RANCANG BANGUN DAN UJI PERFORMANSI TUNGKU KERAMIK BERPIPA SPIRAL DENGAN BAHAN BAKAR PADAT

Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 12 No. 3 [Desember 2011] 181-186 Rancang Bangun dan Uji Performansi [Ahmad dkk]

RANCANG BANGUN DAN UJI PERFORMANSI TUNGKU KERAMIK BERPIPA SPIRAL DENGAN BAHAN BAKAR PADAT Designing and Performance Test of Ceramic Furnace Spiral Tube with Solid Fuel Ary Mustofa Ahmad*, Ekoyanto Pudjiono, dan Arif Bambang Setyawan Jurusan Keteknikan Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Brawijaya Jl. Veteran – Malang 65145 *Penulis Korespondensi: email [email protected]

ABSTRAK Tujuan penelitian adalah untuk merancang dan menguji tungku pemanas berbahan dasar keramik berbahan bakar padat, dengan pipa spiral sebagai media pindah panas. Tujuan pemakaian keramik adalah untuk mencegah kehilangan panas sedangkan pipa bentuk spiral sebagai media pindah panas adalah untuk memperluas permukaan kontak. Pengujian performansi meliputi nilai kalor bahan bakar, kehilangan panas yang terjadi pada dinding, energi pada pipa spiral, efisiensi panas, efisiensi tungku keseluruhan dan efisiensi pemakaian bahan bakar. Pengujian dilakukan dengan dua jenis bahan bakar sebagai variasi perlakuan, yaitu arang kayu dan briket batu bara dan dilakukan tiga kali replikasi untuk setiap perlakuan dan parameter uji. Hasil uji performansi menunjukkan bahwa pemakaian bahan bakar briket batu bara memiliki hasil performansi yang lebih baik. Efisiensi termal tungku sebesar 30 % dan persentase pemakaian bahan bakar sebesar 97.44%. Kata kunci: tungku keramik, pipa spiral, pindah panas, bahan bakar padat ABSTRACT The objective of this research was to design and to test the performance of furnace heater that was made from ceramic with solid-fuel and with a spiral tube as a medium for heat transfer. The use of ceramic was aimed to prevent heat loss, and the use of spiral tube as a medium for heat transfer was to increase the contact surface. Performance test was done to include parameters such as calorific value of fuel, heat loss, thermal efficiency, furnace efficiency, and efficiency of fuel used. The test was conducted using two types of fuel as treatment, namely wood charcoal and coal briquettes, and with three times of replication for each treatment and test parameters. The test results indicated that the performance of the furnace using coal briquettes was better than using wood charcoal. The furnace thermal efficiency was 30% and the fuel consumption percentage was 97.44% Keywords: ceramics furnace, spiral tube, heat transfer, solid fuel bergantung pada komposisi penyusun bahan bakar. Menurut Williams et al. (2007), dengan mengetahui kandungan karbon (C) pada suatu bahan bakar serta mengetahui laju pembakarannya, kita dapat mengetahui besaran panas yang dihasilkan pada suatu proses pembakaran. Selain kandungan karbon (C), pada bahan bakar juga terdapat kandungan lain seperti sulfur (S) dan hidrogen (H). Meskipun merupakan bahan penyusun yang dominan pada bahan bakar, karbon (C) memiliki sifat tidak mudah teroksidasi oleh oksigen. Pada awal proses

PENDAHULUAN Tungku pemanas banyak digunakan untuk pengolahan pangan dan hasil pertanian. Performansi suatu tungku pemanas dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti jenis bahan bakar, sistem aliran udara pembakaran untuk mensuplai oksigen bagi pembakaran, serta bentuk dan bahan tungku. Bahan bakar yang dapat digunakan pada tungku adalah bahan bakar cair, gas dan padat (UNEP, 2006). Setiap jenis bahan bakar memiliki spesifikasi yang berbeda-beda,

