TUGAS AKHIR PERANCANGAN KOMPOR BRIKET BIOMASS UNTUK LIMBAH KOPI Arga Setia Tama NRP. 2408 100 018 PEMBIMBING I Ir. Sarwono, M.MT NIP : 19580530198303 1 002 PEMBIMBING II Ir. Ronny Dwi Noriyati, M Kes NIP : 195711261984032002
Rekayasa Energi dan Pengkondisian Lingkungan Jurusan Teknik Fisika - Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2012
LATAR BELAKANG(A)
solusi Harga minyak tanah yang mencapai Rp 9.000 per liter. Emisi karbon CO mencapai 250-390 ppm
Estimasi briket dari limbah kopi 1 kg briket hanya Rp 900,-
pemanfaatan
Pembakaran 1 kg briket selama 2-3 jam rata-rata 106 ppm
Perpres No. 15/2012 1 liter minyak tanah = 1,6 kg briket. Hasil uji Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT)
Pemanfaatan yang kurang maksimal dalam efisiensi termalnya
LATAR BELAKANG(B) Faktor yang harus diperhatikan Ketinggian tempat bahan bakar Ketinggian maksimum tempat bahan bakar adalah sampai di bawah lubang sekunder.
Perlakuan kompor yang maksimal(mempuny ai efisiensi termal)
Sistem kisi Kompor dengan bahan bakar briket harus memiliki kisi . Berfungsi sebagai distributor aliran udara primer. Ukuran alat memasak atau bejana yang digunakan sedikit lebih besar daripada diameter ruang pembakaran. Bahan konstruksi Bahan kompor harus mempunyai kekuatan yang baik, dapat terbuat dari logam, gerabah, keramik atau batu tahan api.
Diperlukan design kompor briket yang mempunyai efisien termal maksimal
RUMUSAN MASALAH Bagaimana merancang sebuah kompor briket untuk limbah kopi yang efisien dan ekonomis?
TUJUAN PENELITIAN Merealisasikan dan menganalisis kompor briket yang efisien Dan ekonomis.
BATASAN MASALAH Perancangan
dilakukan untuk tempat briket. Kondisi pembakaran steady state. Perpindahan panas radiasi diabaikan. Kerugian panas dihitung dari abu dan dinding kompor. Jenis briket yang digunakan adalah briket limbah kopi. Tidak membahas material kompor. Simulasi menggunakan CFD.
HASIL PENELITIAN SEBELUMNYA ING. SJOERD NIENHUYS 2003
“ The Beehive Charcoal Briquette Stove in the Khumbu Region, Nepal”. Untuk mengurangi panas yang hilang harusnya memampatkan antara tempat bakar dengan api yang keluar dan untuk meredam asap pembakaran.
CITRIA NOVENTY 2008 “Perancangan kompor hemat energi dengan bahan bakar briket biomass”. Semakin besar massa briket, maka semakin kecil nilai efisiensinya dan semakin besar massa air awal maka semakin besar pula nilai efisiensinya.
Gambar keseluruhan
Tempat briket
Bagian luar
CITRIA NOVENTY 2008
Dari hasil perancangan kompor dihasilkan kompor berbentuk segi-6 yang memiliki prosentase energi yang hilang pada dinding sebesar 13,7% dengan dimensi 10 cm untuk tinggi dan sisinya 18,3 cm dengan tempat briket berbentuk balok yang tingginya 10 cm dan sisinya 17,3 cm. Efisiensi kompor total Massa briket
32, 47 % 0,15kg
METODOLOGI PENELITIAN
PERANCANGAN KOMPOR BRIKET
DATA PRIMER Dimensi sebagai berikut : Diameter (d) Ketebalan (t) Volume Berat (m)
: 4 cm : 1,4 cm : 753,6 cm3 : 19,5 gr
Pengambilan data kompor yang diuji berdasarkan massa briket, massa air, perubahan suhu, massa uap air untuk menentukan efisiensi total dan heat loss total.
Untuk menghitung tempat briket dilakukan analisis dimensi dari briket, yang kemudian dikali dengan perbandingan antara luas permukaan terhadap volume yang ada. Pengkalian terhadap luasan dan juga volume dianjurkan sebesar 1,5x.
