STUDI BANDING KONDUKTIFITAS PANAS ANTARA GABUS (STYROFOAM) DENGAN SEKAM PADI

Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi 2008 – IST AKPRIND Yogyakarta

STUDI BANDING KONDUKTIFITAS PANAS ANTARA GABUS (STYROFOAM) DENGAN SEKAM PADI Hary Wibowo Jurusan Teknik Mesin, FTI, IST AKPRIND Yogyakarta Email: [email protected]

ABSTRACT Rice husk is a waste of agriculture still have a potentional to functioned again as heat insulation materials. Traditionally, this potentiial looked at exploiting rice husk with tradisional way of for preventing log ice not melt faster this potention needs researched the value of density good using as insulation materials or not. The thermal conductivity value of the rice husk particle board was knew. One of research of the thermal conductivity is ASTM method that modified. The solid comparison are variated: 6-1, 5-1, 4-1, 3-1 for knowing the best materials insulation. The best of the thermal conductivity value of the rice husk particle board with the density 3-1 is 0,133 w/m°C with 70 watt heat source and 0,103 w/m°C at 80 watt heat source.The thermal conductivity value of 6-1 with comparison is 0,096 w/m°C with 70 watt heat source and 0,082 w/m°C at 80 watt heat source. Keywords: rice husk,board, density comparison, the thermal conductivity value INTISARI Sekam padi yang merupakan limbah dari pertanian masih mempunyai potensi untuk difungsikan lagi sebagai bahan isolator panas. Secara tradisional hal ini terlihat pada pemanfaatan sekam padi untuk mencegah es balok tidak mencair lebih cepat. Adanya potensi tersebut maka sekam padi tersebut perlu diteliti angka konduktivitas termalnya. Papan partikel sekam padi perlu diteliti angka konduktivitas termalnya. Salah satu pengujian konduktivitas termal dapat dilakukan dengan menggunakan metode ASTM yang sudah di modifikasi. Kepadatan papan dengan perbandingan kepadatan tebal 6 cm dipadatkan menjadi 1 cm (6-1), berturut-turut bervariasi 5-1, 4-1, dan 3-1, unutk mengetahui bahan isolasi terbaik. Nilai konduktivitas thermal terbaik diperoleh pada papan partikel sekam padi dengan kepadatan 3-1 diperoleh angka konduktivitas termal 0,133 W/m˚C dengan sumber kalor 70 watt dan 0,103 W/m˚C dengan sumber kalor 80 watt. Angka konduktivitas termal pada kepadatan 6-1 dengan angka konduktivitas termal sebesar 0,096 W/m˚C pada sumber kalor 70 watt dan 0,082 W/m˚C pada sumber kalor 80 watt. Adapun angka konduktivitas perpindahan kalor papan gabus (Styrofoam) rata-rata diperoleh sebesar 0,095 W/m ˚C. Kata kunci: sekam padi, papan, perbandingan kepadatan, angka konduktivitas thermal

PENDAHULUAN Sekam yang merupakan limbah pertanian saat ini sebagian besar masih dimanfaatkan langsung sebagai bahan bakar konvensional. Pengolahan lanjut sekam menjadi bahan material, selain itu sekam padi juga dapat digunakan sebagai bahan isolator panas, belum dilakukan secara optimal. Sekam padi dapat dimanfaatkan sebagai papan partikel dengan mencampurkan bahan pengikat tertentu. Sekam padi yang dibentuk menjadi papan partikel perlu diketahui komposisi campuran dan proses pemadatannya agar dihasilkan papan yang baik. Dengan berbagai variasi campuran sekam padi dan bahan pengikat serta berbagai variasi pemadatan (compression ratio) akan menghasilkan karakter tertentu, sehingga selain sifat fisik dan mekanisnya, nilai konduktivitas termalnya dengan berbagai variasi tersebut perlu diteliti untuk mengetahui sifat isolator panasnya. Sifat isolator sekam padi yang dibentuk menjadi papan partikel tersebut akan dibandingkan dengan bahan gabus yang merupakan produk pabrikan. Dengan diketahuinya konduktifitas termal kedua bahan tersebut, diharapkan papan partikel sekam padi dapat menggantikan papan bahan gabus. Pemanfaatan selanjutnya dapat digunakan dalam komponen bangunan rumah, peredam panas, dan tempat penyimpanan. Aplikasi papan partikel sekam padi antara lain untuk membuat meja, ceiling, cold strorage maupun fire wall. Dari hasil penelitian nantinya dapat dihasilkan data-data 112


