III.
METODE PENELITIAN
A. TAHAPAN PENELITIAN Pada penelitian kali ini akan dilakukan perancangan dengan sistem tetap (batch) . Kemudian akan dialukan perancangan fungsional dan struktural sebelum dibuat prototipenya. Bagan alirnya sebagai berikut: Penentuan parameter perancangan
Perancangan fungsional dan struktural
Pembuatan Alat
Penentuan parameter pengujian Pengujian unjuk kerja alat
Analisa hasil unjuk kerja dan rekomendasi
Selesai Gambar 6. Bagan Alir Penelitian B. PERANCANGAN ALAT PEMBAKAR SAMPAH (INCINERATOR) Alat pembakar sampah ini harus mampu membakar secara sempurna dan habis sampah yang masuk ke dalam alat pembakar sampah. Pembakaran secara sempurna berkaitan dengan jumlah oksigen yang masuk ke dalam ruang pembakaran serta ketepatan dalam melakukan pembakaran pertama. Perancangan alat pembakar sampah diawali dengan menentukan parameter-parameter perancangan. Parameter yang harus diketahui yaitu volume ruang pembakaran, jumlah udara yang dibutuhkan dalam pembakaran, jenis sampah yang akan di bakar, serrta jumlah sampah yang akan dibakar. Prinsip kerja alat pembakar sampah ini adalah dengan menempatkan sampah pada ruang pembakaran, kemudian pembakaran awal dimulai dengan menyulut api pada potongan sampah yang mudah terbakar dan menempatkan pada kasa penyulut api. Hal tersebut dilakukan agar pembakaran merata. Kebutuhan udara selama pembakaran akan dipenuhi dengan masuknya udara melalui lubang udara yang telah disesuaikan dengan kebutuhan udara. Diharapkan pembakaran yang terjadi secara sempurna. B.1. PENDEKATAN RANCANGAN Instalasi alat pembakar sampah (incinerator) yang dirancang merupakan salah satu sistem pengelolaan sampah perkotaan terutama di parkantoran dalam hal ini dikhususkan pada Fateta IPB. Sampah perkantoran berupa sampah padat yang terdiri dari, kertas, daun kering, kayu, sisa makanan, plastik dan lain-lain. Proses
11
pembakaran yang diharapkan merupakan proses pembakaran sempurna dan pembakaran habis. Alat yang dirancang diharapkan mempunyai banyak keuntungan yaitu, konstruksinya sederhana sehingga tidak terlalu sulit dalam membuatnya. Bahan konstruksinya mudah didapat sehingga penggantian komponen yang rusak atau aus lebih mudah dilakukan. Bentuk dan ukuran tidak memerlukan ruangan yang besar. Biaya relatif ringan dan meminimalisir dampak terhadap lingkungan. Pembakaran yang berlangsung dalam alat pembakar sampah (incinerator) menghasilkan panas yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif. Untuk memanfaatkan panas tersebut maka dirancang alat penukar panas. Sistem ini dimanfaatkan untuk memanaskan air yang dialirkan melalui pipa. Sistem penukar panas yang terjadi adalah konduksi pada permukaan pipa dan konveksi paksa yang terjadi di aliran air dalam pipa. B.2. RANCANGAN FUNGSIONAL Alat pembakar sampah (icinerator) yang akan dirancang adalah alat pembakar sampah tipe batch. Dalam merancang incinerator hal-hal yang perlu dipertimbangkan adalah jumlah udara yang diperlukan dalam pembakaran, sistem pembakaran awal, jumlah sampah yang akan dibakar, serta bagaimana pengelolaan asap yang dihasilkan oleh pembakaran agar tidak mencemari lingkungan. Pada prinsipnya model alat pembakar sampah yang dirancang dapat dibagi menjadi 6 bagian yaitu, ruang pembakaran, kasa penyulut api, cerobong asap, lubang udara, sistem penukar panas, ruang pengendapan zat padat dan selang air masuk serta selang air keluar. No 1
