TUGAS AKHIR
PENGARUH KECEPATAN UDARA PADA TUNGKU GASIFIKASI SEKAM PADI TERHADAP TEMPERATUR PEMBAKARAN
Tugas Akhir Ini Disusun Sebagai Syarat Untuk Mendapatkan Gelar Sarjana S1 Pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas muhammadiyah surakarta
Disusun oleh: DWI PRASTIYO D200 080 097
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA OKTOBER 2012
Pengaruh Kecepatan Udara Pada Tungku Gasifikasi Sekam Padi Terhadap Temperatur Pembakaran Dwi Prastiyo, Subroto, Wijianto Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan Kartasura E-mail:
[email protected] ABSTRAKSI Sekam padi dapat diubah menjadi gas metana dengan metode gasifikasi yaitu menggunakan tungku gasifikasi sekam padi. Berdasarkan hal tersebut penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kecepatan udara pada tungku gasifikasi terhadap temperatur pembakaran, mengetahui waktu lama nyala efektif, mengetahui lama pendidihan air, dan mengetahui kecepatan udara optimum pada temperatur pembakaran. Penelitian diawali dengan pembuatan tungku gasifikasi sekam padi. Kemudian menganalisis hasil pembakaran tungku gasifikasi dengan kecepatan udara di variasi V=2.82 m/s, V=2.31 m/s, dan V=1.90 m/s. Dalam penelitian tersebut mengukur temperatur pembakaran serta mencatat perubahan temperatur air sebanyak 3 liter setiap 3 menit. Hasil pengujian menunjukkan semakin besar kecepatan udara yang dihasilkan oleh fan maka semakin tinggi pula temperatur pembakaran pada tungku gasifikasi sekam padi. Pada V=2.82 m/s didapatkan temperatur pembakaran 288.82˚C, V=2.31 m/s didapatkan temperatur pembakaran 281.68˚C, dan V=1.90 m/s didapatkan temperatur pembakaran 235.52˚C. Sedangkan nyala efektif dan lama pendidihan air untuk V=2.82 m/s didapatkan nyala efektif 36 menit, lama pendidihan air 18 menit, untuk V=2.31 m/s didaptkan nyala efektif 45 menit, lama pendidihan air 21 menit, untuk V=1.90 m/s didapatkan nyala efektif 48 menit, lama pendidihan air 9 menit. Sedangkan untuk kecepatan udara optimum didapatkan pada kecepatan udara 2.31 m/s. Kata kunci: sekam padi, tungku gasifikasi, kecepatan udara
3
Pendahuluan
Tujuan penelitian
Latar belakang
a. Untuk mengetahuai pengaruh kecepatan udara pada tungku gasifikasi terhadap tempertur pembakaran. b. Untuk mengetahui lama waktu nyala efektif dan lama pendidihan air. c. Untuk mengetahui kecepatan udara optimum.
Ketika konsumsi domestik bahan bakar minyak terus meningkat sehingga membawa Indonesia sebagai net oil importet, dimana kita ketahui energi fosil merupakan energi yang tidak dapat diperbaharui. Sehingga subsitusi energi non fosil dengan memanfaatkan sumber energi alternatif secara lebih efisien dan menggunakan teknologi modern merupakan suatu langkah yang tepat. Salah satu energi alternatif yang sekarang sedang dikembangkan adalah energi yang berasal dari bahan – bahan organik, hal ini dikarenakan senyawa organik tersebut tergolong energi yang dapat diperbarui. Salah satunya yaitu berupa sampah organik yang jumlahnya dari waktu ke waktu semakin bertambah. Contoh yaitu berupa sekam padi. Teknologi gasifikasi biomas merupakan teknologi yang relatif sederhana dan mudah pengoprasiaannya serta secara teknik maupun ekonomi adalah layak untuk dikembangkan. Dengan demikian teknologi gasifikasi biomas sangat potensial menjadi teknologi yang sepadan untuk diterapkan diberbagai tempat di Indonesia. Pembatasan masalah a. Alat produksi gas metana dengan jenis thermal prosses gasification b. Pengaruh kecepatan udara terhadap temperatur pembakaran c. Bahan bakar yang digunakan berupa sekam padi d. Dinding isolasi yang digunakan serbuk batu bata e. Air yang dipanaskan sebanyak 3 liter f. Kapasitas sekam padi 1.2 kg.
