Optimasi Diameter Tungku Berbahan Sekam Padi dan Cangkang Kelapa Sawit serta Analisis Efisiensi dan Sebaran Kalornya
OPTIMASI DIAMETER TUNGKU BERBAHAN SEKAM
PADI DAN CANGKANG KELAPA SAWIT SERTA ANALISIS
EFISIENSI DAN SEBARAN KALORNYA
MULYANA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Optimasi Diameter
Tungku Berbahan Sekam Padi dan Cangkang Kelapa Sawit serta Analisis
Efisiensi dan Sebaran Kalornya adalah benar karya saya dengan arahan dari
komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan
tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang
diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks
dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Mei 2013
Mulyana
NIM G74080060
i
ABSTRAK
MULYANA. Optimasi Diameter Tungku Berbahan Sekam Padi dan Cangkang
Kelapa Sawit serta Analisis Efisiensi dan Sebaran Kalornya. Dibimbing oleh
IRZAMAN dan ABDUL DJAMIL HUSIN.
Penggunaan sekam padi dan cangkang kelapa sawit sebagai energi alternatif
memiliki potensi yang sangat tinggi di Indonesia. Penelitian ini dilakukan variasi
diameter bagian bawah ujung kerucut yaitu 6, 9, dan 12 cm yang di pasang pada
tungku IPB dengan bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa sawit, masing–
masing dilakukan tiga kali ulangan untuk mendidihkan air 1 liter. Efisiensi
menggunakan bahan bakar sekam padi dengan diameter bagian bawah ujung
kerucut 6 cm adalah 7.91%, diameter bagian bawah ujung kerucut 9 cm adalah
7.25%, dan diameter bagian bawah ujung kerucut 12 cm adalah 6.52%.
Sedangkan menggunakan bahan bakar cangkang kelapa sawit dengan diameter
bagian bawah ujung kerucut 6 cm adalah 5.46%, diameter bagian bawah ujung
kerucut 9 cm adalah 5.25%, dan diameter bagian bawah ujung kerucut 12 cm
adalah 4.24%. Hasil pemrosesan persebaran kalor pada bagian tengah panci
dengan metode iterasi Gauss-Seidel. Persebaran kalor pada bagian bawah panci
dengan pembakaran sekam padi suhunya lebih rendah dibandingkan dengan
cangkang kelapa sawit. Makin banyak jumlah elemen titik-titik domain semakin
akurat hasil penyebaran kalornya.
Kata kunci: Diameter, efisiensi tungku sekam, kalor, sekam padi
ABSTRACT
MULYANA. Optimization Made by Rice Husk Furnace Diameter and Shell Oil
Palm and Analysis of Efficiency and Calor Distribution. Supervised by
IRZAMAN and ABDUL DJAMIL HUSIN.
The use of rice husk and palm shells as alternative energy has a very high
potential in Indonesia. This research was conducted under variations of the
diameter of the plate of the cone, there is 6, 9, and 12 cm were installed at the rice
husk stove IPB using rice husk fuel and oil palm shell, then applied three times for
each to boil 1 liter of water. Efficiency using rice husk fuel with an inner diameter
of 6 cm below the plate of the cone is 7.91%, diameter of the plate of the cone
which 9 cm is 7.25%, diameter of the plate of the cone which 12 cm is 6.52%.
While using fuel oil palm shell with the plate of the cone diameter 6 cm is 5.46%,
the plate of the cone diameter 9 cm is 5.25%, and the plate of the cone diameter
12 cm is 4.24%. The result for processing of the heat distribution at the center of
the pan using a Gauss‐Seidel iteration method. Heat distribution on the bottom of
the pan with temperature from rice husk combustion has lower temperature than
the oil palm shell. The more number of elements domain points the more accurate
of the calor spread results.
Key words: Diameter, heat, husk furnace efficiency, rice husk
i
OPTIMASI DIAMETER TUNGKU BERBAHAN SEKAM PADI
DAN CANGKANG KELAPA SAWIT SERTA ANALISIS
EFISIENSI DAN SEBARAN KALORNYA
MULYANA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
ii
viii
Judul Skripsi : Optimasi Diameter Tungku Berbahan Sekam Padi dan Cangkang
Kelapa Sawit serta Analisis Efisiensi dan Sebaran Kalornya
Nama
: Mulyana
NIM
: G74080060
Disetujui oleh
Dr Ir Irzaman, M.Si
Pembimbing I
Abdul Djamil Husin, M.Si
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Akhiruddin Maddu
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
iv
PRAKATA
Assalamu’alaikum warahmatullahi wabarakatuh
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan nikmat sehat,
iman, dan islam. Shalawat dan salam tidak lupa penulis hadiahkan buat junjungan
alam yakni Nabi Muhammad SAW. Atas berkat rahmat, hidayah dan dukungan
banyak pihak, akhirnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul
“Optimasi Diameter Tungku Berbahan Sekam Padi dan Cangkang Kelapa Sawit
Serta Analisis Efisiensi dan Sebaran Kalornya” . Penelitian ini di laksanakan di
pondok Rizki. Penelitian ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan program
sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor.
Pada kesempatan ini, penulis juga mengucapkan terima kasih kepada :
1. Kedua orang tua ayah dan ibu yang selalu mendoakan, memberikan
semangat.
2. Bapak Irzaman dan bapak Abdul Djamil Husin selaku pembimbing yang
telah memberi bimbingan, motivasi, kritik, dan saran.
3. Bapak Tony Sumaryada dan bapak Dahlan selaku penguji atas masukan dan
sarannya.
4. Bapak Hanedi Darmasetiawan, selaku Dosen Editor atas bantuannya
menyelesaikan skripsi ini.
5. Bapak Firman (TU Fisika) atas semua kebaikan dan bantuannya, semoga
Allah membalas semua pengorbanan dan kebaikan bapak.
6. Staf pengajar, Tata Usaha, dan semua Pegawai Departemen Fisika, Institut
Pertanian Bogor. Atas bimbingan, semangat, dan pengetahuannya.
7. Kakak (En, Salamah, Lina) dan adik (Dayah) yang selalu memberikan
semangat dan canda tawa.
8. Semua keluarga dari ayah dan ibu yang selalu mendoakan penulis agar cepat
lulus.
9. Teman seperjuangan Fisika 45 atas segala bantuan, semangat, dan
kebersamaan yang indah selama di IPB.
10. Abang (Hanafi dan Zulfian) yang selalu memberikan motivasi dan semangat.
11. Tim peneliti tungku sekam Hadi Ardianto dan masitoh yang telah bekerja
sama dalam penelitian ini.
12. Teman curhat (Rifka, Jalimas, Normaliza, Trisda, Iam, Yenti, Cucun, Dian
dan Yuli yang selalu memberi semangat.
13. Teman-teman kostan Salsabila dan Pondok Rizki terima kasih semangatnya.
14. Pihak Pemkab ROHIL dan Pemprop Riau yang telah mendanai selama
kuliah.
15. Seluruh Staf dan Pegawai IPB di lingkungan kampus.
Penulis sadar bahwa penelitian ini masih jauh lebih sempurna. Karena itu
penulis mengharapkan kritik dan saran yang bisa membangun dan memperbaiki
kekurangan maupun memperbaiki kesalahan yang terdapat dalam penulisan.
Semoga penelitian ini dapat membawa manfaat bagi masyarakat pada umumnya.
Bogor, April 2013
Mulyana
v
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Tujuan Penelitian
Rumusan Masalah
Manfaat Penelitian
Hipotesis
TINJAUAN PUSTAKA
Sekam Padi
Cangkang Kelapa Sawit
Tungku Sekam
Perpindahan Kalor
METODOLOGI PENELITIAN
Tempat dan Waktu
Bahan dan Alat
Metode
Preparasi tungku sekam
Pengukuran lama pendidihan air
Perhitungan efisiensi tungku sekam
Perhitungan sebaran kalor pada bagian bawah panci
HASIL DAN PENBAHASAN
Perbandingan Efisiensi Energi Bahan Bakar Sekam Padi dan
Cangkang kelapa Sawit
Sebaran Kalor Bagian Bawah Panci pada Waktu Pendidihan
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
RIWAYAT HIDUP
vii
vii
vii
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
4
5
5
5
5
5
5
5
6
8
8
12
16
16
16
16
18
38
vi
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Komposisi kimia sekam padi
Komposisi kimia sekam padi
Komposisi cangkang kelapa sawit
Komposisi cangkang kelapa sawit
Perbandingan efisiensi bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa
sawit pada masing–masing perlakuan lamanya pendidihan 1 liter air
Perbandingan lama waktu pendidihan 1 liter air dengan bahan bakar
sekam padi dan cangkang kelapa sawit pada masing–masing perlakuan
Suhu awal pada grid lines bagian bawah panci
Suhu awal pada grid lines bagian bawah panci
Hasil pemrosesan dengan metode iterasi Gauss- Seidel
2
2
3
3
9
11
12
13
13
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
Rancangan tungku sekam
Bagian bawah panci yang dicatat suhunya
Skema grid lines dan mesh point pada aplikasi metode finite-difference
Efisiensi energi tiap waktu pendidihan dan ulangan
Waktu pendidihan 1 liter air dan ulangan
Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 6 cm
7 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 9 cm
8 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 12 cm
9 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 6 cm
10 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 9 cm
11 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 12 cm
4
6
7
10
10
13
14
14
14
15
15
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
Hasil pengukuran parameter sistem tungku sekam berbahan bakar sekam
padi untuk mendidihkan 1 liter air dengan 3 diameter ujung bawah
18
kerucut yang berbeda
Hasil pengukuran parameter sistem tungku berbahan bakar cangkang
kelapa sawit untuk mendidihkan 1 liter air dengan 3 diameter ujung
bawah kerucut yang berbeda
22
Hasil pengukuran sebaran kalor pada bagian bawah panci berbahan
sekam padi dan cangkang kelapa sawit pada pendidihan 1 liter air dengan
27
3 diameter ujung bawah kerucut yang berbeda
vii
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Indonesia adalah salah satu negara yang memiliki berbagai sumber daya
alam yang cukup besar baik dari segi kualitas maupun kuantitas, antara lain sekam
padi dan cangkang kelapa sawit. Pemanfaatan sekam padi dan cangkang kelapa
sawit sebagai alternatif terbarukan mempunyai potensi yang sangat tinggi untuk
diterapkan di Indonesia. Indonesia merupakan negara agraris (pertanian) yang
makanan pokoknya berasal dari padi sehingga ketersediaan sekam padi sangat
melimpah.1 Indonesia juga merupakan negara penghasil komoditas kelapa sawit
terbesar di dunia. Berdasarkan data penelitian tim Tanaman Perkebunan Besar
menyatakan bahwa, pemerintah menargetkan luas area kelapa sawit dari tahun
2005–2010 perkembangannya meningkat. Hal ini menyebabkan dalam
pengolahannya menghasilkan cangkang kelapa sawit dalam jumlah besar dan
sukar diurai secara alami di lingkungan. Jika kondisi ini terjadi secara
berkelanjutan dapat mengganggu lingkungan.2
Untuk meningkatkan penggunaan sekam padi dan cangkang kelapa sawit,
maka digunakan sebagai salah satu sumber energi terbarukan dan tungku sekam
sebagai media alat tempat pembakarannya. Berdasarkan komposisinya, kedua
bahan baku ini memiliki kadar selulosa yang cukup tinggi, sehingga baik untuk
bahan bakar alternatif pengganti minyak tanah, karena memberikan pembakaran
yang merata dan stabil. Berdasarkan dukungan penelitian sebelumnya, hal ini
akan menjadi pengolahan bahan energi tepat guna bagi masyarakat.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk:
1. Mengamati pengaruh ukuran diameter ujung bawah kerucut pada tungku
sekam terhadap efisiensi waktu pendidihan air.
2. Membandingkan penggunaan bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa
sawit terhadap efisiensi waktu pendidihan air.
3. Mempelajari sebaran kalor pada bagian bawah panci saat pendidihan air.
Rumusan Masalah
Rumusan masalahnya, antara lain:
1. Bagaimana pengaruh ukuran diameter ujung bawah kerucut pada tungku sekam
terhadap efisiensi waktu pendidihan air?
2. Bagaimana efisiensi waktu pendidihan air pada masing-masing penggunaan
bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa sawit?
3. Bagaimana sebaran kalor pada bagian bawah panci saat pendidihan air?
2
Manfaat Penelitian
Dapat diterapkan langsung oleh masyarakat dan menjadi referensi untuk
pengembangan tungku sekam pada masa yang akan datang.
Hipotesis
Hipotesis yang diajukan, yaitu:
1. Semakin besar ukuran diameter ujung bawah kerucut pada tungku sekam yang
digunakan, maka efisiensi waktu pendidihan air semakin meningkat.