teknik yang berkenaan dengan pemanfaatan tersebut, sehingga dapat dipertanggung-jawabkan kegunaannya. Sekam padi (gambar 1.) yang akan diteliti dalam bentuk papan partikel (gambar 2.) secara umum mempunyai spesifikasi sebagai berikut: 1. Mempunyai Specific Gravity 0,54. 2. Mempunyai Modulus Kekuatan Tarik 13,400 Psi. 3. Modulus Elastisitas 1,64 x 106 Psi. 4. Kekuatan Penekanan Sejajar arah serat 6540 Psi. 5. Kekuatan Penekanan Tegak lurus arah Serat 1000 Psi. 6. Gaya geser Maksimal 1850 Psi. Semua spesifikasi ini diukur pada keadaan sekam padi yang kering, dengan kadar air kurang dari 3 % (Sumber: Encyclopedia of wood, Sterling Publishing Co)

Gambar 1. Sekam padi

Gambar 2: Papan partikel sekam padi

Adapun tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah untuk mengetahui konduktivitas panas papan partikel sekam padi berpengikat resin dengan berbagai komposisi campuran, serta pengaruh dari ratio pemadatan dan untuk mengetahui besarnya perbandingan angka konduktivitas kalor dengan bahan gabus (Styrofoam) serta untuk mengetahui kelayakan penggunaan papan partikel sekam padi sebagai material penyekat kalor (isolator) Sekam padi yang akan diuji terlebih dulu dibentuk papan seperti yang diuraikan dalam metode pembuatan papan partikel di bawah ini. Adapun bahan lain yang akan dibandingkan , yaitu gabus (Styrofoam) adalah produk pabrik yang ada di pasaran dengan ketebalan 1 cm, 1,5 cm, dan 2 cm. Campuran yang telah homogen dilakukan pengepresan dengan menggu-nakan mesin pres, perbandingan rasio pemadatan adalah 1, 2, 3 dan 4, skema rasio pemadatan dapat dilihat pada Gambar 3 di bawah ini. Rasio pemadatan adalah r = h1: h2. Setelah pengepresan didiamkan beberapa saat agar papan partikel mengeras, setelah itu papan partikel dilepas dari cetakan. Papan partikel (seperti terlihat pada gambar 2) dan siap di uji.

P P

h2

h1

Cetakan

Gambar 3: Perbandingan pemadatan papan partikel sekam padi Metode pengujian berdasarkan Standard Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus, dan dijabarkan dalam spesifikasi ASTM C177-92 (ASTM, 1994b). Untuk menentukan nilai 113


konduktifitas termal digunakan persamaan (7), dengan q adalah besarnya sumber kalor (Watt). Dalam penelitian ini lingkungan diisolir dengan temperatur dan tekanan tertentu, untuk lebih jelas lihat Gambar 4.

Gambar 4: Kotak pengujian konduktivitas panas metode ASTM yang dimodifikasi Keterangan: 1. sumber panas yang terukur nilai kalornya 2. ruang isolasi sumber panas 3. lempeng panas (titik pengukuran suhu sumber panas) 4. titik pengukuran suhu pada benda uji (untuk menentukan gradient temperatur. 5. ruang isolasi 6. benda uji (papan partikel sekam) Adapun prosedur pengujian sebagai berikut: 1. Sumber panas ditempatkan pada ruang terisolasi (2). 2. Dilakukan pengukuran temperatur pada lempeng logam panas (3) dan permukaan bahan uji(4), untuk menentukan gradient temperatur. Pengujian dan pengukuran dilakukan pada masing-masing benda uji.Adapun bentuk alat uji koduktivitas seperti terlihat pada gambar di bawah ini (gambar 5)

Gambar 5: Kotak pengujian Konduktivitas Termal Horisontal, ukuran 30x40cm Sebagaimana tumbuh-tumbuhan lain, sekam padi juga mempunyai kandungan silika yang tinggi. Konsentrasi silika dapat ditemukan pada keadaan sekam padi atau tumbuhan kering, yang besarnya tergantung dari jenis tanah tempat tumbuhan padi tumbuh, jenis tanaman dan juga tergantung dari iklim dimana tumbuhan padi tumbuh. Konsentrasi silika pada sekam kering berkisar 21, 5 % dari berat, dan 12 % pada daun keringnya (Sumber: MF de souza, PS Batista; Rice hullderived silica: Application in portland cement and mullite whiskers).

