DESAIN DAN UJI KINERJA TUNGKU PEMBAKARAN TEMPURUNG KELAPA UNTUK COMBINED HEAT AND POWER NURLELA

DESAIN DAN UJI KINERJA TUNGKU PEMBAKARAN TEMPURUNG KELAPA UNTUK COMBINED HEAT AND POWER

NURLELA

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2017

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Desain dan Uji Kinerja Tungku Pembakaran Tempurung Kelapa untuk Combined Heat and Power adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Januari 2017 Nurlela NIM F14120057

ABSTRAK NURLELA. Desain dan Uji Kinerja Tungku Pembakaran Tempurung Kelapa untuk Combined Heat and Power. Dibimbing oleh MUHAMAD YULIANTO dan SRI ENDAH AGUSTINA. Dunia industri membutuhkan pembangkit listrik dari bahan bakar yang murah dan ramah lingkungan. Biomassa merupakan pilihan yang tepat untuk dijadikan bahan bakar karena zero carbon sehingga tidak merusak ozon. Salah satu biomassa yang berpotensi sebagai bahan bakar dengan metode pembakaran langsung adalah tempurung kelapa. Pada beberapa penelitian mekanisme pembakaran langsung telah digunakan sebagai metode awal untuk menciptakan sistem Combiner Heat and Power (CHP). Tujuan dari penelitian ini difokuskan pada merancang dan menguji tungku tempurung kelapa untuk CHP secara kontinyu. Tungku CHP ini dirancang agar menghasilkan energi panas minimal 10 kW. Bahan bakar yang digunakan adalah tempurung kelapa dengan nilai kalor 19783.79 kJ/kg. Pengujian menghasilkan energi panas yang mencapai kisaran 1027 kW. Efisiensi termal yang terjadi di tungku CHP ini adalah 43.96%. Besar energi panas yang dihasilkan pada pengujian berbanding lurus dengan nilai efisiensi termal. Kata kunci: Tempurung kelapa, tungku CHP, efisiensi termal.

ABSTRACT NURLELA. Design and Performance Test Furnaces Coconut Shell for Combined Heat and Power. Supervised by Muhamad YULIANTO and SRI ENDAH AGUSTINA. World industry requires power generation from fuel that economically and environmentally friendly. Biomass is the right choice to be used as fuel because it can be transformed as zero carbon SO not damaged for ozone layer. One of the potential biomass that can be used as fuel by the method of direct combustion is coconut shell. In some studies the mechanism of direct combustion has been used as an initial method for creating a system called Combined Heat and Power (CHP). The purpose of this research is focused on designing and testing furnace coconut shell for CHP continuously. CHP furnace is designed to produce a minimum 10 kW of heat energy. The fuel used is a coconut shell with a calorific value 19783.79 kJ/kg. Testing procedure give the result of heat energy in range between 10-27 kW. Thermal efficiency that occurs in the furnace CHP is 43.96%. The result of heat energy showed proportional value with thermal efficiency value. Keywords: coconut shell, furnace CHP, thermal efficiency.

DESAIN DAN UJI KINERJA TUNGKU PEMBAKARAN TEMPURUNG KELAPA UNTUK COMBINED HEAT AND POWER

NURLELA

Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2017

PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2016 ini ialah pembakaran dengan Desain dan Uji Kinerja Tungku Pembakaran Tempurung Kelapa untuk Combined Heat and Power. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Muhamad Yulianto, ST MT dan Ibu Ir Sri Endah Agustina, MS selaku pembimbing, serta Bapak Dr Ir Lilik Pujantoro, M.Agr selaku dosen penguji yang telah banyak memberi saran. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Ibu Bina dari Balai Teknologi Bahan Bakar dan Rekayasa Desain – BPPT yang telah membantu selama pengumpulan data. Rasa terima kasih juga disampaikan kepada orangtua tersayang Bapak Rosadi dan Ibu Urpiah serta Kak Anggraini, Kak Dwi Rhahma, Kak Rahayu, Kak Mira Indria, Kak Aprillia, Kak Nuraini, dan Muhammad Abdullah atas segala doa, motivasi, dan kasih sayangnya yang tak pernah putus. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Bapak Dwi, Bang Hasan, dan Mahasiswa Mesin dari UIKA yang telah membantu dalam pabrikasi. Disamping itu terimakasih kepada Bapak Harto dan Mas Widi selaku teknisi yang membantu selama pengukuran dan pengambilan data. Ungkapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada M Samsul, Chandra G, Rifqy H, Bob Andri, Husna H, Nur Yuliana, Listyani F, Gutstyr 49, segenap keluarga besar Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, dan seluruh staff EDC (Engineering Design Club) yang telah membantu dalam penelitian. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Januari 2017 Nurlela

DAFTAR ISI ABSTRAK DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Ruang Lingkup Penelitian TINJAUAN PUSTAKA Biomassa Tempurung Kelapa Combined Heat and Power (CHP) Teknologi Konversi Biomassa sebagai Sumber Energi Pembakaran Biomassa Tungku Bakar Fuel Feeder Efek Chimney METODOLOGI Waktu dan Tempat Alat dan Bahan Tahapan Penelitian Pendekatan Rancangan Perancangan Uji Kinerja Tungku CHP Pengolahan Data HASIL DAN PEMBAHASAN Karakteristik Tempurung Kelapa Tungku CHP Uji Kinerja Tungku CHP Suhu Proses Pembakaran SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN RIWAYAT HIDUP

ii viii ix ix 1 1 2 2 2 2 2 3 4 6 7 12 12 12 12 13 13 13 15 18 19 21 21 21 23 24 30 30 30 31 33 48

DAFTAR TABEL 1 2 3 4 5

Potensi limbah pertanian sebagai biomassa Rancangan tungku CHP Rancangan fungsional masing-masing bagian tungku Matriks pengujian Karakteristik proksimat dan ultimat tempurung kelapa

1 14 15 19 21

6 7 8

Parameter rancangan dan pabrikasi Perbandingan rancangan dengan kinerja tungku Efisiensi termal untuk tungku industri yang umum (UNEP 2006)

22 24 27

DAFTAR GAMBAR 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

Biomass-fired CHP: organic Rankine cycle layout dan grafik T-S pada keadaan mantap (Qiu et al. 2012) Skematik sistem CHP dengan ORC (Ingwald dan Thek 2008) Ragam teknologi konversi dan praperlakuan (Yokoyama 2008) Gasifikasi tempurung kelapa Gasifier skala laboratorium (Ojolo et al. 2010) Sistem gasifikasi cangkang hazelnut Penampang tungku, penukar panas, dan sistem kontrol Tungku biomassa hasil desain (Tahir 2010) Desain terintegrasi tungku biomassa dan penukar panas Prototipe alat pengering CFVFB: (a) unit tungku biomassa, (b) unit pengering Skematis desain alat pengering ERK-hybrid tipe silinder Alat pengering ERK-hybrid tipe silinder Unit tungku dan penukar panas Diagram alir pelaksanaan penelitian Tampak dimetri rancangan tungku CHP Experimental set-up Tungku CHP Tempurung Kelapa Konveyor pengumpanan bahan bakar Reduksi putaran motor listrik Transmisi gerak putaran Grafik temperatur pengujian A1B3 Grafik temperatur pengujian A2C3 Grafik temperatur udara inlet dan outlet pengujian A2C3 Pengaruh kelebihan udara terhadap energi panas Pengaruh kelebihan udara terhadap efisiensi temal Kehilangan panas saat laju bahan bakar 5 kg/jam Kehilangan panas saat laju bahan bakar 7.5 kg/jam Kehilangan panas saat laju bahan bakar 10 kg/jam Energi hilang setiap pengujian

4 4 5 7 8 8 9 9 9 10 11 11 11 13 16 18 22 22 23 23 25 25 26 26 27 28 28 28 29

DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3 4

Rancangan gambar teknik Prosedur operasional tungku Perhitungan rancangan Temperatur hasil pengujian

33 40 41 43

5 6

Grafik perbedaan suhu input dan output tungku Perhitungan kinerja tungku

45 47

PENDAHULUAN Latar Belakang Perkembangan industri berkaitan erat dengan ketersediaan energi untuk kegiatan produksi. Teknologi pembangkit listrik konvensional pada industri besar kebanyakan menggunakan bahan bakar fosil. Beberapa tahun terakhir penggunaan pembangkit listrik konvensional berbahan bakar fosil perlu dikurangi karena berdampak terhadap pemanasan global dan harga bahan bakar fosil yang semakin mahal maka mendorong peningkatkan penggunaan biomassa sebagai bahan bakar di pembangkit Combined Heat and Power (CHP) (Borello 2012). Energi biomassa merupakan energi yang murah dan ramah lingkungan Biomassa dianggap murah karena jumlahnya cukup banyak tersedia dan terus berkelanjutan. Potensi biomassa di Indonesia mencapai 32.654 MW dengan kapasitas terpasang baru mencapai 1.716 MW (ESDM 2014). Berdasarkan data tersebut bahan baku biomassa telah termanfaatkan akan tetapi belum optimal atau efisiensi sistem pemanfaatannya masih rendah. Banyak kajian yang menyatakan bahwa hasil pembakaran biomassa tidak akan meningkatkan CO2 di atmosfer karena CO2 akan dikonsumsi tanaman untuk proses pertumbuhan sehingga biomassa bisa dikatakan ramah lingkungan (Demirbas 2005). Tabel 1 Potensi limbah pertanian sebagai biomassa No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Produk Padi Gabah Jagung Jagung Jagung Jagung Kelapa Kelapa Kelapa sawit Kelapa sawit Kelapa sawit Gula

Tipe limbah biomassa jerami sekam batang jagung daun jagung tongkol kulit jagung serabut tempurung kelapa serat cangkang tandan kosong ampas tebu

Potensi 58% padi 20% gabah 30% jagung 58% jagung 12% jagung tongkol 6% jagung tongkol 35% kelapa 12% kelapa 11-12% TBS 5-7% TBS 20-23% TBS 30% tebu

Sumber: Tajali (2005)