2. Pendidihan air yang paling efisien adalah dengan menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit.
3. Sebaran kalor pada bagian bawah panci tidak homogen.
TINJAUAN PUSTAKA
Sekam Padi
Sekam padi adalah bagian luar dari padi yang tidak ditumbuk dan juga
merupakan hasil sampingan dari penggilingan padi. Sebagian besar isi sekam padi
adalah serat kasar yang terdiri atas lemma dan palea. Kedua serat tersebut
bergabung untuk menyelimuti kariopsis. Menurut Rahmat, kalor pembakaran
sekam padi dapat mencapai 3300 kcal/kg dan bulk density 0.100 g/ml serta
konduktivitas kalornya 0.068 W/m K. Kadar selulosa yang cukup tinggi dapat
memberikan pembakaran yang merata dan stabil.3
Tabel 1 Komposisi kimia sekam padi 3
Komponen
Kandungan (%)
Kadar air
9.02
Proten kasar
3.03
Lemak
1.16
Serat kasar
35.68
Abu
17.71
Karbohidrat kasar
33.71
Karbon (zat arang)
1.33
Hidrogen
1.54
Oksigen
33.64
Silika
16.98
Tabel 2 Komposisi kimia sekam padi 4
Komposisi
Kandungan (%)
Sellulosa
50
Lignin
25-30
Silika
15-20
3
Cangkang Kelapa Sawit
Cangkang kelapa sawit merupakan salah satu jenis limbah padat hasil
samping dari industri pengolahan kelapa sawit.5 Setiap pengolahan buah kelapa
sawit menghasilkan 7% limbah padat berupa cangkang dengan kandungan kalori
sebesar 4000-4500 kcal/kg.6 Menurut Nurmala dan Hartoyo (1988), cangkang
kelapa sawit termasuk bahan berlignoselulosa yang berkadar karbon tinggi dan
mempunyai bulk density yang lebih tinggi dari pada kayu mencapai 1,4 g/ml.7 Hal
ini memungkinkan cangkang kelapa sawit baik untuk dijadikan arang aktif dan
energi kalornya tinggi sebesar 20.093 kJ/kg.
Menurut Budi Santoso, penggunaan cangkang kelapa sawit sebagai
pengganti solar dan batubara merupakan salah satu langkah tepat untuk efisiensi,
karena dapat menghemat biaya lebih dari lima miliar rupiah dalam satu tahun.8
Tabel 3 Komposisi cangkang kelapa sawit9
Komponen
Kandungan (%)
Karbon (zat arang)
50.4
Hidrogen
5.8
Oksigen
34.2
Sulfur
0.3
Air
6
Tabel 4 Komposisi cangkang kelapa sawit 5
Komposisi
Kandungan (%)
Lignin
29.4
Hemiselulosa
27.7
Sellulosa
26.6
Air
8.0
Komponen ekstraktif
4.2
Abu
0.6
Tungku Sekam
Tungku sekam merupakan tungku yang sangat tergantung pada aliran udara.
Oleh karena itu, tungku sebaiknya dirancang untuk memperoleh aliran udara yang
optimal. Badan kompor merupakan pintu masuk utama udara, sehingga besar
kecilnya lubang utama pada badan kompor sangat mempengaruhi efisiensi tungku
sekam.3
Tungku sekam merupakan alat utama pada penelitian ini. Jika sekam padi
dibakar tanpa tungku, sekam padi akan membara pelan-pelan sambil
mengeluarkan asap tebal yang terasa pedih di mata. Oleh karena itu, tungku
sekam digunakan untuk mengurangi dampak tersebut. Tungku sekam harus dibuat
sedemikian rupa sehingga menghasilkan aliran zat asam melewati bahan bakar
yang menyala agar dapat menghasilkan nyala yang bersih dan panas.10
Gambar berikut menunjukkan rancangan tungku sekam dalam skala industri
kecil (Gambar 1).1
4
Gambar 1 Rancangan tungku sekam
Keterangan:
(A) reservoir (tandon) sekam dalam bentuk kerucut terbalik,
(B) cerobong berlubang untuk membatasi aliran api,
(C) isolator kompor,
(D) badan kompor,
(E) ruang antara tatakan abu sementara dan ujung bawah kerucut, dan
(F) reservoir abu sementara.
Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor adalah proses hantaran kalor oleh materi atau benda
karena adanya perbedaan suhu di dua medium yang berbeda. Kalor akan mengalir
dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah secara
spontan.11
Proses perpindahan kalor dibagi menjadi tiga jenis, yaitu konduksi,
konveksi, dan radiasi atau pancaran.
1. Konduksi
Konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai
perpindahan partikel-partikel tersebut.
2. Konveksi
Konveksi adalah perpindahan kalor pada suatu zat yang disertai
perpindahan partikel-partikel tersebut. Pada saat memanaskan air di tungku
menggunakan sebuah panci, akan terjadi perambatan kalor dari air yang ada di
dasar panci ke permukaan secara konveksi.
3. Radiasi atau pancaran
Radiasi atau pancaran adalah perpindahan kalor tanpa melalui zat
perantara.
5
METODOLOGI PENELITIAN
Tempat dan Waktu
Penelitian ini dilakukan di Bengkel Departemen Fisika FMIPA IPB pada
bulan Mei 2012 sampai Mei 2013.
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: air, sekam padi, dan
cangkang kelapa sawit. Alat yang digunakan, yaitu: tungku sekam, panci
berbahan aluminium, korek api, termometer laser, dan stopwatch.
Metode
Penelitian ini dilakukan empat tahap, yaitu: preparasi tungku sekam,
pengukuran lama pendidihan air, menghitung efisiensi tungku sekam, dan
perhitungan sebaran kalor pada bagian bawah panci berbahan aluminium saat
pendidihan air.
1. Preparasi tungku sekam
Menyiapkan tiga buah tungku sekam dengan masing-masing diameter ujung
bawah kerucut sebesar 6, 9, dan 12 cm. Reservoir tungku di isi dengan sekam padi
dan apinya dinyalakan sampai stabil. Jika sekam padi telah berubah menjadi abu,
maka perlu dilakukan penggantian dengan sekam padi yang baru. Hal yang sama
dilakukan untuk bahan bakar cangkang kelapa sawit.
2. Pengukuran lama pendidihan air
Panci berisi 1 liter air diletakkan di atas tungku. Air dididihkan sampai
suhunya mencapai 100 oC dan waktunya di catat. Pengulangan dilakukan
sebanyak 3 kali untuk masing-masing diameter bagian ujung bawah kerucut 6, 9,
dan 12 cm. Pendidihan air dilakukan juga dengan berbahan dasar cangkang kelapa
sawit.
3. Perhitungan efisiensi tungku sekam
Penghitungan efisiensi bahan bakar perlu dicari terlebih dahulu laju energi
yang dibutuhkan untuk memasak dengan menggunakan persamaan:1
(1)
Keterangan :
= laju energi yang dibutuhkan (kcal/jam)
= massa makanan (kg)
= energi spesifik (kcal/kg)
= waktu pemasakan (jam)
6
Efisiensi bahan bakar dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:
%
(2)
Keterangan :
= efisiensi bahan bakar (%)
= (fuel consumption rate) laju bahan bakar yang dibutuhkan (kg/jam)
= laju energi yang dibutuhkan (kcal/kg)
= (heat value fuel) energi yang terkandung dalam bahan bakar
(kcal/kg)
4. Perhitungan sebaran kalor pada bagian bawah panci
Menentukan persebaran kalor pada bagian bawah panci di lakukan pada tiap
ulangan pertama pada saat memasak 1 liter air tiap tungku diameter ujung bawah
kerucut 6, 9 dan 12 cm. Suhunya dicatat dengan menggunakan termometer laser.
Bagian yang dicatat suhunya yaitu bagian titik-titik hitam di sekeliling segiempat
bawah panci dengan ukuran 22 x 22 cm, titik di bagian depan panci, kanan panci,
belakang panci, dan kiri panci, di gambarkan pada gambar 2.
Persamaan untuk mengukur persebaran kalor pada bagian bawah panci
digunakan persamaan diferensial parsial tipe eliptik dengan metode beda hingga
skema eksplisit, yaitu:
,
,
,
(3)
Dengan domain
, |
,
, dengan batas domain bertipe
disktrit. Jika p = 40 dan q = 40 maka kondisi batas yang digunakan adalah :
(x,0) = 0 ; u(x,40) = 0 ; (0,y) = 0 ; (40,y) = 0 ; (10,y) = 1 ; (20,y) = 1;
(30,y) = 1
Belakang panci
x
Kiri panci
y
Kana panci
Depan panci
Gambar 2 Bagian bawah panci yang dicatat suhunya
7
Gambar 3 Skema grid lines dan mesh point pada aplikasi metode finite-difference
Gambar 3 di atas merupakan jaringan titik hitung persamaan Laplace, dan
nilai
di sekeliling lingkaran atau mesh point. Bentuk diskrit persamaan (3)
diperoleh dengan menggunakan metode Beda Hingga skema eksplisit sebagai
berikut:10 Jika
,
,
,
,
,
,,
,
,
,
(4)
,
(5)
Substitusi persamaan (4) dan (5) ke persamaan (3) menjadi :
,
,
∆
,,
,
∆
,
,
=0
(6)
Jika diketahui Δx=Δy, maka persamaan (6) menjadi:
,
,
,
,
,
=0
(7)
Bidang hitungan dibagi dalam bentuk grid dengan skala 10 (Gambar 3),
dengan memanfaatkan kondisi batas yang telah diketahui, akan ditentukan nilai
pada titik mesh point yang diberi tanda titik hitam. Penjabaran dari perhitungan 9
mesh point sebagai berikut:
Koordinat (2,2):
Koordinat (3,2):
Koordinat (4,2):
Koordinat (2,3):
Koordinat (3,3):
Koordinat (4,3):
Koordinat (2,4):
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
8
Koordinat (3,4):
,
,
,
,
,
,
,
,
,
Koordinat (4,4):
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
Penjabaran sistem persamaan diatas dapat dijabarkan dalam bentuk matriks
sebagai berikut:
4
-1
0
-1
0
0
0
0
0
-1
4
-1
0
-1
0
0
0
0
0
-1
4
0
0
-1
0
0
0
-1
0
-1
4
-1
0
-1
0
0
0 0 0
-1 0 0
0 -1 0
-1 0 -1
4 -1 0
-1 4 0
0 0 4
-1 0 -1
0 -1 0
0
0
0
0
-1
0
-1
4
-1
0
0
0
0
0
-1
0
-1
4
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
=
,
,
,
,
,
,
(8)
,
,
,
,
Ruas kanan persamaan (8) merupakan kondisi batas nilai yang telah
diketahui. Dari persamaan (8) solusi persamaan Laplace 2 dimensi untuk
menyelesaikan masalah perambatan kalor dalam keadaan steady state dapat
diselesaikan dengan menentukan nilai vektor kolom menggunakan penyelesaian
metode iterasi gauss-seidel.12
HASIL DAN PEMBAHASAN
Perbandingan Efisiensi Energi Bahan Bakar
Sekam Padi dan Cangkang Kelapa Sawit
Pembakaran merupakan suatu proses kimia yang terjadi karena adanya
kombinasi antara oksigen dan elemen atau campuran kimia yang sangat cepat dan
menghasilkan pelepasan panas. Pembakaran bahan bakar atau limbah, terdiri atas
komponen utama karbon dan hidrogen. Pelepas panas yang terjadi ditunjukkan
oleh reaksi berikut :
C + O2 → CO2 + energi
2H2 + O2→ 2H2O + energi
Berdasarkan reaksi di atas dapat dinyatakan bahwa, dalam proses pembakaran
komponen yang utama adalah CO2, H2O dan energi.
Penelitian ini menggunakan limbah sekam padi dan cangkang kelapa sawit.
Komposisi kimia pada bahan bakar sekam padi adalah karbon, hidrogen, oksigen,
air, dan silika, sedangkan komposisi kimia cangkang kelapa sawit adalah karbon,
hidrogen, oksigen, sulfur, dan air. Unsur karbon dan hidrogen yang terkandung
dalam bahan bakar bereaksi dengan gas oksigen dan menghasilkan energi.
9
Proses pendidihan air terjadi tiga proses perpindahan kalor yaitu konduksi,
konveksi dan radiasi. Peristiwa konduksi terjadi saat energi kalor dari api tungku
sekam dipindahkan ke panci. Peristiwa konveksi terjadi pada proses pemanasan
air di dalam panci, sedangkan radiasi terjadi dari api tungku sekam yang
meradiasikan kalornya ke lingkungan sekitar.
Variasi diameter tungku pada bagian bawah ujung kerucut dengan diameter
6, 9, dan 12 cm telah dilakukan. Tiap variasi perlakuan dilakukan tiga kali
ulangan. Mengukur perbandingan efisiensi tungku pada diameter yang berbeda
berbahan sekam padi dan cangkang kelapa sawit menggunakan air sebanyak 1
liter dan dididihkan.
Nilai efisiensi bahan bakar sekam padi pada pendidihan air 1 liter mencapai
7.91% pada diameter 6 cm, 7.25% pada diameter 9 cm, 6.52% pada diameter 12
cm. Sedangkan bahan bakar kelapa sawit mencapai 5.46% pada diameter 6 cm,
5.25% pada diameter 9 cm, 4.24% pada diameter 12 cm. Efisiensi yang baik pada
pendidihan air dengan bahan bakar sekam padi sebesar 7.91% pada diameter 6
cm, pada bahan bakar cangkang kelapa sawit sebesar 5.46% pada diameter 6 cm.
Sedangkan jika berdasarkan perbandingan antara kedua bahan bakar sekam padi
dan cangkang kelapa sawit, efisiensi bahan bakar sekam padi terbaik dengan
diameter 6 cm sebesar 7.91%.
