan equivalence ratio, ɛ) tersebut adalah (Belonio, 2005) : =
= 0,57
= 57% Berbeda dengan limbah jerami yang memiliki nilai equivalence ratio sebesar 57 % dari udara stokiometrik, pada limbah kapas dan kardus didapatkan nilai equivalence ratio sekitar 38% - 41% saja dari jumlah aliran udara stokiometrik. Melalui cara yang sama seperti diatas, parameter – parameter hasil olah data untuk beberapa jenis data yang lain disajikan dalam satu tabel dan grafik berikut ini
64 sebagai perbandingan karakteristik pembakaran untuk ketiga jenis bahan bakar biomassa tersebut. Tabel 5.7 berikut merupakan tabel nilai equivalence ratio hasil perhitungan untuk tiap pengujian. Tabel 5.7 Perhitungan equivalence ratio hasil pengolahan data No
Parameter perhitungan
Limbah 1 ( jerami )
Limbah 2 ( kapas )
Limbah 3 ( kardus )
Uji 1
Uji 2
Uji 1
Uji 2
Uji 1
Uji 2
Persentase C biomassa (kg C/kg bb)
0.3271
0.3271
0.4375
0.4375
0.4049
0.4049
Persentase H biomassa (kg H/kg bb)
0.0383
0.0383
0.0521
0.0521
0.0515
0.0515
keb. Ud. Stokiometrik C (kg ud/kg C)
11.48
11.48
11.48
11.48
11.48
11.48
keb. Ud. Stokiometrik H (kg ud/kg H)
34.4
34.4
34.4
34.4
34.4
34.4
keb. Ud. Stokiom total (kg ud/kg bb)
5.07
5.07
6.82
6.82
6.42
6.42
laju al. masa ud. Stokiom (kg/min)
0.09
0.09
0.13
0.13
0.13
0.13
debit al. ud. gasifikasi (L/min)
NA
NA
NA
NA
NA
NA
laju al. massa ud. gasifikasi (kg/min)
NA
NA
NA
NA
NA
NA
equivalence ratio (%)
NA
NA
NA
NA
NA
Temp. gasifikasi tertinggi (ᵒC)
618
604
683
643
689
NA 695
Temp. kumbung tertinggi (ᵒC)
40
46
50
70
51
74
Persentase C biomassa (kg C/kg bb)
0.3271
0.3271
0.4375
0.4375
0.4049
0.4049
Persentase H biomassa (kg H/kg bb)
0.0383
0.0383
0.0521
0.0521
0.0515
0.0515
keb. Ud. Stokiometrik C (kg ud/kg C)
11.48
11.48
11.48
11.48
11.48
11.48
keb. Ud. Stokiometrik H (kg ud/kg H)
34.4
34.4
34.4
34.4
34.4
34.4
keb. Ud. Stokiom total (kg ud/kg bb)
5.07
5.07
6.82
6.82
6.42
6.42
laju al. masa ud. Stokiom (kg/min)
0.14
0.13
0.20
0.20
0.19
0.19
debit al. ud. gasifikasi (L/min)
64.8
64.8
64.8
64.8
64.8
64.8
Konveksi alamiah
Kondisi udara pembakaran :
Konveksi paksa
Kondisi udara pembakaran :
laju al. massa ud. gasifikasi (kg/min)
0.0778
0.0778
0.0778
0.0778
0.0778
0.0778
equivalence ratio (%)
57.1
59.3
38.1
39.9
40.6
Temp. gasifikasi tertinggi (ᵒC)
723
747
750
765
753
41.4 771
Temp. kumbung tertinggi (ᵒC)
53
57
71
76
74
77
Terlihat pada tabel 5.7 diatas, perhitungan kebutuhan udara pembakaran (equivalence ratio) tidak dapat dilakukan pada liran udara alamiah, hal ini dikarenakan kecepatan aliran udara alamiah yang masuk ke reaktor tidak dapat diukur sehingga jumlah udara yang masuk ke reaktornya tidak diketahui. Seperti diketahui
65 juga pada tabel 5.7 tersebut, nilai equivalence ratio pada aliran konveksi paksa pada tabel diatas berkisar antara 38,8% sampai 59,3%, hal ini berarti proses pembakaran pada reaktor tersebut adalah proses gasifikasi. Hal ini juga berarti meskipun jumlah aliran udara untuk tiap bahan bakar yang berbeda akan menyebabkan jumlah udara yang masuk dibutuhkan untuk terjadinya proses pembakaran tersebut akan berbeda pula. Tabel dan grafik pengolahan data yang lain yang lebih lengkap disajikan pada bagian lampiran C dan D dari laporan ini.