Tinjauan pustaka Belonio (2005), mendisain kompor gas sekam padi dengan konsep energi alternatif, dimana kompor tersebut terbuat dari stainless steel. Untuk membuat gas dari sekam padi digunakan teknologi gasifikasi. Prodes gasifikasi dilakukan dengan membakar sekam padi kering sehingga menghasilkan gas yang mudah terbakar dengan bantuan fan. Gas tersebut mengandung gas metana sebesar 0.5%-7% volum. Ibnu (2011), mendisain alat produksi gas metana dari sampah organik. Sampah organik yang digunakan adalah sekam padi, tempurung kelapa dan serbuk gergaji. Untuk membuat gas dari sampah ini, digunakan teknologi gasifikasi. Dengan cara membakar sampah kering di dalam reactor, sehingga menghasilkan gas yang bertekanan dengan bantuan blower. Selanjutnya gas dialirkan menuju pipa ke tabung absorsi, kemudian langsung disalurkan ke pipa menuju kompor. Murjito (2009), mendisain alat penangkap gas metana pada sampah menjadi biogas yang terbuat dari plastik polyethylene. Penelitian ini menghasilkan rancangan alat penangkap gas metana yang berbahan dasar plastik polyethilene dengan spesifikasi sebagai berikut: biodigester dengan volume total 11 m3 , volume basah 8,8 m3, waktu proses 40 hari, isian bahan 220 kg/hari, luas lahan 18 m2, dan memiliki penampung gas
4
dengan dimensi tinggi 4,6 m, diameter 0,954 m, volume efektif 2,5 m3. Nugraha (2010), mengolah sampah organik menjadi biogas dengan cara Anaerobic gasification yaitu mengolah sampah organik menjadi gas dengan cara fermentasi. Proses gasifikasi dilakukan dengan menimbun sampah organik di dalam tanah selama beberapa hari (minimal 7 hari). Gas hasil fermentasi ini kemudian dialirkan ke alat purifikasi untuk membersihkan gas metana dari impurities (kotoran). Setelah didapatkan kadar gas metana di atas 70% digunakan sebagai bahan bakar kompor pengganti LPG.
Dasar teori Gasifikasi Gasifikasi adalah konversi bahan bakar padat menjadi gas dengan oksigen terbatas yang menghasilkan gas yang bisa dibakar, seperti CH4, H2, CO dan senyawa yang sifatnya impuritas seperti H2S, CO2 dan TAR. Berdasarkan proses pembentukan gas gasifikasi dibedakan menjadi tiga macam, yaitu:
1) Reaksi pembakaran gas metana dengan oksigen murni. Reaksi: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O (Shannon, 2000) 2) Reaksi pembakaran gas metana dengan udara di alam. CO2 Reaksi: CH4 + 2O2 + 7.52N2 + 2H2O + 7.52N2 + heat 3) Reaksi pembakaran sekam padi dengan oksigen murni. Reaksi: C6H12O5 + 3O2 CH4 + C4H6O10 + CO + H2 + heat (Simpson, 2001) 1. Pembentukan gas metana Gas metana dapat terbentuk melalui reaksi antara hidrogen dengan karbon monoksida. Reaksi : CO + 3H2 CH4 + H2O 2. Pemurnian gas metana Pemurnian gas metana dari proses gasifikasi dapat dilakukan dengan metode absorbsi. Metode ini menggunakan air sebagai absorben karena air mampu mengikat TAR yang sifatnya sebagai pengotor gas CH4. Hal ini dilakukan karena semakin tinggi kandungan gas pengotor akan mengurangi nilai kalor dari pembakaran gas metana.