Tabel 5 Perbandingan efisiensi bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa
sawit pada masing- masing perlakuan lamanya pendidihan 1 liter air
Bahan
Dimeter ujung Ulangan
HVf
FCR
Qn
Efisiensi Rata-rata
bakar
bawah kerucut
(kcal/kg) (kg/jam) (kcal/jam)
(%)
efisiensi
(cm)
(%)
6
I
3300
0,94
235.48
7.63
7.91
II
3300
0,90
243.33
8.19
III
3300
0,90
235.48
7.90
9
I
3300
1.11
260.71
7.14
7.25
II
3300
1,14
251.72
6.70
Sekam
III
3300
1.00
260.71
7.90
12
I
3300
1.28
292.00
6.91
6.52
II
3300
1.40
292.00
6.32
III
3300
1.46
304.17
6.32
6
I
4000
2.21
521.43
5.89
5.46
II
4000
2
521.43
6.52
III
4000
3.31
561.54
4.24
9
I
4000
2.38
561.54
5.89
5.25
Cangkang
II
4000
2.46
561.54
5.70
kelapa
sawit
III
4000
3.38
561.54
4.15
12
I
4000
3
561.54
4.68
4.24
II
4000
3.83
608.33
3.97
III
4000
3.75
608.33
4.06
10
Efisiensi (%)
10
Keterangan:
6 U1: Diameter 6 ulangan 1
6 U2: Diameter 6 ulangan 2
9 U1: Diameter 9 ulangan 1
9 U2: Diameter 9 ulangan 2
12 U1: Diameter 12 ulangan 1
12 U2: Diameter 12 ulangan 2
5
sekam
sawit
0
6 U1 6 U2 6 U3 9 U1 9 U2 9 U3 12 U1 12 U2 12 U3
Diameter dan ulangan (cm)
Gambar 4 Efisiensi energi tiap waktu pendidihan dan ulangan
Waktu pendidihan (jam)
0.40
Keterangan:
6 U1: Diameter 6 ulangan 1
6 U2: Diameter 6 ulangan 2
9 U1: Diameter 9 ulangan 1
9 U2: Diameter 9 ulangan 2
12 U1: Diameter 12 ulangan 1…
0.20
sekam
sawit
0.00
6 U1 6 U2 6 U3 9 U1 9 U2 9 U3 12 U1 12 U2 12 U3
Diameter dan ulangan (cm)
Gambar 5 Waktu pendidihan 1 liter air dan ulangan
Berdasarkan Tabel 5 dapat dilihat bahwa efisiensi bahan bakar dipengaruhi
oleh energi yang dibutuhkan dan banyaknya bahan bakar yang dibutuhkan.
Semakin besar laju energi yang dibutuhkan maka efisiensi bahan bakar semakin
besar dan semakin banyak laju bahan bakar yang dibutuhkan maka efisiensi
energinya semakin kecil. Selain itu, efisiensi bahan bakar juga dipengaruhi oleh
jenis bahan bakar. Bahan bakar sekam padi dengan diameter kerucut bawah 6 cm
energi yang dibutuhkan rata-rata sebesar 238.09 kcal/jam, pada diameter 9 cm
sebesar 257.71 kcal/jam, sedangkan pada diameter 12 cm sebesar 296.06
kcal/jam. Sedangkan bahan bakar cangkang kelapa sawit energi yang dibutuhkan
rata–rata sebesar 534.8 kcal/jam pada diameter kerucut bawah 6 cm, 561.54
kcal/jam pada diameter 9 cm, dan 779.84 kcal/jam pada diameter 12 cm.
Berdasarkan Gambar 4 dapat dilihat secara keseluruhan, efisiensi bahan
bakar sekam padi lebih efisien dibandingkan bahan bakar cangkang kelapa sawit.
Hal ini dikarenakan nilai pemanasan sekam padi lebih besar dan penggunaan
bahan bakar sedikit jika dibandingkan pada cangkang kelapa sawit.
Berdasarkan Gambar 5 dapat dilihat bahwa pada bahan bakar cangkang
kelapa sawit lebih cepat mendidih dari pada menggunakan sekam padi. Hal ini
dikarenakan kandungan kalori kelapa sawit lebih besar dari pada sekam padi,
11
yaitu 4000 kcal/kg berbanding 3300 kcal/kg. Proses pendidihan air juga
dipengaruhi oleh kandungan air yang ada di dalam bahan bakar tersebut.
Berdasarkan data pada Tabel 6, pendidihan air dengan menggunakan
cangkang kelapa sawit lebih cepat dari pada sekam padi. Waktu yang dibutuhkan
pada diameter ujung kerucut 6 cm rata–rata 0.28 jam, diameter 9 cm rata–rata
0.28 jam, dan diameter 12 cm rata–rata 0.25 jam. Sedangkan dengan bahan bakar
cangkang kelapa sawit, pada diameter ujung bawah kerucut 6 cm rata–rata 0.14
jam, dimeter 9 cm rata–rata 0.13 jam, dan diameter 12 cm rata–rata 0.12 jam.
Massa bahan bakar terpakai lebih banyak cangkang kelapa sawit di bandingkan
sekam padi, karena cangkang kelapa sawit lebih berat massanya dibandingkan
sekam padi.
Tabel 6 Perbandingan lama waktu pendidihan 1 liter air dengan bahan bakar
sekam padi dan cangkang kelapa sawit pada masing- masing perlakuan
Bahan bakar
Dimeter Ulangan Massa
Massa
Massa
Massa
Waktu
tungku
awal
sisa
arang
terpakai
(jam)
(cm)
(kg)
(kg)
(kg)
(kg)
6
I
1
0.55
0.16
0.29
0.31
II
1
0.56
0.17
0.27
0.30
III
1
0.51
0.21
0.28
0.31
Rata – rata
0.54
0.18
0.28
0.30
9
I
1
0.49
0.20
0.31
0.28
II
1
0.52
0.15
0.33
0.29
Sekam padi
III
1
0.50
0.22
0.28
0.28
Rata – rata
0.50
0.19
0.31
0.28
12
I
1
0.47
0.21
0.32
0.25
II
1
0.48
0.17
0.32
0.25
III
1
0.42
0.23
0.35
0.24
Rata – rata
0.46
0.20
0.33
0.25
6
I
1
0.51
0.18
0.31
0.14
II
1
0.53
0.19
0.28
0.14
III
1
0.33
0.24
0.43
0.13
Rata – rata
0.45
0.20
0.34
0.14
9
I
1
0.46
0.23
0.31
0.13
II
1
0.47
0.21
0.32
0.13
Cangkang kelapa
III
1
0.45
0.11
0.44
0.13
sawit
Rata – rata
0.46
0.18
0.36
0.13
12
I
1
0.49
0.12
0.39
0.13
II
1
0.38
0.16
0.46
0.12
III
1
0.40
0.15
0.45
0.12
Rata – rata
0.42
0.14
0.43
0.12
12
Sebaran Kalor Bagian Bawah Panci pada Waktu Pendidihan
Kalor yang dihasilkan pada tiap bahan bakar berbeda-beda. Penelitian
tentang komputasi distribusi temperatur pada bagian bawah panci dalam keadaan
tunak dengan penyelesaian persamaan Diferensial Parsial Laplace dua dimensi
metode Beda Hingga menggunakan Matlab telah dilakukan. Jika pada sebuah
bahan terdapat gradien temperatur, maka akan terjadi perpindahan energi dari
bagian bertemperatur tinggi ke bagian bertemperatur rendah (proses perambatan
panas). Proses perhitungan perubahan kalor tidak hanya dapat dilakukan melalui
pengamatan langsung, tetapi dapat juga melalui perhitungan numerik. Bentuk
model matematika perambatan panas adalah bentuk persamaan Diferensial
Parsial. Mencatat suhu bagian bawah panci dengan menggunakan termometer
laser pada saat panci yang berisi air 1 liter dipanaskan, dan saat air mulai
mendidih. Solusi perambatan kalor pada masing-masing titik dengan metode Beda
Hingga skema eksplisit dapat diketahui dengan menggunakan persamaan Laplace.
Selanjutnya persamaan tersebut diselesaikan secara iterasi.
Berdasarkan data yang telah diambil (empat titik utama yang membentuk
persegi dengan ukuran persegi 22 x 22 cm, dan masing–masing sisi persegi
diambil empat titik), kemudian masing–masing titik tersebut diukur suhunya
dengan menggunakan termometer laser. Sehingga dapat diketahui perubahan suhu
yang terjadi di sekitar titik pusat panci selama proses pemanasan air dengan
menggunakan bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa sawit. Data yang ada
dicari dengan menggunakan metode Beda Hingga skema eksplisit, kemudian data
tersebut dibuat dengan matrik ukuran 9x9 dan dimasukan dalam program matlab.
Sehingga dapat diketahui suhu sekitar titik pusat panci pada waktu suhu titik
didih. Simulasi numerik akan menampilkan grafik dua dimensi dengan sumbu y
adalah suhu (0C) dan sumbu x adalah ukuran matrik.
Tabel 7 Suhu awal pada grid lines bagian bawah panci
Suhu pada bagian bawah panci (0C)
Bahan
Diameter
Suhu depan panci (0C)
Suhu kanan panci (0C)
bakar
(cm)
1
2
3
4
1
2
3
4
Sekam
6
180.9 180.0 186.6 190.0 190.7 196.0 193.4
193.5
9
168.1 167.1 167.1 170.1 170.9 170.5 169.8
169.8
12
160.1 158.8 155.5 165.5 160.1 181.1 180.1
178.1
Cangkang
6
330.1 340.1 333.3 320.5 322.5 300.5 284.6
290.1
kelapa
9
302.1 300.5 317.6 315.1 309.1 340.1 327.1
324.5
sawit
12
323.1 333.3 342.4 340.1 349.1 312.5 310.5
310.5
13
Tabel 8 Suhu awal pada grid lines bagian bawah panci
Suhu pada bagian bawah panci (0C)
Bahan
Diameter
Suhu kiri panci (0C)
Suhu belakang panci (0C)
bakar
(cm)
1
2
3
4
1
2
3
4
Sekam
6
198.7 194.5 195.0 198.0 180.0 183.0 182.7
180.7
9
172.5 178.8 182.8 189.2 180.9 190.4 195.1
188.1
12
180.2 188.1 176.1 179.1 211.1 199.1 213.0
201.1
Cangkang
6
250.5 315.1 334.5 346.0 348.1 350.1 353.0
340.0
kelapa
9
305.1 315.1 326.4 319.9 320.4 314.1 325.8
321.1
sawit
12
306.9 304.9 305.3 308.5 305.4 309.1 301.8
319.1
Suhu
(0C)
pada
titik
,
,
,
,
,
,
,
,
,
Tabel 9 Hasil pemrosesan dengan metode iterasi Gauss- Seidel
Iterasi Gauss-Seidel
Bahan bakar sekam padi
Bahan bakar cangkang kelapa
sawit
Diameter (cm)
6
9
12
6
9
12
183.7
179.6
180.9
336.8
314.8
322.5
187.8
178.0
173.1
327.8
317.9
325.9
191.4
173.6
174.8
314.4
318.9
323.2
186.4
185.3
190.7
339.4
319.9
311.9
189.4
179.9
181.3
326.0
320.3
315.4
191.8
175.2
179.5
308.9
321.8
314.4
189.8
186.6
187.7
341.0
318.9
307.7
191.8
181.4
181.7
328.0
321.6
209.3
192.9
176.4
181.9
310.5
320.7
208.6
grafik kontur solusi numerik
5
198
4.5
196
194
4
192
3.5
y
190
3
188
2.5
186
2
184
1.5
1
182
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
180
Gambar 6 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 6 cm
14
grafik kontur solusi numerik
5
195
4.5
190
4
185
3.5
y
3
180
2.5
175
2
1.5
170
1
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
Gambar 7 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 9 cm
grafik kontur solusi numerik
5
210
4.5
205
200
4
195
y
3.5
190
185
3
180
2.5
175
2
170
165
1.5
160
1
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
Gambar 8 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 12 cm
grafik kontur solusi numerik
5
350
4.5
340
4
330
y
3.5
3
320
2.5
310
2
300
1.5
290
1
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
Gambar 9 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 6 cm
15
y
grafik kontur solusi numerik
5
340
4.5
335
4
330
3.5
325
3
320
2.5
315
2
310
1.5
305
1
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
Gambar 10 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 9 cm
grafik kontur solusi numerik
5
3000
4.5
2500
4
2000
y
3.5
3
1500
2.5
1000
2
1.5
500
1
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
Gambar 11 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 12 cm
Berdasarkan Tabel 7 dan Tabel 8 dapat dilihat bahwa persebaran kalor
pada bagian bawah panci suhu yang didapat pada sisi kanan, kiri, depan dan
belakang panci tidak homogen. Suhu yang didapat dibuat program komputasi
perhitungan distribusi kalor pada bagian bawah panci dalam keadaan tunak
dengan persamaan Laplace dua dimensi dengan penyelesaian persamaan
Diferensial Parsial metode Beda Hingga menggunakan Matlab. Semakin banyak
jumlah elemen titik-titik domain atau mesh point semakin akurat hasil penyebaran
kalornya. Kalor menyebar dari titik yang temperaturnya lebih tinggi menuju ke
titik yang temperaturnya lebih rendah.
Berdasarkan Tabel 9 dapat dilihat hasil pemrosesan persebaran kalor pada
bagian tengah panci dengan metode iterasi Gauss- Seidel. Persebaran kalor pada
bagian bawah panci dengan pembakaran sekam padi suhunya lebih rendah
dibandingkan dengan cangkang kelapa sawit, karena nilai kalor yang tersimpan
dalam cangkang kelapa sawit lebih besar dibandingkan sekam padi. Sehingga
waktu yang digunakan dalam proses pendidihkan air lebih cepat menggunakan
cangkang kelapa sawit. Suhu yang dicapai pada proses pembakaran sekam padi
lebih rendah yaitu mencapai 659 0C di bagian dasar tengah tungku, sedangkan
pada proses pembakaran cangkang kelapa sawit suhu mencapai 788 0C. Warna
16
yang terlihat pada masing-masing grafik menunjukan adanya perbedaan suhu.