181

Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 12 No. 3 [Desember 2011] 181-186 Rancang Bangun dan Uji Performansi [Ahmad dkk] pembakaran, unsur lain seperti sulfur (S) dan hidrogen (H) berperan penting dalam mempercepat proses pembakaran, utamanya pada bahan Karbon (C) pada bahan bakar (White et al., 2008). Bahan pembuat tungku akan berpengaruh pada usia dan efisiensi tungku. Salah satu bahan yang dapat digunakan adalah keramik. Keramik refraktori merupakan bahan padat anorganik bukan logam yang sukar meleleh pada suhu tinggi dan banyak digunakan di dalam industri termperatur tinggi sebagai material dinding batu tahan api (Soedarto, 2008). Bahan apapun dapat digambarkan sebagai ”refraktori” jika bahan ini dapat bertahan terhadap abrasi atau korosi bahan padat, cair, atau gas pada suhu tinggi. Persyaratan bahan refraktori adalah tahan terhadap suhu tinggi, tahan terhadap perubahan suhu yang mendadak, tahan terhadap lelehan terak logam, kaca, gas panas, tahan terhadap beban pada kondisi perbaikan, tahan terhadap beban dan gaya abrasi, menghemat panas, memiliki koefisien ekspansi panas yang rendah, dan tidak mencemari bahan yang bersinggungan (UNEP, 2006). Dalam pembuatannya, tungku penghasil panas ini dari bahan keramik ini melalui proses pembakaran pada suhu tinggi (Sahari et al., 2009). Penelitian bertujuan untuk mendesain tungku penghasil panas yang terbuat dari bahan keramik dengan pipa spiral sebagai media penukaran kalor, serta menguji unjuk kerjanya menggunakan dua jenis bahan bakar yaitu briket batu bara dan arang. Desain tungku dengan pipa spiral dimaksudkan untuk memperluas kontak perpindahan panas, sehingga proses pemindahan panas bisa optimal dan dapat meminimalisir kehilangan panas yang terjadi dalam perjalanan udara panas dari ruang bakar menuju saluran pengeluaran tungku.

pengolahan bahan. Tujuan pengolahan bahan ini adalah untuk mengolah bahan baku dari berbagai material yang belum siap pakai menjadi badan keramik plastis yang telah siap pakai. Dalam proses pembentukan material menjadi keramik yang siap pakai perlu memperhatikan tingkat kehomogenan bahan, kadar air serta udara yang terperangkap pada bahan. Pembentukan adonan keramik yang telah siap kemudian dibentuk sesuai dengan desain yang telah direncanakan menggunakan teknik pembentukan langsung. Adapun desain tungku keramik ditunjukkan pada Gambar 1. Tungku keramik yang telah dibentuk kemudian dikeringkan. Proses pengeringan pada tungku kermik yang telah dibentuk bertujuan untuk menghilangkan air plastis yang terikat pada bahan keramik yang telah dibentuk. Proses pengeringan tungku keramik dilakukan secara lambat yang bertujuan untuk menghindari retak atau cracking. Proses pengeringan yang terlalu cepat akan mengakibatkan keretakkan dikarenakan hilangnya air secara tiba-tiba tanpa diimbangi penataan partikel tanah liat secara sempurna, yang mengakibatkan penyusutan mendadak. Untuk menghindari pengeringan yang terlalu cepat, pada tahap awal tungku keramik diangin-anginkan pada suhu kamar. Setelah tidak terjadi penyusutan, pengeringan dengan sinar matahari langsung. Tungku keramik yang telah kering kemudian dibakar pada suatu tungku pembakar bersuhu tinggi dengan kisaran suhu 700-1500 ºC selama 22 jam. Setelah

BAHAN DAN METODE Rancang Bangun Tungku Bahan pembuatan tungku sekaligus pipa spiral adalah keramik jenis Ball Clay dan Chamotte. Proses pembuatan tungku dimulai dengan penyiapan bahan dan alat yang dibutuhkan dalam proses rancang bangun. Langkah pertama yang dilakukan dalam pembuatan tungku keramik ini adalah

Gambar 1. Rancang bangun tungku dengan pipa spiral. (1) input udara, (2) output udara panas, (3) ruang bakar, (4) dinding tungku, (5) tutup tungku, (6) alas tungku, (7) pipa spiral

182

Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 12 No. 3 [Desember 2011] 181-186 Rancang Bangun dan Uji Performansi [Ahmad dkk] mengalami proses pembakaran, tungku dibersihkan dari kotoran yang timbul selama proses pembakaran.