1. Landfill gasification yaitu mengambil gas metana yang terdapat pada tumpukan sampah. 2. Thermal process gasification yaitu proses konversi termal bahan bakar padat menjadi gas. 3. Anaerobic gasification yaitu mengolah sampah organik menjadi gas dengan cara fermentasi. Gas metana Metana adalah hidrokarbon paling sederhana yang berbentuk gas dengan rumus kimia CH4. Metana murni tidak berbau, tidak berwarna dan mudah terbakar.
5
Metod dologi pen nelitian Diagra am alir pen nelitian
b. Assh chamberr Ala at ini dig gunakan sebagai s penyimpanan n abu sekam m padi.
ru uang
Gamb bar 3. Ash chamber c c. Bu urner Ala at ini digu unakan untuk memb bakar gas metana dan d merubah api men njadi birru.
ambar 4. Bu urner Ga d. Fa an Ala at ini digu unakan un ntuk menyu uplai udara prime er ke dalam d rea actor pembakaran.
Gamb bar 1. Diagrram alir pen nelitian Alat dan d bahan penelitian n 1. Ala at a. Reactor pemb bakaran Ala at ini digu unakan se ebagai tem mpat pro oses pemba akaran seka am padi.
G Gambar 5. Fan F ermometer rrider e. Te Ala at ini digu unakan un ntuk mengukur tem mperatur pembakaran dan tem mperatur dinding isola asi.
Gambar 2.. Reactor pembakaran n
6
G Gambar 10.. Termometter alasi pengu ujian Insta Gambar 6. Termom meter rider f. Ane emometer digital d Ala at ini digu unakan untuk mengu ukur keccepatan alirran udara dari d fan.
Gambar 7. Anemometer digital g. Timbangan T analog a Alat A ini digunakan untu uk menimb bang massa m bah han bakarr yang akan a digunakan.
Gam mbar 11. In nstalasi tung gku gasifika asi s sekam padi
Gambar 8.. Timbanga an analog S digital d h. Stopwatch mbar: Alat A ini dig gunakan un ntuk menccatat Keterrangan gam 1. Po ot holder gan pintu 6. Pegang waktu w dalam m pengambilan data. 2. Bu urner 7. Pengun nci 3. Re eactor 8. Ash dis scharge levver 4. As sh chamberr 9. Burnerr handle 5. Fa an casing 10. Secon ndary air ho oles gkah penelitian Lang yang dila akukan dallam melaku ukan penelitian adalah: Gambar G 9. Stopwatch S d digital M o se ekam 1. Menimbang bahan organik i. Terrmometer pa adi yang a akan digun nakan seb bagai Ala at ini digu unakan untuk mengu ukur ba ahan penelitian mas sing-masing g 1,2 perrubahan te emperatur air setiap p 3 kg g. me enit.
7
2. Mengisi sekam padi pada reaktor gasifikasi dengan 1,2 kg, pada masing-masing percobaan. 3. Menyalakan fan pada pada switch control, dengan kecepatan udara 2.82 m/s sebagai percobaan pertama, 2.31 m/s sebagai percobaan kedua, 1.90 m/s sebagai percobaan ketiga. Penyalaan fan ini sesuai dengan masing-masing percobaan. 4. Membuat potongan kertas, kemudian taruh potongan kertas tersebut diatas sekam padi yang telah diisi pada reaktor pembakaran. 5. Membuat bara api dari potongan kertas sebagai penyalaan bahan bakar. 6. Mencatat lama penyalaan bahan bakar dari pembuatan bara api sampai bara api benar-benar menyala diatas reaktor tungku gasifikasi. 7. Menutup reaktor gasifikasi dengan burner.
8. Mencatat waktu berubahnya nyala api sampai menjadi gas hasil dari gasifikasi. 9. Meletakkan panci yang telah di isi air sebanyak tiga liter di atas burner. 10. Mengambil data kenaikan temperatur air. Dari temperatur awal air, temperatur air mendidih, temperatur air berubah fase setiap tiga menit dari tiga liter air. 11. Mengambil data temperatur pembakaran setiap tiga menit. 12. Mengambil data dari dinding isolasi dengan isolasi serbuk batu bata setiap tiga menit. 13. Ulangi percobaan yang sama sesuai beban yang diujikan dari 1,2 kg, dengan kecepatan udara 2.31 m/s dan kecepatan udara 1.90 m/s.