Berdasarkan Tabel 1 dapat dilihat potensi beberapa limbah biomassa. Salah satu limbah biomassa yang potensial adalah tempurung kelapa yang memiliki potensi sebanyak 120 kg/ton kelapa. Pertimbangan untuk memanfaatkan tempurung kelapa menjadi penting karena limbah ini belum termanfaatkan secara maksimal (Amin 2000). Teknologi konversi biomassa salah satunya adalah teknologi co-generation atau sistem Combined Heat and Power (CHP). Sistem Combined Heat and Power (CHP) dengan bahan bakar biomassa mampu secara efektif mengkonversi energi kimia biomassa menjadi energi panas dan listrik (Qiu et al. 2012). Sistem Combined Heat and Power (CHP) pada saat ini memang telah banyak digunakan di industri pertanian besar seperti pabrik

2 pengolahan minyak kelapa sawit dan pengolahan gula, namun penggunaan sistem CHP di industri kecil belum banyak diaplikasikan. Tujuan penelitian ini adalah merancang tungku sebagai bagian dari unit pembangkit listrik dengan sistem CHP yang berbahan bakar tempurung kelapa. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Mendesain tungku bakar untuk Combined Heat and Power (CHP) dengan bahan bakar tempurung kelapa. 2. Menguji kinerja tungku yang telah dirancang tersebut. Manfaat Penelitian Manfaat dari hasil penelitian ini adalah menghasilkan tungku bakar untuk Combined Heat and Power (CHP) yang dapat digunakan sebagai media evaporasi boiler untuk pembangkit listrik. Ruang Lingkup Penelitian Agar perhatian dalam memecahan masalah dapat terpusat maka perlu dilakukan pembatasan masalah. Batasan-batasan lingkup penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut : 1. Bahan bakar yang digunakan adalah tempurung kelapa. 2. Pengujian dilakukan dengan beberapa tipe laju pengumpanan bahan bakar dan udara. 3. Pengaruh tekanan udara tidak diamati, sehingga pengaruh pembakaran fokus pada kecepatan angin lokal yang mempengaruhi kinerja tungku pembakaran.

TINJAUAN PUSTAKA Biomassa Tempurung Kelapa Biomassa Biomassa disebut juga sebagai “fitomassa” dan seringkali diterjemahkan sebagai bioresource atau sumber daya yang diperoleh dari hayati (Yokoyama 2008). Sumber biomassa bisa berasal dari material organik lain yang menyimpan energi matahari dalam bentuk kimiawi. Kemudian kandungan molekul seperti karbon, hidrogen, dan oksigen dipisahkan dengan cara digestion, pembakaran, ataupun dekomposisi (Prasit 2011). Menurut Prasit (2011), biomassa selalu menjadi sumber energi tambahan untuk kontribusi 10 - 14% penyedia energi dunia. Tempurung Kelapa Produksi buah kelapa di Indonesia rata-rata 15,5 milyar butir pertahun, total bahan ikutan yang dapat diperoleh 3,75 juta ton air, 0,75 juta ton arang tempurung, 1,8 juta ton serat sabut, dan 3,3 juta ton debu sabut

3 (litbang.deptan.go.id 2006). Industri pengolahan buah kelapa umumnya masih terfokus kepada pengolahan hasil daging buah sebagai hasil utama, sedangkan industri yang mengolah hasil samping buah seperti air, sabut, dan tempurung kelapa masih secara tradisional dan berskala kecil, padahal potensi ketersediaan bahan baku untuk membangun industri pengolahannya masih sangat besar. Jumlah produksi buah kelapa di Indonesia pada tahun 2007 mencapai 3.193.300 (litbang.deptan.go.id 2006). Menurut Tajalli (2015) dari 1 butir kelapa menghasilkan 12 % tempurung kelapa. Berdasarkan data di atas maka total biomassa tempurung kelapa dari produksi buah kelapa di Indonesia mencapai 383.196 ton pertahun 2007. Data jumlah biomassa tempurung kelapa akan meningkat seiring peningkatan lahan untuk memproduksi buah kelapa oleh pemerintah. Peningkatan produktivitas buah kelapa dilakukan karena permintaan konsumen yang memerlukan hasil produksi dari buah kelapa seperti minyak kelapa untuk kegiatan keseharian. Pemanfaatan tempurung kelapa yang telah dilakukan oleh masyarakat antara lain sebagai bahan baku kerajinan tangan dan arang aktif. Kenyataannya masih banyak limbah tempurung kelapa yang belum termanfaatkan. Tempurung kelapa sebenarnya mempunyai prospek sebagai bahan bakar karena memiliki nilai kalor yang cuckup tinggi yaitu 20890 kJ/kg (Najib dan Sudjud 2012). Combined Heat and Power (CHP) Combined Heat and Power (CHP) atau cogeneration, merupakan sistem untuk memproduksi secara bersamaan energi listrik dan energi panas yang berasal dari satu sumber bahan bakar (EPA 2014). Menurut IEA (2008) sistem CHP memberikan beberapa keuntungan yaitu biaya rendah untuk konsumen, emisi CO2 yang rendah, mengurangi penggunaan bahan bakar fosil, mengurangi investasi infrastruktur di sistem energi, menggunakan sumber energi lokal yang tersedia. Dengan menggunakan cogeneration (CHP) dimana listrik dan panas dibangkitkan secara bersamaan, maka efisiensi energi keseluruhan industri akan meningkat. Pembangkit CHP dirancang mampu meningkatkan efisiensi mencapai 80% dibandingkan pembangkit listrik konvensional yang hanya sekitar 35% (Seijo et al. 2015). Teknologi pembangkit CHP skala besar (2000 kWe) pada umumnya didasarkan pembakaran biomassa dan penggunaan steam turbin untuk menghasilkan listrik, dan dapat digunakan sebagai aplikasi komersil dalam waktu yang lama. CHP skala besar memerlukan fluida kerja pada tekanan dan temperature fluida yang tinggi. CHP skala sedang (200-2000 kWe) dan skala kecil (<200 kWe), fluida organik dapat berupa air atau steam yang bisa digunakan sebagai fluida kerja dari Rankine cycle turbine. Sistem CHP dengan organic Rankine cycle (ORC) beroperasi pada tekanan rendah dan temperatur rendah (Qiu et al. 2012).

4 .

Gambar 1 Biomass-fired CHP: organic Rankine cycle layout dan grafik T-S pada keadaan mantap (Qiu et al. 2012)

Gambar 2 Skematik sistem CHP dengan ORC (Ingwald dan Thek 2008) Aplikasi pembangkit listrik dan panas (CHP) terdiri dari beberpa komponen utama (Gambar 2). Komponen pentingnya yang pertama adalah teknologi pembakaran yaitu tungku sebagai pembangkit panas dengan efisiensi dan efektivitas yang tinggi. Pembangkit panas tersebut akan menjadi sumber panas untuk digunakan dalam energi berguna lainnya seperti pengeringan suatu produk, pemanasan air untuk steam untuk menggerakkan turbin dan menghasilkan listrik melalui generator. Teknologi Konversi Biomassa sebagai Sumber Energi Pengolahan biomassa untuk menghasilkan energi sesuai tujuan, maka diperlukan tahapan praperlakuan. Tahapan praperlakuan dalam proses konversi biomasa antara lain pemisahan, pengekstrakan, kontrol kelembaban, sortasi ukuran, dan lainnya.

5

Gambar 3 Ragam teknologi konversi dan praperlakuan (Yokoyama 2008) Menurut Yokoyama (2008) dalam buku panduaan biomassa asia, ada beberapa teknologi konversi yang bisa digunakan untuk mengubah kualitas biomassa sesuai dengan tujuan penggunaanya. Terdapat tiga teknologi konversi secara umum yaitu: 1. Konversi fisika, teknik konversi ini antara lain adalah penggerusan, penggerindaan, dan pengukusan untuk mengurai struktur biomassa dengan tujuan meningkatkan luas permukaan sehingga mempercepat proses selanjutnya seperti kimia, termal, dan biologi. 2. Konversi kima, meliputi hidrolisis, oksidasi parsial, pembakaran, karbonisasi, pirolisis, reaksi hidrotermal untuk membangun molekul baru atau pembentukan kembali biomassa. 3. Konversi biologi, umumnya terdiri atas proses fermentasi seperti fermentasi etanol, metana, aseton butanol, hodrogen, dan perlakuan enzimatis yang berperan penting pada penggunaan bioethanol generasi kedua. Teknologi konversi biomassa dapat diklasifikasikan berdasarkan produk yang dihasilkan. Menurut Liu (2011) proses konversi biomassa tersebut antara lain:  Proses termokimia o Pembakaran menghasilkan panas o Gasifikasi menghasilkan gas mampu bakar o Pirolisis menghasilkan bio-oil atau arang  Proses biologi o Fermentasi menghasilkan bio-etanol o Anaerobik menghasilkan bio-gas  Proses kimia atau mekanik menghasilkan bio-diesel

6 Pembakaran Biomassa Pembakaran Pembakaran adalah salah satu metode dalam mengkonversi biomassa untuk menghasilkan panas secara langsung. Reaksi pembakaran pada umumnya merupakan reaksi antara karbon dan oksigen pada suatu bahan dengan adanya api kemudian terjadi penguraian dan menghasilkan panas dan emisi udara lainnya. Proses pembakaran berawal dari penyalaan awal di bagian atas dari lapisan bahan bakar kemudian menyebar melalui radiasi dari api dan dinding ruang bakar (Bauer 2010). Reaksi pembakaran bahan bakar padat adalah sebagai berikut: Pada proses pembakaran terdapat komponen atau unsur pembakaran yang mengikuti proses pembakaran selain kandungan air dan abu. Komponen tersebut antara lain karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N), sulfur (S), klorida (Cl), dan lain-lain (Priambodo 2002). Proses pembakaran dimulai dengan reaksi fase gas, reaksi permukaan, atau keduanya diikuti dengan proses-proses lain seperti peleburan, penguapan, dan pirolisis (Yokoyama 2008). Persamaan di bawah ini merupakan dasar teori untuk memprediksi jumlah gas pembakaran yang terjadi pada proses reaksi pembakaran (Priambodo 2002). C + O2 = CO2 CO + ½ O2 = CO H2 + ½ O2 = H2O S + O2 = SO2 Perpindahan Panas Perpindahan panas merupakan ilmu yang mempelajari perpindahan energi karena perbedaan temperatur diantara benda atau material (Azharuddin 2009). Mekanisme perpindahan panas dibagi menjadi tiga yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Perpindahan panas konduksi, kondisi saat panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah di dalam satu medium yang bersinggungan secara langsung. Perpindahan panas konveksi, perpindahan energi panas antara permukaan benda padat dan cairan atau gas. Perpindahan panas radiasi, perpindahan panas mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah bila benda-benda itu terpisah di dalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa diantara benda-benda tersebut. Efek dari Kadar Air Menurut Kortela (2014) komposisi elemen, kualitas, dan kadar air dari bahan bakar mempengaruhi efek terhdap nilai kalor bahan bakar. Secara alami, kadar air yang terdapat pada tanaman adalah bagian yang mendukung pertumbuhan. Kadar air yang ada pada bahan bakar menghambat proses pembakaran, karena menyerap energi yang lebih untuk menguapkan air tersebut dan menurunkan nilai kalor dari bahan bakar dan secara umum, kadar air bahan bakar akan meningkatkan waktu dan energi untuk terjadinya pembakaran (AlShemmeri 2015).

