JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
Perbandingan Bidang Api Isothermal Kompor Engkel Dinding Api Tunggal Dan Dinding Api Ganda Berbahan Bakar Bioetanol Yusufa Anis Silmi, Djoko Sungkono Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Dengan adanya analisa terhadap profil distribusi temperatur nyala api kompor, akan diketahui ketinggian dimana luasan areanya memiliki temperatur rata-rata yang paling optimum. Luasan yang memiliki rata-rata temperatur paling tinggi akan menyebabkan perpindahan panas ke beban semakin besar. Sehingga akan meningkatkan efisiensi pembakaran. Dalam penelitian digunakan dua model kompor engkel yakni kompor dengan dinding api tunggal (D= 3inch) dan kompor dengan dinding api ganda (Do = 3inch, Di = 1,5inch) keduanya berbahan bakar bioetanol 99%. Thermocouple yang digunakan adalah type K yang dinaikkan terus tiap ketinggian 0.5 cm, dari 0 mm yaitu ujung dinding api hingga mencapai ketinggian 11 cm, dengan jarak antar thermocouple adalah 5 mm. pada penelitian mencari besarnya energy bioetanol yang ditransfer, menggunakan metode water boiling test untuk menaikkan temperatur air dari 35oC menjadi 100oC.
II. METODE PENELITIAN 1.
Penelitian dilaksanakan berdasarkan pada diagram alir sebagai berikut: Start
Perbandingan bidang api isothermal dari kompor bioethanol 99% berdinding api tunggal dan ganda tanpa beban
Studi Literatur: - Tugas Akhir - Paper/Artikel - Internet - Text Book
Pemeriksaan kompor engkel siap uji dinding api tunggal (D=3inch), dinding api ganda (Do=3inch dan Di=1,5inch) dan Uji properties bahan bakar
Kata Kunci—bioetanol, dinding api, kompor, temperatur rata-rata.
K
Diagram Alir Penelitian
I. PENDAHULUAN
ompor memiliki nilai ekonomi yang tinggi karena setiap rumah tangga pasti memilikinya. Kompor yang banyak digunakan masyarakat adalah kompor berbahan bakar fosil seperti minyak tanah dan LPG. Ketersediaan bahan bakar fosil semakin menipis. Oleh karena itu, penggunaan bahan bakar fosil untuk kompor harus diminimalisir lalu di cari penggantinya. Pengembangan bioetanol sebagai bahan bakar yang dapat diperbarui, memiliki nilai positif dalam aspek lingkungan dan sosial karena memiliki beberapa kelebihan yaitu biodegradable, ramah lingkungan, hemat penggunaannya, dapat dibuat sendiri, dan lebih efisien terutama jika dibandingkan dengan minyak tanah [10]. Dengan adanya analisa terhadap profil distribusi temperatur nyala api kompor, akan diketahui ketinggian dimana luasan areanya memiliki temperatur rata-rata yang paling optimum. Luasan yang memiliki rata-rata temperatur paling tinggi akan menyebabkan perpindahan panas ke beban semakin besar. Sehingga akan meningkatkan efisiensi pembakaran.
Kompor sesuai kriteria
Persiapan Pengujian Kompor
Kriteria: - Tidak Terjadi Kebocoran - Api Biru
Peralatan Pendukung: - Bahan Bakar Bioethanol - Peralatan Ukur
Pengukuran temperatur kompor engkel dinding api tunggal dan dinding api ganda
Data hasil pengujian : -Temperatur api - Tinggi api - Luasan penampang api - Warna api
Komparasi dan analisa profil api
End
2.
Pengujian Temperatur Api
Pengujian temperatur api bertujuan untuk menentukan temperatur optimum dari api biru tanpa adanya warna merah
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 dari profil api tersebut. Temperatur api diukur menggunakan thermocouple sebanyak 12 buah dengan jarak antar center thermocouple 5 mm disusun radial.
2
cepat terpanasi akibat dari panas yang merambat melalui permukaan kompor. 2. Distribusi Temperatur Untuk dapat mengetahui bagaimana besar daerah api yang optimal dalam melepaskan panas. Maka dalam sub bab ini akan ditampilkan bagaimana kontur temperatur dan garis-garis isothermal pada kedua kompor uji dengan menggunakan tools MATLAB® R2010b.
3.