2 3
4
5
6
Tabel 2. Rancangan Fungsional Alat Pembakar Sampah Nama Bagian Fungsi Ruang Pembakaran Tempat terjadinya pembakaran yang dilengkapi dengan sistem pemasukan dan pengeluaran hasil pembakaran. Pemasukan melalui bagian atas pembakaran dan pengeluaran melalaui bagian bawah ruang pembakaran Kasa Penyulut Api Tempat penyulutan api pertama agar terjadi pembakaran sempurna Cerobong Asap Tempat pengeluaran asap selama proses pembakaran berlangsung. Dirancang terpisah dari ruang pembakaran agar tidak mengganggu pemasukan sampah dan bahan padat yang terbawa asap dapat diendapkan terlebih dahulu Lubang Udara Sebagai tempat masuknya udara yang dibutuhkan dalam pembakaran. Lubang udara terletak di bagian bawah ruang pembakaran dan terletak di dinding ruang pembakaran. Sistem Penukar Sistem pemanfaatan energi panas yang dihasilkan. Panas Dalam desain ini menggunakan pipa yang dapat menerima panas melalui konduksi dan meneruskan ke aliran air dalam pipa melalui konveksi paksa. Ruang Pengendapan Ruang pengendapan zat padat asap ini berfungsi untuk Zat Padat Asap membuat asap mengalami siklonisasi sehingga zat-zat padat asap mengalami pengendapan di ruang ini. Ruangan ini juga dilengkapi dengan pinti masukan dan pintu keluaran yang dapat digunakan untuk memanfaatkan panas yang ada pada ruangan ini.
12
B.3. RANCANGAN STRUKTURAL Pembakar sampah (incinerator yang akan dirancang memiliki 6 bagian yaitu, ruang pembakaran, kasa penyulut api, cerobong asap, lubang udara, sistem penukar panas, dan ruang pengendapan zat padat. B.3.1. Ruang Pembakaran Sampah yang dihasilkan oleh Rukun Tetangga dalamperumahan perkotaan selama sehari sejumlah 239 liter. Dengan asumsi setiap kapita menghasilkan sampah sebesar 2.39 liter/ hari dan terdapat 20 rumah dalam satu RT dimana masing-masing rumah terdapat 4-5 orang, maka volume ruang pembakaran yang dibutuhkan sebesar:
Dari hasil tersebut maka ukuran ruang pembakaran adalah 70 x 70 x 60 cm. Dinding ruang pembakaran tersebut dibuat dengan menggunakan plat esier dengan ketebalan 2 mm agar ketika ruang pembakaran tersebut dipenuhi oleh sampah bentuk ruang pembakaran tidak mengalami perubahan. Sedangkan bagian lantai diunakan plat esier dengan ketebalan 5 cm agar tidak mudah terkikis selama proses pembakaran. B.3.2. Kasa Penyulut Api Kasa penyulut api ini digunakan sebagai tempat peyulutan api pertama sehingga diharapkan pembakaran dapat terjadi dengan sempurna. Kasa penyulut api berdiameter 100 mm dan tinggi 500 mm. Hal tersebut diharapkan dapat menyebabkan pembakaran sempurna yang merata di setiap bagian dari ruang pembakaran. Kasa yang digunakan adalah kasa baja agar tidak mudah rusak pada suhu tinggi selama pembakaran. Kasa pembakaran ini berbentuk tabung dan diletakkan di tengah-tengah ruang