7 Efek Udara Aliran udara yang masuk ke dalam ruang bakar akan membantu terjadinya pembakaran. Aliran udara yang masuk ke dalam ruang baru untuk menyediakan udara yang digunakan dalam proses pembakaran khususnya menyediakan molekul O2. Udara perlu dikontrol dengan pengaturan aliran gas oksigen dalam udara yang masuk untuk pembakaran agar pembakaran bahan bakar sempurna (Kortela 2014). Tungku Bakar Tungku bakar merupakan suatu peralatan yang berfungsi sebagai tempat terjadinya proses pembakaran. Dalam dunia industri fungsi tungku digunakan sebagai sumber panas untuk memanaskan suatu fluida seperti udara dan air. Beberapa contoh tungku di dunia industri adalah: Tungku Bakar Mekanisme Gasifikasi 1. Gasifikasi tempurung kelapa (Dhurai et al. 2012) Proses gasifikasi ini digunakan untuk menghasilkan gas mampu bakar. Gas mampu bakar yang diharapkan pada alat ini adalah biogas karbon monoksida dan karbok dioksida. Tipe gasifier yang dirancang ini adalah tipe downdraft. Komponen dari gasifier ini terdiri dari refaktori, pembuangan abu, dan siklon gas hasil gasifikasi. Ketinggian total gasifier di Gambar 4 adalah 4.5 m. Pengujian dilakukan dengan bahan bakar tempurung kelapa dengan laju 30-50 kg/jam dan laju udara blower 68 m3/jam. Suhu saat proses gasifikasi maksimum terjadi pada suhu 900-1000oC. Suhu tersebut bisa digunakan untuk industry tanah liat yang membuuhkan suhu kiln sebesar 950oC. Gas karbon monoksida yang dihasilkan adalah 10-13% dan gas karbon dioksida sekitar 14-17 %.

Gambar 4 Gasifikasi tempurung kelapa 1. Gasifikasi biomassa Gasifier biomassa skala laboratorium yang dibuat bertujuan untuk menghasilkan energy gerak sebesar 4 kW dan energy panas 15 kW. Tipe gasifier menggunakan sistem downdraft. Volume ruang gasifier adalah 17280 cm3 dengan kapasitas 8.64 kg bahan bakar. Terdapat 5 lubang udara inlet dengan diameter 10 mm yang dapat dibuka ataupun ditutup. Konsumsi biomassa yang digunakan adalah kayu (kadar air 16-10%) dan cangkang kernel (kadar air 810%). Laju bahan bakar yang digunakam adalah 4 kg/jam. Proses gasifikasi yang

8 berhasil adalah dengan bahan bakar cangkang kernel, setelah 15 menit gasifikasi sudah mampu menghasilkan gas mampu bakar.

Gambar 5 Gasifier skala laboratorium (Ojolo et al. 2010) 2. Gasifikasi cangkang hazelnut (Monarca 2012) Tujuan dari alat ini adalah menghasilkan syngas dan gas chromatography dari bahan bakar. Tipe gasifier yang dirancang adalah tipe downdraft dengan kapasitas elektrik 30 kW dan energy panas sebesar 60 kW. Bahan bakar yang digunakan adalah cangkang hazelnut dengan nilai kalor 18.83 MJ/kg saat kadar air 6.4%. Suhu saat gasifikasi terjadi diantara 900 dan 1000oC dengan tekanan di dalam 0.025 bar. Syngas yang dihasilkan mengandung gas N2 lebih dari 50%.

Gambar 6 Sistem gasifikasi cangkang hazelnut Tungku Bakar Mekanisme Pembakaran Langsung 1. Tungku pengeringan benih jarak pagar (Tahir 2010) Tungku menggunakan bahan bakar biomassa berupa arang kayu dengan ruang pembakaran terhubung ke penukar panas. Desain tungku yang digunakan adalah tipe hisap dengan rangkaian elektronik sebagai pengendali blowernya. Sistem pemasukkan bahan bakar dilakukan secara manual melalui kotak yang miring dibagian sisi atas tungku. Gas hasil pembakaran langsung diarahkan ke penukar panas.

9

Gambar 7 Penampang tungku, penukar panas, dan sistem kontrol

Gambar 8 Tungku biomassa hasil desain (Tahir 2010) 2. Tungku biomassa dan penukar panas (Tahir 2013) Sebuah pembangkit panas terintegrasi atas atas tungku pembakaran biomassa dengan sistem pengumpanan bahan bakar dan penukar panas (heat exchanger) jenis selubung dan tabung (shell-tube) (Gambar 9). Desain pembangkit panas ini merupakan sistem yang kontinya dengan bantuan hopper sebagai penyimpan bahan bakar dan dilengkapi dengan sistem pengumpanan.

Gambar 9 Desain terintegrasi tungku biomassa dan penukar panas Bahan bakar yang digunakan dalam pembangkit panas adalah tongkol jagung. Konsumsi bahan bakar dalam pengujiannya menghabiskan tongkol

10 jagung sebanyak 8,2 kg selama rata-rata 1 jam 10 menit atau laju pembakaran di tungku adalah 7,03 kg/jam. Panas yang dibangkitkan adalah 25,6 kJ/detik. Panas udara tungku bakar yang selanjutnya masuk ke selubung berada pada kisaran 400-600 oC. 3. Tungku alat pengering CFVFB (Jading et al. 2014) Tungku biomassa yang digunakan adalah jenis cross down draft yang memiliki keunggulan yaitu dapat mengurangi asap pembakaran, dapat dijalankan secara kontinyu. Bagian tungku biomassa terdiri dari ruang pembakaran (60x60x60) cm, hopper bahan bakar (50x78x40) cm, saluran udara luar, ruang pemindah panas (60x60x150) cm yang dilengkapi pipa besi sebanyak 10 batang dengan panjang masing-masing berukuran 150 cm bediameter 3,81 cm (1,5 inci). Bahan bakar yang digunakan adalah tempurung kelapa. Pembakaran bahan bakar dilakukan di dalam ruang pembakaran yang terletak pada bagian bawah ruang pemindah panas. Ruang pembakaran dilengkapi dengan pintu kontrol aliran udara dan pintu pembuangan abu hasil pembakaran. Udara panas yang dihasilkan dalam ruang pembakaran dialirkan secara koveksi alami melalui lubang pipa pemindah panas, sedangkan asap hasil pembakaran keluar melalui cerobong asap. Hasil rancangan yang dilakukan Jading et al. ada di Gambar 10.

Gambar 10 Prototipe alat pengering CFVFB: (a) unit tungku biomassa, (b) unit pengering Bahan bakar yang digunakan sebanyak 70 kg untuk mengeringkan 35 kg pati sagu hingga mencapai kadar air 12%bb selama 7 jam. Energi pembakaran mencapai 1274 MJ dengan nilai kalor tempurung kelapa sebesar 18,2 MJ/kg. 4. Tungku pengeringan ERK-hybrid (Mulyantara et al, 2008) Tungku biomassa yang dipasang pada alat pengering di Gambar 11 adalah sistem pengumpanan kontinyu. Bahan bakar yang digunakan adalah tongkol jagung. Tungku ini juga dilengkapi dengan hopper sebagai wadah penyalur bahan bakar. Tungku ini berfungsi untuk memanaskan air yang kemudian terhubung ke penukar panas sebagi energi pengeringan.

11

Gambar 11 Skematis desain alat pengering ERK-hybrid tipe silinder

Gambar 12 Alat pengering ERK-hybrid tipe silinder 5. Tungku alat pengering tipe rotari (Aman et al. 2013) Tungku pada alat pengering tipe rotari di penelitian Aman (2013) berfungsi sebagai penghasil sumber panas untuk mengerigkan pati di Papua. Tungku di Gambar 13 menggunakan bahan bakar biomassa kayu dengan rata-rata sebanyak 10 kg, diperoleh suhu udara pengeringan sebesar 79,8 oC, dengan suhu udara di lingkungan sekitar ruang pembakaran sebesar 51,1 oC. Tipe pemasukan bahan bakar adalah tipe batch melalui lubang pemasukan bahan bakar. Tungku ini langsung terhubung ke penukar panas yang terpasang di bagian atas tungku.

Penukar panas

Pemasukkan bahan bakar

Pipa pengaliran udara ke ruang pengering

Tungku pembakaran

Gambar 13 Unit tungku dan penukar panas

12 Fuel Feeder Salah satu jenis alat pengangkut yang sering digunakan dalam fuel feeder adalah konveyor, sedangkan fuel feeder itu sendiri merupakan pengaplikasian dari konveyor dalam bentuk yang lebih kecil (Winaya 2009). Menurut Silaen (2014) konveyor alat yang digunakan untuk memindahkan material dari suatu tempat ke temoat lain dengan jarak yang tidak terlalu jauh secara terus menerus tanpa ada pemindahan peralatan. Menurut Winaya (2009), pemilihan alat pemasukkan bahan bakar material padatan antara lain tergantung pada:  Kapasitas material yang ditangani,  Jarak perpindahan material,  Kondisi pengangkutan : horizontal, vertical, atau inklinasi,  Ukuran, bentuk, dan sifat material,  Harga peralatan tersebut. Ada beberapa jenis konveyor antara lain konveyor sekrup, rantai, dan pneumatik. Konveyor sekrup adalah jenis konveyor yang paling tepat untuk mengangkut bahan padat yang berukuran kecil dan ringan (Winaya 2009). Konveyor rantai digunakan untuk mengangkut material abu, potongan kayu, dan lainnya (Silaen 2014). Sedangkan konveyor pneumatik berfungsi untuk mengangkut material yang ringan sehingga mampu dipindahkan menggunakan hembusan blower. Efek Chimney Efek chimney dihasilkan dari adanya udara yang bergerak karena adanya perbedaan temperatur di dalam dan di luar cerobong. Udara akan bergerak melalui cerobong, jika suhu rata-rata di dalam lebih tinggi dari suhu di luar. Tekanan udara dalam keseluruhan cerobong ruang bakar lebih rendah daripada tekanan udara di luar (Chow dan Zhao 2011).

