i
DRAF PROPOSAL DISERTASI
UNJUK KERJA ELEMEN PEMBANGKIT BARA API TERHADAP PENINGKATAN EFISIENSI KOMPOR GAS LPG
PENGUSUL : Ir. SUDARNO, MT (NIDN. 0005076801)
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH PONOROGO MEI 2015
ii
DRAF PROPOSAL DISERTASI
Judul Penelitian
: Unjuk Kerja Elemen Pembangkit Bara Api Terhadap Peningkatan Efisiensi Kompor Gas LPG
Nama Rumpun Ilmu
: Teknik Mesin (dan Ilmu Permesinan Lain)
Pengusul a. Nama Lengkap
: Ir. Sudarno, MT
b. Nomor Pendaftaran
: 10354510411338371
c. NIDN
: 0005076801
d. Jabatan Fungsional
: Lektor Kepala
e. Program Studi
: Teknik Mesin
f. No. HP
: 085234657406
g. Alamat Surel (Email)
:
[email protected]
Ponorogo, 10 Mei 2015 Pengusul,
Ir. Sudarno, MT NIP.19680705 2005011 002
ii
iii
UNJUK KERJA ELEMEN PEMBANGKIT BARA API TERHADAP PENINGKATAN EFISIENSI KOMPOR GAS LPG Sudarno Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Ponorogo Alamat : Jl. Budi Utomo No. 10 Telp. (0352) 481124 Fax. (0352) 461796 Ponorogo – 63471, Email :
[email protected]
RINGKASAN
Kurang sempurnanya proses pembakaran pada kompor gas LPG, merupakan salah satu penyebab kurang optimalnya efisiensi pada kompor tersebut. Peningkatan efisiensi dengan cara optimalisasi pemanfaatan api masih berpeluang cukup tinggi, salah satunya adalah dengan menambahkan alat, yaitu elemen pembangkit bara api. Alat ini berupa anyaman kawat silver hight temperature yang disusun berlapis. Mengacu pada sifat logam, jika dibakar dia akan memijar membentuk bara api bertemperatur tinggi. Bara api yang dihasilkan akan mampu membakar lebih sempurna uap bahan bakar pada daerah sekitar kawat, sehingga akan mampu meningkatkan luas area api dewasa, dengan demikian ingin diketahui optimalisasi dari penggunaan elemen pembangkit bara api tersebut terhadap peningkatan efisiensi pada kompor gas LPG. Uji akan dilakukan di laboratorium Pembakaran Teknik Mesin Universitas Brawijaya Malang dengan menggunakan kompor gas LPG yang dilengkapi reflektor radiasi panas bersirip. Pengujian efisiensi akan dilakukan menurut Provisional Internasional Standard Testing Woodstove yaitu dengan metode air mendidih (boilling water method). Jumlah lapisan elemen pembangkit bara api divariasikan, 1 (satu) lapisan, 2 (dua) lapisan, 3 (tiga) lapisan dan 4 (empat) lapisan. Unjuk kerja dari penggunaan elemen pembangkit bara api tersebut akan dibandingkan dengan kompor gas LPG tanpa menggunakan elemen pembangkit bara api. Dalam penelitian ini akan diuji pula distribusi temperatur dan analisis laju perpindahan panas pada setiap perlakuan. Diharapkan dari penelitian ini dapat diketahui optimasi pemanfaatan elemen pembangkit bara api tersebut terhadap peningkatan efisiensi kompor gas LPG. Harapan lain hasil penelitian ini dapat ditindak lanjuti untuk pengajuan paten, karena berdasarkan kajian bahwa belum ada penelitian terkait dengan elemen pembangkit bara api untuk kompor gas LPG. Kata kunci: kompor gas LPG, elemen pembangkit bara api, efisiensi
iii
iv
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .........................................................................................
i
DRAF PROPOSAL DISERTASI ......................................................................
ii
RINGKASAN ....................................................................................................
iii
DAFTAR ISI.......................................................................................................
iv
BAB 1 PENDAHULUAN ..............................................................................
1
1.1 Latar Belakang ..............................................................................
1
1.2 Perumusan Masalah ......................................................................
2
1.3 Tujuan Penelitian ...........................................................................
3
1.4 Manfaat Penelitian .........................................................................
4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................
5
2.2 Beberapa Penelitian Sebelumnya ..............................................
5
2.2 Pembakaran dan Nyala (api) ..........................................................
7
2.3 Metode Analisis ............................................................................
8
2.3.1 Pengujian Efisiensi .............................................................
8
2.3.2 Pengujian Distribusi Temperatur........................................
12
2.3.3 Analisis Perpindahan Panas................................................
13
BAB 3 METODE PENELITIAN.......................................................................... 28 3.1 Model Penelitian ................................................................................ 28 3.2 Model Elemen Pembangkit Bara api.................................................. 30 3.3 Bahan dan Alat Uji ............................................................................ 32 3.4 Prosedur Pengujian ............................................................................ 32 3.4.1 Pengujian Daya Kompor ....................................................... 33 3.4.2 Pengujian konsumsi bahan bakar dan produksi uap ......... 33 3.4.3 Pengujian distribusi Temperatur............................................. 35 DAFTAR PUSTAKA
iv
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Akibat kenaikan harga Bahan Bakar Gas (BBG) pada awal tahun 2014, pemerintah semakin mendorong semua pihak, selain mengoptimalkan potensi energi alternatif bahan bakar non-migas, dituntut pula adanya upaya-upaya inovasi dalam rangka meningkatkan efisiensi terhadap pemakaian bahan bakar migas itu sendiri. Salah satu implementasinya adalah inovasi terhadap upaya peningkatan efisiensi pada kompor berbahan bakar gas, termasuk didalamnya adalah kompor gas LPG. Upaya ini dilakukan mengingat kompor gas LPG merupakan salah satu alat pemanas yang sudah memasyarakat, karena hampir seluruh masyarakat mulai kelas bawah sampai kelas atas memakainya. Kompor dengan sumber panas dari gas LPG ini telah menggantikan posisi kompor yang berbahan bakar minyak tanah. Hal ini terjadi sesuai dengan program pemerintah yang mengharuskan konversi dari bahan bakar minyak tanah ke gas. Realisasinya pemerintah membagikan secara gratis 1 set kompor gas LPG dan tabung gas berukuran 3 kg kepada seluruh Kepala Keluarga, sehingga secara praktis sebagian besar masyarakat Indonesia mulai kelas atas sampai kelas bawah menggunakan kompor gas LPG sebagai alat pemanas dalam rumah tangga. Dengan demikian penggunaan kompor gas LPG sudah merupakan suatu keharusan dan pilihan karena tidak mungkin lagi beralih ke kompor minyak tanah yang justru lebih mahal dan langka. Untuk itu semua pihak khususnya akademisi dituntut untuk berpikir kreatif menggali terobosan baru dalam pemanfaatan kompor gas LPG yang lebih efisien atau hemat bahan bakar. Mengacu pada SNI 7368-2007 bahwa efektivitas kompor ditentukan oleh beberapa hal, yaitu daya (power), efisiensi (efficiency) dan keselamatan (safety). Daya (power) kompor merupakan gambaran tingkat konsumsi bahan bakar kompor tersebut. Kompor dengan daya tinggi akan mempunyai konsumsi bahan bakar yang tinggi pula, sebaliknya kompor dengan daya rendah akan mempunyai
2
konsumsi bahan bakar yang rendah pula. Efisiensi (efficiency) kompor adalah perbandingan antara panas yang dibutuhkan untuk memasak suatu makanan dalam jumlah tertentu, dari suhu awal sampai masak dengan panas yang diberikan oleh bahan bakar yang digunakan selama memasak tersebut. Efisiensi kompor menunjukkan prosentase panas yang berguna pada kompor tersebut. Kompor yang memiliki efisiensi yang tinggi akan memiliki panas berguna yang tinggi dengan kehilangan panas yang rendah. Panas yang hilang ini merupakan kerugian, sehingga harus diupayakan sekecil mungkin. Keselamatan (safety), kompor hendaknya aman dipakai dan tidak menimbulkan bahaya kebakaran atau meledak.. Penelitian tentang upaya peningkatan efisiensi pada kompor minyak tanah maupun gas telah banyak dilakukan, baik dengan cara rekayasa konstruksi maupun upaya optimalisasi pemanfaatan api. Nampaknya upaya optimalisasi pemanfaatan api masih berpeluang cukup tinggi dalam peningkatan efisiensi, mengingat selama ini para peneliti sebagian besar berfokus pada rekayasa konstruksi. Upaya dimaksud adalah dengan menambahkan alat, yaitu elemen pembangkit bara api khususnya pada kompor gas LPG yang telah dilengkapi reflektor bersirip. Elemen pembangkit bara api adalah suatu model alat berupa tumpukan anyaman kawat silver hight temperature yang disusun secara berlapis atau bertingkat. Hal ini mengacu pada sifat logam yang jika dibakar, dia akan memijar membentuk bara api bertemperatur tinggi. Bara api yang dihasilkan akan mampu membakar lebih sempurna uap bahan bakar pada daerah sekitar kawat, sehingga akan mampu meningkatkan luas area temperatur tinggi (api dewasa). Diharapkan dengan sempurnanya proses pembakaran maka akan mampu meningkatkan efisiensi dari kompor gas LPG tersebut. 1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan uraian pada latar belakang diatas, dapat diidentifikasi permasalahannya yaitu berupa upaya untuk meningkatkan efisiensi pembakaran. Secara spesifik permasalahannya dapat dirumuskan sebagai berikut : a. Bagaimana pengaruh lapisan elemen pembangkit bara api terhadap peningkatan efisiensi kompor gas LPG yang dilengkapi reflektor bersirip?