PERANCANGAN KOMPOR BRIKET
DATA SEKUNDER Komponen
Kandungan (%) Karbon (C) 43,9% Hidrogen (H2) 4,8% Oksigen (O2) 49,60% Sulfur (S) 0,1% Nitrogen (N2) 1,6% Kadar air 11,40% Kadar abu 4, 10 % Zat yang mudah 64, 40% terbakar Analisis ultimate dari limbah kulit kopi (Saenger, 2001)
Nilai perbandingan pengkali (untuk dimensi tempat briket) berdasarkan standard tempat briket yang dianjurkan, yakni senilai 1,5 X
SNI 7498:2008 “kompor briket batu bara
PERHITUNGAN DIMENSI TEMPAT BRIKET(A) Vr = 2,2 x Vb (dalam dimensi penuh) Vb=50 x 15,072 cm3 Vb=753,6 cm3 Vr=2,2 x 753,6 cm3 Vr=1658 cm3 Luas penampang 1 buah briket adalah 3,14 x 22= 12,56 cm2 Ar = 1,4 x Ab Ar=1,4 x 5 x 12,56 Ar=87,92 cm2
Nilai ini berdasarkan standard tempat briket yang dianjurkan, yakni senilai 1,5 X
Volume ruang bakar besarnya 2,8 volume briket dan luas ruang pembakaran 1,8
Isdianto, 2002. Syamsuri, 2007. Citria, 2008
PERHITUNGAN DIMENSI TEMPAT BRIKET(B) Silinder Vr = 1658 cm3 Ar= 87,92 cm2 Besarnya tinggi silinder adalah: Hr=1658 / 87,92 Hr = 18,5 cm Dan untuk jari-jari silinder dapat dicari dengan cara berikut : Rr=
Balok Vr = 1658 cm3 Ar= 87,92 cm2 Besarnya tinggi Balok adalah: Hr=1658 / 87,92 Hr = 18,5 cm Permukaan atas berupa persegi, sehingga panjang satu sisi persegi adalah:
Segi Enam Vr = 1658 cm3 Ar= 87,92 cm2 Besarnya tinggi Balok adalah: Hr=1658 / 87,92 Hr = 18,5 cm Besarnya sisi prisma segi enam adalah : Ar = 3/2 Rr2
Sr=
Rr=
Sr = 9,4 cm Rr= 5,8 cm
Rr= 5,3 cm SNI 7498:2008 “kompor briket batu bara
PERHITUNGAN DIMENSI KOMPOR BAGIAN LUAR
Badan kompor paling baik berumur hingga +/- 4 tahun. Perhitungan badan kompor dilakukan saat nilai tempat briket diketahui. Yakni dengan menambah panjang 2,5 cm dari diameter dalam, digunakan sebagai dudukan dan juga 7,5 cm dari dasar tempat briket sebagai tempat jatuhnya abu.
UDARA YANG DIBUTUHKAN KOMPOR BRIKET Perhitungan kelebihan udara
Proses pembakaran teoritis
Proses pembakaran aktual
Excess air (kelebihan udara)
Jari-jari lubang udara
HASIL PERANCANGAN
Gambar keseluruhan
Tempat pembuangan abu
Saat pembakaran briket
Tempat briket
Saat pembakaran bercampur minyak
BAGIAN 1
PENENTUAN KOMPOR UNTUK PENGUJIAN
Metode pemilihan kompor adalah menghitung hambatan dari dinding kompor Nilai Hambatan Konveksi I
Perhitungan termal konveksi gas dalam tempat briket Nama N (tempat o briket) 1 silinder 2
balok
3
prisma
RaL (reynold number) 4,497301349 . 10-16 3,946019090 . 10-16 4,932524060 . 10-16
NuL (nusselt number) 0,6800747309
No
Nama (tempat briket)
1
silinder
0,6800723723
2
balok
0,6800764980
3
prisma
Nilai Hambatan Konduksi I No 1 2 3
Nama (tempat briket) silinder Balok prisma
Kc (konduktivitas termal) 360 360 360
H (nilai hambatan panas)
Rkonv
192614, 714108437 219523, 362159706
5,191711363.10-5
175619, 754497888
5,694120247.10-5
4,555323816.10-5