METODOLOGI Waktu dan Tempat Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret sampai dengan Agustus 2016. Perancangan alat dilakukan pada bulan Maret sampai April di Engineering Design Studio (EDS TMB). Pabrikasi dilakukan pada bulan Mei sampai Juni 2016. Pengujian alat dilakukan pada bulan Juli 2016 sampai Agustus 2016. Pabrikasi dan pengujian kinerja alat dilakukan di laboratorium Energi Terbarukan dan laboratorium Pascapanen dan Energi, laboratorium lapangan Siswadi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor.

13 Tahapan Penelitian Rincian tahapan penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 14. Mulai Pendekatan rancangan: - energi panas - efisiensi termal - efisiensi tungku Perancangan (laju bahan bakar) Gambar teknik Pembuatan alat Uji kinerja Pengolahan data Tidak Berhasil Energi panas >10 kW

Berhasil Tungku CHP

Selesai Gambar 14 Diagram alir pelaksanaan penelitian

Alat dan Bahan Alat Perancangan menggunakan Pesonal Computer (PC) dan software CAD (Solidworks 2015). Pabrikasi menggunakan alat perbengkelan, las breezing, dan las listrik. Pengujian menggunakan blower hembus diameter 2 inci, blower hembus diameter 3 inci, motor listrik, gear box, sabuk-puli, inverter, termokopel tipe K, data acquisition, timbangan 5 kg, dan timbangan 50 kg.

14

Bahan Proses pabrikasi menggunakan plat besi tebal 2mm dan 1.5mm, plat baja berlubang-lubang tebal 2mm, b esi siku (3x3 cm) tebal 2mm, silinder besi hollow 3 inci dan 2 inci, rock wool dan ceramic wool, rantai, dan fastener. Kegiatan pengujian menggunakan tempurung kelapa, serabut kelapa, dan solar. Pendekatan Rancangan Pendekatan rancangan dilakukan dengan menganalisis sistem pembakaran biomassa. Tungku biomassa ini didesain untuk bahan bakar tempurung kelapa, sehingga analisis teknik didekatkan pada karakteristik temprung kelapa yang tersedia di pasaran. Fungsi tungku yang dibuat antara lain mampu membakar biomassa secara terus-menerus. Kriteria perancangan alat disesuaikan dengan penekatan kebutuhan dari penyelesaian masalah yang telah dirumuskan. Hasil rancangan tersebut dapat dilihat pada tabel di bawah ini. Tabel 2 Rancangan tungku CHP No 1 2 3

Parameter Energi panas (Qg) Efisiensi termal Efisiensi tungku

Besaran 10 25 90

Satuan Kw % %

Efisiensi termal menunjukkan kualitas pembakaran biomassa yang terjadi. Efisiensi tungku menunjukkan kualitas tungku sebagai media proses pembakaran. Penentuan kapasitas ruang bakar Diharapkan kinerja tungku ini mampu menghasilkan energi panas mencapai 10 kW. Pembakaran sempurna diharapkan terjadi pada ruang bakar, hal ini berkaitan dengan komposisi jumlah udara dengan bahan bakar. Perancangan tungku CHP diawali dengan menentukan parameter-parameter perancangan. Parameter yang harus diketahui yaitu volume ruang bakar, jenis bahan bakar, laju bahan bakar, dan jumlah udara yang dibutuhkan untuk pembakaran. Perhitungan mengenai kapasitas ruang bakar akan dirincikan pada rancangan struktural. Penentuan prinsip kerja ruang bakar Rancangan bentuk tungku ini berdasarkan prisip efek chimney. Efek chimney ini menjelaskan bahwa udara panas akan cenderung bergerak ke atas karena massa jenis udara terpanaskan menjadi lebih kecil, volume memuai atau membesar. Efek chimney ini digunakan dalam rancangan posisi output flue gas pada ruang bakar. Prinsip tungku CHP ini adalah bahan bakar terbakar di ruang bakar. Pada saat proses pembakaran terjadi di ruang bakar udara dingin dimasukkan oleh blower ke arah ruang bakar sekaligus mendorong udara panas keluar, uap panas hasil pembakaran akan keluar melalui output flue gas. Pembakaran awal dilakukan dengan menyulut api dengan serabut kelapa dan memasukkannya ke ruang bakar yang telah ada tempurung kelapa sebagai penyalaan awal. Proses pembakaran di ruang bakar diharapkan menggunakan metode pembakaran

15 lapisan tetap dengan jenis pembakaran perapian horizontal. Jenis pembakaran perapian horizontal dapat dicirikan dari perapian yang sejajar atau miring, menyala dan membakar sebagai pembakaran permukaan ketika biomassa dikirim ke perapian (Yokoyama 2008). Perancangan Rancangan fungsional Perancangan tungku bakar untuk Combined Heat and Power (CHP) dirancang dengan memperhatikan alat mampu berfungsi membakar tempurung kelapa dengan laju pengumpanan bahan bakar dan laju udara yang ditentukan. Bahan bakar diletakan di dalam hopper dengan memperhitungkan sudut jatuh bahan bakar. Pengumpanan bahan bakar dilakukan dengan berputarnya konveyor rantai pada sistem pengumpanan bahan bakar. Rancangan fungsional masingmasing bagian tungku disajikan pada Tabel 3. Tabel 3 Rancangan fungsional masing-masing bagian tungku No 1

Nama bagian Ruang bakar

2 3 4 5

Hopper bahan bakar Konveyor Blower Insulasi

6

Saluran udara horizontal

7

Saluran udara vertikal

8 9 10 11

Rangka Ash tray Hopper abu Saluran flue gas

Fungsi Tempat terjadinya reaksi antara udara (O2) dengan bahan bakar biomassa Menampung bahan bakar Menyalurkan bahan bakar Penyuplai udara pembakaran Mencegah panas hasil reaksi pembakaran di ruang pembakaran keluar Saluran untuk aliran udara menuju ke tempat reaksi pembakaran secara horizontal Saluran untuk aliran udara menuju ke tempat reaksi pembakaran secara vertikal Tempat dudukan tungku Mengatur pengeluaran abu Menampung abu sisa pembakaran Menyalurkan udara panas hasil pembakaran

Rancangan struktural Struktural tungku CHP dirancang dengan menentukan ukuran dan material bahan yang digunakan dalam pembuatan tungku. Tungku yang dirancang memiliki 7 bagian yaitu hopper bahan bakar, konveyor, ruang bakar, lubang udara, kasa abu, hopper abu, dan saluran flue gas.

16

Gambar 15 Tampak dimetri rancangan tungku CHP Ruang bakar Tungku CHP dirancang berdasarkan tujuan untuk menghasilkan energi panas sebesar 10 kW. Tempurung kelapa yang digunakan memiliki nilai kalor 19783.79 kJ/kg, Nilai tersebut bedasarkan pengujian yang dilakukan Balai Teknologi Bahan Bakar Rekayasa Desain, BPPT. Efisiensi termal yang diharapkan adalah 25 %. Menurut Pane (2013) untuk mencapai efisiensi panas tersebut maka diperlukan laju bahan bakar yang tepat sesuai nilai kalor bahan bakar melalui persamaan berikut: (1) Volume ruang bakar bisa ditentukan dari laju bahan bakar berdasarkan rumus : (2) = volume ruang bakar (m3) = laju bahan bakar (kg/jam) = massa jenis bahan bakar (kg/m3) = waktu operasional (jam) Insulasi dirancang agar panas yang dihasilkan saat proses pembakaran tidak hilang ke lingkungan. Ketebalan insulasi ditentukan berdasarkan harapan efisiensi tungku mencapai 90 %. Energi yang hilang ke lingkungan diharapkan hanya 10% dari hasil pembakaran di ruang bakar. Energi hasil pembakaran dapat dijaga tetap dalam ruang bakar dengan energi hilang yang sedikit dapat dicegah dengan adanya isolasi. Ketebalan isolasi dihitung berdasarkan rumus: (4) Ql = energi loss (W)

17 U A

= energi dalam (W/m2.oC) = luas permukaan lapisan perpindahan panas (m2) = perbedaan suhu ruang bakar dengan lingkungan (oC)

Hopper bahan bakar Tungku CHP yang dirancang adalah alat pembakar tempurung kelapa tipe kontinyu. Rancangan hopper menggunakan bentuk trapesium. Rumus volume hopper tersebut adalah sebagai berikut. (5) 3 = volume hopper (m ) = laju bahan bakar (kg/jam) = massa jenis bahan bakar (kg/m3) = waktu operasional (jam) Konveyor Konveyor sebagai pengumpan bahan ada beberapa jenis salah satunya konveyor scrapper. Menurut Silaen (2014) Scrapper conveyor terdiri dari komponen sporket penggerak, rantai, pipa pengangkut tempurung kelapa, sporket balik, rangka, dan motor penggerak. Kecepatan putar konveyor bisa dihitung melalui rumus (Silaen 2014): (6) Konveyor bergerak di dalam tutup konveyor. Tutup konveyor dirancang sebagai penompang konveyor dan memberi ruang bahan bakar yang lewat di atas konveyor. Jarak konveyor dengan tutup konveyor menyesuaikan bentuk bahan bakar tempurung kelapa pada umumnya yaitu 8-12 cm dan jarak yang digunakan di alat ini adalah 12 cm. Hopper abu Rancangan hopper abu menggunakan bentuk trapesium. Rumus volume hopper tersebut adalah sebagai berikut. (7) 3 = volume hopper (m ) = laju bahan bakar (kg/jam) = massa jenis bahan bakar (kg/m3) = waktu operasional (jam) Hopper abu dilengkapi dengan plat berlubang-lubang untuk tempat keluarnya abu hasil pembakaran dari ruang bakar ke hopper abu. Output flue gas Output flue gas diposisikan pada bagian atas samping dari ruang bakar. Posisi tersebut diharapkan mampu menjadi tempat keluar udara panas hasil pembakaran keluar menggunakan efek chimney, bahwa udara panas akan bergerak ke atas dan mengarah ke lingkuangan yang lebih rendah suhunya. Keluarnya udara panas tersebut diposisikan searah dengan arah masuknya udara dingin dari hembusan blower. Bentuk output flue gas adalah mengkerucut yang diharapkan udara panas akan fokus keluar dari tungku dan masuk ke lubang boiler. Dimensi output flue gas dalam adalah 30 cm x 50 cm yaitu setengah dari