114


Total konsentrasi dari oksida inorganik lain yang berikatan dengan silika mendekati 5 %. Sekam padi mempunyai berat sekitar 20 % dari bagian kering yang keras dari padi; maka total jumlah silika dalam sekam padi dapat mencapai 4 % dari total berat padi kering. Setiap tahunnya produksi sekam padi dunia mencapai 80 juta ton, maka silika yang dihasilkan per tahunnya adalah 3,2 juta ton. (Sumber: MF de souza, PS Batista; Rice hull-derived silica: Application in portland cement and mullite whiskers) Pada pengujian konduktivitas termal disini perbandingan kompresi berpengaruh sekali, karena apabila semakin padat suatu papan partikel maka akan cenderung menunjukan kegetasan dari papan, tetapi sebaliknya jika kepadatannya proporsional maka keelastisitasannya akan lebih baik. Perbandingan kompresi hampir tidak berpengaruh terhadap kekuatan tarik, hal ini menunjukan kepada kita bahwa perbandingan kompresi apabila tidak dibarengi dengan perbandingan komposisi yang tinggi, maka tidak akan meningkatkan kekuatan tariknya. (Nugroho, 2005: 42). Perpindahan kalor adalah ilmu yang mempelajari tentang perpindahan kalor dan tidak hanya menjelaskan bagaimana energi kalor itu dipindahkan dari satu benda ke benda yang lain, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan kalor dan konduktivitas termal bahan. (Kreith, 1986: 1). Perlu dibedakan antara temperatur dan kandungan kalor suatu bahan. Temperatur adalah level aktivitas termal sedangkan kandungan kalor adalah energi termal. Pada umumnya perpindahan panas mengenal tiga cara perpindahan, yaitu: Konduksi (hantaran), Konveksi (ilian), Radiasi (sinaran). Perpindahan panas konduksi atau hantaran adalah perpindahan energi dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah didalam media diam (padat atau cair) dengan melintasi media tersebut terdapat perbedaan temperatur atau temperatur gradien. Kerugian energi yang diakibatkan oleh perpindahan panas konduksi melalui dinding yang sebagai pemisah antara ruangan dengan udara luar. Untuk mengetahui besarnya proses perpidahan kalor digunakan persamaan ini untuk menghitung besarnya energi yang dipindahkan persatuan waktu. Untuk konduksi persamaan perpindahan kalor tersebut dikenal dengan hukum Fourier untuk dinding datar satu dimensi dan arahnya seperti terlihat pada gambar 6. di bawah ini.

Gambar 6: Perpindahan Panas Konduksi Satu Dimensi (Incropera & David, 1987: 4) Konduktivitas suatu bahan merupakan sifat termofisik yang berupa sifat transpor untuk transfer kalor. Konduktivitas termal merupakan suatu nilai konstanta dari suatu bahan yang menunjukkan kemampuan untuk mentransfer kalor dan dapat memberikan keterangan ketahanan panas dari suatu benda. Persamaan Fourier merupakan persamaan dasar tentang konduktivitas termal, yang mana dengan persamaan tersebut dapat dilakukan perhitungan dalam percobaan untuk menentukan konduktivitas thermal suatu benda. Nilai konduktivitas termal menunjukan seberapa cepat kalor mangalir dalam bahan tertentu. Hukum Fourier yang merupakan presentasi persamaan laju perpindahan kalor konduksi (q) berasal dari fenomena fisik. Laju perpindahan kalor konduksi suatu bahan berbanding lurus dengan beda temperatur, seperti ditunjukkan pada persamaan di bawah ini:

q x ∞A dalam hal ini:

ΔT Δx

(1)