Rkond L(m) 0,003 0,003 0,003
8,33 . 10-6 8,33 . 10-6 8,33 . 10-6
BAGIAN 2
No
konveksi dari tempat briket bagian luar menuju main body bagian dalam :
Nilai Hambatan Konveksi II :
Nama (tempat briket)
RaL (reynold number)
1
silinder
7,25371185375.10-17 0, 68004737822
2
balok
7,25371185375.10-17 0, 68004737822
3
prisma
7,25371185375.10-17 0, 68004737822
Nama No (tempat briket)
h (nilai hambatan panas)
Rkonv
1
silinder
-6 1194163, 19615459 0, 83740648. 10
2
balok
-6 1194163, 19615459 0, 83740648. 10
3
prisma
-6 1194163, 19615459 0, 83740648. 10
Nilai Hambatan Konduksi II :
NuL (nusselt number)
Nama No (tempat briket) 1 silinder 2 balok 3 prisma
Kc (konduktivitas termal) 54 54 54
L(m)
Rkond
0,004 0,004 0,004
7,40 . 10-5 7,40 . 10-5 7,40 . 10-5
BAGIAN 3 Konveksi main body bagian luar menuju udara bebas :
Nilai Hambatan Konveksi III :
Nilai Efisiensi Terhadap Dinding
No 1 2 3
No
Nama (tempat briket)
RaL (reynold number)
NuL (nusselt number)
1
silinder
5,42575994. 10-16
0,680078352455
2 3
balok prisma
4,87448836. 10-16 5,860993137.10-16
0,680076281798 0,680079878788
Nama (tempat briket) Silinder Balok Prisma
Rtotal
A(m2)
QL
9,462263303. 10-5 9,334986266. 10-5 9,562744742. 10-5 13,76%
0,126 0,126 0,126
410837, 74 374153, 73 439160, 52
No
Nama (tempat briket)
Qb Kalor yg dhasilkan
QL Kalor yg hilang
Efisiensi total (%)
1
silinder
18897, 78
410837, 74
21, 74
2
balok
18897, 78
374153, 73
19,79
3
prisma
18897, 78
439160, 52
23,23
KOMPOR YANG DIPILIH
Kompor yang dipilih adalah berbentuk balok dengan ukuran dimensi 18,5 cm dan 9,4 cm di tiap sisinya. Dengan lubang udara sebanyak 15 buah berdiameter 2 cm.
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Uji Efisiensi No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Mb (kg)
1 0,75 0,5 25 1 0,75 0,5 25 1 0,75 0,5 25
Ma Ma Mabu tdidih Awal akhir T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C) T4 (°C) Lama nyala (jam) (kg)
1 1 1 1 1,5 1,5 1,5 1,5 2 2 2 2
(kg)
0,187 30,5 0,308 33 0,41 33 0,55 28 0,64 27 0,914 27 1,15 25 1,3 26 1,11 26 1,4 27 1,631 25 1,655 26
85 79 73 74 75 75 75 75 73 72 73 69
66 65 62 64 60 62 56 56 56 53 56 53
84 78 73 71 75 75 74 73 71 72 71 69
(kg)
(menit)
0,112 0,091 0,072 0,053 0,112 0,091 0,072 0,053 0,112 0,091 0,072 0,053
11,5 17 29 97°C Gagal 13 22 35 95°C Gagal 17,3 87°C Gagal 87°C Gagal Gagal 82°C
3 2,5 2,1 2 3 2,5 2,1 2 3 2,5 2,1 2
BESARNYA EFISIENSI TOTAL Kode bakar No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Ma
Mb
1 0,75 0,5 0,25 1 0,75 0,5 0,25 1 0,75 0,5 0,25
1 1 1 1 1,5 1,5 1,5 1,5 2 2 2 2
M uap T2-T1 T4-T3 QL air 0,813 54,5 18 510,7 0,692 46 13 431,98 (dalam %) 0,59 40 11 369,01 15 ,73 0,45 46 722,59 295,55 0,86 50 15 19,42 528,54 0,786 48 13 26,41 484,654 0,735 50 18 464,165 32,47 251,955 0,345 49 17 0,89 47 15 541,71 0,6 45 19 387,4 0,55 48 15 359,45 0,345 43 16 244,955