18 dimensi dinding samping tungku. Dimensi output flue gas luar adalah 28 cm x 21 cm. Rangka tungku CHP Rangka vertikal dan horisoltal tungku CHP menggunakan besi siku 3 cm dengan tebal 2 mm. rangka ini berfungsi sebagai penompang komponenkomponen tungku. Rangka tersebut menyatu dengan hopper abu dan konveyor. Uji Kinerja Tungku CHP Tungku CHP dilakukan pengujian pembakaran sebanyak 9 kali. Tiga perbedaan laju bahan bakar, setiap percobaan bahan bahar dilakuakn tiga kali perbedaan laju udara. Perlakuan saat pengujian dapat dilihat pada Tabel 5. Uji tersebut dilakukan untuk mengetahui koposisi terbaik laju udara terhadap laju bahan bakar. Tungku diuji untuk mengetahui kecepatan angin dan laju aliran biomassa untuk mencapai energi panas 10 kW. Tahapan pengujian dapat terlihat pada Lampiran 2. Gambar 16 memperlihatkan pengukuran suhu dilakukan pada 8 titik yaitu termokopel 1 untuk mengukur udara masuk dari saluran primer. Pengukuran suhu pembakaran dilakukan di bagian bawah, tengah, dan atas dengan menggunakan termokopel 2, 3, dan 4 secara berturut-turut. Pengambilan tiga titik di ruang pembakaran diharapkan dapat menjukkan penyebaran suhu pembakaran. Titik 5 di letak di saluran keluar flue gas pembakaran yang masuk ke evaporator. Titik 6 di dinding luar ruang bakar. Titik 7 di dinding konveyor, dan titik 8 di dinding konveyor. Pengukuran kecepatan angin dilakukan menggunakan anemometer dengan cara, kecepatan angin diukur pada sumber utama aliran udara.

Gambar 16 Experimental set-up Kebutuhan Udara Pembakaran Kebutuhan udara untuk pembakaran ditentukan dari reaksi stoikiometri pembakaran sempurna kandungan ultimat bahan bakar. Tabel 2 menunjukkan karakteristik tempurung kelapa. Hasil asalisa ultimat digunakan untuk menentukan rumus kimia tempurung kelapa. Rumus kimi biomassa secara umum

19 dinyatakan CnHxOyNz. Nilai n, x, y, dan z merupakan fraksi C, H, O, N secara berturut-turut. Fraksi mol masing-masing komponen didapat berdasarkan perbandingan massa komponen ultimat bahan bakar dengan massa relatif masingmasing komponen. Rumus kimia tempurung kelapa berdasarkan nilai kandungan ultimat di Tabel 7 adalah C0.035H0.046O0.026N0.00006. Persamaan dibawah ini menunjukan kesetimbangan kimia pembakaran sempurna dari tempurung kelapa. (8) (9) Rasio udara dan bahan bakar dalam proses pembakaran sempurna dapat ditentukan melalui persamaan dibawah ini. (10) Komposisi campuran antara udara dengan bahan bakar dapat ditentukan melalui persamaan berikut. ̅̅̅̅̅ (

)(

(

)

(

)

)

(11)

Komposisi udara stoikiometri pembakaran sempurna tempurung kelapa adalah 5.25 kg udara/kg bahan bakar. Kebutuhan udara diberikan dalam dua arah yaitu udara horizontal dan udara vertikal. Tabel 4 Matriks pengujian No 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Laju Bahan Bakar (kg/jam) 5 5 5 7.5 7.5 7.5 10 10 10

Laju udara (kg/jam) 186.88 210.58 234.28 198.73 222.43 246.14 215.14 238.84 262.54

Laju udara (kg/jam) Horizontal Vertikal 139.47 47.40 155.88 54.69 172.29 61.99 147.68 51.05 164.09 58.34 180.49 65.64 164.09 51.05 180.49 58.34 196.91 65.64

Keterangan A1B1 A1B2 A1B3 A3D1 A3D2 A3D3 A3D1 A3D2 A3D3

Pengolahan Data Penentuan Parameter Kinerja Tungku CHP Parameter kinerja tungku CHP yang diukur adalah tingkat suhu proses pembakaran, energi panas yang dihasilkan, dan efisiensi sistem tungku yang dihasilkan dari laju pengumpanan dan laju udara yang dimasukkan. Energi panas input Energi input (Qin) dihasilkan melalui rumus: (12) Qin= energi panas yang dihasilkan (kW)

20 = laju aliran biomassa (kg/s) = nilai kalor biomassa berdasarkan basis basah (kJ/kg) Energi panas Energi panas yang dihasilkan (Qg) didapat melalui rumus: (12) ṁ = laju udara pembakaran (kg/s) Cp = Panas spesifik udara (W/kg oC) ΔT = Perbedaan suhu udara masuk dan keluar tungku (oC) (13) 3

ρ = massa jenis udara (kg/m ) A = Luasan inlet udara (m2) v = kecepatan udara (m/s) Efisiensi termal Efisiensi termal menggunakan teori kesetimbangan energi, yaitu: Qin

sistem

Qg

Qloss Qg = Qin - Qloss Perhitungan efisiensi termal dapat menggunakan persamaan: x 100%

(14) (15)

Qg = energi panas yang dihasilkan Qin= energi panas dari nilai kalor bahan bakar Efisiensi tungku Efisiensi tungku dapat diketahui melalui persamaan di bawah ini. (15) Qout = energi panas keluar tungku Qin = energi panas dari nilai kalor bahan bakar Energi panas keluar tungku (Qout) didapat melalui rumus: (16) Qout= energi panas ke evaporator Qin= energi panas yang dihasilkan (kW) Qls= energi panas yang hilang pada sistem tungku Pada keadaan mantap, kehilangan panas dari hasil pembakaran terjadi melalui permukaan dinding tungku secara konveksi (Qv) dan radiasi (Qr), yaitu: (17) (18) Qv = energi panas secara konveksi (W) Qr = energi panas secara radiasi (W) Tt = suhu permukaan tungku (K) Tf = suhu fluida (K) K = konduktivitas bahan (W/m.oC) h = konveksi udara luar (W/m2K)

21 A σ

= luas permukaan lapisan perpindahan panas (m2) = emisivitas material = konstanta Steven-Boltzman (5,669 x 10-8 w/m2K4)

HASIL DAN PEMBAHASAN Karakteristik Tempurung Kelapa Karakteristik tempurung kelapa berdasarkan kandungan proksimat dan ultimat tempurung kelapa dapat dilihat pada Tabel 6. Data tersebut berdasarkan pengujian yang dilakukan di Balai Teknologi Bahan Bakar Rekayasa DesainBPPT. Karakteristik tempurung kelapa yang memiliki kadar volatil 70.58%. Nilai tersebut cukup tinggi sehingga memiliki potensi besar dijadikan bahan bakar. Seperti yang dikatakan Demirbas (2005) bahwa biomassa lebih menguntungkan sebagai sumber bahan bakar karena memiliki nilai volatil bahan bakar yang tinggi sehingga lebih reaktif sebagai syarat bahan bakar. Tabel 5 Karakteristik proksimat dan ultimat tempurung kelapa No 1 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7

Analisis Nilai kalor

Kandungan (%) 19783.79 Kandungan Proksimat Kadar air 10.87 Kadar abu 0.44 Kadar Volatil 70.58 Karbon tetap 18.11 Kandungan Ultimat Kadar air 10.87 Abu 0.44 Karbon (C) 42.22 Hidrogen (H) 4.59 Nitrogen (N) 0.09 Sulfur (S) 0.25 Oksigen (O) 41.54

Metode kJ/kg ASTM D 3173 ASTM D 3174 ASTM D 3175 perhitungan ASTM D 3173 ASTM D 3174 ASTM D 5373 ASTM D 5373 ASTM D 5373 ASTM D 4239 perhitungan

Tungku CHP Tungku CHP yang dirancang menggunakan bahan bakar biomassa yaitu tempurung kelapa. Rancangan gambar teknik dapat dilihat pada Lampiran 1. Hasil pabrikasi dengan rencana rancangan terdapat perbedaan. Berdasarkan target laju bahan bakar sebanyak 7.5 kg/jam. Volume ruang bakar yang dirancang mencapai 0.113 m3. Besar volume ruang bakar ditentukan dari harapan operasional tungku selama 10 jam. Setiap 10 jam dilakukan pengeluaran abu dan dilakukan penyalaan awal. Namun saat pengujian dilakukan selama 15 jam tungku ini masih mampu bekerja secara kontinyu, tanpa harus dilakukan pengeluaran abu.

22 Tabel 6 Parameter rancangan dan pabrikasi No 1 2 3 4 5 6 7

Parameter Rancangan Pabrikasi Volume ruang bakar 0.270 0.270 Isolasi dengan rocwoll 4.670 5.080 Sudut kemiringan hopper 40 65 bahan bakar Volume hopper bahan bakar 0.190 0.154 Ruang bahan di konveyor 12 15 Volume hopper abu 0.014 0.077 Rangka Besi siku 2x2 Besi siku 3x3

Satuan m3 cm derajat m3 cm m3 cm

Tungku CHP ini menggunakan insulasi dari rock wool diantara plat pertama yang panas dan plat kedua. Insulsi ini untuk mencegah kehilangan panas pembakaran yang akan mempengaruhi efisiensi kinerja tungku. Material konstruksi tungku ditentukan berdasarkan suhu pembakaran yang yang tinggi. Suhu pembakaran mampu mencapai 800-900 oC. Material yang digunakan adalah plat besi yang tahan suhu mencapai 1425 oC. Konduktivitas material tersebut adalah 43 W m-1 K-1.