pembakaran aga pembakaran awal yang terjadi merata sehingga menyebabkan pembakaran selanjutnya dapat menyebar ke segala arah. . B.33. Cerobong Asap Cerobong asap sebagai tempat pengeluaran asap ini terpisah dari bagian ruang pembakaran. Selain itu juga terdapat sekat pemisah antara bagian ruang pembakaran dan cerobong asap hal tersebut dimaksudkan agar terjadi pengendapan materialmaterial berat yang terkandung dalam asap. Cerobong asap ini dirancang dengan diameter 150 mm dan tinggi 1800 mm. Cerobong asap dibuat dengan menggunakan plat seng dengan ketebalan 1.5 mm. Hal tersebut dilakukan agar asap yang keluar tidak mengganggu lingkungan sekitar. B.3.4. Lubang Udara Lubang udara sebagai tempat masuknya oksigen yang dibutuhkan selama pembakaran memiliki peran sentral untuk menghasilkan pembakaran yang sempurna. Lubang udara ini dapat didekati dengan kebutuhan udara selama pembakaran yang dihitung dengan jumlah C sebesar 15-30% dan H sebesar 2-5 % (Pichtel, 2005) )
(( ((
)
(
(
)) ))
⁄
13
Laju pembakaran (Bbt) dapat dihitung melalui perbandingan bobot bakar yang akan dibakar (m) dengan waktu pembakaran (t). Diasumsikan massa jenis sampah sebesar 100kg/m3, Maka bobot sampah akan bernilai 25 kg kg/jam Debit udara yang yang dibutuhkan untuk pembakaran dapat dihitung dengan mengalikan jumlah kebutuhan udara minimum dengan laju pembakaran.
⁄ ⁄ Menurut Abdullah et al. (1998) debit udara pada proses perancangan untuk pembakaran perlu ditambahkan kelebihan udara sebesar 40% dari total debit udara yang dibutuhkan secara teoritis. ( ) ( ) ⁄ Dengan perhitungan pada Lampiran 6. kecepatan udara sebesar 1.105 m/detik maka dibutuhkan luasan lubang sebesar:
Lubang udara didesain dengan satu jenis lubang dengan diameter lubang sebesar 0.02 m maka dalam incinerator yang akan di desain memiliki lubang sebanyak 21 buah. Lubang terletak di bagian bawah dan dinding ruang pembakaran. Jumlah lubang yang berada di bawah ruang pembakaran sebanyak 9 buah dan terdapat 4 buah lubang di dinding depan dan 6 buah di masing-masing dinding samping. Lubang udara tersebut diletakkan di berbagai sisi dikarenakan agar udara yang mengandung oksigen dapat masuk dari segala arah sehingga menyebabkan pembakaran yang merata dan sempurna. B.3.5 SISTEM PINDAH PANAS Pada rancangan alat pembakar sampah (incinerator) sistem pindah panas digunakan konveksi dan radiasi. Sistem pindah panas yang digunakan tanpa melalui fluida lain atau secara langsung. Pada rancangan kali ini digunakan untuk debit aliran sebesar 5 liter/ menit. Dengan kecepatan air dalam pipa sebesar 0.658 m/detik dengan diameter pipa sebesar 1.27 cm. Dengan suhu pemanasan pipa sebesar 100 oC, suhu air awal sebesar 27oC dan suhu air hasil pemanasan yang diinginkan sebesar 40oC maka dalam mendesain panjang pipa didekati dengan: 1. Suhu rata-rata (
)
(
)
2.
Bilangan Reynold Melalui nilai suhu rata-rata, ddapatkan nilai v = 0.43385 X 10-6 m2/detik dan nilai Pr adalah 2.6865 (Heldman dan Singh, 2009), bilangan Reynold dapat diketahui dengan:
3.
Nilai Stanton Nilai Stanton dapat dicari dengan persamaan berikut: (
)
14
4.