Warna merah berarti bersuhu tinggi dan warna biru adalah suhu yang rendah.
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian, bahan bakar sekam padi lebih efisien
dibandingkan dengan cangkang kelapa sawit. Meskipun nilai kalori yang
terkandung dalam cangkang kelapa sawit lebih besar dibandingkan dengan sekam
padi, tetapi dalam pemakaian bahan bakar cangkang kelapa sawit lebih boros
dibandingkan sekam padi, serta energi yang dibutuhkan pada pendidihan 1 liter air
menggunakan cangkang kelapa sawit lebih besar dibandingkan menggunakan
sekam padi. Pendidihan air yang paling cepat yaitu dengan menggunakan bahan
bakar cangkang kelapa sawit pada ukuran diameter bagian bawah kerucut 12 cm,
yaitu 0.12 jam. Efisiensi bahan bakar sekam padi pada diameter bagian bawah
kerucut 6 cm adalah 7.91%, diameter bagian bawah kerucut 9 cm adalah 7.25%,
dan diameter bagian bawah kerucut 12 cm adalah 6.52%. Sedangkan efisiensi
bahan bakar cangkang kelapa sawit pada diameter bagian bawah kerucut 6 cm
adalah 5.46%, diameter bagian bawah kerucut 9 cm adalah 5.25%, dan diameter
bagian bawah kerucut 12 cm adalah 4.24%.
Suhu pada proses pembakaran sekam padi mencapai 659 0C dibagian
dasar tengah tungku, sedangkan pada proses pembakaran cangkang kelapa sawit
suhu mencapai 788 0C. Persebaran suhu pada bagian bawah panci tidak homogen.
Perhitungan simulasi dengan menggunakan metode Beda Hingga dihasilkan
pendidihan 1 liter air untuk sekam padi pada diameter bawah kerucut 6, 9, 12 cm
suhu berkisar 173.7-192.9 0C. Sedangkan bahan bakar cangkang kelapa sawit
pada diameter bagian bawah kerucut 6, 9, 12 cm suhu berkisar 208.6–336.8 0C.
Semakin banyak jumlah elemen titik-titik domain atau mesh point semakin akurat
hasil penyebaran kalornya.
Saran
Penelitian lanjutan persebaran kalor sebaiknya dilakukan pengukuran suhu
pada bagian bawah panci dengan bentuk lingkaran dan diameter tungku dengan
metode Elemen Hingga, sehingga hasilnya bisa dibandingkan dengan metode
Beda Hingga.
DAFTAR PUSTAKA
1
F. Nawafi, R. D. Puspita, Desna, dan Irzaman. Optimasi tungku sekam skala
2
industri kecil dengan sistem boiler. Berkala Fisika. 12: 77 – 84. 2010
Indonesia. Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian, Departemen
17
3
4
5
6
Pertanian. 2005
Demiati. Pembuatan beberapa macam ukuran lubang pada dinding tubuh
tungku sekam untuk mendapatkan efisiensi kalor lebih tinggi [Skripsi].
Bogor(ID): IPB. 2010
Bakri dan Baharuddin. Absorpsi air komposit semen sekam padi dengan
penambahan pozzolan abu sekam padi dan kapur pada matriks semen. Jurnal
Perennial. 6:70-78. 2001
Haji AG, Pari G, Habibati, Amiruddin, Maulina. Kajian mutu arang hasil
pirolisis cangkang kelapa sawit. Program Studi Kimia FKIP Unsyiah,
Darussalam Banda Aceh. Jurnal Purifikasi. 11:77 – 86. 2010
Harris, Anam S, Mahmudsyah S. Studi pemanfaatan limbah padat dari
perkebunan kelapa sawit pada PLTU 6 MW di Bangka Belitung. Jurnal
Teknik Pomits. 2: ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print). 2010
7.
Sipahutar D. Tehnologi briket sekam padi. Balai pengkajian teknologi
pertanian (bptp) riau [internet]. Pekanbaru(ID): BPPT Riau. [diacu: 2
Oktober
2012].
Tersedia
dari:
http//riau.litbang.deptan.go.id/ind/images/stories/PDF/teknologibriket. 2011
8. Buchori L. Perpindahan Panas Bagian 1. Semarang(ID): Universitas
Diponegoro. 2004
9. Farel H, Napitupulu. Analisis nilai kalor bahan bakar serabut dan cangkang
sebagai bahan bakar kelet uap di pabrik kelapa sawit. 2006
10. Maulana R. Optimasi efisiensi tungku sekam dengan variasi lubang utama
pada badan kompor [Skripsi]. Bogor(ID): IPB. 2009
11. Buchori L. Perpindahan Panas Bagian 1. Semarang(ID): Universitas
Diponegoro. 2004
12 Chasanah U. Komputasi distribusi temperatur pelat logam dalam keadaan tunak
dengan penyelesaian persamaan diferensial parsial laplace dua dimensi metode
beda hingga menggunakan matlab 7.9. Fisika komputasi. 2009
18
LAMPIRAN
Lampiran 1 Hasil pengukuran parameter sistem tungku sekam berbahan bakar sekam padi untuk mendidihkan 1 liter air dengan 3
diameter ujung bawah kerucut yang berbeda
A. Diameter ujung bawah kerucut 6 cm
Suhu awal
: 27 oC
Suhu akhir
: 100 oC
Ulangan
Massa sekam padi (kg)
maw
ms
mar
I
1
0.55
0.16
II
1
0.56
0.17
III
1
0.51
0.21
Mf = 1 kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Suhu Suhu Waktu
panci arang didih
(oC) (oC) (menit)
Suhu pada bagian atas kerucut (oC)
Tdk Tkak
T0 59.5 59.4
0.29 97.6 308.8 18.50
T1 213.3 202.4
T0 45.6 49.1
0.27 99.8 300.1 17.90
T1 186.6 193.4
T0 41.0 44.0
0.28 102.0 205.4 18.33
T1 222.3 233.1
Es = 73 kcal/kg
HVf = 3300 kcal/kg
mt
Waktu = 0.31 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.29 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
,
. kg/jam
,
Tkik
51.9
226.0
51.1
182.7
41.9
219.3
Tbek
Ttek
51.8 603.2
198.8 601.6
44.5 605.8
182.6 454.3
46.3 646.6
219.6 659.5
19
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg
kcal/kg
Q
. kcal/jam
t
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
.
ε
.
kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
b. Ulangan 2
%
Waktu = 0.30 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.27 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
. %
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
c. Ulangan 3
waktu = 0.31 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.28 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
20
Suhu awal
Suhu akhir
Ulangan
B. Diameter ujung bawah kerucut 9 cm
: 27 oC
: 100 oC
Massa sekam padi (kg)
maw
ms
mar
Suhu Suhu Waktu
panci arang didih
(oC) (oC) (menit)
mt
Tdk
I
1
0.49 0.20 0.31 107.2 292.8
16.82
II
1
0.52 0.15 0.33
303.0
17.62
III
1
0.50 0.22 0.28 100.5 368.4
16.60
Mf = 1 kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Suhu bagian atas kerucut (oC)
98.8
Es = 73 kcal/kg
Tkak
Tkik
Tbek
T0 36.8 40.0 35.7 37.6
T1 169.3 171.7 159.9 184.1
T0 41.0 40.1 41.4 46.6
T1 187.6 221.9 213.0 182.1
T0 42.3 61.1 81.1 64.9
T1 161.1 164.8 195.1 182.8
HVf = 3300 kcal/kg
Waktu = 0.28 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.31 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
b. Ulangan 2
Waktu = 0.29 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.33 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
.
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
c. Ulangan 3
%
Waktu = 0.28 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.28 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
Ttek
506.8
577.6
649.1
514.8
561.1
571.6
21
m
. kg
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
.
FCR x HVf
. kg/jam x
kcal/kg
FCR
Suhu awal
Suhu akhir
Ulangan
C. Diameter ujung bawah kerucut 12 cm
: 27 oC
: 100 oC
Massa sekam padi (kg)
maw
ms
%
mar
mt
Suhu bagian atas kerucut (oC)
Suhu Suhu Waktu
panci arang didih
(oC) (oC) (jam)
I
1
0.47 0.21 0.32 120.0 350.4
14.88
II
1
0.48 0.17 0.35
205.7
15.06
III
1
0.42 0.23 0.35 110.1 253.6
14.36
98.6
Mf = 1 kg
Es = 73 kcal/kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Waktu = 0.25 jam,
T0
T1
T0
T1
T0
T1
Tdk
Tkak
Tkik
Tbek
42.7 44.3 46.9 46.3
183.7 196.1 210.1 167.8
37.8 43.2 48.3 47.9
204.9 170.8 172.9 186.2
45.9 45.2 47.0 42.5
155.5 180.1 213.0 176.1
HVf = 3300 kcal/kg
massa sekam padi terpakai = 0.32 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
ε
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
b. Ulangan 2
waktu = 0.25 jam,
.
%
massa sekam padi terpakai = 0.35 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
. kg
m
.
FCR
. jam
waktu
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
waktu
. jam
kg/jam
.
kcal/jam
Ttek
613.9
620.4
623.9
511.5
447.5
624.6
22
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
c. Ulangan 3
Waktu = 0.24 jam,
%
.
%
massa sekam padi terpakai = 0.35 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
.
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
%
Lampiran 2 Hasil pengukuran parameter sistem tungku berbahan bakar cangkang
kelapa sawit untuk mendidihkan 1 liter air dengan 3 diameter ujung bawah
kerucut yang berbeda
A. Diameter ujung bawah kerucut 6 cm
Suhu awal
: 27 oC
Suhu akhir
: 100 oC
Ulangan
Massa cangkang kelapa
sawit (kg)
maw ms
mar mt
Suhu bagian atas kerucut (oC)
Suhu Suhu Waktu
panci arang
didih
o
(oC) ( C) (menit)
I
1
0.51 0.18 0.31 120.3 302.6
8.37
II
1
0.53 0.19 0.28 105.2 150.7
8.13
III
1
0.33 0.24 0.43 120.6 296.1
8.05
Mf = 1 kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Waktu = 0.14 jam,
T0
T1
T0
T1
T0
T1
Es = 73 kcal/kg
Tdk Tkak
Tkik
Tbek
Ttek
51.3 47.8 80.3 77.3 640.0
253.6 226.6 229.6 221.8 628.0
48.1 63.1 47.8 49.3 628.4
274.2 227.8 311.4 336.4 661.8
46.9 57.6 59.7 53.1 522.6
333.8 284.6 353.8 334.5 750.6
HVf = 4000 kcal/kg
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.31 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
. kg
m
FCR
.
. jam
waktu
→Energi yang di Butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
waktu
. jam
kg/jam
.
kcal/jam
23
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
. %
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
b. Ulangan 2
Waktu = 0.14 jam, massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.28 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
kg/jam x
kcal/kg
FCR x HVf
c. Ulangan 3
Waktu = 0.13 jam, massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.43 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
t
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
.
FCR x HVf
. kg/jam x
kcal/kg
B. Diameter ujung bawah kerucut 9 cm
Suhu awal
: 27 oC
Suhu akhir
: 100 oC
Ulangan Massa cangkang kelapa
sawit (kg)
maw ms
mar mt
Suhu bagian atas kerucut (oC)
Suhu Suhu Waktu
panci arang didih
(oC) (oC) (menit)
I
1
0.46 0.23 0.31 112.3 160.7
7.62
II
1
o.47 0.21 0.32 124.2 370.4
7.7
III
1
0.45 0.11 0.44 110.9 299.6
7.9
Mf = 1 kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Waktu = 0.13 jam,
Es = 73 kcal/kg
%
T0
T1
T0
T1
T0
T1
Tdk Tkak
Tkik
Tbek
48.4 58.8 68.5 71.8
310.0 202.9 256.5 247.3
54.5 58.8 57.6 64.7
260.6 262.2 287.1 306.1
59.6 46.9 53.4 60.6
317.6 327.1 325.8 326.4
HVf = 4000 kcal/kg
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.31 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
Ttek
681.8
696.9
648.8
710.4
697.1
788.9
24
m
. kg
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
,
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
FCR
b. Ulangan 2
Waktu = 0.13 jam,
%
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.32 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
t
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
c. Ulangan 3
Waktu = 0.13 jam,
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.44 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
.
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
%
25
C. Diameter ujung bawah kerucut 12 cm
Suhu awal
: 27 oC
Suhu akhir
: 100 oC
Ulangan
Massa cangkang kelapa
sawit (kg)
maw
ms
mar
Suhu bagian atas kerucut (oC)
Suhu Suhu Waktu
panci arang didih
(oC) (oC) (jam)
mt
I
1
0.49
0.12 0.39 110.1 366.4
0.13
II
1
0.38
0.16 0.46 141.2 136.3
0.12
III
1
0.40
0.15 0.45 130.1 381.0
0.12
Mf = 1 kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Waktu = 0.13 jam,
T0
T1
T0
T1
T0
T1
Es = 73 kcal/kg
Tdk
Tkak
Tkik
Tbek
53.6 46.2 51.7 60.8
219.1 247.6 254.2 234.8
63.8 108.4 129.2 130.4
244.7 279.8 294.0 265.7
57.4 60.7 72.0 106.4
342.4 262.4 273.3 301.8
HVf = 4000 kcal/kg
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.39 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
. kg
m
kg/jam
FCR
. jam
waktu
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
b. Ulangan 2
Waktu = 0.12 jam, massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.46 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
.
/
ε
x
%
. %
FC
HV
c. Ulangan 3
Waktu = 0.12 jam,
.