Qs
Efisiensi total
4521 3390,75 2260,5 1130,25 4521 3390,75 2260,5 1130,25 4521 3390,75 2260,5 1130,25
11, 29 12,74 16,32 26,14 11,69078 14,29342 20,53373 22,29197 11,98208 11,4252 15,90135 21,67264
Grafik efisiensi dengan beda massa air
1kg
1,5kg
0,5kg
0,25kg
PERHITUNGAN HEAT LOSS TOTAL Kode bakar No
Dinding kompor
Ma
Mb
1 2 3 4
1 0,75 0,5 0,25
1 1 1 1
5
1
1,5
6
0,75
1,5
7
0,5
1,5
19,79
8
0,25
1,5
9
1
10
Bahan bakar
19,79 11,2 19,79 9,16 19,79 7,2 (dalam %) 19,79 5,3
84,27 19,79 77,419,26 19,79 80,586,06 73,59
Tak terduga
Heat loss total
Efisiensi total
57,72 58,31 56,69 48,77
88,71 87,26 83,68 73,86
11,29 12,74 16,32 26,14
59,25922 88,30922
11,69078
59,85658 85,70658
14,29342
4,8
54,87627 79,46627
20,53373
19,79 85,633,5
54,41803 77,70803
22,29197
2
19,79
5,6
62,62792 88,01792
11,98208
0,75
2
19,79
4,55
64,2348
88,5748
11,4252
11
0,5
2
19,79
3,6
60,70865 84,09865
15,90135
12
0,25
2
19,79
3
55,53736 78,32736
21,67264
GRAFIK HEAT LOSS
1kg
1,5kg
0,5kg
0,25kg
NILAI EKONOMIS Perhitungan nilai material SA283 gr. A(3mm) 3kg x Rp. 7.500,-/kg SA53gr.A (6 mm) 6kg x Rp 5.500,-/kg Pengelasan Pembubutan + pengeboran Cat tahan panas Total pengeluaran
= Rp 22.500,= Rp.33.000,=Rp. 25.000,=Rp. 30.000,=Rp. 15.000,=Rp. 125.500,-
Nilai Emisi Bahan Bakar No 1 2
3
4
Jenis kompor Kompor biji jarak Kompor listrik daya 500 watt Kompor minyak tanah Kompor briket
Kapasitas air 1 kg 1kg
1 kg
1kg
Bahan bakar yang dibutuhkan
Konversi dalam harga
26,6 gram / 8menit 500 watt / 4menit
Rp. 52,Rp.450,-
Harga kompor Harga per satuan (x1000) Rp. 2,-/gram kupasan Rp. 0,9,-/watt
Rp.150,-
Rp.500,-
0,25 liter / 8menit
Rp. 2.500,-
0,16 kg / 29menit
Rp. 840,-
Rp.10.000,-/liter Rp.150,Rp.5.000,-/kg
Rp.125,5,-
Contour Pembakaran
HASIL SIMULASI
VALIDASI SIMULASI DENGAN KONDISI
Sehingga, pada kondisi efisiensi yang paling tinggi saat dilakukan pengujian air tidak terjadi pendidihan karena countur pembakaran briket hanya besar pada titik tertentu, yakni bagian atas dari briket dan juga sebaran panas yang dihasilkan tidak mampu menyalurkan panas yang maksimal terhadap tempat air.
KESIMPULAN
Menghasilkan kompor briket kapasitas 1kg dengan tempat briket berbentuk balok berukuran tinggi 18,5 cm dan tiap sisi sebesar 9,4 cm. diikuti dengan diameter kompor bagian luar sebesar 25cm dan tinggi keseluruhan mencapai 25 cm. lubang udara sebanyak 15 buah berdiameter 2cm tanpa kisi. Efisiensi paling besar adalah sebesar 26,14 %, ketika pembakaran massa briket 0,25 kg dengan massa air 1 kg. Dapat mendidihkan air paling cepat 11,5 menit dengan massa briket 1 kg diikuti lama penyalaan briket hingga 3 jam. Didapatkan hasil dari perhitungan ekonomis bahwa harga untuk 1 unit kompor briket berharga Rp.125.500,- dan untuk mendidihkan air 1 liter dibutuhkan briket sebesar 0,16 kg sebanding dengan Rp.840,-.