Panjang Pipa Panjang pipa dapat didekati dengan persamaan berikut: ( (
)
(
)
)
(
)
Pipa penukar panas ini diletakkan pada dinding ruang pembakaran agar pipa-pipa tersebut tidak mengganggu dalam proses pemasukan sampah. Selain itu, pipa-pipa tersebut juga dapat digunakan sebagai pelapis dinding agar panas tidak keluar ke lingkungan. B.3.6. RUANG PENGENDAPAN ZAT PADAT ASAP Ruang pengendapan zat padat didesain dengan ukuran 70 X 20X70. Ruang pengendapan zat padat asap ini dilengkapi dengan lubang pemasukan asap, cerobong yang masuk ke dalam ruang pengendapan zat padat asap, serta pintu masukan dan pintu pengeluaran bahan untuk memanfaatkan panas yang ada. Cerobong asap masuk ke dalam ruang pengendapan zat padat asap diharapkan dapat membuat cyclone pada asap sehingga zat padat asap tidak menuju cerobong namun mengendap pada ruangan ini. C. UJI UNJUK KERJA ALAT PEMBAKAR SAMPAH (INCINERATOR) Pengujian unjuk kerja alat pembakar sampah (incinerator) meliputi penentuan parameter unjuk kerja alat dan pengujian alat. 1.
Penentuan Parameter Unjuk Kerja Alat Pembakar Sampah (incinerator) Parameter-parameter unjuk kerja alat pembakar sampah yang diukur dalam unjuk kerja alat berdasarkan analisa unjuk kerja alat. Analisa unjuk kerja alat terdiri dari penyebaran suhu, laju pembakaran, kualitas asap hasil pembakaran, suhu air hasil pemanasan. a.
Penyebaran Suhu Hasil dari pengukuran penyebaran suhu ini akan menunjukkan proses pembakaran yang terjadi berlangsung merata atau tidak. Parameter yang diukur meliputi suhu ruang pembakaran suhu pipa sistem pindah panas, suhu dinding alat, suhu cerobong, suhu air masuk dan suhu air keluar.
b.
Laju Pembakaran Parameter yang diukur dalam analisa laju pembakaran adalah bobot sampah sebagai bahan bakar dan lama pembakaran. Laju pembakaran tersebut dihitung dengan membandingkan bobot sampah (m) yang dibakar dengan waktu pembakaran (t). (
c.
)
(
)
Kualitas Asap Hasil Pembakaran Proses pembakaran berlangsung dengan baik atau mendekati sempurna ketika keberadaan asap dapat diminimalisir. Selain itu jika terdapat asap, asap tersebut menimbulkan dampak negatif yang relatif kecil. Kualitas asap pembakaran dapat dilihat dari warna asap, bau asap, dan kadar zat yang dibawa terbang . penentuan kualitas asap akan dilakukan dengan melakukan pengamatan pada proses pembakaran. Parameter yang yang diuji menurut Susanto (2001) adalah warna asap,
15
bau asap, kadar zat terbang, serta gangguan yang ditimbulkan oleh asap yang dihasilkan dari pembakaran. d.
Suhu Air Hasil Pemanasan Suhu air hasil pemanasan digunakan untuk mengetahui effisiensi dari pinah panas yang dihasilkan pada prosess pembakaran. Parameter yang diukur adalah suhu air ketika masuk, suhu air setelah pemanasan dan suhu pipasistem pidah panas. Parameter tersebut diukur dengan menggunakan termokopel dan recorder.
2.
Pengujian Alat Pengujian ini dilakuakan dengan melakukan proses pembakaran pada incinerator. Proses pembakaran dilakukan percobaan sebanyak 6 kali. Data yang dicantumkan merupakan 4 data terbaik. Umpan yang digunakan berupa sampah perumahan berupa sampah kertas, plastik dan daun-daun kering. Air yang digunakan barupa air sumur dengan debit 3 l/menit. a.