3
b. Bagaimana pengaruh lapisan elemen pembangkit bara api terhadap distribusi temperatur api pada kompor gas LPG yang dilengkapi reflektor bersirip? c. Bagaimana pengaruh lapisan elemen pembangkit bara api terhadap laju perpindahan panas pada kompor gas LPG yang dilengkapi reflektor bersirip? Upaya yang akan dilakukan adalah melakukan pengujian daya kompor, pengujian konsumsi bahan bakar, pengujian produksi uap, dan distribusi temperatur. 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah: a. Mengetahui pengaruh lapisan elemen pembangkit bara api terhadap peningkatan efisiensi kompor gas LPG yang dilengkapi reflektor bersirip. b. Mengetahui pengaruh lapisan elemen pembangkit bara api terhadap distribusi temperatur api pada kompor gas LPG yang dilengkapi reflektor bersirip. c. Mengetahui pengaruh lapisan elemen pembangkit bara api terhadap laju perpindahan panas pada kompor gas LPG yang dilengkapi reflektor bersirip. Agar diperoleh hasil penelitian yang optimal maka masalahnya dibatasi dengan asumsi-asumsi sebagai berikut : a. Kompor yang digunakan tetap, yaitu kompor gas LPG dengan kualitas standart SNI 7368-2007; b. Tekanan dan suhu diruangan dianggap konstan; c. Handel laju arus gas diatur konstan; d. Temperatur mula air dijaga konstan; e. Laju nyala api biru maksimal yang tetap dan seragam; f. Bejana yang digunakan tetap; g. Volume air pada masing-masing pengujian tetap; h. Body api melingkar simetris; i. Pengujian dilakukan pada saat kompor pada kondisi steady state; j. Reflektor terbuat dari bahan Stainless Steel dengan tinggi 30 mm, 3 baris sirip dengan dimensi sirip lebar 20 mm dan tinggi 5 mm; k. Lapisan elemen pembangkit bara api divariasikan, yaitu 1 (satu) lapisan, 2 (dua) lapisan, 3 (tiga) lapisan dan 4 (empat) lapisan.
4
1.4 Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat, diantaranya : a. Penelitian ini merupakan penelitian terapan, sehingga
diharapan dapat
dimanfaatkan oleh masyarakat luas khususnya produsen/ industri kompor gas. b. Dapat dijadikan referensi untuk kepentingan riset dan pengembangan diversifikasi energi yang berkelanjutan. c. Membantu dalam usaha pengembangan kemajuan teknologi energi yang ekonomis dan ramah lingkungan.
5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Beberapa Penelitian Sebelumnya Tiga faktor penting yang perlu dipertimbangkan di dalam pemilihan kompor, yaitu keselamatan (safety), daya (power) dan efisiensi (efficiency) (Pallawagau La P; 1989). Peningkatan efisiensi pembakaran pada kompor dapat dilakukan melalui dua tahapan antara lain : Pra-pembakaran (before combustion), misalnya mengatur dan memperbaiki aliran bahan bakar, aliran udara atau memberi pre-heating pada udara sebelum bercampur dengan bahan bakar, hal ini dimaksudkan agar dapat memperoleh pembakaran yang efektif dengan suhu pembakaran yang tinggi; Pada saat pembakaran (in-combustion), misalnya dengan memberi penghalang angin agar tidak banyak terjadi konveksi panas ke udara luar, mengatur tinggi beban agar berada pada daerah distribusi temperatur maksimal (api dewasa) atau memberi reflektor radiasi panas. Cara lain yang ditawarkan adalah dengan menambahkan alat berupa elemen pembangkit bara api. Ide-ide dan upaya-upaya tersebut muncul karena di ilhami oleh hasil-hasil penelitian terdahulu yang terkait dengan perilaku flame, yaitu isothermal distribution dari daerah flame baik flamenya sendiri maupun daerah sekitarnya. Turns (1995), menyatakan bahwa energi panas api disebarkan kesekelilingnya dan akan membentuk dinding temperatur yang isothermal. Djoko Santoso (2001), yang meneliti tentang distribusi temperatur laminer flame. Diperoleh bahwa distribusi temperatur isothermal setelah dinding api (flame wall) masih cukup tinggi sampai pada jarak tertentu dari inti api. Didapatkan pula bahwa temperatur api tertinggi terjadi pada jarak tertentu dari keluaran api. Daerah ini disebut daerah pembakaran dewasa dimana semua bahan bakar yang ada habis terbakar dengan sempurna. Sementara juga ada daerah yang bertemperatur tinggi namun tidak setinggi api dewasa, daerah ini terjadi karena masih ada uap bahan bakar yang tersisakan dan baru dapat terbakar penuh diluar temperatur api tertinggi (dewasa). Oleh karena itu agar semua energi yang dimiliki oleh api dewasa dapat dimanfaatkan maka kita harus meletakkan beban secara tepat yaitu pada api dewasa.