Trb : suhu ruang bakar (K) Tlink : suhu lingkungan (K) Energi pada pipa spiral Energi pada pipa spiral dihitung dengan mempertimbangkan energi yang ada pada input dan output pipa spiral sebagaimana terdapat pada persamaan 3. Qi/o = Vi/o x Cp x r x Ai/o x Ti/o ..… (3) dengan Qi/o : laju aliran panas masuk/keluar (W) Vi/o : kecepatan udara masuk/keluar (m/detik) Cp : panas jenis spesifik (J/kgK) ρ : densitas udara (kg/m3) Ai/o : luas permukaan masuk/keluar (m2) Ti/o : suhu udara masuk/keluar (K)

Pengujian Unjuk Kerja Tungku Pengujian unjuk kerja tungku keramik dilakukan dengan beberapa parameter yang meliputi: Nilai kalor bahan bakar, energi pembakaran (QT), energi panas yang hilang pada tungku (QL), energi pada pipa spiral, efisiensi pipa spiral, efisiensi panas, efisiensi tungku, dan efisiensi pembakaran. Data yang diambil selama pengamatan meliputi suhu pada beberapa titik pengamatan dan lama pembakaran. Titik-titik pengambilan data suhu meliputi suhu pada dinding tungku sisi luar dan dalam, alas tungku sisi luar dan dalam, tutup tungku sisi luar dan dalam, ruang bakar, input pipa spiral, output pipa spiral, dan suhu lingkungan. Pengamatan dilakukan setiap 15 menit. Bahan bakar yang digunakan dalam pengujian adalah arang kayu dan briket batu bara. Jumlah bahan bakar yang digunakan untuk setiap pengukuran adalah 200 gram dan dilakukan tiga kali ulangan untuk setiap perlakuan.

Efisiensi Termal Efisiensi termal merupakan perbandingan antara suhu yang terpakai (suhu rataan pada output) dengan suhu yang tersedia (suhu rataan pada ruang bakar) dan suhu rataan pada input. Efisiensi panas dapat dirumuskan dengan persamaan 4. ..……..(4) Tout ´ 100% termal = Trb + Tin dengan htermal : Efisiensi termal (%) Trb : Rerata suhu ruang bakar (ºC) Tin : Rerata suhu masuk (ºC) Tout : Rerata suhu keluaran (ºC)

Nilai Kalor Bahan Bakar Pengukuran nilai kalor bahan bakar padat (arang kayu dan briket batu bara) dilakukan dengan menggunakan Bomb Calorimeter. Energi pembakaran (QT) Energi pembakaran dihitung dengan menggunakan persamaan 1. QT = mBB × EBB.. ………………..….(1) dengan mBB : massa bahan bakar (g) EBB : nilai kalor bahan bakar (kal/g) Energi panas yang hilang Panas yang hilang terjadi pada seluruh sisi tungku (dinding, alas dan tutup tungku). Perhitungan laju aliran panas pada masingmasing sisi tungku dihitung dengan menggunakan persamaan 2. QL = UA(Trb – Tlink) ………………(2) dengan QL : laju aliran panas (W) U : koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/mK) Ad : luas permukaan dinding (m2)

Efisiensi tungku Efisiensi tungku merupakan perbandingan antara energi yang keluar dari tungku (yang siap di gunakan) dengan energi yang tersedia. Hal ini tidak hanya tergantung pada baiknya efisiensi pembakaran bahan bakar tetapi juga pada panas yang hilang pada tungku oleh mekanisme pindah panas (Braunbeck dan Muhlbauer dalam Kratzeisen dan Muller, 2009). Perhitungan efisiensi tungku dilakukan dengan menggunakan persamaan 5. ... (5) Q - Q + (Q - Q ) T

=

T

å

L

QT

out

in

´ 100%

dengan hT : efisiensi tungku (%) ∑QL : rerata jumlah besarnya energi yang hilang sistem (kJ) Qin : energi input pipa spiral (kJ)

183

Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 12 No. 3 [Desember 2011] 181-186 Rancang Bangun dan Uji Performansi [Ahmad dkk] Qout : energi output pipa spiral (kJ) QT : energi panas tersedia (kJ)

keramik yang berdiameter 5.08 cm yang disesuaikan dengan ukuran diameter keluaran dari blower, ketebalan pipa spiral adalah 0.5 cm. Pipa spiral terletak melingkar dari bawah ke atas pada dinding tungku bagian dalam, input pipa di sambungkan pada blower sedangkan udara keluaran akan dikeluarkan melalui output pipa.

Persentase pemakaian energi bahan bakar Efisiensi pembakaran pada suatu tungku tergantung pada kesempurnaan pembakaran bahan bakar. Suatu pembakaran bahan bakar yang efisien menjadi dasar pencapaian efisiensi tungku (Braunbeck dan Muhlbauer dalam Kratzeisen dan Muller, 2009). Suatu pembakaran yang efisien akan menghemat penggunaan bahan bakar. Persentase penggunaan energi bahan bakar dihitung menggunakan persamaan 6. E BB - E sp E pb = ´ 100% E BB ……….(6) dengan Ppb : persentase pemakaian energi bahan bakar (%) EBB : nilai kalor bahan bakar awal (kal/g) Esp : nilai kalor sisa pembakaran (kal/g)

Nilai Kalor Bahan Bakar Bahan bakar yang digunakan dalam pengujian ini adalah biket batu bara dan arang kayu. Nilai kalor bahan bakar briket batubara adalah 4996.74 kal/g, sedangkan pada bahan bakar arang adalah 6918.56 kal/g.