Gambar 17 Tungku CHP Tempurung Kelapa Tungku yang dirancang memiliki sistem pengumpanan kontinyu melalui sistem pengumpanan yang terdiri dari hopper bahan bakar dan konveyor (Gambar 17). Konveyor yang digunakan adalah konveyor yang sudah ada dengan bentuk seperti Gambar 18.

Gambar 18 Konveyor pengumpanan bahan bakar

23 Pergerakan konveyor menggunakan motor listrik induksi. Motor listrik yang digunakan berdaya 0.5 HP. Putararan motor disesuaikan sesuai laju bahan bakar yang diinginkan. Penyesuaian tersebut menggunakan alat inverter untuk mereduksi putaran motor listrik (Gambar 19).

Gambar 19 Reduksi putaran motor listrik Putaran motor juga direduksi dengan mekanisme transmisi. Mekanisme transmisi dari putaran motor yang telah direduksi oleh inverter akan direduksi kembali dengan sabuk dan puli. Kemudian direduksi kembali menggunakan gearbox perbandingan 1:20. Putaran dari gearbox ditransmisikan ke poros konveyor menggunakan gear dan rantai (Gambar 20).

Gambar 20 Transmisi gerak putaran Uji Kinerja Tungku CHP Pengujian kinerja tungku terkait dengan laju pengumpanan dan laju udara dapat dilihat pada Tabel 5. Kebutuhan udara untuk pembakaran menurut stoikiometri 5.22 kg udara/kg bahan bakar. Kebutuhan udara pembakaran pada awal rancangan disuplai oleh 1 unit blower, namun belum mampu menghasilkan pembakaran yang sempurna. Oleh karena itu, saat pengujian digunakan 2 blower dengan dimensi luasan berbeda yaitu 3 inci untuk udara horizontal dan 2 inci untuk udara vertikal. Hal tersebut menyebabkan terjadinya kelebihan suplai udara pembakaran. Kelebihan udara tersebut mencapai 75-88 % dari stoikiometri pembakaran sempurna. Menurut Arromdee (2010) efisiensi pembakaran tinggi terjadi saat pembakaran biomassa pada kondisi kelebihan udara pembakaran 80%. Bila

24 kelebihan udara terlalu tinggi atau berlebihan akan mengakibatkan pengurangan suhu pembakaran dan efisiensi termal (Yokoyama 2008). Berikut merupakan tabel perbandingan saat laju bahan bakar 7.5 kg/jam saat pengujian dengan rancangan. Tabel 7 Perbandingan rancangan dengan kinerja tungku Parameter Laju bahan bakar (kg/jam) Laju udara (kg/jam) Energi input, Qin (kW) Energi panas, Qg (kW) Efisiensi termal, ŋth (%) Energi losses (radiasi dan konveksi), Ql (kW)

Rancangan 7.5 0.011 41.22 10 25 4.12

A2C1 7.5 0.055 41.22 14.90 36.16 11.53

A2C2 7.5 0.062 41.22 19.02 46.16 13.52

A2C3 7.5 0.064 41.22 22.01 53.40 18.53

Suhu Proses Pembakaran Proses pembakaran menghasilkan suhu pembakaran yang berbeda setiap perbedaan laju bahan bakar dan laju udara. Semakin tinggi laju bahan bakar dan laju udara maka semakin tinggi suhu pembakaran. Pengujian A1B1 pada saat konstan temperatur pembakaran mencapai 299.50oC. Rerata suhu keluaran pengujian A1B1 saat pembakaran konstan mencapai 222.32oC. Pengujian A1B2 rerata suhu pembakaran saat konstan mencapai 293.32oC. Rerata suhu keluaran pengujian A1B2 saat pembakaran konstan mencapai 226.89oC. Rerata suhu pembakaran pengujian A1B3 di dalam ruang bakar pada saat konstan mencapai temperatur 452.32oC. Rerata suhu keluaran pengujian A1B3 pada saat pembakaran konstan mencapai 293.13oC. Pengujian A2C1 rerata suhu pembakaran saat konstan mencapai 453.22oC. Rerata suhu keluaran pengujian A2C1 saat pembakaran konstan mencapai 301.39oC. Pengujian A2C2 rerata suhu pembakaran saat konstan mencapai 484.06oC. Rerata suhu keluaran pengujian A2C2 saat pembakaran konstan mencapai 343.24oC. Pengujian A2C3 rerata suhu pembakaran saat konstan mencapai 652.38oC. Rerata suhu keluaran pengujian A2C3 saat pembakaran konstan mencapai 389.55oC. Pengujian A3D1 rerata suhu pembakaran saat konstan mencapai o 473.38 C. Rerata suhu keluaran pengujian A3D1 saat pembakaran konstan mencapai 321.55oC. Pengujian A3D2 rerata suhu pembakaran saat konstan mencapai 598.50oC. Rerata suhu keluaran pengujian A3D2 saat pembakaran konstan mencapai 384.89oC. Pengujian A3D3 rerata suhu pembakaran saat konstan mencapai 649.93oC. Rerata suhu keluaran pengujian A3D3 saat pembakaran konstan mencapai 419.56oC. Titik pengukuran suhu dalam ruang bakar yang pasang ada tiga yaitu pada bagian atas, tengah, dan bawah. Tiga titik tersebut diukur untuk mengetahui sebaran suhu saat proses pembakaran. Terjadi penaikan dan penurunan suhu yang sama setiap waktu pada titik bawah, tengah, dan atas.

25

Gambar 21 Grafik temperatur pengujian A1B3 Pada pembakaran laju bahan bakar 5 kg/jam terlihat bahwa suhu pembakaran tertinggi terjadi pada bagian atas tungku kemudian bagian tengah, lalu bagian bawah tungku. Penyebaran suhu saat laju bahan bakar 5 kg/jam salah satunya ditunjukkan pada Gambar 21. Suhu pembakaran pada pengujian bahan bakar 5 kg/jam perbedaan suhu pada bagian atas, tengah, dan bawah cukup signifikan. Perbedaan tersebut rerata mencapai 100-150 oC dari tiap titik ukur. Hal tersebut dikarenakan pembakaran dengan laju 5 kg/jam tidak memenuhi kapasitas ruang bakar yang membuat perbedaan suhu hasil pembakaran juga terpengaruh oleh kondisi ruang bakar yang banyak mengandung udara bukan bahan bakar. Sedangkan pada laju bahan bakar 7.5 kg/jam dan 10 kg/jam, perubahan suhu di ruang bakar tidak terlihat berbeda jauh seperti yang terlihat pada Gambar 22.

Gambar 22 Grafik temperatur pengujian A2C3 Penyebaran suhu pembakaran di ruang bakar cukup merata pada kondisi di Gambar 22. Suhu tertinggi pada ruang bakar saat kondisi laju bahan bakar 7.5 kg/jam dan 10 kg/jam terjadi di titik bawah, kemudian tengah, dan yang terendah pada bagian atas tungku. Perbedaan suhu pada ketiga titik tersebut tidak terlihat signifikan. Perbedaannya hanya pada kisaran suhu 50-100 oC. Energi Panas Energi panas ini dihitung berdasarkan perhitungan panas sensible udara. Perhitungan panas sensible udara menggunakan beda suhu udara keluar tungku dengan suhu udara masuk tungku saat proses pembakaran.

26

Gambar 23 Grafik temperatur udara inlet dan outlet pengujian A2C3 Gambar 23 merupakan contoh grafik perbedaan suhu udara masuk tungku dengan suhu keluar tungku. Perbedaan suhu pengujian A2C3 mencapai 345oC. Pengujian dengan laju bahan bakar 5 kg dan laju udara B1, B2, dan B3 menghasilkan perbedaan suhu berurut adalah 194oC, 193oC, dan 255oC. Laju bahan bakar 7.5 kg/jam dengan laju udara C1 dan C2 menghasilkan perbedaan suhu mencapai 269oC dan 308oC. Pengujian laju bahan bakar 10 kg/jam dan laju udara D1, D2, dan D3 menghasilkan perbedaan suhu secara berurut mencapai 290oC, 344oC, dan 375oC. Berdasarkan pengujian yang dilakukan semakin besar laju bahan bakar dan laju udara maka perbedaan suhu tersebut semakin besar (Lampiran 5). Karena perubahan suhu udara masuk tidak berubah signifikan dibandingkan suhu udara keluar tungku. Suhu udara keluar tungku berubah signifikan seiring berubahnya suhu pembakaran. Energi panaspun semakin tinggi ketika perbedaan suhu tersebut semakin besar. Berdasarkan pengujian yang dilakukan terjadi bahwa semakin besar laju bahan bakar dan laju udara maka suhu keluar tungku semakin besar pula. Gambar 24 menunjukkan perbedaan energi panas yang dihasilkan pada setiap pengujian.

Gambar 24 Pengaruh kelebihan udara terhadap energi panas Energi panas yang dihasilkan pada semua pengujian mencapai lebih dari 10 kW. Pada Gambar 24 terlihat bahwa semakin tinggi laju bahan bakar maka semakin besar energi panas yang dihasilkan. Kenaikan energi panas yang dihasilkan karena perubahan suhu udara masuk dengan keluar yang semakin jauh.

27 Efisiensi Termal Efisiensi termal memperlihatkan seberapa efisien bahan bakar mampu terbakar dan menghasilkan energi panas bila dibakar di suatu tungku. Efisiensi termal pada pengujian ini menggunakan perbandingan energi panas yang dihasilkan dengan energi input yang tersedia pada bahan bakar. Efisiensi panas (termal) untuk tungku industri yang umum diberikan pada Tabel 9. Tabel 8 Efisiensi termal untuk tungku industri yang umum (UNEP 2006) No Jenis Tungku 1 Tungku dengan suhu rendah a. 540-980 oC (tipe batch) b. 540-980 oC (tipe kontinyu) c. Coal Anneal (bell) jenis radian d. Sirip Anneal Muffle 2 Tungku dengan suhu tinggi a. Pusher, Rotary b. Penempatan batch 3 Kiln kontinyu a. Hoffman b. Terowongan 4 Oven a. Oven pembakaran tidak langsung (20-370 oC) b. Oven pembakaran langsung (20-370 oC)

Efisiensi Termal (%) 20-30 15-25 5-7 7-12 7-15 5-10 25-90 20-80 35-40 35-40

Rancangan tungku ini mengikuti nilai tungku suhu rendah tipe kontinyu maksimal 25%. Gambar 25 merupakan efisiensi termal dari hasil pengujian tungku yang menggunakan 9 kali percobaan. Perhitungan efisiensi termal menggunakan metode perhitunga langsung, perhitungan tersebut dapat dilihat pada Lampiran 6. Efisiensi termal terlihat meningkat setiap perbedaan laju bahan bakar dan perbedaannya cukup signifikan. Peningkatan laju udara pada laju bahan bakar yang sama juga mampu meningkatkan efisiensi termal yang terjadi namun tidak terlihat signifikan.