6
Pramuda Agung S (2003), meneliti tentang pengaruh sudut reflektor panas terhadap efisiensi kompor sumbu standart (kompor sumbu 18 dan sumbu 24). Diperoleh bahwa sudut 22.5o memberikan efisiensi tertinggi baik untuk kompor sumbu 18 maupun sumbu 24. Sudarno (2005), meneliti tentang pengaruh baris sirip reflektor radiasi panas terhadap efisiensi kompor minyak tanah bersumbu. Dari penelitian yang dilakukan diperoleh bahwa dengan penggunaan reflektor bersirip efisiensi yang dihasilkan meningkat dibandingkan dengan pernggunaan reflektor tanpa sirip dan tanpa reflektor, besarnya kenaikkan tersebut dibandingkan dengan penggunaan reflektor tanpa sirip adalah untuk kompor sumbu 18 dengan kenaikkan sebesar 0.86 %, 1.53 % dan 2.36 %, sedangkan kompor sumbu 24 dengan kenaikkan sebesar 1.3 %, 4.18 % dan 4.61 % masing-masing untuk reflektor dengan satu baris sirip, dua baris sirip dan tiga baris sirip. Dari hasil uji distribusi temperatur terlihat pula bahwa ada daerah yang bertemperatur tinggi namun tidak setinggi api dewasa, daerah ini terjadi karena masih ada uap bahan bakar yang tersisakan dan baru dapat terbakar penuh diluar temperatur api tertinggi (dewasa). Mario Syahrial (2012) meneliti tentang pengaruh reflektor berlubang pada kompor biogas. Reflektor dengan diameter lubang yang berbeda-beda, yaitu 4 mm, 7 mm dan 10 mm. Dari masing-masing diameter tersebut memberikan kontribusi peningkatan efisiensi yang berbeda-beda pula. Hal ini dikarenakan besarnya lubang tersebut mempengaruhi jumlah udara yang dikonsumsi untuk proses pembakaran. Diperoleh peningkatan efisiensi dari 50,59 % kompor tanpa reflektor menjadi 51,02 % untuk reflektor berlubang dengan diameter 4mm, untuk 7mm sebesar 51,52 %, kenaikan yang signifikan terjadi pada refletor berlubang dengan diameter 10 mm sebesar 53,41 %. Model yang diangkat dalam penelitian ini adalah elemen pembangkit bara api dan dipasang pada reflektor bersirip. Alat ini berupa lapisan anyaman kawat silver hight temperature atau nikelin yang disusun secara bertingkat. Sesuai dengan sifat logam yang jika dibakar dia akan memijar membentuk bara api dan dengan bara api tersebut akan mampu membakar lebih sempurna uap bahan bakar pada daerah sekitar kawat sehingga akan mampu meningkatkan luas area temperatur
7
tinggi (api dewasa). Dengan sempurnanya proses pembakaran maka akan mampu mengoptimalkan efisiensi kompor gas LPG tersebut. 2.2 Pembakaran dan nyala (api). a. Pembakaran. R. Turns Stephen (1996) bahwa pembakaran merupakan oksidasi cepat yang menghasilkan panas, atau api dan panas secara bersama-sama, juga oksidasi perlahan yang disertai panas yang relatip kecil dan tanpa api. Definisi ini pada dasarnya menekankan pentingnya reaksi kimia yang terjadi pada proses pembakaran. Dimana pembakaran pada prinsipnya merupakan proses transformasi energi dalam ikatan kimia menjadi panas dengan berbagai macam cara, dengan kata lain pembakaran dapat menghasilkan api atau tanpa menghasilkan api. b. Nyala (api). Api (flame) menurut R. Turns Stephen (1996) didefinisikan sebagai rambatan secara terus-menerus pada daerah pembakaran dengan kecepatan subsonik. Pada definisi tersebut terdapat beberapa kata kunci. Pertama, diharapkan nyala terlokalisasi, yaitu nyala hanya mengambil tempat pada bagian kecil dari campuran yang dapat terbakar pada suatu waktu. Kedua, adanya gelombang pembakaran yang merambat pada kecepatan subsonik yang disebut sebagai deflagration. b.1 Karakteristik nyala (api). Profil
temperatur
yang
terdapat
pada
nyala
merupakan
karakteristik yang penting. Nyala hidrokarbon juga dikarakteristikkan oleh radiasinya yang tampak, dimana dengan adanya udara lebih daerah reaksi kelihatan biru. b.2
Klasifikasi nyala (api). Menurut cara percampuran dan reaksi (penyalaan) bahan bakar dan oxidizer, api dikategorikan menjadi : 1. Premixed Flame Bila reaktan tercampur sempurna pada tingkat molekul sebelum terjadinya reaksi kimia yang signifikan. Laju pengembangan
8
api (kecepatan pembakaran) tergantung dari komposisi kimia dan laju reaksi kimia. 2. Diffusion Flame (Non-premixed) Bila pada awalnya bahan bakar dengan oxidizer terpisah dan reaksi terjadi hanya hubungan antara bahan bakar dan oxidizer, di mana
percampuran
dan
reaksi
terjadi
secara
bersamaan.
Pengembangan diffusion flame diatur oleh kecepatan berdifusinya reaktan terhadap lainnya. Nyala juga dikategorikan menurut sifat-sifat mekanika fluidanya yaitu :
Api Laminer, jika alirannya juga laminer
Api turbulen, jika alirannya turbulen. Pada semua jenis pembakaran, campuran udara dan bahan bakar
merupakan faktor penting yang harus diperhatikan dalam rangka mendapatkan proses pembakaran yang sempurna dan pembakaran sempurna akan menghasilkan warna biru dan tanpa goyangan. 2.3
Metode Analisis 2.3.1 Pengujian Efisiensi a. Daya Kompor Daya suatu kompor berbanding langsung dengan konsumsi bahan bakar kompor tesebut. Kompor yang mempunyai daya yang besar, memiliki konsumsi bahan bakar yang tinggi dan sebaliknya kompor yang memiliki daya yang rendah konsumsi bahan bakarnya rendah pula. Tingkat daya ini akan menunjukkan kapasitas suatu kompor untuk mentransfer bahan bakar ke ruang bakar. Besarnya daya kompor dihitung dengan persamaan :
I
m
f
t
xE
(kW)…………………………………(2. 1)
(Sumber : Pallawagau La P (1989))
9
Dimana : I
= Daya kompor (kW)
mf = Konsumsi bahan bakar selama pengukuran (kg) E = Nilai kalor netto bahan bakar (kJ/ kg)
t = Waktu pengukuran (dt) b. Pemilihan Ukuran Bejana Untuk pengujian kompor menurut World Bank, Energy Department (1985), pemilihan ukuran bejana dilakukan menurut VEG Gas Institute di Negeri Belanda. Yang menjelaskan bahwa ukuran bejana
dipilih
berdasarkan
daya
maksimum
kompor,
dengan
perbandingan daya maksimum dan luas permukaan 7 W/m2. Hal ini dimaksudkan untuk menjamin umur bejana-bejana aluminium yang tipis agar tidak cepat rusak. Pada tabel dibawah ini diberikan ukuran bejana yang digunakan untuk tingkat daya tertentu, dimana bejana yang digunakan terbuat dari aluminium. Tabel 2.1 Diameter Bejana Untuk Tingkat Daya Tertentu Tingkat daya Maksimum (kW)
Diameter (cm)
0.981 – 1.325
20
1.325 – 1.741
22
1.741 – 2.235
24
2.235 – 2.816
26
2.816 – 3.489
28
3.489 – 4.262
30
(Sumber : Pallawagau La P (1989))
c. Volume Air Yang Digunakan Berdasarkan rekomendasi yang diberikan oleh Provisional International Standards for Testing Woodstove yang disetujui pada pertemuan di Arlington, Virginia (VITA ; 1982), jumlah air yang
10
digunakan untuk pengujian efisiensi metode air mendidih (Boilling water method) adalah 2/3 dari volume bejana. d. Efisiensi Kompor Efiensi kompor adalah perbandingan antara panas berguna, yang diperlukan untuk memasak sesuatu dalam jumlah tertentu dari suhu awal sampai masak dengan panas yang diberikan oleh bahan bakar, yang dipergunakan selama memasak tersebut. Makin tinggi panas yang hilang pada suhu kompor, makin rendah efisiensi kompor tersebut dan sebaliknya, makin sedikit panas yang hilang, makin tinggi efisiensi kompor tersebut. Cara yang paling efektif untuk pengujian efisiensi suatu kompor adalah dengan methode air mendidih (boilling water method). Pada pengujian ini air dipanaskan dari suhu awal (Ta) ke titik didih (Td), setelah air mendidih pemanasan dilanjutkan hingga mencapai total waktu satu jam (Ts). Cara ini dimaksudkan untuk mendekati penggunaan kompor dirumah tangga ketika digunakan untuk memasak makanan. Dimana makanan dimasak hingga airnya mendidih dan terus dipanaskan hingga makanan tersebut menjadi masak.