TERIMA KASIH
Perhitungan kelebihan udara
Sehingga, analisis ultimate saat terbakar: Karbon (C) :43,9% x 0,845 = 37,09 % Hidrogen (H) :4,8% x 0,845 = 4,056 % :49,6% x 0,845 = 41, 91 % Oksigen (O2) Sulfur (S) :0,1% x 0,845 = 0,0845 % Nitrogen (N2) :1,6% x 0,845 = 1,352 %
BACK
Dilakukan asumsi yang terjadi pambakaran yang sempurna : %N2 = % nitrogen dalam gas buang = % N2 dalam udara + % N2dalam bahan bakar = 79% + 1,6 % = 80,6 % Besarnya karbon dioksida : %CO2 = 100 - %N2 = 100-80,6%= 19,4% Factor pengkali (unsur ultimasi) : 1 - M - A = 1 - 0,114 -0,041 = 0,845
PROSES PEMBAKARAN TEORITIS
Proses pembakaran teoritis didapatkan dari hasil rasio udara – bahan bakar teoritis: Nilai 0,232 di dalam perumusan adalah nilai fraksi massa O2 dalam udara bebas
PROSES PEMBAKARAN AKTUAL
BACK
Diasumsikan saat massa karbon yang terbakar hanya terbakar per satuan massa bahan bakar
Excess air (kelebihan udara) Koefisien pengenceran Jumlah O2 yang diperlukan untuk pembakaran bahan bakar sebanyak 1 kg :
Minimum udara yang dibutuhkan:
BACK
Sehingga, excess air : %kelebihan udara = 100(DC-1) %kelebihan udara = 100 (1,214 - 1) %kelebihan udara = 100 (0,214) %kelebihan udara = 21,4
JARI-JARI LUBANG UDARA
Keharusan udara yang masuk adalah sebanyak : Perhitungan Untuk Jumlah Udara Pada Kondisi Nyata:
MH2O = 0,02 kg air/ kg udara kering
Lubang udara :
Untuk estimasi laju pembakaran adalah :
Udara untuk 1 kg pembakaran / massa yang terbakar:
Sehingga lubang udara sebanyak 15 buah dan berdiameter 2 cm
BACK
laju aliran udara bakar :
UJI COLD START 1. 2. 3. 4. 5. 6.
7.
Mengisi pot uji dengan air (suhu sudah terhitung). Meletakkan thermometer. Mencatat massa material lain seperti kertas atau kerosin. Memulai pembakaran dengan 1.kg Setelah api menyala, selanjutnya mulai perhitungan waktu dengan timer. Tidak lupa mengontrol api. Setelah air mencapai suhu didih lokal, catat waktunya dan keluarkan semua bahan bakar sisa, dan abunya. Kemudian menimbang bahan bakar yang tersisa tidak terbakar. Mengukur massa pot uji dengan airnya.
UJI HOT START Uji Hot Start 1. 2. 3. 4. 5.
6. 7.
BACK
Mereset timer. Mengisi kembali pot uji. Menimbang air pot dengan airnya dan mengukur suhu awal air tersebut. Menghidupkan api bahan bakar. Memulai penghitungan dengan timer. Setelah mencapai titik didik, catat waktunya. Kemudian mengeluarkan semua bahan bakar sisa. Untuk abunya, tidak dibuang, tapi dibiarkan tetap di ruang pembakaran. Menimbang semua sisa bahan bakar dan dicatat. Menimbang pot uji dan airnya, kemudian dicatat.
Laju perpindahan panas
Nilai koefisien per.panas konveksi
Temperatur film Hambatan konveksi
Bilangan Nusselt(Re> 109) Bilangan reynold (konv.bebas) Bilangan Nusselt(Re<109)
PERBEDAAN INTERVAL MESHING Interval meshing =0,1. aspect rasio=1. Temp. sample=641°C
Interval meshing =0,5. aspect rasio=1. Temp. sample=715°C
Interval meshing =1. aspect rasio=1. Temp. sample=784°C Maka, error dari simulasi didapat sebesar 9,5 %