A = luas permukaan yang dilewati kalor (konstan) ΔT=T1-T2 115


Apabila pada persamaan tersebut dimasukkan koefisien yang terkait dengan sifat bahan (k), maka persamaan (1) menjadi:

q x = − kA dengan

dT dx

(2)

dT adalah gradien temperatur. dx

Apabila pada suatu dinding datar dimana pada suatu sisinya terdapat fluida panas A, dan pada sisi lainnya fluida B yang lebih dingin. Perpindahan kalor dinyatakan oleh

q = h1 A(T A − T1 ) =

kA (T1 − T2 ) = h2 A(T2 − TB ) Δx

(3)

Proses perpindahan kalor dapat digambarkan dengan jaringan tahanan seperti pada gambar 7. dibawah. Perpindahan kalor menyeluruh dihitung dengan jalan membagi beda suhu menyeluruh dengan jalan membagi beda suhu menyeluruh dengan jumlah tahanan termal:

q=

T A − TB 1 / h1 A + Δx / kA + 1 / h2 A

(4)

Gambar 7: Perpindahan kalor menyeluruh melalui dinding datar (Holman, 1997: 33) Nilai 1/hA digunakan disini untuk menunjukan tahanan konveksi. Aliran kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi bisa dinyatakan dengan koefisien perpindahan kalor menyeluruh U, yang dirumuskan dalam hubungan q = UA ΔTmenyeluruh (5) Dalam hal ini A adalah luas bidang aliran kalor. Sesuai dengan persamaan (5), koefisien perpindahan kalor menyeluruh dipatkan:

U=

1 (6) Untuk mencari koefisien yang terkait dengan sifat bahan (=angka 1 / h1 + Δx / k + 1 / h2

konduktivitas bahan) k, perlu mengetahui temperatur permukaan bahan dari arah sumber panas (T1) dan temperatur T2. Sumber kalor (q) melalui bahan uji dengan tebal (L) dan luas penampang (A) pada temperatur (T)dapat dihitung dengan persamaan yang telah disesuaikan dengan permasalahan berdasar Holman (1997:27) sebagai berikut:

k=

Lsekam x Asekam (7) L x APlat T1 − T2 − Plat q k Plat

Dengan: q = Laju perpindahan panas (W) k = Konduktivitas termal baha (W/m o C ) A = Luas penampang benda = P x L (m) T1 , T2 = Temperatur muka dinding ( o C ) L = Tebal dinding (benda uji dan lempeng panas) (m) 116


HASIL DAN PEMBAHASAN Data-data dari hasil penelitian menunjukkan perbandingan nilai temperatur yang berbeda berdasarkan variasi kepadatan bahan papan. Hasil pengujian rata-rata angka konduktivitas termal papan sekam ditunjukkan pada gambar 8 (sumber kalor 80 watt) dan 9 (sumber kalor 70 watt) di bawah ini.

ANGKA KONDUKTIVITAS TERMAL

I 0.12 0.1 0.08 I

0.06 0.04 0.02 0 6→1

5→1

4→1

3→1

KEPADATAN

Gambar 8: Grafik angka konduktivitas termal papan sekam padi dengan sumber kalor 80 watt Dari grafik nilai rata-rata angka konduktivitas termal sumber kalor 80 watt tersebut dapat diketahui angka konduktivitas termal tertinggi sebesar 0,103 w/m˚C pada kepadatan 3-1 dan angka konduktivitas termal terendah sebesar 0,082 w/m˚C pada kepadatan 6-1. Kepadatan 6-1 berarti pana sekam beasal dari ketebalan 6 cm yang kemudian dipadatkan menjadi ketebalan 1 cm, atau paling padat dari keempat variasi kepadatan tersebut. Dapat ditarik kesimpulan bahwa papan partikel sekam padi yang terpadat (6-1) merupakan bahan isolator yang terbaik karena mempunyai angka konduktivitas termal terendah. Gambar berikutnya (5.2.) menunjukkan nilai rata-rata angka konduktivitas termal sumber kalor 70 watt yang tertinggi sebesar 0,133 W/m.˚C pada kepadatan 3-1 dan angka konduktivitas termal terendah sebesar 0,096 W/m˚C pada kepadatan 6-1. Hal ini juga menunjukkan bahwa variasi kepadatan pada ketebalan sama berpengaruh pada angka konduktivitas papan sekam.