Pengujian Waktu Pendidihan Air
Pengujian ini dilakukan setelah pengambilan data dan analisa temperatur api. Dari profil api dan garis isothermal api akan didapatkan lokasi tinggi temperatur yang mampu memberikan energi panas tertinggi. Pengambilan data waktu pendidihan air kembali dengan posisi peletakan beban – 0,5mm dan + 5mm dari ketinggian beban sebelumnya. Sesuai dengan daftar VEG Gas Institute Belanda mengenai penentuan diameter panci berdasarkan dinding api tunggal dan ganda menggunakan panci dengan diameter 24 cm dan volume air 3.5 L.
Ketinggian (mm)
Gambar 1. Pengambilan data temperatur api
Jarak termocouple dari center (mm)
Gambar 3. Isothermal temperatur kompor dinding api tunggal Api Difusi (Diffusion Flame)
III. HASIL DAN DISKUSI
a)
b)
Gambar 2. Profil api biru kompor uji a) Inding api tunggal; b) dinding api ganda
Dari gambar diatas dapat diamati nyala api pada kompor uji. Profil api biru mampu dihasilkan oleh semua tipe. Pada kompor uji dinding api ganda, bahan bakar mudah menjadi uap karena jumlah bahan bakar yang berada ditangki lebih sedikit dibanding kompor dinding api tunggal akibat adanya dinding api tengah, dan juga dengan adanya lubang pada bagian tengah kompor menyebabkan pasokan udara untuk kompor dinding api ganda lebih besar dibanding pasokan udara pada kompor dinding api tunggal yang hanya dari sisi samping saja, hal ini menyebabkan pencampuran udara dan uap bahan bakar lebih homogen sehingga pembakaran yang terjadi lebih baik. Di sisi lain dengan adanya dinding api tambahan, maka uap bioetanol akan
Ignition Plane
Api Premixed (Premix Flame)
Gambar 4 Ilustrasi model api kompor dinding api tunggal
Bahan bakar cair mula-mula membentuk dorplet, lalu menguap. Uap bahan bakar akhirnya bercampur dengan udara yang mengandung oksigen. Bahan bakar dan oksigen yang telah tercampur secara homogen kemudian terbakar dengan reaksi molekuler. Campuran kaya bahan bakar memiliki temperatur yang tinggi, terdapat tepat di atas dinding api. Campuran miskin, yaitu api difusi, memiliki temperatur yang lebih rendah. Api difusi terjadi karena konsentrasi udara pada api rendah, maka udara berdifusi menuju api.
Ketinggian (mm)
1. Pengukuran Temperatur Api Pengukuran ini dimaksudkan untuk mengetahui temperatur tertinggi yang dihasilkan oleh api stabil. Terjadinya api stabil dapat diindikasikan melalui temperatur api biru tertinggi yang mampu dihasilkan oleh kompor.
Jarak termocouple dari center (mm)
Gambar 5 Isothermal temperatur kompor dinding api ganda
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
3
Daerah gas panas Radiasi Temperatur tinggi Ignitio n plane
Gambar 6. Struktur api kompor firewall 3 inci [1]
Kompor dinding api ganda mempunyai api type Dual Flame, yaitu terdiri atas api premixed pada bagian kerucut dalam (inner cone) yang dikelilingi oleh api difusi pada bagian kerucut luar (outer cone). Pada gambar 4.4 dan 4.5 terlihat adanya daerah berbentuk kerucut yang dikelilingi nyala api dan terletak tepat di atas dinding api. Daerah tersebut merupakan daerah api premixed atau dapat juga disebut sebagai preheating zone yang ditandai dengan terjadinya kenaikan temperatur secara bertahap dan belum terjadinya proses pembakaran. Kenaikan temperatur pada daerah ini berasal dari konduksi panas dari reaction zone ke arah preheat zone. Ignition plane ditandai dengan adanya batas pembakaran awal yang terletak pada batas luar api premixed. Reaction zone, adalah daerah dimana semua reaksi kimia dan pelepasan panas terjadi. Reaction zone dimulai pada titik dimana reaksi stoikiometri mulai terjadi sampai ketika pembakaran telah sempurna. Daerah api difusi ini dibagi menjadi daerah : 1. Luminous Region (yellow region) 2. Non luminous region (blue zone) Sebagian besar proses reaksi terjadi pada daerah berwarna biru sehingga mempunyai temperatur yang relatif lebih tinggi, sedangkan daerah berwarna kuning menunjukkan persentase partikel karbon. Burnt gas zone Daerah dimana terdapat gas-gas yang terbentuk dari api pada proses-proses sebelumnya dengan kecepatan, temperatur dan konsentrasi species (fuel, product, oxidizer) yang sama. Daerah dimana reaksi kimia terjadi biasanya cukup sempit. 3. Analisa Distribusi Temperatur Untuk membandingkan kualitas distribusi temperatur dari kedua kompor uji dianalisa berdasarkan luasan temperatur rata-rata dengan perhitungan menggunakan rumus di bawah ini: ∑ [ ( )]...............................................................(1) (