/
/
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.45 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
. kg
m
FCR
. jam
waktu
.
kg/jam
Ttek
516.4
741.4
660.5
750.5
404.8
730.3
26
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
27
Lampiran 3 Hasil pengukuran sebaran kalor pada bagian bawah panci berbahan sekam padi dan cangkang kelapa sawit pada
pendidihan 1 liter air dengan 3 diameter ujung bawah kerucut yang berbeda
Bahan
bakar
Sekam
Cangkang
kelapa
sawit
Diameter
(cm)
6
9
12
6
9
12
Suhu pada bagian bawah panci (0C)
Suhu kanan panci
Suhu kiri panci
1
2
3
4
1
2
3
174.6 196 193.4 193.5 178.7 194.5 195.0
170.9 170.5 169.8 170.0 172.5 178.8 182.8
160.1 181.1 180.1 178.1 180.2 188.1 176.1
322.5 300.5 284.6 290.1 250.5 315.1 334.5
309.1 320.8 327.1 324.5 305.1 315.1 326.4
349.1 312.5 310.5 306.5 301.9 304.3 305.5
Suhu depan panci
1
2
3
4
180.9 180 186.6 190
168.1 167.1 167.8 170.6
160.1 158.8 155.5 165.5
330.1 340.1 333.8 320.5
302.1 300.5 317.6 315.1
323.1 333.3 342.4 340.1
4
198
189.2
179.1
246
319.9
300.6
Suhu belakang panci
1
2
3
4
180 183.5 182.7 180.7
180.9 190.4 195.1 188.1
211.1 199.1 213.0 201.1
348.1 350.1 353.8 340.0
320.4 314.1 325.8 321.1
305.4 309.8 301.8 319.9
Pengolahan data dengan bahan bakar sekam padi
,
Dengan menggunakan rumus Laplace:
,
Δx= 22 cm, Δy=22 cm
Maka persamaan menjadi:
∆
,
,
,
,
,,
,
∆
,
,
,
,
,
=0
,
=0
27
28
1. Pada diameter bagian ujung bawah kerucut 6 cm
Dengan domain: (0 ≤ x ≤ 22; 0 ≤ y ≤ 22)
Sarat batas :
,
,
,
,
0,
,
. ,
,
. ,
Batas temperatur pada tepi bagian bawah panci, yaitu:
Suhu belakang panci
187.7
180.7
182.7
183.5
180
5
4
2,4
3,4
4,4
23
3,3
4,3
2,2
3,2
193.5
194.5
3
Suhu kiri panci
193.4
195.0
2
4,2
198.0
196
1
180.9
22
3
4
5
180
186.6
190
174.6
Suhu depan panci
Koordinat (2,2):
Koordinat (3,2):
Koordinat (4,2):
Koordinat (2,3):
Koordinat (3,3):
Koordinat (4,3):
Koordinat (2,4):
Koordinat (3,4):
Koordinat (4,4):
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
.
,
,
,
.
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
.
,
,
,
.
.
Suhu kanan panci
29
Penjabaran persamaan diatas dalam bentuk matriks sebagai berikut:
4
-1
0
-1
0
0
0
0
0
-1
4
-1
0
-1
0
0
0
0
0
-1
4
0
0
-1
0
0
0
-1
0
-1
4
-1
0
-1
0
0
0 0 0
-1 0 0
0 -1 0
-1 0 -1
4 -1 0
-1 4 0
0 0 4
-1 0 -1
0 -1 0
0
0
0
0
-1
0
-1
4
-1
.
.
,
0
0
0
0
0
-1
0
-1
4
,
,
,
.
=
,
.
.
,
,
,
,
2. Pada diameter bagian ujung bawah kerucut 9 cm
De
PADI DAN CANGKANG KELAPA SAWIT SERTA ANALISIS
EFISIENSI DAN SEBARAN KALORNYA
MULYANA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Optimasi Diameter
Tungku Berbahan Sekam Padi dan Cangkang Kelapa Sawit serta Analisis
Efisiensi dan Sebaran Kalornya adalah benar karya saya dengan arahan dari
komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan
tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang
diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks
dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Mei 2013
Mulyana
NIM G74080060
i
ABSTRAK
MULYANA. Optimasi Diameter Tungku Berbahan Sekam Padi dan Cangkang
Kelapa Sawit serta Analisis Efisiensi dan Sebaran Kalornya. Dibimbing oleh
IRZAMAN dan ABDUL DJAMIL HUSIN.
Penggunaan sekam padi dan cangkang kelapa sawit sebagai energi alternatif
memiliki potensi yang sangat tinggi di Indonesia. Penelitian ini dilakukan variasi
diameter bagian bawah ujung kerucut yaitu 6, 9, dan 12 cm yang di pasang pada
tungku IPB dengan bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa sawit, masing–
masing dilakukan tiga kali ulangan untuk mendidihkan air 1 liter. Efisiensi
menggunakan bahan bakar sekam padi dengan diameter bagian bawah ujung
kerucut 6 cm adalah 7.91%, diameter bagian bawah ujung kerucut 9 cm adalah
7.25%, dan diameter bagian bawah ujung kerucut 12 cm adalah 6.52%.
Sedangkan menggunakan bahan bakar cangkang kelapa sawit dengan diameter
bagian bawah ujung kerucut 6 cm adalah 5.46%, diameter bagian bawah ujung
kerucut 9 cm adalah 5.25%, dan diameter bagian bawah ujung kerucut 12 cm
adalah 4.24%. Hasil pemrosesan persebaran kalor pada bagian tengah panci
dengan metode iterasi Gauss-Seidel. Persebaran kalor pada bagian bawah panci
dengan pembakaran sekam padi suhunya lebih rendah dibandingkan dengan
cangkang kelapa sawit. Makin banyak jumlah elemen titik-titik domain semakin
akurat hasil penyebaran kalornya.
Kata kunci: Diameter, efisiensi tungku sekam, kalor, sekam padi
ABSTRACT
MULYANA. Optimization Made by Rice Husk Furnace Diameter and Shell Oil
Palm and Analysis of Efficiency and Calor Distribution. Supervised by
IRZAMAN and ABDUL DJAMIL HUSIN.
The use of rice husk and palm shells as alternative energy has a very high
potential in Indonesia. This research was conducted under variations of the
diameter of the plate of the cone, there is 6, 9, and 12 cm were installed at the rice
husk stove IPB using rice husk fuel and oil palm shell, then applied three times for
each to boil 1 liter of water. Efficiency using rice husk fuel with an inner diameter
of 6 cm below the plate of the cone is 7.91%, diameter of the plate of the cone
which 9 cm is 7.25%, diameter of the plate of the cone which 12 cm is 6.52%.
While using fuel oil palm shell with the plate of the cone diameter 6 cm is 5.46%,
the plate of the cone diameter 9 cm is 5.25%, and the plate of the cone diameter
12 cm is 4.24%. The result for processing of the heat distribution at the center of
the pan using a Gauss‐Seidel iteration method. Heat distribution on the bottom of
the pan with temperature from rice husk combustion has lower temperature than
the oil palm shell. The more number of elements domain points the more accurate
of the calor spread results.
Key words: Diameter, heat, husk furnace efficiency, rice husk
i
OPTIMASI DIAMETER TUNGKU BERBAHAN SEKAM PADI
DAN CANGKANG KELAPA SAWIT SERTA ANALISIS
EFISIENSI DAN SEBARAN KALORNYA
MULYANA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
ii
viii
Judul Skripsi : Optimasi Diameter Tungku Berbahan Sekam Padi dan Cangkang
Kelapa Sawit serta Analisis Efisiensi dan Sebaran Kalornya
Nama
: Mulyana
NIM
: G74080060
Disetujui oleh
Dr Ir Irzaman, M.Si
Pembimbing I
Abdul Djamil Husin, M.Si
Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Akhiruddin Maddu
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
iv
PRAKATA
Assalamu’alaikum warahmatullahi wabarakatuh
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan nikmat sehat,
iman, dan islam. Shalawat dan salam tidak lupa penulis hadiahkan buat junjungan
alam yakni Nabi Muhammad SAW. Atas berkat rahmat, hidayah dan dukungan
banyak pihak, akhirnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul
“Optimasi Diameter Tungku Berbahan Sekam Padi dan Cangkang Kelapa Sawit
Serta Analisis Efisiensi dan Sebaran Kalornya” . Penelitian ini di laksanakan di
pondok Rizki. Penelitian ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan program
sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor.
Pada kesempatan ini, penulis juga mengucapkan terima kasih kepada :
1. Kedua orang tua ayah dan ibu yang selalu mendoakan, memberikan
semangat.
2. Bapak Irzaman dan bapak Abdul Djamil Husin selaku pembimbing yang
telah memberi bimbingan, motivasi, kritik, dan saran.
3. Bapak Tony Sumaryada dan bapak Dahlan selaku penguji atas masukan dan
sarannya.
4. Bapak Hanedi Darmasetiawan, selaku Dosen Editor atas bantuannya
menyelesaikan skripsi ini.
5. Bapak Firman (TU Fisika) atas semua kebaikan dan bantuannya, semoga
Allah membalas semua pengorbanan dan kebaikan bapak.
6. Staf pengajar, Tata Usaha, dan semua Pegawai Departemen Fisika, Institut
Pertanian Bogor. Atas bimbingan, semangat, dan pengetahuannya.
7. Kakak (En, Salamah, Lina) dan adik (Dayah) yang selalu memberikan
semangat dan canda tawa.
8. Semua keluarga dari ayah dan ibu yang selalu mendoakan penulis agar cepat
lulus.
9. Teman seperjuangan Fisika 45 atas segala bantuan, semangat, dan
kebersamaan yang indah selama di IPB.
10. Abang (Hanafi dan Zulfian) yang selalu memberikan motivasi dan semangat.
11. Tim peneliti tungku sekam Hadi Ardianto dan masitoh yang telah bekerja
sama dalam penelitian ini.
12. Teman curhat (Rifka, Jalimas, Normaliza, Trisda, Iam, Yenti, Cucun, Dian
dan Yuli yang selalu memberi semangat.
13. Teman-teman kostan Salsabila dan Pondok Rizki terima kasih semangatnya.
14. Pihak Pemkab ROHIL dan Pemprop Riau yang telah mendanai selama
kuliah.
15. Seluruh Staf dan Pegawai IPB di lingkungan kampus.
Penulis sadar bahwa penelitian ini masih jauh lebih sempurna. Karena itu
penulis mengharapkan kritik dan saran yang bisa membangun dan memperbaiki
kekurangan maupun memperbaiki kesalahan yang terdapat dalam penulisan.
Semoga penelitian ini dapat membawa manfaat bagi masyarakat pada umumnya.
Bogor, April 2013
Mulyana
v
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Tujuan Penelitian
Rumusan Masalah
Manfaat Penelitian
Hipotesis
TINJAUAN PUSTAKA
Sekam Padi
Cangkang Kelapa Sawit
Tungku Sekam
Perpindahan Kalor
METODOLOGI PENELITIAN
Tempat dan Waktu
Bahan dan Alat
Metode
Preparasi tungku sekam
Pengukuran lama pendidihan air
Perhitungan efisiensi tungku sekam
Perhitungan sebaran kalor pada bagian bawah panci
HASIL DAN PENBAHASAN
Perbandingan Efisiensi Energi Bahan Bakar Sekam Padi dan
Cangkang kelapa Sawit
Sebaran Kalor Bagian Bawah Panci pada Waktu Pendidihan
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
RIWAYAT HIDUP
vii
vii
vii
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
4
5
5
5
5
5
5
5
6
8
8
12
16
16
16
16
18
38
vi
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Komposisi kimia sekam padi
Komposisi kimia sekam padi
Komposisi cangkang kelapa sawit
Komposisi cangkang kelapa sawit
Perbandingan efisiensi bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa
sawit pada masing–masing perlakuan lamanya pendidihan 1 liter air
Perbandingan lama waktu pendidihan 1 liter air dengan bahan bakar
sekam padi dan cangkang kelapa sawit pada masing–masing perlakuan
Suhu awal pada grid lines bagian bawah panci
Suhu awal pada grid lines bagian bawah panci
Hasil pemrosesan dengan metode iterasi Gauss- Seidel
2
2
3
3
9
11
12
13
13
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
Rancangan tungku sekam
Bagian bawah panci yang dicatat suhunya
Skema grid lines dan mesh point pada aplikasi metode finite-difference
Efisiensi energi tiap waktu pendidihan dan ulangan
Waktu pendidihan 1 liter air dan ulangan
Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 6 cm
7 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 9 cm
8 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 12 cm
9 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 6 cm
10 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 9 cm
11 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 12 cm
4
6
7
10
10
13
14
14
14
15
15
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
Hasil pengukuran parameter sistem tungku sekam berbahan bakar sekam
padi untuk mendidihkan 1 liter air dengan 3 diameter ujung bawah
18
kerucut yang berbeda
Hasil pengukuran parameter sistem tungku berbahan bakar cangkang
kelapa sawit untuk mendidihkan 1 liter air dengan 3 diameter ujung
bawah kerucut yang berbeda
22
Hasil pengukuran sebaran kalor pada bagian bawah panci berbahan
sekam padi dan cangkang kelapa sawit pada pendidihan 1 liter air dengan
27
3 diameter ujung bawah kerucut yang berbeda
vii
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Indonesia adalah salah satu negara yang memiliki berbagai sumber daya
alam yang cukup besar baik dari segi kualitas maupun kuantitas, antara lain sekam
padi dan cangkang kelapa sawit. Pemanfaatan sekam padi dan cangkang kelapa
sawit sebagai alternatif terbarukan mempunyai potensi yang sangat tinggi untuk
diterapkan di Indonesia. Indonesia merupakan negara agraris (pertanian) yang
makanan pokoknya berasal dari padi sehingga ketersediaan sekam padi sangat
melimpah.1 Indonesia juga merupakan negara penghasil komoditas kelapa sawit
terbesar di dunia. Berdasarkan data penelitian tim Tanaman Perkebunan Besar
menyatakan bahwa, pemerintah menargetkan luas area kelapa sawit dari tahun
2005–2010 perkembangannya meningkat. Hal ini menyebabkan dalam
pengolahannya menghasilkan cangkang kelapa sawit dalam jumlah besar dan
sukar diurai secara alami di lingkungan. Jika kondisi ini terjadi secara
berkelanjutan dapat mengganggu lingkungan.2
Untuk meningkatkan penggunaan sekam padi dan cangkang kelapa sawit,
maka digunakan sebagai salah satu sumber energi terbarukan dan tungku sekam
sebagai media alat tempat pembakarannya. Berdasarkan komposisinya, kedua
bahan baku ini memiliki kadar selulosa yang cukup tinggi, sehingga baik untuk
bahan bakar alternatif pengganti minyak tanah, karena memberikan pembakaran
yang merata dan stabil. Berdasarkan dukungan penelitian sebelumnya, hal ini
akan menjadi pengolahan bahan energi tepat guna bagi masyarakat.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk:
1. Mengamati pengaruh ukuran diameter ujung bawah kerucut pada tungku
sekam terhadap efisiensi waktu pendidihan air.