Hasil Perancangan Tungku Tungku dengan pipa spiral hasil perancangan terbuat dari bahan keramik dengan diameter 25 cm, tinggi 28 cm, tebal dinding samping dan bawah 1 cm, diameter tutup 25 cm dengan ketebalan 0.5 cm. Pada bagian bawah tungku terdapat lubang berbentuk segi empat dengan panjang 10 cm dan lebar 5 cm. Hasil perancangan tungku dengan pipa spiral terdapat pada Gambar 2. Pipa spiral berfungsi sebagai tempat mengalirkan udara dari blower kemudian pipa spiral ini akan dipanasi selama proses pembakaran. Pipa spiral terbuat dari bahan

Hasil Pengukuran Kehilangan Panas Kehilangan panas tungku terjadi pada dinding, alas dan tutup tungku. Kehilangan panas pada masing-masing bagian terihat pada Gambar 3. Gambar 3 memperlihatkan bahwa kehilangan panas terbesar terjadi pada bagian atap tungku. Hal ini terjadi karena udara yang lebih panas memiliki densitas yang lebih rendah dan akan menuju ke atas, sehingga suhu bagian atas merupakan suhu yang tertinggi dibanding bagian dinding dan alas. Secara keseluruhan, nilai kehilangan panas pada pengujian tungku dengan menggunakan bahan bakar arang lebih tinggi jika dibanding dengan bahan bakar briket batu bara. Hal ini terjadi karena berdasarkan pengujian, nilai kalor bahan bakar arang lebih tinggi dibandingkan dengan bahan bakar briket batu bara, sehingga suhu yang lebih tinggi yang dihasilkan dari hasil pembakaran arang akan memperbesar laju pindah panas dari dalam ke lingkungan akibat gradient suhu yang semakin besar.

Gambar 2. Tungku dengan pipa spiral

Gambar 3. Kehilangan panas pada tungku

HASIL DAN PEMBAHASAN

184

Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 12 No. 3 [Desember 2011] 181-186 Rancang Bangun dan Uji Performansi [Ahmad dkk] dibandingkan dengan nilai kalor briket batu bara, namun efisiensi energi dan termal pada arang lebih rendah meskipun konsumsi bahan bakar lebih tinggi. Hal ini dapat dimungkinkan karena pembakaran yang tidak sempurna terjadi pada arang, sehingga banyak energi dalam bahan bakar yang terbuang. Kemungkinan lain adalah efisiensi pembakaran arang yang kecil sehingga meskipun nilai kalor tinggi, namun kalor yang tersedia dari proses pembakaran kecil. Parameter tingkat efisiensi tungku dapat dijadikan patokan yang paling tepat dalam menentukan bahan bakar yang paling efektif untuk digunakan (Tamrin dan Firmayanti, 2008). Dari hasil perhitungan dapat diambil kesimpulan bahwa bahan bakar briket batu bara adalah bahan bakar yang paling efektif untuk digunakan pada tungku hasil rancangan. Selain itu, menurut Belia dalam Tamrin dan Firmayanti (2008), penggunaan briket batu bara pada tungku yang digunakan untuk memasak air memiliki tingkat efisiensi yang cukup tinggi, sekira 31-33%, dimana nilai efisiensi ini sudah memperhitungkan pemakaian energi untuk memasak air. Faktor lain yang perlu diperhatikan dalam penentuan bahan bakar paling efektif untuk sebuah tungku adalah efisiensi pembakaran dari bahan bakar jika dibakar di dalam tungku. Tingkat efisiensi pembakaran yang tinggi dapat menghasilkan panas yang lebih intensif dikarenakan proses pembakaran menghasilkan nyala api yang lebih kuat (Pratoto et al., 2010). Dengan mempertimbangkan faktor ini, bahan bakar briket batu bara juga memiliki keunggulan jika dibandingkan dengan bahan bakar arang, karena meskipun belum seluruhnya bahan bakar terpakai, namun mampu menghasilkan efisiensi lebih tinggi, baik itu efisiensi energi tungku maupun efisiensi panas. Banyaknya jumlah bahan bakar yang terpakai tidak berpengaruh signifikan terhadap nilai efisiensi tungku. Hal ini disebabkan karakteristik dari masingmasing bahan bakar dalam melepaskan energi panas dalam proses pembakaran berbedabeda (UNEP, 2006).