Suhu oC
100
Td
Ts
50 Ta
0
Q sensibel
Q laten
60
Waktu (menit)
Gambar 2.1 Perubahan suhu terhadap waktu selama pengujian
11
Tidak semua panas yang diberikan oleh bahan bakar digunakan untuk memanaskan air namun sebagian akan hilang (loss). Kehilangan panas tersebut meliputi : -
Kehilangan panas pada kompor (stove body loss) ke sekeliling.
-
Kehilangan panas pada permukaan bejana dan tutupnya.
-
Kehilangan panas pada aliran gas hasil pembakaran.
-
Kehilangan panas pada uap bahan bakar yang tidak terbakar.
-
Uap keluar dari bejana karena panas yang berlebihan. Qu
Qlos Qbb
Gambar 2.2 Laju energi panas pada kompor Dari beberapa losses yang ada, losses energi pada api merupakan losses yang cukup besar. Oleh karena itu perlu suatu upaya untuk mengembalikan panas yang hilang dari badan api tersebut ke beban menjadi energi berguna. Efisiensi kompor dapat dihitung dengan rumus :
ov ov ov
Qu m f x E
QSensibel QLaten m f x E
m
w
.C pw m b .C pb x T 2 T1 m u .H m f .E
(Sumber : Pallawagau La P (1989)
…….. (2. 2)
12
Dimana : ov = efisiensi overall (%). Qu
= panas berguna (kJ/ dt).
mw
= masa air (kg).
Cpw = panas spesifik air (kJ/ kg K). mb
= masa bejana (kg).
Cpb
= panas spesifik bejana (kJ/ kg K).
T1
= temperatur awal air (K).
T2
= temperatur air mendidih (K).
mu
= masa uap (kg).
mf
= masa bahan bakar terpakai (kg).
f m
= masa bahan bakar terpakai persatuan waktu (kg/dt).
E
= nilai kalor netto minyak tanah (kJ/ kg).
H
= panas laten air menguap (kJ/ kg).
2.3.2 Pengujian Distribusi temperatur a. Pengujian distribusi temperatur api tanpa beban, dengan reflektor tanpa elemen pembangkit bara api Sebagai data pendukung dalam penelitian ini akan diuji pula distribusi temperatur api dengan pemasangan reflektor bersirip, dalam hal ini tidak ada elemen pembangkit bara api dan beban saat pengujian. Dari pengujian ini diharapkan akan mendapatkan suatu gambaran contour distribusi temperatur isothermal dari api. Hasil yang didapat merupakan data awal, yang selanjutnya akan dibandingkan dengan contour distribusi temperatur isothermal api tanpa beban dengan reflektor dan dengan elemen pembangkit bara api. b. Pengujian distribusi temperatur api tanpa beban, dengan reflektor dengan elemen pembangkit bara api Pengujian ini dimaksudkan untuk mengetahui seberapa besar pengaruh pemasangan elemen pembangkit bara api terhadap contour
13
distribusi temperatur isothermal dari api. Hasil yang didapat akan dibandingkan dengan contour distribusi temperatur isothermal api tanpa beban dengan reflektor dan tanpa elemen pembangkit bara api. c. Pengujian distribusi temperatur api dengan beban, dengan reflektor tanpa elemen pembangkit bara api Pengujian distribusi temperatur pada bagian ini dimaksudkan untuk mendapatkan gambaran distribusi temperatur api isothermal dengan beban dengan reflektor tanpa elemen pembangkit bara api. Tujuan lainnya adalah mendapatkan temperatur rata-rata api yang akan digunakan untuk menganalisis laju perpindahan panas yang terjadi. Hasil yang didapat akan dibandingkan dengan contour distribusi temperatur isothermal api dengan beban dengan reflektor dan dengan elemen pembangkit bara api. d. Pengujian distribusi temperatur api dengan beban, dengan reflektor dengan elemen pembangkit bara api Pengukuran distribusi temperatur pada bagian ini dimaksudkan untuk mendapatkan gambaran pengaruh pemasangan elemen pembangkit bara api tersebut terhadap distribusi temperatur yang dihasilkan. Tujuan lainnya adalah mendapatkan temperatur dinding api yang akan digunakan untuk menganalisis pertukaran panas antar dinding api dengan lingkungannya. Hasil yang didapat juga akan dibandingkan dengan contour distribusi temperatur isothermal api dengan beban dengan reflektor tanpa elemen pembangkit bara api. 2.3.3 Analisa laju perpindahan panas Konstruksi kompor gas LPG yang diuji dilengkapi reflektor panas bersirip dengan 3 baris sirip, sedangkan analisis laju perpindahan panas akan dikomparasikan antara penambahan elemen pembangkit bara api dan tanpa elemen pembangkit bara api. Panas yang diterima beban sebelum dan setelah dipasang elemen pembangkit bara api, terdiri dari 2 proses perpindahan panas, yaitu perpindahan panas konveksi dan perpindahan panas radiasi. Untuk
14
perpindahan panas radiasi dapat dibagi menjadi 2 bagian, yaitu perpindahan panas radiasi dari api ke beban dan perpindahan panas radiasi dari reflektor radiasi panas ke beban. Yang membedakan adalah distribusi temperatur api sebelum dan setelah dipasang elemen pembangkit bara api. Hal ini karena dengan terbakarnya sisa uap bahan bakar yang belum terbakar pada api dewasa akan terbakar dengan penambahan elemen pembangkit bara api. Kedua laju proses perpindahan panas tersebut dapat diuraikan sebagai berikut: a. Laju perpindahan panas konveksi Laju perpindahan panas konveksi dari api ke beban dapat dijelaskan sebagai berikut:
Ts
T Gambar 2.3 Konveksi panas api ke bejana
Konveksi panas api ke bejana :
Nux
hx qconv"/T Ts x k k
………………….……….(2. 3)
(Sumber: Incropera Frank P. (1995) hal 537)
Untuk kasus laminer konveksi bebas dengan dinding isothermal, Nuselt Number dapat ditulis :
hx Grx Nu x k 4
1/ 4
g Pr
………………………(2. 4)
(Sumber: Incropera Frank P. (1995) hal 538)
15
Dimana :
g Pr adalah gradien temperatur pada permukaan yang merupakan fungsi Prandtl Number yang dirumuskan :
g Pr
0 .75 Pr
0 .609 1 .221 P
1/ 2
1/ 2
r
1 .238 Pr
1/ 4
...….…(2. 5)
(Sumber: Incropera Frank P. (1995) hal 538)
Grx adalah Grashof Number yang dirumuskan : g T Ts x 3 Grx v2
………………..……………….(2. 6)
(Sumber: Incropera Frank P. (1995) hal 539)
Dari persamaan diatas besarnya harga rata-rata koefisien konveksi pada permukaan dengan diameter (D) dapat ditulis sebagai berikut : D 1 k g T Ts h hdx D0 D 4v 2
1/ 4
D
g Pr 0
dx …....…(2. 7) x1 / 4
(Sumber: Incropera Frank P. (1995) hal 539)
Integrasi persamaan diatas diperoleh harga Nuselt Number rata-rata sebagai berikut : 1/ 4
h D 4 GrD NuD k 3 4
g Pr ……………… ….………(2. 8)
(Sumber: Incropera Frank P. (1995) hal 539)
Substitusi dari persamaan (2.4) untuk x = D diperoleh :
Nu D
4 NuD …………………………… ………..…….(2. 9) 3
qconv "
Nu D k (T Ts ) D
………………..……….(2. 10)
16
qconv "
3 N u D k (T Ts ) …....…………..…………..(2. 11) 4D
(Sumber: Incropera Frank P. (1995) hal 539) Dengan asumsi sifat-sifat gas udara dan dievaluasi pada T. qconv”= laju perpindahan panas konveksi per satuan luas (W/m2). h
= koefisien konveksi rata-rata (W/ m2 K).
v
= viskositas kinematik (m2/ dt).
k
= konduktivitas panas udara (W/ m K).