)
.......................................................(2)
Gambar 7. Grafik temperatur rata-rata distribusi temperatur api pada ketinggian tertentu
Gambar 8. Grafik luasan total distribusi temperatur pada ketinggian tertentu Dari gambar 7 dan 8 terlihat bahwa kompor dinding api ganda memiliki besar luasan total dan temperatur rata-rata yang terdistribusi lebih besar dibandingkan dengan kompor dinding api tunggal. Hal tersebut dikarenakan kompor dinding api ganda memiliki nyala api yang dominan berwarna biru yakni nyala api stoikiometri. Sementara kompor tunggal nyala apinya masih kekuningan atau nyala api yang nonstoikiometri. Dari data temperatur rata-rata yang diperoleh didapatkan untuk kompor dinding api tunggal ketinggian yang memiliki temperatur rata-rata terbesar adalah ketinggian 5 mm dari rim kompor. Untuk kompor dinding api ganda didapatkan ketinggiannya 30 mm dari dinding api kompor. Selanjutnya data ini akan digunakan dalam pengujian waktu pendidihan air. 4. Analisa Transfer Energi Bioetthanol
Untuk menganalisa besarnya energi yang ditransfer bahan bakar untuk menaikkan temperatur air dalam bejana aluminium, dari 35oC menjadi 100oC, maka dibutuhkan data efisiensi kompor yang telah diuji di penelitian terdahulu. Melalui pengujian dengan standar water boiling test, maka didapatkan data sebagai berikut.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 Tabel 1. Indikator kinerja kompor Jenis kompor Indikator Dinding Dinding api api tunggal ganda Temperatur api rata-rata 280.95oC 430.62oC Ketinggian peletakan beban 5 mm 30 mm Efisiensi 48,733% 51,916 % Waktu pendidihan 26’12” 14’01” Bahan Bakar yang 0.12324 kg 0.115024 kg Dikonsumsi Energi yang ditransfer bahan 0,8536 kW 1.58639 kW bakar
Sehingga besarnya energi yang ditransfer oleh bahan bakar ke beban dapat dihitung dengan rumus: Energi bioetanol yang ditransfer =
η
LHV t
m
Semakin lama waktu yang ditempuh untuk mulai mendidihkan air menunjukkan semakin besar bahan bakar yang dikonsumsi. Banyaknya bahan bakar yang dikonsumsi tidak lantas mencerminkan banyaknya energi yang ditransfer oleh bahan bakar selama pembakaran karena dalam pembakaran tersebut belum tercapai pembakaran api dewasa (titik dimana bahan bakar habis terbakar). Tabel diatas menunjukkan kompor uji dinding api ganda lebih cepat mendidihkan air daripada kompor dinding api tunggal yaitu pada rata-rata menit ke-14 , Sedangkan pada kompor uji dinding api tunggal mulai mendidihkan air pada menit ke-26. Perbedaan kecepatan pendidihan air saat pengujian tersebut dapat terjadi karena beberapa hal. Diantaranya disebabkan karena profil dan temperatur api dari masing-masing bahan bakar pada masing-masing kompor juga berbeda. Mengenai profil api pada saat dilakukan pengambilan data pada semua jenis kompor uji secara visual dapat dilihat pada gambar dibawah. Hasil yang baik didapatkan pada kompor api dinding api tunggal dan ganda yang dikenai beban, api menyebar pada bagian bawah bejana sehingga uap bioetanol terkumpul dan terbakar di sana, sehingga panas yang dilepaskan bahan bakar akan optimal.
4
a)
Gambar 10 Kompor dinding api ganda yang dikenai beban a) Tampak samping, b) Tampak depan Dari gambar diatas menunjukkan profil api kompor uji saat menampakkan mayoritas nyala api berwarna biru. Hal ini dapat dijelaskan bahwa pada pembakaran bioethanol 99% telah mencapai api dewasa karena penguapan bahan bakar cair yang terdapat pada tangki menjadi bentuk uap bahan bakar sepenuhnya mencapai titik maksimal dimana temperatur dari bahan bakar cair telah mencapai temperatu titik didihnya, hal ini juga dapat dilihat pada temperatur api dimana temperaturnya dapat mencapai 400C dan bisa juga lebih, sedangkan temperatur pendidihan dari bahan bakar sendiri hanya berkisar 30C sehingga dapat dengan mudah bercampur dan bereaksi dengan oksigen. Tampak samping menunjukkan, kompor dinding api ganda memiliki distribusi api yang menyebar daripada kompor dinding api tunggal, penyebaran api mempengaruhi laju pendidihan. Penyebaran api dipengaruhi oleh posisi peletakan beban. Pada posisi yang tepat, api dapat berkembang dan menyebar ke sekeliling beban. Apabila beban diletakkan terlalu dekat dengan kompor, maka api sulit untuk berkembang, kesempatan api untuk bertemu udara menjadi kecil.