Persentase Penggunaan Energi Bahan Bakar Persentase penggunaan energi dari energi yang tersedia dalam bahan bakar adalah 97.44% untuk bahan bakar briket batu bara dan 99.88% untuk bahan bakar arang. Pada bahan bakar briket batu bara, belum semua bahan bakar terbakar, dan masih ada sisa, sedangkan pada bahan bakar arang, sudah hampir semua bahan bakar terbakar. Persentase pemakaian bahan bakar arang yang lebih tinggi dibanding dengan briket batu bara terjadi karena arang memiliki densitas lebih kecil dibanding dengan briket batu bara sehingga lebih mudah terbakar. Pembakaran merupakan oksidasi cepat bahan bakar disertai dengan produksi panas, atau panas dan cahaya. Pembakaran sempurna bahan bakar terjadi hanya jika ada pasokan oksigen yang cukup. Pengendalian suhu, pencampuran oksigen dan bahan bakar serta waktu pembakaran merupakan hal yang penting untuk mencapai pembakaran yang sempurna (UNEP, 2006) Efisiensi Tungku Efisiensi tungku yang dihitung hanya merupakan perbandingan energi yang disediakan tungku (energi keluar tungku) dibanding energi tersedia bahan bakar. Energi yang disediakan oleh tungku ini dalam pemanfaatannya juga masih mengalami kehilangan panas selama pemakaian. Efisiensi tungku pada penggunaan bahan bakar briket batu bara lebih tinggi jika dibanding dengan bahan bakar arang (Tabel 1). Hal ini dimungkinkan karena suhu pembakaran pada bahan bakar arang yang terlalu tinggi, sehingga laju kehilangan panas melalui dinding lebih tinggi akibat perbedaan suhu yang lebih tinggi, sehingga konsekuensi yang ditimbulkan adalah semakin rendahnya efisiensi. Efisiensi termal pada bahan bakar briket batu bara mencapai 30% sedangkan pada bahan bakar arang mencapai 17.71%. Dari hasil pengujian, nilai kalor arang lebih tinggi Tabel 1. Nilai beberapa efisiensi pada tungku

Efisiensi

Efisiensi (%) Briket Arang Batu Bara

Energi

88.5

79.56

Termal

30.11

17.71

SIMPULAN Rancang bangun sistem pembangkit udara panas dengan tungku keramik dengan

185

Jurnal Teknologi Pertanian Vol. 12 No. 3 [Desember 2011] 181-186 Rancang Bangun dan Uji Performansi [Ahmad dkk] media pindah panas berbentuk pipa spiral dan berbahan bakar padat. Tungku ini mampu menghasilkan panas dengan rata-rata efisiensi termal tersedia sebesar 30%, dengan persentase pemakaian bahan bakar sebesar 97.44%, dan dengan menggunakan briket batu bara sebagai bahan bakar efektifnya.

Tamrin BL dan Firmayanti D. 2008. Rancang bangun tungku portable bahan bakar batu bara yang aman untuk kesehatan pemakainya. Prosiding Seminar Nasional Teknik Pertanian 2008. Yogyakarta United Nation Environment Programme (UNEP). 2006. Thermal Equipment: Fuels and Combustion. Energi Efficincy Guide for Industry in Asia. United Nation Environment Programme Publications White JDE, Simpson AH, Steinberg AS, and Mukasyan AS. 2008. Combustion joining of refractory materials: carconcarbon materials. Journal Material Resources 23(1) Williams M, Horita T, Yamagi K, and Yokokawa H. 2007. An aplication of solid particles in fuel cell technology. KONA Powder and Particle Journal 25

DAFTAR PUSTAKA Kratzeisen M and Muller J. 2009. Energi from seed shells of jatropha curcas. Landtechnik 64(6):391-393. Pratoto A, Sutanto A, Eldisa HP, dan Armenda D. 2010. Rancang bangun tungku gasifier untuk pemanfaatan tandan kelapa sawit sebagai sumber energi. Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke IX. Palembang Sahari GNA, Zulfia A, dan Siradj ES. 2009. Pengaruh Mg terhadap kekerasan komposit matriks keramik Al2O3/AI. Jurnal Makara Sains 13(1) Soedarto. 2008. Pengembangan dan karaterisasi material keramik untuk dinding tahan api tungku Hoffman K 1. Dilihat 20 Desember 2011.

186