D
= diameter dasar bejana (m).
Pr
= bilangan Prandl.
N u D = nuselt number rata-rata. ReD = reynold number.
= koefisien ekspansi (K-1).
T = temperatur api rata-rata (K). Ts
= temperatur dasar bejana (K).
Untuk mendapatkan nilai propertis terkait berdasarkan temperatur api ditunjukkan pada Apendik D, Dry Air At Atmospheric Pressure (Bejan Adrian, 1993). b. Laju perpindahan panas radiasi dari api ke beban Besarnya laju perpindahan panas radiasi yang dilepaskan api ke beban dapat dihitung sebagai berikut:
qrad " (T4 Ts4 ) ……………………………….(2. 12) Dimana : qrad
= laju perpindahan panas radiasi persatuan luas (W/ m2).
= emisivitas api (black body).
Ts
= Temperatur dasar bejana (K).
T
= temperatur api rata-rata (K)
= konstanta Stefan-Boltzmann.
17
= 5.669 x 10-8 W/m2 K4. Karena api kompor gas LPG hanya berada pada panjang gelombang = 0.4 – 10 m sedangkan konstanta Stefan-Boltzmann = 5.669 x 10-8 W/m2 K4 berlaku untuk panjang gelombang = 0 - , maka perlu dicari nilai faktor koreksi untuk konstanta Stefan-Boltzmann tersebut. Untuk mendapatkan nilai faktor koreksi tersebut diatas maka digunakan asumsi-asumsi sebagai berikut : - Kondisi stedy-state. - Api sebagai benda hitam (black body) yang berdinding solid. -
Perpindahan panas
radiasi terjadi
pada
rentang
panjang
gelombang = 0.4 – 10 m. - Emisi radiasi terjadi secara difusi. -
Dinding api vertikal.
-
Perpindahan panas konveksi konstan.
Gambar 2. 4 Emisi dari elemen luas dA1 dalam bentuk hypotectical hemisherical
-
Besarnya spectral hemispherical emissive power E () atau spectral heat flux q” (), yaitu laju radiasi yang diemisikan pada panjang gelombang dari suatu permukaan per unit panjang gelombang d dan per unit luas permukaan, dirumuskan :
E ( )
2
0
/2
0
I ,b ( , , ) cos sin dd
(W/m2.m)....(2. 13)
18
I ,b = projected area.
(Sumber: Incropera Frank P. (1995) hal 703) -
Besarnya total hemispherical emissive power (E) atau total heat flux (qrad”) pada panjang gelombang = 0.4 – 10 sebagai berikut :
E
10
E ( )d
0 .4
(W/m2) …..……………....…………....…….....(2. 14)
Substitusi persamaan (2. 13) ke dalam persamaan (2. 14) diperoleh :
E
10
2
/2
0 .4
0
0
E
E
E
10
0 .4
2
/2
I ,b
I ,b
sin 2 2 2
10
0 .4
I ,b ( , , ) cos sin ddd (W/m2)....(2. 15)
10
0 .4
0
0
I ,b d
cos sin d d
d
d
/2 0
(W/m2) …….….……………...……...….(2. 16)
Karena I ,b = E,b maka persamaan (2. 16) dapat ditulis menjadi:
E
10
0,4
E Eb
E ,b d
10
E ,b
0 .4
Eb
……………..……………….....……………...(2. 17)
d ………………….…….……...………....(2. 18)
Dari persamaan (12. 31) (Incropera Frank P, 1995) bahwa : F ( 1 2 )
2
0
E ,b d
1
0
E ,b d
Eb
F ( 0 2 ) F ( 0 1 ) .........(2. 19)
(Sumber: Incropera Frank P. (1995) hal 703) Dengan demikian persamaan (2. 18) dapat ditulis : 10 E d 0 . 4 E d ,b 0 ,b E Eb 0 Eb
E E b F( 010 ) F( 0 0.4 )
atau
(W/m2)………………………….(2. 20)
19
Untuk mendapatkan nilai
F( 0 10 )
dan
F( 00.4 )
dicari pada tabel
12.1 (Incropera Frank P, 1995) dengan mengetahui terlebih dahulu nilai 1T dan 2T. Dimana : T
= Temperatur api rata-rata (K).
= Panjang gelombang (m) = 0.4 – 10 m.
Eb
= Daya emisi api sebagai black body (W/m2) = T4
= Konstanta Stefan-Boltzmann = 5.669 x 10-8 W/m2 K4 Setelah didapatkan nilai faktor koreksi konstanta Stefan-Boltzmann
tersebut, maka besarnya laju perpindahan panas radiasi yang dilepaskan api ke beban dapat dihitung sebagaimana yang ditunjukkan pada persamaan (2. 20), yaitu:
qrad " (F(010) F(00.4) )(T4 Ts4 ) .…….....……..….(2. 21) c. Laju perpindahan panas radiasi dari reflektor panas bersirip ke beban Sesuai dengan sifat panas radiasi, jika panas radiasi mengenai suatu benda maka ada tiga kemungkinan yang terjadi, yaitu panas radiasi tersebut akan di serap, dipantulkan dan/ atau akan ditransmisikan oleh benda tersebut. Dalam penelitian ini, reflektor yang berbentuk kerucut terpotong dengan diameter atas lebih besar dibandingkan diameter bawah dipasang diantara keluaran api dengan beban. Diameter reflektor lebih besar dari diameter dinding api, sehingga reflektor tidak tersentuh oleh api secara langsung. Reflektor dikondisikan mempunyai sifat reflektif yang baik, yaitu terbuat dari plat steinlesstell sehingga sebagian besar panas radiasi yang datang akan direfleksikan kembali ke beban menjadi energi berguna. Reflektor yang dipilih adalah reflektor dengan tiga baris sirip, sebagaimana tersebut dalam batasan masalah. Perpindahan panas antara api, beban (bejana) dan reflektor dapat diskematisasikan sebagai berikut:
20
Sebelum dimodifikasi
Selubung
Sarangan
Setelah modifikasi
Selubung luar
Reflektor Sarangan
Gambar 2.5 Pemasangan reflektor bersirip
Dari gambar diatas yang menjadi fokus penelitian terletak pada ruang yang dibatasi oleh dinding api bagian luar, dasar bejana bagian luar dan reflektor bagian dalam, secara detail bagian tersebut digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.6 Penyederhanaan penelitian
Dengan asumsi hanya memperhatikan proses perpindahan panas antar muka (mengabaikan panas yang hilang melalui celah).
21
Maka laju perpindahan panas radiasi yang dilepaskan api ke sekeliling (pertukaran panas radiasi antar api, bejana dan reflektor) dapat dijelaskan sebagai berikut : Untuk reflektor dengan tiga baris sirip dasar bejana 2. dinding api
3. 4. 5.
1.
6. 7.
.
reflektor
8.
9.