Hasil dan pembahasan 1. Perbandingan Temperatur pembakaran Variasi V=2.81 m/s, V=2.31 m/s, dan V=1.90 m/s 350
T Pembakaran V=2.82 m/s
Temperatur (˚C)
300 250
T Pembakaran V=2.31 m/s
200 150 100
T Pembakaran V=1.90 m/s
50 0 3
6
9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 Waktu (menit)
Gambar 12. Grafik Perbandingan Variasi Kecepatan Udara pada Temperatur Pembakaran dengan waktu Pada gambar 12 diatas dapat pembakaran tertinggi pada menit ke 9 dilihat bahwa untuk gasifikasi sekam dengan temperatur pembakaran padi 1.2 kg menggunakan kecepatan 331.66˚C, untuk gasifikasi sekam padi udara 2.82 m/s didapatkan temperatur 1.2 kg menggunakan kecepatan udara
8
udara yang dihasilkan oleh fan pada tungku gasifikasi sekam padi mempercepat air mendidih dalam pembebanan sebesar 3 liter air. Sedangkan temperatur pembakaran dari mulai pembentukan nyala api sampai nyala api mulai padam, temperatur pembakaran berubah-ubah. Hal ini dikarenakan tidak setabilnya pembakaran sampah organik sekam padi dalam reactor sehingga mengakibatkan pembentukan gas metana menjadi tidak stabil.
2.31 m/s didapatkan temperatur pembakaran tertinggi pada menit ke 21 dengan temperatur pembakaran 311.22˚C, sedangkan untuk gasifikasi sekam padi 1.2 kg dengan kecepatan udara 1.90 m/s temperatur pembakaran tertinggi terdapat pada menit ke 12 dengan temperatur pembakaran tertinggi 263.11˚C. dari perbandingan temperatur pembakaran terhadap besar kecepatan udara menunjukkan hasil bahwa, tingginya temperatur pembakaran dan besarnya kecepatan
2. Perbandingan Temperatur air Variasi V=2.81 m/s, V=2.31 m/s, dan V=1.90 m/s
120 100 T Air V=2.82 m/s
Temperatur (˚C)
80 60
T Air V=2.31 m/s
40
T Air V=1.90 m/s
20 0 3
6
9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 Waktu (menit)
Gambar 13. Grafik Perbandingan Variasi Kecepatan Udara pada Temperatur Air dengan waktu 1.2 kg dengan kecepatan udara 1.90 Pada gambar 13 dapat dilihat m/s dapat mendidihkan air sebesar 3 bahwa untuk gasifikasi sekam padi 1.2 liter dengan waktu 18 menit, lama nyala kg dengan kecepatan udara 2.82 m/s efektif 48 menit, dan lama pendidihan dapat mendidihkan air sebesar 3 liter air selama 9 menit. Dari percobaan dengan waktu 12 menit, lama nyala untuk lama pendidihan air sebesar 3 efektif 36 menit, dan lama pendidihan liter pendidihan air paling lama air selama 18 menit. untuk gasifikasi dilakukan pada percobaan gasifikasi sekam padi 1.2 kg dengan kecepatan sekam padi 1.2 kg dengan kecepatan udara 2.31 m/s dapat mendidihkan air udara yaitu 2.31 m/s dengan waktu air sebesar 3 liter dengan waktu 15 menit, mendidih 15 menit, lama nyala efektif lama nyala efektif 45 menit, dan lama 45 menit, dan lama pendidihan air 21 pendidihan air selama 21 menit. menit. Sedangkan untuk gasifikasi sekam padi
6
Temperatur (˚C)
3. Perrbandingan antara V=2.82 V m/s,, V=2.31 m//s, dan V= 1.90 m/s ditinjau d darri tem mperatur pembakaran rata-rata a dan lama nyala efek ktif. 350
60
300
50
250
40
200
30
150
20
100 50
10
0