2. Membandingkan penggunaan bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa
sawit terhadap efisiensi waktu pendidihan air.
3. Mempelajari sebaran kalor pada bagian bawah panci saat pendidihan air.
Rumusan Masalah
Rumusan masalahnya, antara lain:
1. Bagaimana pengaruh ukuran diameter ujung bawah kerucut pada tungku sekam
terhadap efisiensi waktu pendidihan air?
2. Bagaimana efisiensi waktu pendidihan air pada masing-masing penggunaan
bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa sawit?
3. Bagaimana sebaran kalor pada bagian bawah panci saat pendidihan air?
2
Manfaat Penelitian
Dapat diterapkan langsung oleh masyarakat dan menjadi referensi untuk
pengembangan tungku sekam pada masa yang akan datang.
Hipotesis
Hipotesis yang diajukan, yaitu:
1. Semakin besar ukuran diameter ujung bawah kerucut pada tungku sekam yang
digunakan, maka efisiensi waktu pendidihan air semakin meningkat.
2. Pendidihan air yang paling efisien adalah dengan menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit.
3. Sebaran kalor pada bagian bawah panci tidak homogen.
TINJAUAN PUSTAKA
Sekam Padi
Sekam padi adalah bagian luar dari padi yang tidak ditumbuk dan juga
merupakan hasil sampingan dari penggilingan padi. Sebagian besar isi sekam padi
adalah serat kasar yang terdiri atas lemma dan palea. Kedua serat tersebut
bergabung untuk menyelimuti kariopsis. Menurut Rahmat, kalor pembakaran
sekam padi dapat mencapai 3300 kcal/kg dan bulk density 0.100 g/ml serta
konduktivitas kalornya 0.068 W/m K. Kadar selulosa yang cukup tinggi dapat
memberikan pembakaran yang merata dan stabil.3
Tabel 1 Komposisi kimia sekam padi 3
Komponen
Kandungan (%)
Kadar air
9.02
Proten kasar
3.03
Lemak
1.16
Serat kasar
35.68
Abu
17.71
Karbohidrat kasar
33.71
Karbon (zat arang)
1.33
Hidrogen
1.54
Oksigen
33.64
Silika
16.98
Tabel 2 Komposisi kimia sekam padi 4
Komposisi
Kandungan (%)
Sellulosa
50
Lignin
25-30
Silika
15-20
3
Cangkang Kelapa Sawit
Cangkang kelapa sawit merupakan salah satu jenis limbah padat hasil
samping dari industri pengolahan kelapa sawit.5 Setiap pengolahan buah kelapa
sawit menghasilkan 7% limbah padat berupa cangkang dengan kandungan kalori
sebesar 4000-4500 kcal/kg.6 Menurut Nurmala dan Hartoyo (1988), cangkang
kelapa sawit termasuk bahan berlignoselulosa yang berkadar karbon tinggi dan
mempunyai bulk density yang lebih tinggi dari pada kayu mencapai 1,4 g/ml.7 Hal
ini memungkinkan cangkang kelapa sawit baik untuk dijadikan arang aktif dan
energi kalornya tinggi sebesar 20.093 kJ/kg.
Menurut Budi Santoso, penggunaan cangkang kelapa sawit sebagai
pengganti solar dan batubara merupakan salah satu langkah tepat untuk efisiensi,
karena dapat menghemat biaya lebih dari lima miliar rupiah dalam satu tahun.8
Tabel 3 Komposisi cangkang kelapa sawit9
Komponen
Kandungan (%)
Karbon (zat arang)
50.4
Hidrogen
5.8
Oksigen
34.2
Sulfur
0.3
Air
6
Tabel 4 Komposisi cangkang kelapa sawit 5
Komposisi
Kandungan (%)
Lignin
29.4
Hemiselulosa
27.7
Sellulosa
26.6
Air
8.0
Komponen ekstraktif
4.2
Abu
0.6
Tungku Sekam
Tungku sekam merupakan tungku yang sangat tergantung pada aliran udara.
Oleh karena itu, tungku sebaiknya dirancang untuk memperoleh aliran udara yang
optimal. Badan kompor merupakan pintu masuk utama udara, sehingga besar
kecilnya lubang utama pada badan kompor sangat mempengaruhi efisiensi tungku
sekam.3
Tungku sekam merupakan alat utama pada penelitian ini. Jika sekam padi
dibakar tanpa tungku, sekam padi akan membara pelan-pelan sambil
mengeluarkan asap tebal yang terasa pedih di mata. Oleh karena itu, tungku
sekam digunakan untuk mengurangi dampak tersebut. Tungku sekam harus dibuat
sedemikian rupa sehingga menghasilkan aliran zat asam melewati bahan bakar
yang menyala agar dapat menghasilkan nyala yang bersih dan panas.10
Gambar berikut menunjukkan rancangan tungku sekam dalam skala industri
kecil (Gambar 1).1
4
Gambar 1 Rancangan tungku sekam
Keterangan:
(A) reservoir (tandon) sekam dalam bentuk kerucut terbalik,
(B) cerobong berlubang untuk membatasi aliran api,
(C) isolator kompor,
(D) badan kompor,
(E) ruang antara tatakan abu sementara dan ujung bawah kerucut, dan
(F) reservoir abu sementara.
Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor adalah proses hantaran kalor oleh materi atau benda
karena adanya perbedaan suhu di dua medium yang berbeda. Kalor akan mengalir
dari tempat yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah secara
spontan.11
Proses perpindahan kalor dibagi menjadi tiga jenis, yaitu konduksi,
konveksi, dan radiasi atau pancaran.
1. Konduksi
Konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai
perpindahan partikel-partikel tersebut.
2. Konveksi
Konveksi adalah perpindahan kalor pada suatu zat yang disertai
perpindahan partikel-partikel tersebut. Pada saat memanaskan air di tungku
menggunakan sebuah panci, akan terjadi perambatan kalor dari air yang ada di
dasar panci ke permukaan secara konveksi.
3. Radiasi atau pancaran
Radiasi atau pancaran adalah perpindahan kalor tanpa melalui zat
perantara.
5
METODOLOGI PENELITIAN
Tempat dan Waktu
Penelitian ini dilakukan di Bengkel Departemen Fisika FMIPA IPB pada
bulan Mei 2012 sampai Mei 2013.
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: air, sekam padi, dan
cangkang kelapa sawit. Alat yang digunakan, yaitu: tungku sekam, panci
berbahan aluminium, korek api, termometer laser, dan stopwatch.
Metode
Penelitian ini dilakukan empat tahap, yaitu: preparasi tungku sekam,
pengukuran lama pendidihan air, menghitung efisiensi tungku sekam, dan
perhitungan sebaran kalor pada bagian bawah panci berbahan aluminium saat
pendidihan air.
1. Preparasi tungku sekam
Menyiapkan tiga buah tungku sekam dengan masing-masing diameter ujung
bawah kerucut sebesar 6, 9, dan 12 cm. Reservoir tungku di isi dengan sekam padi
dan apinya dinyalakan sampai stabil. Jika sekam padi telah berubah menjadi abu,
maka perlu dilakukan penggantian dengan sekam padi yang baru. Hal yang sama
dilakukan untuk bahan bakar cangkang kelapa sawit.
2. Pengukuran lama pendidihan air
Panci berisi 1 liter air diletakkan di atas tungku. Air dididihkan sampai
suhunya mencapai 100 oC dan waktunya di catat. Pengulangan dilakukan
sebanyak 3 kali untuk masing-masing diameter bagian ujung bawah kerucut 6, 9,
dan 12 cm. Pendidihan air dilakukan juga dengan berbahan dasar cangkang kelapa
sawit.
3. Perhitungan efisiensi tungku sekam
Penghitungan efisiensi bahan bakar perlu dicari terlebih dahulu laju energi
yang dibutuhkan untuk memasak dengan menggunakan persamaan:1
(1)
Keterangan :
= laju energi yang dibutuhkan (kcal/jam)
= massa makanan (kg)
= energi spesifik (kcal/kg)
= waktu pemasakan (jam)
6
Efisiensi bahan bakar dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:
%
(2)
Keterangan :
= efisiensi bahan bakar (%)
= (fuel consumption rate) laju bahan bakar yang dibutuhkan (kg/jam)
= laju energi yang dibutuhkan (kcal/kg)
= (heat value fuel) energi yang terkandung dalam bahan bakar
(kcal/kg)
4. Perhitungan sebaran kalor pada bagian bawah panci
Menentukan persebaran kalor pada bagian bawah panci di lakukan pada tiap
ulangan pertama pada saat memasak 1 liter air tiap tungku diameter ujung bawah
kerucut 6, 9 dan 12 cm. Suhunya dicatat dengan menggunakan termometer laser.
Bagian yang dicatat suhunya yaitu bagian titik-titik hitam di sekeliling segiempat
bawah panci dengan ukuran 22 x 22 cm, titik di bagian depan panci, kanan panci,
belakang panci, dan kiri panci, di gambarkan pada gambar 2.
Persamaan untuk mengukur persebaran kalor pada bagian bawah panci
digunakan persamaan diferensial parsial tipe eliptik dengan metode beda hingga
skema eksplisit, yaitu:
,
,
,
(3)
Dengan domain
, |
,
, dengan batas domain bertipe
disktrit. Jika p = 40 dan q = 40 maka kondisi batas yang digunakan adalah :
(x,0) = 0 ; u(x,40) = 0 ; (0,y) = 0 ; (40,y) = 0 ; (10,y) = 1 ; (20,y) = 1;
(30,y) = 1
Belakang panci
x
Kiri panci
y
Kana panci
Depan panci
Gambar 2 Bagian bawah panci yang dicatat suhunya
7
Gambar 3 Skema grid lines dan mesh point pada aplikasi metode finite-difference
Gambar 3 di atas merupakan jaringan titik hitung persamaan Laplace, dan
nilai
di sekeliling lingkaran atau mesh point. Bentuk diskrit persamaan (3)
diperoleh dengan menggunakan metode Beda Hingga skema eksplisit sebagai
berikut:10 Jika
,
,
,
,
,
,,
,
,
,
(4)
,
(5)
Substitusi persamaan (4) dan (5) ke persamaan (3) menjadi :
,
,
∆
,,
,
∆
,
,
=0
(6)
Jika diketahui Δx=Δy, maka persamaan (6) menjadi:
,
,
,
,
,
=0
(7)
Bidang hitungan dibagi dalam bentuk grid dengan skala 10 (Gambar 3),
dengan memanfaatkan kondisi batas yang telah diketahui, akan ditentukan nilai
pada titik mesh point yang diberi tanda titik hitam. Penjabaran dari perhitungan 9
mesh point sebagai berikut:
Koordinat (2,2):
Koordinat (3,2):
Koordinat (4,2):
Koordinat (2,3):
Koordinat (3,3):
Koordinat (4,3):
Koordinat (2,4):
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
8
Koordinat (3,4):
,
,
,
,
,
,
,
,
,
Koordinat (4,4):
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
Penjabaran sistem persamaan diatas dapat dijabarkan dalam bentuk matriks
sebagai berikut:
4
-1
0
-1
0
0
0
0
0
-1
4
-1
0
-1
0
0
0
0
0
-1
4
0
0
-1
0
0
0
-1
0
-1
4
-1
0
-1
0
0
0 0 0
-1 0 0
0 -1 0
-1 0 -1
4 -1 0
-1 4 0
0 0 4
-1 0 -1
0 -1 0
0
0
0
0
-1
0
-1
4
-1
0
0
0
0
0
-1
0
-1
4
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
=
,
,
,
,
,
,
(8)
,
,
,
,
Ruas kanan persamaan (8) merupakan kondisi batas nilai yang telah
diketahui. Dari persamaan (8) solusi persamaan Laplace 2 dimensi untuk
menyelesaikan masalah perambatan kalor dalam keadaan steady state dapat
diselesaikan dengan menentukan nilai vektor kolom menggunakan penyelesaian
metode iterasi gauss-seidel.12
HASIL DAN PEMBAHASAN
Perbandingan Efisiensi Energi Bahan Bakar
Sekam Padi dan Cangkang Kelapa Sawit
Pembakaran merupakan suatu proses kimia yang terjadi karena adanya
kombinasi antara oksigen dan elemen atau campuran kimia yang sangat cepat dan
menghasilkan pelepasan panas. Pembakaran bahan bakar atau limbah, terdiri atas
komponen utama karbon dan hidrogen. Pelepas panas yang terjadi ditunjukkan
oleh reaksi berikut :
C + O2 → CO2 + energi
2H2 + O2→ 2H2O + energi
Berdasarkan reaksi di atas dapat dinyatakan bahwa, dalam proses pembakaran
komponen yang utama adalah CO2, H2O dan energi.