Gambar 2.7 Posisi api, bejana dan reflektor bersirip untuk tiga baris sirip
22
Dari gambar diatas dapat dibuat perisai radiasi sebagai berikut : Q1 Q9
Q2
Eb1=J1 R12
R19 Eb9
R29 R18
R89
R8
R14
R39
R28
R13
R69
Eb8
R25
R15
R16
R79
R23
R26
R59 J8
Eb2
J2
J9
Q8
R2
R9
R38
R27
R3
J3
Eb3
Q3
R24
R49
R17
R36
R34
R78 R58 R37
R48
R35
R68
J7
J4 R47
R7
R46
R57
Eb4
Eb7
Q7
R4
R45 R67 J6
J5 R56 R6 Eb6
Q6
R5 Eb5
Q5
Gambar 2.8 Jaringan radiasi thermal antar api, bejana dan reflektor bersirip untuk tiga baris sirip
Q4
23
Dari gambar diatas terdapat 9 titik akhir potensial Eb1, Eb2, Eb3, Eb4, Eb5, Eb6, Eb7, Eb8, Eb9 yang dapat diketahui, karena temperatur pada tiap–tiap permukaan dapat di ukur. Yang akan dicari adalah nilai-nilai dari radiositas J1, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8, J9. Karena api merupakan black body yang bersifat memancarkan seluruh energi radiasi yang dimilikinya maka J1
=
Eb1. Sehingga tinggal
delapan persamaan dengan delapan unknowns. Untuk menyelesaikannya dibuat suatu persamaan penjumlahan aljabar dari laju perpindahan panas radiasi pada setiap titik yang harus sama dengan nol. Maka digunakan persamaan :
Eb2 J2 J1 J2 J3 J2 J4 J2 J5 J2 J6 J2 J7 J2 J8 J2 J9 J2 0 ….(2.22) R2 R12 R23 R24 R25 R26 R27 R28 R29 =0
=0
=0
=0
=0
Eb3 J3 J1 J3 J 2 J3 J 4 J3 J5 J3 J6 J3 J7 J3 J8 J3 J9 J3 0 ...(2.23) R3 R13 R23 R34 R35 R36 R37 R38 R39 =0
=0
=0
=0
=0
Eb4 J4 J1 J4 J2 J4 J3 J4 J5 J4 J6 J4 J7 J4 J8 J4 J9 J4 0...(2.24) R4 R14 R24 R34 R45 R46 R47 R48 R49 =0
=0
=0
=0
=0
Eb5 J5 J1 J5 J2 J5 J3 J5 J4 J5 J6 J5 J7 J5 J8 J5 J9 J5 0...(2.25) R5 R15 R25 R35 R45 R56 R57 R58 R59 =0
=0
=0
=0
=0
Eb6 J6 J1 J6 J2 J6 J3 J6 J4 J6 J5 J6 J7 J6 J8 J6 J9 J6 0....(2.26) R6 R16 R26 R36 R46 R56 R67 R68 R69 =0
=0
=0
=0
=0
Eb7 J7 J1 J7 J2 J7 J3 J7 J4 J7 J5 J7 J6 J7 J8 J7 J9 J7 0 ..….(2.27) R7 R17 R27 R37 R47 R57 R67 R78 R79
24
=0
=0
=0
=0
=0
Eb8 J8 J1 J8 J2 J8 J3 J8 J4 J8 J5 J8 J6 J8 J7 J8 J9 J8 0 .......(2. 28) R8 R18 R28 R38 R48 R58 R68 R78 R89 =0
=0
=0
=0
=0
=0
Eb9 J9 J1 J9 J2 J9 J3 J9 J4 J9 J5 J9 J6 J9 J7 J9 J8 J9 0 ..….(2. 29) R9 R19 R29 R39 R49 R59 R69 R79 R89 Dimana : Eb
= Daya emisi benda hitam (W/m2)
J
= Radiositas, yaitu total radiasi yang meninggalkan permukaan persatuan luas (W/m2).
Ri
= Tahanan permukaan i (surface resistence i) (m-2).
Rij
= Tahanan antara (surface reistence) permukaan i dan j (m-2)
Daya emisi benda hitam pada setiap permukaan (Eb) : Eb1
= T14
Eb4
= T44
Eb7 = T74
Eb2
= T24
Eb5
= T54
Eb8 = T84
Eb3
= T34
Eb6
= T64
Eb9 = T94
Tahanan pada setiap permukaan (Ri) : R1
1 1 0 A11
R4
1 4 A4 4
R7
1 7 A7 7
R2
1 2 A2 2
R5
1 5 A5 5
R8
1 8 A8 8
R3
1 3 A3 3
R6
1 6 A6 6
R9
1 9 A9 9
Tahanan antar permukaan (Rij) : R12 R21
1 1 A1F12 A2 F21
R13 R31
1 1 A1 F13 A3 F31
R23 R32 R24 R42
1 1 A2 F23 A3 F32
1 1 A2 F24 A4 F42
25
R14 R41
1 1 A1 F14 A4 F41
R25 R52
1 1 A2 F25 A5 F52
R15 R51
1 1 A1 F15 A5 F51
R26 R62
1 1 A2 F26 A6 F62
R16 R61
1 1 A1 F16 A6 F61
R27 R72
1 1 A2 F27 A7 F72
R17 R71
1 1 A1 F17 A7 F71
R28 R82
R18 R81
1 1 A1 F18 A8 F81
R29 R92
R19 R91
1 1 A1 F19 A9 F91
R56 R65
R34 R43
1 1 A2 F28 A8 F82 1 1 A2 F29 A9 F92 1 1 A5 F56 A6 F65
1 1 A3 F34 A4 F43
Untuk mendapatkan nilai Fraksi radiasi (Fij) yaitu fraksi radiasi yang meninggalkan permukaan i menimpa permukaan j, digunakan metode Crossed-strings (Modest, M. F. (1993) hal 662): L2 L6
3.
1.
L3
L1 L5
L4
Gambar 2. 9 Metode crossed strings untuk fraksi radiasi
26
Fij = (crossed strings) - (uncrossed strings) 2 x (string on surface i)
F13
l5 l6 l2 l4 2l1
………………..………………………..(2. 30)
Kecuali untuk fraksi radiasi antar permukaan 1- 2 dan 3 – 4. Untuk fraksi radiasi pada permukaan tersebut digunakan persamaan pada tabel 13. 1 (Incropera Frank P, 1995). Substitusi Eb, Ri dan Rij yang telah diketahui kedalam persamaan (2. 22) sampai (2. 29) maka akan diperoleh nilai J. Setelah nilai J tersebut diperoleh selanjutnya dapat dicari nilai laju aliran panas radiasi pada masing-masing permukaan :
Q1
Q2
Eb2 J 2 ……………………………………….(2. 31) R2
Q3
Eb3 J 3 ……………………………………….(2. 32) R3
Q4
Eb4 J 4 ……………………………………….(2. 33) R4
Q5
Eb5 J 5 ……………………………………….(2. 34) R5
Q6
Eb6 J 6 ……………………………………….(2. 35) R6
Q7
Eb7 J 7 ……………………………………….(2. 36) R7
Q8
Eb8 J 8 ………………………………….…….(2. 37) R8
Q9
Eb9 J 9 ……………………………………….(2. 38) R9
J1 J 2 J1 J 3 J1 J 4 J1 J 5 J1 J 6 J1 J 7 J1 J 8 J1 J 9 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19
….(2. 39)
27
d. Total laju aliran panas ke beban Total laju aliran panas ke beban merupakan jumlah dari laju aliran panas konveksi dari api ke beban, laju aliran panas radiasi dari api ke beban dan laju aliran panas radiasi dari reflektor ke beban, yaitu (persamaan (2. 11) dan (2. 21) dan persamaan ( 2. 31).