Gambar 25 Pengaruh kelebihan udara terhadap efisiensi temal Efisiensi termal pembakaran tempurung kelapa rerata adalah 43.96 %. Hal tersebut sesuai dengan penjelasan Utami (2008) bahwa perapian tertutup dapat memanfaatkan efisiensi bahan bakar mencapai lebih dari 20%. Namun bila didekati dengan pembakaran limbah pernanian menurut Demirbas (2014) yang

28 mampu menghasilkan nilai efisiensi pembakaran sekitar 84-88%, maka nilai efisiensi tungku CHP terbilang kecil. Hal ini mungkin dikarenakan cara perhitungan nilai efisiensi yang berbeda. Gambar 25 juga menunjukkan bahwa hasil pengujian A1B3 yang merupakan pengujian menghasilkan efisiensi termal paling tinggi. Energi Hilang Energi hilang merupakan hal yang sangat tidak diinginkan dalam setiap kinerja sebuah alat. Besarnya energi hilang mengindikasi rendahnya perfoma sebuah alat. Pengukuran energi hilang dilakukan dengan mengukur suhu dinding pada komponen hopper, konveyor, dan ruang bakar. Berikut ini adalah grafik energi hilang saat pengujian. Perhitungan yang digunakan adalah kehilangan energi berdasarkan radiasi dan konveksi.

Gambar 26 Kehilangan panas saat laju bahan bakar 5 kg/jam

Gambar 27 Kehilangan panas saat laju bahan bakar 7.5 kg/jam

Gambar 28 Kehilangan panas saat laju bahan bakar 10 kg/jam

29 Gambar 26, 27, dan 28 menunjukkan bahwa meningkatnya laju bahan bakar dan laju udara maka semakin besar kehilangan panas yang terjadi. Kehilangan panas pada bagian dinding ruang bakar terlihat naik signifikan saat laju bahan bakar dan laju udara meningkat. Pada dinding hopper juga terjadi kenaikan kehilangan panas saat meningkatnya laju bakar, namun kenaikannya tidak terlihat signifikan saat kenaikan laju udara. Kondisi yang sama juga terjadi pada konveyor. Kehilangan panas di dinding konveyor terlihat meningkat seiring mengkatnya laju bahan bakar, namun kenaikannya tidak terlihat signifikan ketika laju udara meningkat. Gambar 26 merupakan grafik energi yang hilang saat pengujian laju bahan bakar 5 kg/jam. Saat laju bahan bakar 5 kg/jam suhu pada dinding hopper, konveyor, dan ruang bakar tertinggi terjadi pengujian A1B3 secara berurutan yaitu 40oC, 100oC, dan 208.5oC. Suhu terendah pada pengujian bahan bakar 5 kg/jam terjadi pada A1B1 saat suhu pada dinding hopper 34 oC, suhu dinding konveyor 95 oC, dan rerata suhu pada ruang bakar mencapai 181.9oC. Gambar 27 merupakan grafik energi yang hilang saat pengujian laju bahan bakar 7.5 kg/jam. Suhu dinding terendah pengujian 7.5 kg/jam terjadi pada pengujian A2C1 suhu pada dinding hopper 50oC, suhu dinding konveyor 93oC, dan rerata suhu pada ruang bakar mencapai 181.22oC. Pengujian A2C3 merupakan suhu tertingi pada laju bahan bakar 7.5 kg/jam, suhu dinding hopper adalah 60oC, suhu dinding konveyor adalah 135oC, dan rerata suhu pada ruang bakar mencapai 265.22oC. Gambar 28 merupakan grafik energi yang hilang saat pengujian laju bahan bakar 10 kg/jam. Pengujian A2C1 merupakan suhu terendah yang terjadi saat laju bahan bakar 10 kg/jam, suhu dinding hopper adalah 45oC, suhu dinding konveyor adalah 139 oC, dan rerata suhu pada ruang bakar mencapai 227.48oC. sedangkan suhu tertinggi terjadi pada pengujian A2C3 suhu dinding hopper adalah 70oC, suhu dinding konveyor adalah 174oC, dan rerata suhu pada ruang bakar mencapai 310.33oC. Berdasarkan ketiga grafik di Gambar 26, 27, dan 28 terlihat bahwa kehilangan energi terbesar pertama terjadi di ruang bakar, terbesar kedua terjadi di bagian konveyor. Pada bagian konveyor terjadi kehilangan panas karena pada saat rancangan bagian ini tidak dilakukan perencanaan untuk isolasi. Nilai energi hilang berdasarkan perhitungan efisiensi termal terlihat berbeda dengan energi hilang berdasarkan pengukuran suhu yang dilakukan saat pengujian (Gambar 29).

Gambar 29 Energi hilang setiap pengujian

30 Energi hilang berdasarkan pengukuran saat pengujian terlihat lebih kecil dibandingkan energi hilang berdasarkan perhitungan efisiensi termal. Hal tersebut menunjukkan masih ada energi hilang yang belum terukur saat pengujian kinerja alat. Energi hilang tersebut dimungkinkan adanya celah-celah yang terjadi pada penyambungan komponen tungku yang terbuka pada tungku sehingga.

SIMPULAN DAN SARAN Simpulan 1. Tungku Combined Heat and Power bahan bakar tempurung kelapa yang dirancang memiliki 7 komponen fungsional yaitu, hopper bahan bakar, konveyor, ruang bakar, lubang udara, kasa abu, hopper abu, dan saluran flue gas. Dimensi ruang bakar, hopper bahan bakar, lubang udara dirancang sesuai kebutuhan mencapai tujuan, sedangkan konveyor menggunakan material yang sudah ada. Dimensi hopper abu dan saluran flue gas mengikuti kapasitas hasil pembakaran. 2. Pengujian menggunakan bahan bakar tempurung kelapa dengan nilai kalor 19783.79 kJ/kg. Pengujian tungku yang dilakukan sebanyak 9 kali percobaan berdasarkan matriks 3x3 (3 laju bahan bakar dan 3 laju udara). 3. Seluruh pengujian telah mencapai target desain (10 kW) yaitu pada kisaran 10-27 kW. 4. Rerata seluruh pengujian diketahui nilai efisiensi termal sebesar 43.96%. Besar energi panas yang dihasilkan pada pengujian berbanding lurus dengan nilai efisiensi termal. 5. Energi hilang melalui panas konveksi dan radiasi yang terukur pada dinidng ruang bakar, konveyor, dan hopper rerata adalah 16 kW. Energi hilang terbesar terjadi pada dinding bagian ruang bakar yaitu lebih dari 8 kW. Saran

1. 2.

3.

4.

Berdasarkan hasil rancangan dan hasil uji kinerja tungku CHP, terdapat beberapa saran sebagai berikut: Sistem pengumpanan perlu diperbaiki tepatnya pada bagian hopper, agar sesuai dengan sudut luncur dari bahan bakar tempurung kelapa. Bagian konveyor perlu didesain ulang, karena material plat yang sekarang menggunakan sistem fasterner (paku rivet) yang tidak tahan panas sehingga seringkali adanya proses perbaikan plat konveyor. Perlu insulasi tambahan pada beberapa bagian tungku seperti konveyor, hopper bahan bakar, hopper abu, dan terutama pada bagian ruang bakar agar kehilangan panas semakin kecil. Pengujian pada penelitian lebih lanjut untuk simulasi panas tungku dengan memperbesar kapasitas tungku menggunakan aplikasi Computational Fluid Dynamics (CFD).

31

DAFTAR PUSTAKA Al-Shemmeri TT, Yedla R, Wardle D. 2015. Termal characteristics of various biomass fuels in a small-scale biomass combustor. Int J Ap Therm Eng. 85(4): 243-251. Aman WP, Jading A, Mathelda K. Roreng. 2013. Prototipe alat pengering tipe rotary (rotary dryer) bersumber panas biomassa untuk industri pengolahan pati sagu di Papua [prosiding]. Researchgate: 734-744. Amin S. 2000. Penelitian berbagai jenis kayu limbah pengolahan bahan baku briket arang. Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia. 2: 41-46. Arromdee VI, Kupranov. 2010. Combustion of peanut shells in a cone-shaped bubbling fluidized-bed combustor using alumina as the bed material. Int J Ap Energi. 97: 470-482. Azharuddin. 2009. Kompor batok kelapa bertekanan. J Austenit. 1(1): 26-32. Bauer R, Golles M, Brunner T, Dourdoumas N, Obernberger I. 2010. Modelling of grate combustion in a medium scale biomass furnace for control purpose. Int J Biom Bioe. 34(1): 417-427. Borello D, Venturini P, Rispoli F, Rafael SGZ. 2013. Prediction of multiphase combustion and ash deposition within a biomass furnace. Int J Applied Energy. 101(6): 413-422. Cengel YA. 2002. Heat Transfer A Practical Approach, Edisi kedua. New York (US): Mc Graw-Hill. Chow WK, Zhao JH. 2011. Scale modeling studies on stack effect in tall vertical shafts. Int J Fire Science. 29(6): 531-542. Demirbas A. 2005. Potential application of renewable energi sources biomass combustion problems in boiler power systems and combustion related environmental issues. Progress in Energy and Combustion Science. 31(2): 171-192. Dhurai KR, Ramalingam K, Velavan R, Eswaramoorthy M. 2012. An experimental studi on biomass gasifier for burner system. Int J of Energy Engineering. 2: 36-39. [EPA]. Enviromental Protection Agency U.S. 2014. Combined Heat and Power. Washington (US): U.S. Enviromental Protection Agency. [ESDM]. Kementrian Energi dan Sumber Daya Mineral. 2014. Outlook Energi 2014. Jakarta (ID): Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi. [IEA]. International Energy Agency. 2008. Combined Heat and Power. Paris (FR): Organisation for Economic Co-Operation and Development. Jading A, Paulus P, Reniana. 2014. Kajian teknis-ekonomis alat pengering pati sagu model cross flow vibro fluidized bed. Agritech. 34(4): 448-455. Kortela J, Jounela SLJ. 2014. Model predictive control utilizing fuel and moisture soft-sensores for the biopower 5 combined heat and power (CHP) plant. Int J Applied Energi. 131(2): 189-200. [Litbang Deptan]. Penelitian dan Pengembangan Departemen Pertanian. 2007. Prospek dan Arah Pengembangan Agribisnis [internet] http://perkebunan.litbang.deptan.go.id (26 Februari 2016).