a)
a)
b)
Gambar 9 Kompor dinding api tunggal yang dikenai beban a) Tampak samping, b) Tampak depan
b)
b)
Gambar 4.12 Kompor dinding api tunggal yang dikenai beban tampak atas a) Kompor dinding api tunggal, b) Kompor dinding api ganda IV. HASIL DAN DISKUSI Temperatur rata-rata maksimal pada kompor dinding api
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 tunggal adalah 363,109 oC sedangkan pada kompor dinding api ganda 505,9933 oC. Waktu untuk menaikkan suhu air pada kompor api ganda 14’01”lebih cepat daripada kompor dinding api tunggal yaitu 26’21”. Energi yang ditransfer bioetanol ke beban pada kompor dinding api ganda sebesar 1,586 kW, lebih besar 0.732kW dibanding kompor dinding api tunggal. Secara umum kompor dinding api ganda memiliki performa yang lebih baik dibanding kompor dinding api tunggal. Dari hasil yang dilakukan pada penelitian ini, penulis sangat berharap agar ada peneliti berikutnya yang dapat melakukan penelitian terhadap angka reynold pada api kompor dan api kompor yang menumbuk bejana, tentang fenomena dan faktor-faktor yang mempengaruhi. Selain itu juga adanya penelitian yang membandingkan kompor dinding api tunggal dan dinding api ganda yang memiliki lubang laluan udara yang sama jumlahnya. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis Y.A.S mengucapkan terima kasih kepada Jurusan Teknik Mesin ITS dan Bapak Djoko Sungkono Kawano selaku dosen pembimbing Tugas Akhir. Ibu Susmiati dan Bapak Kasil Utomo selaku orang tua penulis atas dukungan moril dan materiil. Dosen-dosen dan karyawan Jurusan Teknik Mesin ITS Surabaya, terutama Ibu Suprapti selaku dosen wali dan Bapak Karmono karyawan Lab.TPBB Teknik Mesin ITS. Teman-teman angkatan M51 dan Sona rekan tugas akhir kompor. DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]
Afanny, Agib Farouq, “Perbandingan Unjuk Kerja Kompor Dinding Api Tunggal dengan Dinding Api Ganda Berbahan Bakar Bioethanol”, ITS, Surabaya, 2012 Dougal, Drysdale, “An Introduction to fire dynamics”, john wiley & sons Inc, New York, 1985 Elihu C. Wacesa, “Permodelan Aliran Fluida Dalam Analisa Pengaruh Diameter Lubang Pengeluaran Udara Panas Terhadap Unjuk Kerja Kompor”, ITS, Surabaya, 1998 Frank P. Incropera and David P. Dewitt. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Fifth Edition. John Wiley and Sons, New York, 1996. http://www.afdc.energy.gov/afdc/pdfs/fueltable.pdf International Standards. “Testing The Efficiency of Wood-Burning Cookstoves”. USA: Volunteers In Technical Assistance (VITA), Revised May 1985 Juliani, Ryan. “Study Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Kompor Minyak Tanpa Sumbu Berbahan Bakar Bioethanol dengan Kompor Minyak Tanah Bersumbu”, ITS, Surabaya,2010 Kawano, Djoko Sungkono, “Motor BakarTorak (Bensin)”, ITSpress, 2011 Kawano, Djoko Sungkono,“Nyala Api Kompor Minyak Tanah Tanpa Sumbu Berbahan Bakar Bioethanol” (Unpublished research). ITS, Surabaya, 2000 Komarayati,Sri & Gusmailina, “Prospek Bioetanol Sebagai Pengganti Minyak Tanah”. Bogor : Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan, 2010 Santoso, Djoko, “Studi Distribusi Temperatur Api Laminer pada Bunsen Burner”. ITS, Surabaya,2001 Tjokrowisastro E & Utomo B K W, “Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar”, ITS, Surabaya,1990. Turns, S. R., “An Introduction To Combustion Concepts and Application”, McGraw Hill, 1996.
5