Qtot = Qconv+ Qrad + Q2 Qtot
3 Nu D k (T Ts ) E J2 4 4 ….(2. 66) Ab ( F( 010 ) F( 00.4 ) )(T Ts ) b 2 Ab 4 D R2
28
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Model Penelitian Untuk mencapai tujuan maka digunakan model penelitian eksperimental yang dilaksanakan di laboratorium Pembakaran Fakultas Teknik Jurusan Mesin Universitas Muhammadiyah Ponorogo. Secara umum urutan penelitian dapat dilihat pada diagram alir dibawah ini :
29
START IDE PENELITIAN Meningkatkan efesiensi kompor gas LPG menggunakan lapisan elemen pembangkit bara api
Hasil Studi Literatur
Studi Literatur
Observasi
Survey tinggi beban optimal
Uji daya kompor
Survey penggunaan reflektor tanpa sirip
Uji efisiensi dengan variasi lapisan elemen pembangkit bara api
Survey penggunaan reflektor bersirip
Uji distribusi temperatur dengan variasi lapisan elemen pembangkit bara api
Data
Data Analisa data
Kesimpulan
END
Gambar 3.1 Flow chart urutan penelitian
30
3.2 Model Elemen Pembangkit Bara Api Elemen pembangkit bara api dibuat dari kawat Silver hight temperature dengan diameter 0.2 mm. Dipilihnya bahan Silver hight temperature tersebut dengan pertimbangan disamping harganya murah juga mampu menahan panas sampai 1200 oC, sehingga kawat Silver hight temperature ini tidak akan terdeformasi jika terkena panas api kompor gas LPG yang besarnya maksimum 900 oC. Sedangkan pemilihan bahan dengan diameter yang kecil yaitu 0.2 mm dimaksudkan agar tidak mengganggu aliran api pembakaran. Kawat tersebut di anyam pada sebuah pola berbentuk lingkaran, dengan diameter lingkaran mengikuti pola diameter reflektor. Pola anyaman kawat berbentuk segitiga-segitiga dengan ujung-ujungnya diikat pada sekeliling pola berbentuk lingkaran dan dianyam secara berurutan. Dengan model anyaman tersebut pada bagian tengah elemen pembangkit bara api terdapat lubang tanpa anyaman berbentuk lingkaran. Lapisan elemen pembangkit bara api divariasikan yaitu 1 lapisan, 2 lapisan, 3 lapisan dan 4 lapisan Kawat yang telah dianyam pada pola lingkaran dipasang pada reflektor bersirip, dengan model lapisan elemen pembangkit bara api ditunjukkan pada gambar dibawah ini. bejana
Dudukan bejana
Pemasangan elemen pembangkit bara api Api kompor luar
Reflektor bersirip
Gambar 3.2 Setting pemasangan elemen pembangkit bara api pada kompor gas LPG
31
Satu lapisan elemen
Dua lapisan elemen
Tiga lapisan elemen
Empat lapisan elemen
Gambar 3.3 Model lapisan elemen pembangkit bara api
32
3.3 Bahan dan Alat Uji. Bahan dan peralatan yang diperlukan dalam penelitian ini antara lain : a. Satu unit kompor gas LPG dengan kualitas standart SNI 7368-2007; b. Reflektor bersirip, yaitu dengan 3 baris sirip; c. Elemen pembangkit bara api, dengan 4 variasi lapisan; d. Kawat Silver hight temperature; e. Tabung gs LPG 3 kg; f. Bejana dengan diameter disesuaikan dengan daya kompor; g. Stopwatch h. Thermometer air; i. Timbangan digital; j. Thermometer digital; k. Thermocouple; l. Gelas ukur 3.4 Prosedur Pengujian. Penelitian ini dilakukan melalui tiga tahapan, yaitu pengujian daya kompor, pengujian efisiensi, dan pengujian distribusi temperatur. Pengujian efisiensi dilakukan dengan cara memvariasikan jumlah lapisan elemen pembangkit bara api, yaitu dengan jumlah lapisan 1 (satu) lapisan, 2 (dua) lapisan, 3 (tiga) lapisan dan 4 (empat) lapisan. Sebagai pembanding diuji pula efisiensi kompor tanpa menggunakan elemen pembangkit bara api. Pengujian distribusi temperatur api dilakukan dengan 4 (empat) tahapan, yaitu: a) Pengujian distribusi temperatur api tanpa beban, dengan reflektor tanpa elemen pembangkit bara api; b) Pengujian distribusi temperatur api tanpa beban, dengan reflektor dengan elemen pembangkit bara api; c) Pengujian distribusi temperatur api dengan beban, dengan reflektor tanpa elemen pembangkit bara api; d) Pengujian distribusi temperatur api dengan beban, dengan reflektor dengan elemen pembangkit bara api;
33
3.4.1 Pengujian daya kompor Pengujian ini dimaksudkan untuk mengetahui besarnya laju bahan bakar, dari laju bahan bakar dapat diketahui daya kompor, dan dari daya kompor akan dapat diketahui besarnya diameter bejana yang digunakan. Adapun prosedur pengujian sebagai berikut : 1. Menyiapkan kompor gas LPG beserta perangkatnya yang sesuai dengan SNI 7368-2007; 2. Menimbang dan mencatat berat Gas LPG sebelum digunakan; 3. Menyalakan dan menyetel kompor selama beberapa waktu hingga didapat
nyala
api
maksimal,pengujian
yang dimulai.
stabil.
Setelah
Bersamaan
nyalala
dengan
itu
api
biru
stopwatch
dijalankan. Untuk pengujian daya tidak ada bejana yang ditaruh diatas kompor dan pengujian dilakukan selama 1 jam; 4. Menimbang dan mencatat kembali pemakaian bahan bakar. Selisih antara berat awal dan berat setelah pemakaian
merupakan jumlah
konsumsi bahan bakar; 5. Dengan cara yang sama pengujian diulangi sebanyak 10 kali, rata-rata pemakaian bahan bakar yang didapat digunakan untuk menentukan daya kompor.
Tabel 3.1 Data Konsumsi Bahan Bakar Data ke
Waktu (menit)
Temperatur Ruang 0C
Massa Gas Terpakai (gram/jam)
Daya (kW)
1. 2 ... 10.
3.4.2 Pengujian konsumsi bahan bakar dan produksi uap Data yang diperoleh dari pengujian konsumsi bahan bakar dan produksi uap akan dipergunakan untuk menghitung besarnya efisiensi kompor. Pengujian efisiensi dilakukan dengan cara mengkomparasikan antara tanpa menggunakan elemen pembangkit bara api dan dengan
34
menggunakan elemen pembangkit bara api. Lapisan elemen pembangkit bara api di variasikan, yaitu 1 (satu) lapisan, 2 (dua) lapisan, 3 (tiga) lapisan, dan 4 (empat) lapisan. Pengujian untuk menentukan efisiensi kompor dilakukan dengan metode air mendidih (boilling water method). Adapun prosedur pengujian konsumsi bahan bakar dan produksi uap sebagai berikut: 1.
Menyiapkan kompor gas LPG beserta perangkatnya yang sesuai dengan SNI 7368-2007;
2.
Menimbang Gas LPG sebelum digunakan;
3.
Menimbang bejana, dengan diameter disesuaikan dengan daya kompor;
4.
Bejana diisi air 2/3 volume bejana, ditimbang beserta tutup dan 1 thermometer;
5.
Mencatat temperatur awal air dan ruangan;
6.
Menyalakan dan menyetel kompor selama beberapa waktu hingga didapat nyala api yang stabil;
7.
Bejana diletakkan diatas kompor dan bersamaan dengan itu stopwatch dijalankan;
8.
Mencatat temperatur air dan ruang setiap 5 menit, sampai air mulai mendidih;
9.
Pemanasan dilanjutkan sampai total waktu selama 60 menit, dimulai sejak bejana diletakkan diatas kompor;
10. Setelah 60 menit kompor dimatikan, masa bahan bakar dan masa uap yang hilang diukur. Proses pengukuran dilakukan dengan cara menimbang, yaitu selisih antara berat awal dan berat setelah perlakuan; 11. Dengan cara yang sama pengujian diulangi sebanyak 10 kali, rata-rata pemakaian bahan bakar dan produksi uap yang diperoleh digunakan untuk menentukan efisiensi kompor.