Penelitian ini menggunakan limbah sekam padi dan cangkang kelapa sawit.
Komposisi kimia pada bahan bakar sekam padi adalah karbon, hidrogen, oksigen,
air, dan silika, sedangkan komposisi kimia cangkang kelapa sawit adalah karbon,
hidrogen, oksigen, sulfur, dan air. Unsur karbon dan hidrogen yang terkandung
dalam bahan bakar bereaksi dengan gas oksigen dan menghasilkan energi.
9
Proses pendidihan air terjadi tiga proses perpindahan kalor yaitu konduksi,
konveksi dan radiasi. Peristiwa konduksi terjadi saat energi kalor dari api tungku
sekam dipindahkan ke panci. Peristiwa konveksi terjadi pada proses pemanasan
air di dalam panci, sedangkan radiasi terjadi dari api tungku sekam yang
meradiasikan kalornya ke lingkungan sekitar.
Variasi diameter tungku pada bagian bawah ujung kerucut dengan diameter
6, 9, dan 12 cm telah dilakukan. Tiap variasi perlakuan dilakukan tiga kali
ulangan. Mengukur perbandingan efisiensi tungku pada diameter yang berbeda
berbahan sekam padi dan cangkang kelapa sawit menggunakan air sebanyak 1
liter dan dididihkan.
Nilai efisiensi bahan bakar sekam padi pada pendidihan air 1 liter mencapai
7.91% pada diameter 6 cm, 7.25% pada diameter 9 cm, 6.52% pada diameter 12
cm. Sedangkan bahan bakar kelapa sawit mencapai 5.46% pada diameter 6 cm,
5.25% pada diameter 9 cm, 4.24% pada diameter 12 cm. Efisiensi yang baik pada
pendidihan air dengan bahan bakar sekam padi sebesar 7.91% pada diameter 6
cm, pada bahan bakar cangkang kelapa sawit sebesar 5.46% pada diameter 6 cm.
Sedangkan jika berdasarkan perbandingan antara kedua bahan bakar sekam padi
dan cangkang kelapa sawit, efisiensi bahan bakar sekam padi terbaik dengan
diameter 6 cm sebesar 7.91%.
Tabel 5 Perbandingan efisiensi bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa
sawit pada masing- masing perlakuan lamanya pendidihan 1 liter air
Bahan
Dimeter ujung Ulangan
HVf
FCR
Qn
Efisiensi Rata-rata
bakar
bawah kerucut
(kcal/kg) (kg/jam) (kcal/jam)
(%)
efisiensi
(cm)
(%)
6
I
3300
0,94
235.48
7.63
7.91
II
3300
0,90
243.33
8.19
III
3300
0,90
235.48
7.90
9
I
3300
1.11
260.71
7.14
7.25
II
3300
1,14
251.72
6.70
Sekam
III
3300
1.00
260.71
7.90
12
I
3300
1.28
292.00
6.91
6.52
II
3300
1.40
292.00
6.32
III
3300
1.46
304.17
6.32
6
I
4000
2.21
521.43
5.89
5.46
II
4000
2
521.43
6.52
III
4000
3.31
561.54
4.24
9
I
4000
2.38
561.54
5.89
5.25
Cangkang
II
4000
2.46
561.54
5.70
kelapa
sawit
III
4000
3.38
561.54
4.15
12
I
4000
3
561.54
4.68
4.24
II
4000
3.83
608.33
3.97
III
4000
3.75
608.33
4.06
10
Efisiensi (%)
10
Keterangan:
6 U1: Diameter 6 ulangan 1
6 U2: Diameter 6 ulangan 2
9 U1: Diameter 9 ulangan 1
9 U2: Diameter 9 ulangan 2
12 U1: Diameter 12 ulangan 1
12 U2: Diameter 12 ulangan 2
5
sekam
sawit
0
6 U1 6 U2 6 U3 9 U1 9 U2 9 U3 12 U1 12 U2 12 U3
Diameter dan ulangan (cm)
Gambar 4 Efisiensi energi tiap waktu pendidihan dan ulangan
Waktu pendidihan (jam)
0.40
Keterangan:
6 U1: Diameter 6 ulangan 1
6 U2: Diameter 6 ulangan 2
9 U1: Diameter 9 ulangan 1
9 U2: Diameter 9 ulangan 2
12 U1: Diameter 12 ulangan 1…
0.20
sekam
sawit
0.00
6 U1 6 U2 6 U3 9 U1 9 U2 9 U3 12 U1 12 U2 12 U3
Diameter dan ulangan (cm)
Gambar 5 Waktu pendidihan 1 liter air dan ulangan
Berdasarkan Tabel 5 dapat dilihat bahwa efisiensi bahan bakar dipengaruhi
oleh energi yang dibutuhkan dan banyaknya bahan bakar yang dibutuhkan.
Semakin besar laju energi yang dibutuhkan maka efisiensi bahan bakar semakin
besar dan semakin banyak laju bahan bakar yang dibutuhkan maka efisiensi
energinya semakin kecil. Selain itu, efisiensi bahan bakar juga dipengaruhi oleh
jenis bahan bakar. Bahan bakar sekam padi dengan diameter kerucut bawah 6 cm
energi yang dibutuhkan rata-rata sebesar 238.09 kcal/jam, pada diameter 9 cm
sebesar 257.71 kcal/jam, sedangkan pada diameter 12 cm sebesar 296.06
kcal/jam. Sedangkan bahan bakar cangkang kelapa sawit energi yang dibutuhkan
rata–rata sebesar 534.8 kcal/jam pada diameter kerucut bawah 6 cm, 561.54
kcal/jam pada diameter 9 cm, dan 779.84 kcal/jam pada diameter 12 cm.
Berdasarkan Gambar 4 dapat dilihat secara keseluruhan, efisiensi bahan
bakar sekam padi lebih efisien dibandingkan bahan bakar cangkang kelapa sawit.
Hal ini dikarenakan nilai pemanasan sekam padi lebih besar dan penggunaan
bahan bakar sedikit jika dibandingkan pada cangkang kelapa sawit.
Berdasarkan Gambar 5 dapat dilihat bahwa pada bahan bakar cangkang
kelapa sawit lebih cepat mendidih dari pada menggunakan sekam padi. Hal ini
dikarenakan kandungan kalori kelapa sawit lebih besar dari pada sekam padi,
11
yaitu 4000 kcal/kg berbanding 3300 kcal/kg. Proses pendidihan air juga
dipengaruhi oleh kandungan air yang ada di dalam bahan bakar tersebut.
Berdasarkan data pada Tabel 6, pendidihan air dengan menggunakan
cangkang kelapa sawit lebih cepat dari pada sekam padi. Waktu yang dibutuhkan
pada diameter ujung kerucut 6 cm rata–rata 0.28 jam, diameter 9 cm rata–rata
0.28 jam, dan diameter 12 cm rata–rata 0.25 jam. Sedangkan dengan bahan bakar
cangkang kelapa sawit, pada diameter ujung bawah kerucut 6 cm rata–rata 0.14
jam, dimeter 9 cm rata–rata 0.13 jam, dan diameter 12 cm rata–rata 0.12 jam.
Massa bahan bakar terpakai lebih banyak cangkang kelapa sawit di bandingkan
sekam padi, karena cangkang kelapa sawit lebih berat massanya dibandingkan
sekam padi.
Tabel 6 Perbandingan lama waktu pendidihan 1 liter air dengan bahan bakar
sekam padi dan cangkang kelapa sawit pada masing- masing perlakuan
Bahan bakar
Dimeter Ulangan Massa
Massa
Massa
Massa
Waktu
tungku
awal
sisa
arang
terpakai
(jam)
(cm)
(kg)
(kg)
(kg)
(kg)
6
I
1
0.55
0.16
0.29
0.31
II
1
0.56
0.17
0.27
0.30
III
1
0.51
0.21
0.28
0.31
Rata – rata
0.54
0.18
0.28
0.30
9
I
1
0.49
0.20
0.31
0.28
II
1
0.52
0.15
0.33
0.29
Sekam padi
III
1
0.50
0.22
0.28
0.28
Rata – rata
0.50
0.19
0.31
0.28
12
I
1
0.47
0.21
0.32
0.25
II
1
0.48
0.17
0.32
0.25
III
1
0.42
0.23
0.35
0.24
Rata – rata
0.46
0.20
0.33
0.25
6
I
1
0.51
0.18
0.31
0.14
II
1
0.53
0.19
0.28
0.14
III
1
0.33
0.24
0.43
0.13
Rata – rata
0.45
0.20
0.34
0.14
9
I
1
0.46
0.23
0.31
0.13
II
1
0.47
0.21
0.32
0.13
Cangkang kelapa
III
1
0.45
0.11
0.44
0.13
sawit
Rata – rata
0.46
0.18
0.36
0.13
12
I
1
0.49
0.12
0.39
0.13
II
1
0.38
0.16
0.46
0.12
III
1
0.40
0.15
0.45
0.12
Rata – rata
0.42
0.14
0.43
0.12
12
Sebaran Kalor Bagian Bawah Panci pada Waktu Pendidihan
Kalor yang dihasilkan pada tiap bahan bakar berbeda-beda. Penelitian
tentang komputasi distribusi temperatur pada bagian bawah panci dalam keadaan
tunak dengan penyelesaian persamaan Diferensial Parsial Laplace dua dimensi
metode Beda Hingga menggunakan Matlab telah dilakukan. Jika pada sebuah
bahan terdapat gradien temperatur, maka akan terjadi perpindahan energi dari
bagian bertemperatur tinggi ke bagian bertemperatur rendah (proses perambatan
panas). Proses perhitungan perubahan kalor tidak hanya dapat dilakukan melalui
pengamatan langsung, tetapi dapat juga melalui perhitungan numerik. Bentuk
model matematika perambatan panas adalah bentuk persamaan Diferensial
Parsial. Mencatat suhu bagian bawah panci dengan menggunakan termometer
laser pada saat panci yang berisi air 1 liter dipanaskan, dan saat air mulai
mendidih. Solusi perambatan kalor pada masing-masing titik dengan metode Beda
Hingga skema eksplisit dapat diketahui dengan menggunakan persamaan Laplace.
Selanjutnya persamaan tersebut diselesaikan secara iterasi.
Berdasarkan data yang telah diambil (empat titik utama yang membentuk
persegi dengan ukuran persegi 22 x 22 cm, dan masing–masing sisi persegi
diambil empat titik), kemudian masing–masing titik tersebut diukur suhunya
dengan menggunakan termometer laser. Sehingga dapat diketahui perubahan suhu
yang terjadi di sekitar titik pusat panci selama proses pemanasan air dengan
menggunakan bahan bakar sekam padi dan cangkang kelapa sawit. Data yang ada
dicari dengan menggunakan metode Beda Hingga skema eksplisit, kemudian data
tersebut dibuat dengan matrik ukuran 9x9 dan dimasukan dalam program matlab.
Sehingga dapat diketahui suhu sekitar titik pusat panci pada waktu suhu titik
didih. Simulasi numerik akan menampilkan grafik dua dimensi dengan sumbu y
adalah suhu (0C) dan sumbu x adalah ukuran matrik.