Metoda Pengambilan Data Pengambilan data dilakukan dengan menempatkan alat pengukur suhu (termokopel) pada 8 titik pengukuran yaitu di ruang pembakaran, pipa penukar panas, dinding ruang pembakaran, ruang pengendapan zat padat asap, selang air masuk, selang air keluar, cerobong asap dan lingkungan. Hal tersebut dilakukan untuk mengetahui sebaran suhu yang dihasilkan selama proses pembakaran sampah. Pada ruang pembakarn terdapat dua titik pengukuran hal tersebut dilakukan agar dapat dilihat perbandingan temperatur pada ruang pembakaran bagian atas dengan ruang pembakaran bagian bawah. Pengukuran suhu pada ruang penegdapan zat padat asap dilakukan untuk mengetahui suhu asap yang berada pada ruangan tersebut sehingga dapat terlihat temperatur ruangan tersebut untuk dapat dianalisis pemanfaatanya.
7
5
4 2
6
1 3
1
Gambar 7. TitikPengukuran
16
No. 1 2 3 4 5 6 7 8
b.
Tabel 3. Titik Pengambilan Data Bagian Jumlah Titik Pengukuran Ruang Pembakaran 2 Pipa Penukar Panas 1 Dinding Ruang 1 Pembakaran Ruang Pengendapan Zat 1 Padat Asap Selang Air Masuk 1 Selang Air Keluar 1 Cerobong Asap 1 Suhu Lingkungan 1
Prosedur Pengujian 1. 2. 3. 4. 5. 6.
7. 8. 9.
Memasang alat ukur suhu pada alat pemanas air Menimbang sampah kering yang telah disiapkan untuk dibakar Mengukur kadar air sampel sampah kering yang akan dimasukkan ke dalam alat pembakar sampah dan batok kelapa yang akan di arangkan Memasukkan sampah ke dalam alat pembakar sampah hingga memenuhi deluruh ruang pembakaran. Memasukkan batok kelapa ke dalam ruang pengendapan zat padat asap Mulai membakar sampah dengan menggunakan korek dan memasukkan ke kasa pembakaran. a. Pada percobaan I dan II setelah api menyala pada pagian bawah kemudianmenutup pintu alat pembakar sampah b. Pada percobaan III dan IV setelah api menyala kemudian ditunggu hingga api merata hingga ada jilatan api keluar pintu, kemudian menutup pintu pemasukan. Mengatur laju aliran air. Kemudian mulai menyalakan recorder. Tunggu hingga api pada ruang pembakaran mati kemudian, kemudian lihat suhu pada ruang pengendapan zat padat apabila sudah dibawah 70 oC, maka pintu pengeluaran abu sudah dapat dibuka.
D. TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN Rancangan alat dan uji unjuk kerja alat pembakar sampah (incinerator) dilakukan di bengkel Departemen Teknik Mesin dan Biosistem dan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor. Rancangan alat akan dilakukan pada bulan April 2011 sampai dengan bulan Mei 2011. Sedangkan uji unjuk kerja akan dilakukan pada bulan Juli 2011 E. ALAT DAN BAHAN PENELITIAN 1.
2.
ALAT Peralatan yang digunakan untuk membuat alat adalah peralatan perbengkelan yang menunjang modifikasi alat. Sedangkan peralatan yang digunakan dalam uji unjuk kerja alat adalah termokopel batang tipe K untuk suhu pembakaran, termokopel tipe CA dan termokopel tipe CC. Recorder tipe MV1000, timbangan, digital moisture tester, anemometer merek Kinomax dan peralatan pelengkap lainnya. BAHAN Bahan yang digunakan dalam desain alat adalah plat esier tebal 2 mm, plat esier tebal 5 mm, pipa dengan diameter 0.5 inchi, plat seng ukuran 1 mm, dan besi siku.
17
Bahan yang digunakan dalam pengujian alat adalah sampah padat (rumah tangga) berupa sampah organik dan sampah anorganik. Dengan kadar air 16-20%. Sampah padat tersebut diperoleh dari rumah tangga di kampung Babakan, Darmaga, Bogor. Sedangkan air yang digunakan mengunakan air yang berasal dari fasilitas kampus IPB Darmaga.
18