35
Tabel : 3 .2 Data pengujian dengan metode air mendidih Tanggal uji
… Percobaan 1 Waktu (menit) 5 10 … 60
TA (oC)
… … TR (oC)
Waktu (menit) 5 10 … 60
TA (oC)
… Percobaan 5 TR (oC)
Waktu (menit) 5 10 … 60
TA (oC)
Masa uap (gr) Masa Gas terpakai (gr) Efisiensi
Keterangan : TA = temperatur air (oC) TR = Temperatur ruang (oC) 3.4.3 Pengujian distribusi temperatur api Pengujian ini dimaksudkan untuk mendapatkan gambaran contour distribusi temperatur isothermal dari api. Melalui visualisasi contour distribusi temperatur isothermal tersbut akan diperoleh kesimpulan yang lebih kuat tentang pengaruh penggunaan elemen pembangkit bara api terhadap peningkatan efisiensi pada kompor gas LPG. Pengujian distribusi temperatur api dilakukan dengan 4 (empat) tahapan, yaitu: a) Pengujian distribusi temperatur api tanpa beban, dengan reflektor tanpa elemen pembangkit bara api; b) Pengujian distribusi temperatur api tanpa beban, dengan reflektor dengan elemen pembangkit bara api; c) Pengujian distribusi temperatur api dengan beban, dengan reflektor tanpa elemen pembangkit bara api; d) Pengujian distribusi temperatur api dengan beban, dengan reflektor dengan elemen pembangkit bara api; Proses pengolahan data akan dilakukan dengan menggunakan program matlab. Adapun prosedur pengujian distribusi temperatur dapat dijelaskan sebagai berikut : a. Pengujian distribusi temperatur tanpa beban : Sebagai data awal dalam penelitian ini akan diukur distribusi temperatur api tanpa beban dengan reflektor, baik tanpa elemen
TR (oC)
36
pembangkit bara api dan dengan elemen pembangkit bara api . Dari pengukuran ini diharapkan akan mendapatkan suatu gambaran contour distribusi temperatur isothermal, sehingga dapat diketahui pengaruh pemasangan elemen pembangkit bara api tersebut terhadap distribusi temperatur api yang dihasilkan. Pengujian distribusi temperatur isothermal ini, dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut: 1. Mempersiapkan
alat,
meliputi
kompor,
reflektor,
pembangkit bara api, thermometer, thermocouple,
elemen
alat ukur,
stopwatch dan peralatan pendukung lainnya; 2. Masing-masing alat ukur tersebut diseting sesuai dengan alur penelitian dan dilakukan pengecekan ulang fungsi masing-masing alat tersebut; 3. Letak thermocouple diatur mulai dari garis tengah kompor sampai diameter luar api dengan jarak 6 cm. Jarak pengukuran 5 mm sehingga dalam satu garis horisontal terdapat 13 titik pengukuran. Posisi thermocouple ditunjukkan pada gambar dibawah ini: Gerak thermokopel keatas dengan interval 10 mm
Titik 2 posisi Pengukuran 12 thermokopel
y
dengan interval 5 mm
x
Gambar 3.4 Seting pengujian distribusi temperatur api tanpa beban
4. Setelah posisi thermocouple di seting sesuai dengan gambar diatas kemudian digeser dengan maksud agar tidak tersentuh panas api kompor. Berikutnya kompor dinyalakan hingga tercapai kondisi
37
steady (2-3 menit), setelah kondisi steady state tercapai kemudian pengukuran dimulai dengan seting thermocouple seperti gambar diatas. 5. Pengambilan data dimulai dengan mengatur waktu pencatatan data pada thermometer digital, untuk setiap posisi (terdiri atas 2 channel thermocouple) dengan interval waktu pengambilan data 5 detik. Masing-masing titik dibaca 10 kali. 6. Pengambilan data berikutnya dilakukan masing-masing dengan menggeser setting thermocouple 10 mm keatas hingga diperoleh data berjumlah 26 posisi, dengan demikian jumlah total titik yang diukur 26 x 13 = 338 titik. 7. Sebagai upaya antisipasi ketidak-simetrisan bentuk api maka pengambilan data pada point 6 dengan cara yang sama diulang pada tempat yang berbeda. 8. Data yang didapat kemudian digunakan untuk mendapatkan gambar distribusi temperatur api (dengan menggunakan program matlab).
Tabel : 3. 3 Distribusi temperatur tanpa beban Temperatur pada tiap Thermocouple (oC)
Y (cm) 0 1 2 3 4 5 … … … 25 26
1
2
3
.
.
12
13
38
b. Pengujian distribusi temperatur dengan beban : 1. Mempersiapkan
alat,
meliputi
kompor,
reflektor,
elemen
pembangkit bara api, bejana, thermometer, thermocouple, alat ukur, stopwatch dan peralatan pendukung lainnya; 2. Masing-masing alat ukur tersebut diseting sesuai dengan alur penelitian dan dilakukan pengecekan ulang fungsi masing-masing alat tersebut; 3. Letak thermocouple diatur mulai dari garis tengah kompor, yaitu dengan menggeser setting thermocouple 5 mm kekanan hingga diperoleh data pada satu tempat berjumlah 7 x 25 titik (12 cm) = 175 titik. Posisi dan arah gerak thermocouple ditunjukkan pada gambar dibawah ini : bejana
5 mm
1 2 3 4 5
Posisi thermocouple 2
arah gerak thermocouple dengan interval 5 mm
kompor
Gambar 3.5 Seting pengujian distribusi temperatur api dengan beban
4. Setelah posisi thermocouple di setting sesuai dengan gambar diatas kemudian digeser dengan maksud agar tidak tersentuh panas api kompor. Berikutnya kompor dinyalakan, setelah kondisi steady state tercapai kemudian pengukuran dimulai dengan setting thermocouple seperti gambar diatas. 5. Pengambilan data dimulai dengan mengatur waktu pencatatan data pada alat, untuk setiap posisi (terdiri atas 5 channel thermocouple) dengan
39
interval waktu pengambilan data 5 detik. Masing-masing titik dibaca 10 kali. 6.
Pengambilan data berikutnya dilakukan masing-masing dengan menggeser setting thermocouple 5 mm kekanan hingga diperoleh data berjumlah 5 x 25 titik (12 cm) = 125 titik.
7. Data yang didapat kemudian digunakan untuk mendapatkan contour distribusi temperatur isothermal dari api (dengan menggunakan program matlab). Tabel : 3. 4 Distribusi temperatur dengan beban Temperatur pada tiap Thermocouple (oC)
X (cm) 1 0 0,5 1 1,5 2 … … 12,5 13
2
3
4
..
....
9
10
40
DAFTAR PUSTAKA
Adrian Bejan [1993], Heat Transfer, John Wiley & Son, Inc, New York. Holman J. P. [1986], Perpindahan Kalor, Edisi ke enam, Penerbit Erlangga, Jakarta. Incropera Frank P. [1995], Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Wiley, New York. Modest, M. F. [1993], Radiative Heat Transfer, Mc Graw-Hill Co. Singapore. Marrio Syahrial [2012], "Unjuk Kerja Kompor Berbahan bakar Biogas Efisiensi Tinggi Dengan Penambahan Reflektor", Tugas akhir, Teknik Mesin ITS Surabaya. Nieuwnehout frans D. J [1988], "Selecting The Pan Size for Different Stoves in Urban Household", Energy Strategy Study stove, Jakarta. Pallawagau La P [1989], "Pengujian Daya dan Efisiensi Kompor Minyak Tanah Bersumbu", Journal LEMIGAS. Pramuda Agung S [2003], "Pengaruh Sudut Reflektor Panas Terhdap Efisiensi Kompor Sumbu Standart", Thesis, Teknik Mesin ITS Surabaya. R. Turns Stephen [1996], An Introduction To Combustion, Concepts And Aplication, Mc. Graw-Hill. Sudarno [2005], "Peningkatan efisiensi kompor minyak tanah bersumbu dengan menggunakan reflektor radiasi panas bersirip ", Jurnal Pengembangan dan Penerapan Teknologi (PPT) DP3M Ditjen Dikti DEPDIKNAS, Volume III, No. 4, Juli 2005, ISSN 0854-5766. World Bank, Energy Departement [1985], "Test Result on Kerosene and Others Stoves for Developping Countries", Washington. www.google.com/LHVbiogas.seacrh.
41