0 kecepaatan 2.82 m/s kecepattan 2.31 m/s kecepataan 1.90 m/s Temperaturr pembakaran Nyyala Efektif
Gambar 14. Diagram D Pe erbandingan antara Te emperatur P Pembakara an rata-rata dengan lam ma Nyala E Efektif
Kesimpulan dan d saran n
a. Kecepatan n udara mempenga aruhi tingginya temperatur pembaka aran, makin bessar kecep patan yakni sem udara yang dihasillkan oleh fan ssemakin maka tinggi pula temperatur akaran y yang pemba ngku gasiffikasi dihasilkan oleh tun di. sekam pad b. kecepatan m/s n udara 2.82 menghasillkan nyala efektif 36 menit, keccepatan ud dara 2.31 m/s menghasillkan nyala efektif e 45 menit m dan kece epatan uda ara 1.90 m/s menghasillkan nyala efektif 48 menit. S Sedangkan lama waktu w pendidihan n 3 liter air dari kecep patan udara 2.8 82 m/s ada alah 18 menit, m kecepatan n udara 2.3 31 m/s ad dalah 21 menit d dan kecepa atan udara 1.90 m/s adalah h 9 menit. c. Kecepatan n udara a optim mum didapatkan n dengan kecep patan udara 2.31 1 m/s.
Kesim mpulan
Saran
Pada gam mbar 14 diatas d dapa at emperatur pembakara an dilihatt bahwa te terting ggi pada kecepatan k udara 2.8 82 m/s sebesar C denga an 331.66˚C eratur pe embakaran n rata-ratta tempe 288.8 82˚C, sedangkan lama nyala efektiff dari tem mperatur pembakara an selam ma 36 me enit. Untukk kecepata an udara a 2.31 m/s didapatkan n temperatu ur pemb bakaran tertinggi sebesa ar 311.2 22˚C dengan d temperatu ur pemb bakaran 281.68˚C C, rata-rata sedan ngkan lam ma nyala efektif da ari tempe eratur pem mbakaran selama 4 45 menit. Untuk kec cepatan udara 1.90 m/s mperatur pembakara an didapatkan tem ggi sebesar 263.11˚C denga an terting tempe eratur pe embakaran n rata-ratta 235.5 52˚C, sedangkan lama nyala efektiff dari tem mperatur pembakara an selam ma 48 menitt.
Dari hasil pen nelitian mpulan, yaitu: kesim
da apat
ditarrik
a. Dinding isolasi pada p Rea aktor pembakaran hendakknya ditam mbah
7
misalnya gas bul atau alumuniumfoil untuk mengurangi kalor yang terbuang melalui dinding isolasi. b. Ruang fan hendaknya dibuat sepresisi mungkin. Hal ini dikarenakan untuk memaksimalkan suplai udara primer ke bahan bakar. c. Bahan kontruksi yang digunakan untuk pembuatan tungku gasifikasi hendaknya memakai stainless steel agar tungku tidak korosi.
8
DAFTAR PUSTAKA B.T. Alexis , 2005. Rice Husk Gas Stove Handbook. Philippines: College of Agriculture Central Philippine University Iloilo City. J. P. Holman, 1994. Perpindahan Kalor. Jakarta: Erlangga. Murjito, 2009. Alat Penangkap Gas Metana pada TPA dari Plastik Polyethilene untuk Sekala Kecil, Universitas Sumatra Utara, Medan. Nugraha, 2010. Mengolah Sampah Organik Menjadi Biogas dengan Cara Anaerobic Gasification, Universitas Sumatra Utara, Medan. Reynolds, W.C., & Perkins, H.C. 1983. Termodinamika Teknik. Jakarta Puasat: Erlangga. S. Ibnu, 2011. Rancang Bangun dan Pengujian Alat Produksi Gas Metana dari Sampah Organik dengan Variasi Bahan Sekam Padi, Tempurung Kelapa dan Serbuk Gergaji Kayu. Sekripsi. Surakarta: Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta.