ANGKA KONDUKTIVITAS TERMAL

I 0.14 0.12 0.1 0.08

I

0.06 0.04 0.02 0 6→1

5→1

4→1

3→1

KEPADATAN

Gambar 9: Grafik angka konduktivitas termal papan sekam padi dengan sumber kalor 70 watt Hasil pengujian pada bahan pembanding yaitu papan gabus (Styrofoam) ditunjukkan pada gambar di bawah ini (Gambar 10) menunjukkan hasil rata-rata nilai konduktifitas termal dari styrofoam dengan variasi ketebalan.

117


I 0.2

NILAI k

0.15 0.1

I

0.05 0 1 cm

1,5 cm

2 cm

TEBAL STYROFOAM

Gambar 10: Grafik angka konduktivitas termal papan gabus dengan sumber kalor 80 watt Dari grafik nilai rata-rata angka konduktivitas termal gambar 5-3 diatas dapat diketahui bahwa angka konduktivitas termal tertinggi sebesar 0,19 w/m˚C pada ketebalan 2 cm dan angka konduktivitas termal terendah sebesar 0,095 W/m˚C pada ketebalan 1cm. Hal ini menunjukkan bahwa penggunaan gabus sebagai isolator yang terbaik adalah gabus dengan tebal 1 cm. Hal ini menunjukkan bahwa ketebalan berpengaruh terhadap kemampuan isolasi bahan. Hasil penelitian studi banding yang telah dilakukan menunjukkan bahwa papan sekam padi pada kepadatan 6-1 dengan ketebalan 2 cm mempunyai angka konduktivitas 0,096 W/m˚C dibandingkan dengan papan gabus sebesar 0,095 W/m˚C.

KESIMPULAN Angka konduktivitas perpindahan kalor yang paling besar diperoleh pada papan partikel sekam padi dengan kepadatan 3-1 yaitu sebesar 0,133 W/m˚C (sumber kalor 70 Watt) dan 0,103 W/m˚C (sumber kalor 80 watt). 1. Angka konduktivitas perpindahan kalor yang terendah pada papan partikel sekam padi dengan kepadatan 6-1 yaitu sebesar 0,096 w/m˚C (sumber kalor 70 watt) dan 0,082 W/m˚C (sumber kalor 80 watt). 2. Angka konduktivitas perpindahan kalor papan gabus (Styrofoam) rata-rata diperoleh sebesar 0,095 W/m ˚C. 3. Papan sekam padi mempunyai angka konduktivitas termal yang dapat bersaing dengan papan gabus dengan kelebihan bahwa papan sekam padi merupakan bahan yang ramah lingkungan dibanding papan gabus. DAFTAR PUSTAKA _________, 1980, “The Encyclopedia of wood pp 68-75”, Sterling Publishing Co, _________,1991. “ASTM Standard Flexural Strength of advanced Ceramics at Ambient Temperature”, ASTM Standard C1161, American Society for Testing Materials, Philadelpia, PA. _________,1994.”, ASTM Standard Test Method for Steady-State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus, dan dijabarkan dalam spesifikasi ASTM C177-92. American Society for Testing Materials, Philadelpia, PA. De souza, M.F,dan PS Batista, 2004 “Rice hull-derived silica: Application in Portland Cement and Mullite Whiskers”. www.fftc.org Holman, J. P., 1997, Perpindahan Kalor, edisi keenam, (Alih Bahasa: E, Jasjfi), Erlangga, Jakarta. Incropera, Frank P. & Dewitt, David P., 1990, Fundamentel of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons. Inc., New York. Kreith, F., 1976, Prinsip-prinsip Perpindahan Panas, Terjemahan A Prijono, edisi 3, Penerbit Erlangga, Jakarta. Nugroho, A. T., 2005, Kekuatan Tarik Dan Bending Papan Partikel Dari Resin Dan Sekam Padi, Tugas Akhir, Teknik Mesin, Institut Sains Dan Teknologi Akprind Yogyakarta. William, Smith F., 2000 “Principles of Materials And Engineering” 3rd Edition,Mc Graw Hill International Edition. 118

STUDI BANDING KONDUKTIFITAS PANAS ANTARA GABUS (STYROFOAM) DENGAN SEKAM PADI

Recommend Documents