32 Liu H. 2011. Biomass fuels for small and micro combined heat and power (CHP) systems: resources, conversion and applications. Woodhead Publishing Limited. 5: 88-122. Monarca D, Colantoni A, Cecchini M. Longo L, Vecchione L, Carlini M, Manzo A. 2012. Energy characterization and gasification of biomass derived by hazelnut cultivation: analysis of produced syngas by gas chromatography. Mathematical Problems in Engineering 2012(8): 1-9. Mulyantara LT, Nelwan LO, Agustuna SE, Widodo TW. 2008. Simulasi pengeringan jagung pipilan menggunakan alat pengering surya tipe ehek rumah kaca (ERK)-hybrid dengan pengering silinder berputar. Jurnal Enjiniring Pertanian. 6(2): 99-110. Obernberger I. 2009. Reached developments of biomass combustion technologies and future outlook [prosiding]. 17Ith European Biomass Conference: 20-37. Ojolo S J, Orisaleye J I. 2010. Design and development of a laboratory scale biomass gasifier. Int J Energy and Power Engineering. 4(8): 16-23. Pane EA. 2013. Modifikasi desain incinerator multifungsi tipe kontinyu. [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Prasit B, Maneechot P, Ladpala S, Vaivudh S. 2011. Optimization and payback period of steam production by biomass combustor for agro-industri. Int J Energy Procedia. 9(2011): 380-390. Qiu G, Shao Y, Li J, Liu H, Riffat SB. 2012. Experimental investigation of biomass-fires ORC-based micro-CHP for domestic application. Int J Fuel. 96(1): 374-382. Seijo S, Del Campo I, Echanobe J, Sedano JG. 2015. Modeling and multiobjective optimization of a complex CHP process. Int J Applied Energi. 161(10): 309-319. Silaen AFA. 2014. Perencanaan bunch scrapper conveyor dengan kapasitas 5 ton/jam untuk mengangkut janjangan kosong dari mesin perontok ke penampungan. Jurnal Telematik. 6(3): 1409 – 1429. Tahir M, Purnama W. 2010. Desain tungku biomassa pada sistem pengering EkHibrid untuk pengering benih jarak pagar. Jurnal Ketekinkan Pertanian. 24(1): 17–23. Tahir M, Kasim R, Bait Y. 2013. Uji perfomansi desain terintegrasi tungku biomassa dan penukar panas. Agritech. 33(2): 219-225. Tajalli A. 2015. Panduan Penilaian Potensi Biomassa sebagai Sumber Energi Alternatif di Indonesia. Jakarta (ID): Penabulu Alliance. [UNEP]. United Nations Enviroment Programme. 2006. Pedoman Efisiensi untuk Industri di Asia [internet] www.energiefficiencyasia.org (2016 Feb 17). Utami Y. 2008. Desain dan uji unjuk kerja tungku briket biomassa [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Winaya INS, Ardhikayana I B, Tenaya IGNP. 2009. Fuel feeder tipe ulir untuk bahan bakar biomassa. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin CakraM. 3(2): 176-183. Yokoyama S. 2008. Buku Panduan Biomassa Asia. Tokyo (JP): Universitas Tokyo.

33

LAMPIRAN

Lampiran 1 Rancangan gambar teknik

34

35

36

37

38

39

40 Lampiran 2 Prosedur operasional tungku 1. Pemasangan komponen pendukung tungku yaitu motor listrik, inverter, gearbox, sabuk, blower. 2. Timbang tempurung kelapa sesuai laju pengumpanan bahan bakar yang diinginkan. 3. Atur kecepatan udara pada blower dengan anemometer. 4. Pasng termokopel pada tungku dan sambungkan ke module National Instruments agar langsung terekam pembacaan suhu yang terjadi pada proses pengujian. 5. Nyalakan National Instruments dan rekam suhu dari awal sebelum penyalaan. 6. Masukkan tempurung kelapa 1/3 dari jumlah laju bahan bakar ke dalam ruang bakar sebagai penyalaan awal. 7. Bakar serabut kelapa dan solar secukupnya sebagai api pertama di ruang bakar untuk membakar tempurung kelapa. 8. Setelah api membakar semua tempurung kelapa, tutup bukaan konveyor. 9. Jika api mulai menyebar dan menghasilkan flue gas, mulai masukkan bahan bakar sesuai dengan laju pengumpanan bahan bakar melalui hopper dan konveyor. 10. Bila telah selesai penggunaan tungku, maka matikan blower dan keluarkan arang dan abu dari ruang bakar melalui ash tray ke hoper abu.

41 Lampiran 3 Perhitungan rancangan 1. Laju bahan bakar Target Energi berguna (Qg) = 10 kW termal Target Efisiensi pembakaran (ŋcom) = 25 % Nilai kalor tempurung kelapa (NCV) = 19783.79 kJ/kg

Pemilihan laju bakar adalah 7.5 kg/jam. 2. Ruang bakar Massa jenis tempurung kelaapa = 404 kg/m3 Faktor koreksi (f) = 1.5 Kapasitas jam operasional (t) = 10 jam

3. Laju udara pembakaran kandungan Nomer massa jenis Kmol (%) atom (kg/kmol) C 0.4222 12 0.035183333 0.4222 H 0.0459 1 0.0459 0.0459 O 0.4154 16 0.0259625 0.4154 N 0.0009 14 6.42857E-05 0.0009 Total massa tempurung kelapa 0.8844 Kesetimbangan kimia pembakaran sempurna TKKS: Komponen

reaksi C 0.035183333 H 0.0459 O 0.025963+2a N 0.0000643+(3.76a) c 0.02295 a 0.033677 d 0.12669 Hasil reaksi menjadi

hasil b 2c 2b+c d

(0.035183C + 0.0459H + 0.025963O + 0.0000643N) + [0.033677(O2+3.76N2)] --> 0.035183CO2 + 0.02295H2O + 0.12669N2

Sehingga AFR (Air Fuel) stoikiometri yang dibutuhkan: ( ) Massa jenis udara = 28.97 kg/kmol (Cangel 2003)

42 ̅̅̅̅̅ (

)(

(

)

(

)

)

(

)

(

4. Isolasi Target efisiensi tungku (ŋstove) = 90% Berdasarkan literatur hyperphysics.phy-astr.gsu.edu Konduktivitas besi (Kbesi) = 79.5 W/m.K Konduktivitas rockwool (Krw) = 0.04 W/m.K Konveksi udara bebas (hb) = 5 W/m.K Konveksi udara paksa (hp) = 25 W/m.K

(

)

(

)

Maka insulasi rockwool yang digunakan adalah 2 inci yaitu 5.08 cm.

)

43 Lampiran 4 Temperatur hasil pengujian

Grafik temperatur pengujian A1B1


Grafik temperatur pengujian A2C1


44

Grafik temperatur pengujian A3D1



45 Lampiran 5 Grafik perbedaan suhu input dan output tungku





46





47 Lampiran 6 Perhitungan kinerja tungku Contoh perhitungan pengujian A2C2 Panas jenis udara = 1 kJ/kg Laju udara pembakaran (ṁ) ( ( (

)

( )

)

( ))

( (

)

( ))

Emisivitas bahan = 0.61 Konstanta boltzman = 5.67 x 10-8 W/m2.K4 Koefisien heat transfer = 25 W/m2.oC Suhu lingkungan = 35.4 oC Luasan dinding konveyor = 1.0645 m2 Suhu dinding konveyor = 120 oC ( (

) )

Luasan dinding hopper bahan bakar = 1.099 m2 Suhu dinding hopper bahan bakar = 50 oC (

)

Luasan ruang bakar = 1.855m2 Suhu dinding ruang bahan bakar = 307 oC ( (

) (

))

(

)

48

RIWAYAT HIDUP

Nurlela, lahir di Jakarta pada tanggal 23 Juli 1995 dari ayah Rosadi dan ibu Urpiah, sebagai anak ke tujuh dari delapan bersaudara. Penulis menamatkan sekolah menengah atas pada tahun 2012 di SMA Negeri 65 Jakarta, kemudian melanjutkan sekolah sarjana di Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor pada tahun 2012 melalui jalur SNMPTN undangan. Penulis mendapatan beasiswa Bidikmisi dari DIKTI selama tahun 2012 sampai 2016. Selama mengikuti perkuliahan penulis aktif dalam berbagai kegiatan organisasi diantaranya adalah menjadi asisten praktikum matakuliah Gambar Teknik di semester genap tahun 2015 dan 2016, asisten praktikum matakuliah Motor dan Tenaga Penggerak di semester ganjil tahun 2015, anggota divisi Campus Social Responsibility (CSR) pada Himpunan Mahasiswa Teknik (HIMATETA) di tahun 2014, anggota multimedia Engineering Desain Club (EDC) pada tahun 2015 dan menjadi sekertaris EDC pada tahun 2016. Penulis meraih prestasi bidang akademik pada ajang Program Kreatifitas Mahasiswa (PKM) di tahun 2014 dengan didanai 2 proposal bidang PKM-M “Wanita Membangun Desa” dan PKM-T “Otokerapung”, pada tahun 2016 PKM-T “Enceng TSG” lolos didanai dan masuk ajang Pekan Ilmiah Nasional (PIMNAS) 2016. Penulis melaksanakan praktik lapangan pada tahun 2015 di pabrik kelapa sawit Citra Borneo Indah, Desa Suayap, Pangkalan Bun, Kalimantan Tengah.

DESAIN DAN UJI KINERJA TUNGKU PEMBAKARAN TEMPURUNG KELAPA UNTUK COMBINED HEAT AND POWER NURLELA

Recommend Documents