Tabel 7 Suhu awal pada grid lines bagian bawah panci
Suhu pada bagian bawah panci (0C)
Bahan
Diameter
Suhu depan panci (0C)
Suhu kanan panci (0C)
bakar
(cm)
1
2
3
4
1
2
3
4
Sekam
6
180.9 180.0 186.6 190.0 190.7 196.0 193.4
193.5
9
168.1 167.1 167.1 170.1 170.9 170.5 169.8
169.8
12
160.1 158.8 155.5 165.5 160.1 181.1 180.1
178.1
Cangkang
6
330.1 340.1 333.3 320.5 322.5 300.5 284.6
290.1
kelapa
9
302.1 300.5 317.6 315.1 309.1 340.1 327.1
324.5
sawit
12
323.1 333.3 342.4 340.1 349.1 312.5 310.5
310.5
13
Tabel 8 Suhu awal pada grid lines bagian bawah panci
Suhu pada bagian bawah panci (0C)
Bahan
Diameter
Suhu kiri panci (0C)
Suhu belakang panci (0C)
bakar
(cm)
1
2
3
4
1
2
3
4
Sekam
6
198.7 194.5 195.0 198.0 180.0 183.0 182.7
180.7
9
172.5 178.8 182.8 189.2 180.9 190.4 195.1
188.1
12
180.2 188.1 176.1 179.1 211.1 199.1 213.0
201.1
Cangkang
6
250.5 315.1 334.5 346.0 348.1 350.1 353.0
340.0
kelapa
9
305.1 315.1 326.4 319.9 320.4 314.1 325.8
321.1
sawit
12
306.9 304.9 305.3 308.5 305.4 309.1 301.8
319.1
Suhu
(0C)
pada
titik
,
,
,
,
,
,
,
,
,
Tabel 9 Hasil pemrosesan dengan metode iterasi Gauss- Seidel
Iterasi Gauss-Seidel
Bahan bakar sekam padi
Bahan bakar cangkang kelapa
sawit
Diameter (cm)
6
9
12
6
9
12
183.7
179.6
180.9
336.8
314.8
322.5
187.8
178.0
173.1
327.8
317.9
325.9
191.4
173.6
174.8
314.4
318.9
323.2
186.4
185.3
190.7
339.4
319.9
311.9
189.4
179.9
181.3
326.0
320.3
315.4
191.8
175.2
179.5
308.9
321.8
314.4
189.8
186.6
187.7
341.0
318.9
307.7
191.8
181.4
181.7
328.0
321.6
209.3
192.9
176.4
181.9
310.5
320.7
208.6
grafik kontur solusi numerik
5
198
4.5
196
194
4
192
3.5
y
190
3
188
2.5
186
2
184
1.5
1
182
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
180
Gambar 6 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 6 cm
14
grafik kontur solusi numerik
5
195
4.5
190
4
185
3.5
y
3
180
2.5
175
2
1.5
170
1
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
Gambar 7 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 9 cm
grafik kontur solusi numerik
5
210
4.5
205
200
4
195
y
3.5
190
185
3
180
2.5
175
2
170
165
1.5
160
1
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
Gambar 8 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
sekam padi pada diameter ujung bawah kerucut 12 cm
grafik kontur solusi numerik
5
350
4.5
340
4
330
y
3.5
3
320
2.5
310
2
300
1.5
290
1
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
Gambar 9 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 6 cm
15
y
grafik kontur solusi numerik
5
340
4.5
335
4
330
3.5
325
3
320
2.5
315
2
310
1.5
305
1
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
Gambar 10 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 9 cm
grafik kontur solusi numerik
5
3000
4.5
2500
4
2000
y
3.5
3
1500
2.5
1000
2
1.5
500
1
1
1.5
2
2.5
3
x
3.5
4
4.5
5
Gambar 11 Persebaran kalor bagian bawah panci yang menggunakan bahan bakar
cangkang kelapa sawit pada diameter ujung bawah kerucut 12 cm
Berdasarkan Tabel 7 dan Tabel 8 dapat dilihat bahwa persebaran kalor
pada bagian bawah panci suhu yang didapat pada sisi kanan, kiri, depan dan
belakang panci tidak homogen. Suhu yang didapat dibuat program komputasi
perhitungan distribusi kalor pada bagian bawah panci dalam keadaan tunak
dengan persamaan Laplace dua dimensi dengan penyelesaian persamaan
Diferensial Parsial metode Beda Hingga menggunakan Matlab. Semakin banyak
jumlah elemen titik-titik domain atau mesh point semakin akurat hasil penyebaran
kalornya. Kalor menyebar dari titik yang temperaturnya lebih tinggi menuju ke
titik yang temperaturnya lebih rendah.
Berdasarkan Tabel 9 dapat dilihat hasil pemrosesan persebaran kalor pada
bagian tengah panci dengan metode iterasi Gauss- Seidel. Persebaran kalor pada
bagian bawah panci dengan pembakaran sekam padi suhunya lebih rendah
dibandingkan dengan cangkang kelapa sawit, karena nilai kalor yang tersimpan
dalam cangkang kelapa sawit lebih besar dibandingkan sekam padi. Sehingga
waktu yang digunakan dalam proses pendidihkan air lebih cepat menggunakan
cangkang kelapa sawit. Suhu yang dicapai pada proses pembakaran sekam padi
lebih rendah yaitu mencapai 659 0C di bagian dasar tengah tungku, sedangkan
pada proses pembakaran cangkang kelapa sawit suhu mencapai 788 0C. Warna
16
yang terlihat pada masing-masing grafik menunjukan adanya perbedaan suhu.
Warna merah berarti bersuhu tinggi dan warna biru adalah suhu yang rendah.
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian, bahan bakar sekam padi lebih efisien
dibandingkan dengan cangkang kelapa sawit. Meskipun nilai kalori yang
terkandung dalam cangkang kelapa sawit lebih besar dibandingkan dengan sekam
padi, tetapi dalam pemakaian bahan bakar cangkang kelapa sawit lebih boros
dibandingkan sekam padi, serta energi yang dibutuhkan pada pendidihan 1 liter air
menggunakan cangkang kelapa sawit lebih besar dibandingkan menggunakan
sekam padi. Pendidihan air yang paling cepat yaitu dengan menggunakan bahan
bakar cangkang kelapa sawit pada ukuran diameter bagian bawah kerucut 12 cm,
yaitu 0.12 jam. Efisiensi bahan bakar sekam padi pada diameter bagian bawah
kerucut 6 cm adalah 7.91%, diameter bagian bawah kerucut 9 cm adalah 7.25%,
dan diameter bagian bawah kerucut 12 cm adalah 6.52%. Sedangkan efisiensi
bahan bakar cangkang kelapa sawit pada diameter bagian bawah kerucut 6 cm
adalah 5.46%, diameter bagian bawah kerucut 9 cm adalah 5.25%, dan diameter
bagian bawah kerucut 12 cm adalah 4.24%.
Suhu pada proses pembakaran sekam padi mencapai 659 0C dibagian
dasar tengah tungku, sedangkan pada proses pembakaran cangkang kelapa sawit
suhu mencapai 788 0C. Persebaran suhu pada bagian bawah panci tidak homogen.
Perhitungan simulasi dengan menggunakan metode Beda Hingga dihasilkan
pendidihan 1 liter air untuk sekam padi pada diameter bawah kerucut 6, 9, 12 cm
suhu berkisar 173.7-192.9 0C. Sedangkan bahan bakar cangkang kelapa sawit
pada diameter bagian bawah kerucut 6, 9, 12 cm suhu berkisar 208.6–336.8 0C.
Semakin banyak jumlah elemen titik-titik domain atau mesh point semakin akurat
hasil penyebaran kalornya.
Saran
Penelitian lanjutan persebaran kalor sebaiknya dilakukan pengukuran suhu
pada bagian bawah panci dengan bentuk lingkaran dan diameter tungku dengan
metode Elemen Hingga, sehingga hasilnya bisa dibandingkan dengan metode
Beda Hingga.
DAFTAR PUSTAKA
1
F. Nawafi, R. D. Puspita, Desna, dan Irzaman. Optimasi tungku sekam skala
2
industri kecil dengan sistem boiler. Berkala Fisika. 12: 77 – 84. 2010
Indonesia. Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian, Departemen
17
3
4
5
6
Pertanian. 2005
Demiati. Pembuatan beberapa macam ukuran lubang pada dinding tubuh
tungku sekam untuk mendapatkan efisiensi kalor lebih tinggi [Skripsi].
Bogor(ID): IPB. 2010
Bakri dan Baharuddin. Absorpsi air komposit semen sekam padi dengan
penambahan pozzolan abu sekam padi dan kapur pada matriks semen. Jurnal
Perennial. 6:70-78. 2001
Haji AG, Pari G, Habibati, Amiruddin, Maulina. Kajian mutu arang hasil
pirolisis cangkang kelapa sawit. Program Studi Kimia FKIP Unsyiah,
Darussalam Banda Aceh. Jurnal Purifikasi. 11:77 – 86. 2010
Harris, Anam S, Mahmudsyah S. Studi pemanfaatan limbah padat dari
perkebunan kelapa sawit pada PLTU 6 MW di Bangka Belitung. Jurnal
Teknik Pomits. 2: ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print). 2010
7.
Sipahutar D. Tehnologi briket sekam padi. Balai pengkajian teknologi
pertanian (bptp) riau [internet]. Pekanbaru(ID): BPPT Riau. [diacu: 2
Oktober
2012].
Tersedia
dari:
http//riau.litbang.deptan.go.id/ind/images/stories/PDF/teknologibriket. 2011
8. Buchori L. Perpindahan Panas Bagian 1. Semarang(ID): Universitas
Diponegoro. 2004
9. Farel H, Napitupulu. Analisis nilai kalor bahan bakar serabut dan cangkang
sebagai bahan bakar kelet uap di pabrik kelapa sawit. 2006
10. Maulana R. Optimasi efisiensi tungku sekam dengan variasi lubang utama
pada badan kompor [Skripsi]. Bogor(ID): IPB. 2009
11. Buchori L. Perpindahan Panas Bagian 1. Semarang(ID): Universitas
Diponegoro. 2004
12 Chasanah U. Komputasi distribusi temperatur pelat logam dalam keadaan tunak
dengan penyelesaian persamaan diferensial parsial laplace dua dimensi metode
beda hingga menggunakan matlab 7.9. Fisika komputasi. 2009
18
LAMPIRAN
Lampiran 1 Hasil pengukuran parameter sistem tungku sekam berbahan bakar sekam padi untuk mendidihkan 1 liter air dengan 3
diameter ujung bawah kerucut yang berbeda
A. Diameter ujung bawah kerucut 6 cm
Suhu awal
: 27 oC
Suhu akhir
: 100 oC
Ulangan
Massa sekam padi (kg)
maw
ms
mar
I
1
0.55
0.16
II
1
0.56
0.17
III
1
0.51
0.21
Mf = 1 kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Suhu Suhu Waktu
panci arang didih
(oC) (oC) (menit)
Suhu pada bagian atas kerucut (oC)
Tdk Tkak
T0 59.5 59.4
0.29 97.6 308.8 18.50
T1 213.3 202.4
T0 45.6 49.1
0.27 99.8 300.1 17.90
T1 186.6 193.4
T0 41.0 44.0
0.28 102.0 205.4 18.33
T1 222.3 233.1
Es = 73 kcal/kg
HVf = 3300 kcal/kg
mt
Waktu = 0.31 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.29 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
,
. kg/jam
,
Tkik
51.9
226.0
51.1
182.7
41.9
219.3
Tbek
Ttek
51.8 603.2
198.8 601.6
44.5 605.8
182.6 454.3
46.3 646.6
219.6 659.5
19
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg
kcal/kg
Q
. kcal/jam
t
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
.
ε
.
kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
b. Ulangan 2
%
Waktu = 0.30 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.27 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
. %
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
c. Ulangan 3
waktu = 0.31 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.28 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
20
Suhu awal
Suhu akhir
Ulangan
B. Diameter ujung bawah kerucut 9 cm
: 27 oC
: 100 oC
Massa sekam padi (kg)
maw
ms
mar
Suhu Suhu Waktu
panci arang didih
(oC) (oC) (menit)
mt
Tdk
I
1
0.49 0.20 0.31 107.2 292.8
16.82
II
1
0.52 0.15 0.33
303.0
17.62
III
1
0.50 0.22 0.28 100.5 368.4
16.60
Mf = 1 kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Suhu bagian atas kerucut (oC)
98.8
Es = 73 kcal/kg
Tkak
Tkik
Tbek
T0 36.8 40.0 35.7 37.6
T1 169.3 171.7 159.9 184.1
T0 41.0 40.1 41.4 46.6
T1 187.6 221.9 213.0 182.1
T0 42.3 61.1 81.1 64.9
T1 161.1 164.8 195.1 182.8
HVf = 3300 kcal/kg
Waktu = 0.28 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.31 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
b. Ulangan 2
Waktu = 0.29 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.33 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
.
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
c. Ulangan 3
%
Waktu = 0.28 jam,
massa sekam padi terpakai = 0.28 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
Ttek
506.8
577.6
649.1
514.8
561.1
571.6
21
m
. kg
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
.
FCR x HVf
. kg/jam x
kcal/kg
FCR
Suhu awal
Suhu akhir
Ulangan
C. Diameter ujung bawah kerucut 12 cm
: 27 oC
: 100 oC
Massa sekam padi (kg)
maw
ms
%
mar
mt
Suhu bagian atas kerucut (oC)
Suhu Suhu Waktu
panci arang didih
(oC) (oC) (jam)
I
1
0.47 0.21 0.32 120.0 350.4
14.88
II
1
0.48 0.17 0.35
205.7
15.06
III
1
0.42 0.23 0.35 110.1 253.6
14.36
98.6
Mf = 1 kg
Es = 73 kcal/kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Waktu = 0.25 jam,
T0
T1
T0
T1
T0
T1
Tdk
Tkak
Tkik
Tbek
42.7 44.3 46.9 46.3
183.7 196.1 210.1 167.8
37.8 43.2 48.3 47.9
204.9 170.8 172.9 186.2
45.9 45.2 47.0 42.5
155.5 180.1 213.0 176.1
HVf = 3300 kcal/kg
massa sekam padi terpakai = 0.32 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
ε
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
b. Ulangan 2
waktu = 0.25 jam,
.
%
massa sekam padi terpakai = 0.35 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
. kg
m
.
FCR
. jam
waktu
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
waktu
. jam
kg/jam
.
kcal/jam
Ttek
613.9
620.4
623.9
511.5
447.5
624.6
22
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
c. Ulangan 3
Waktu = 0.24 jam,
%
.
%
massa sekam padi terpakai = 0.35 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
.
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
%
Lampiran 2 Hasil pengukuran parameter sistem tungku berbahan bakar cangkang
kelapa sawit untuk mendidihkan 1 liter air dengan 3 diameter ujung bawah
kerucut yang berbeda
A. Diameter ujung bawah kerucut 6 cm
Suhu awal
: 27 oC
Suhu akhir
: 100 oC
Ulangan
Massa cangkang kelapa
sawit (kg)
maw ms
mar mt
Suhu bagian atas kerucut (oC)
Suhu Suhu Waktu
panci arang
didih
o
(oC) ( C) (menit)
I
1
0.51 0.18 0.31 120.3 302.6
8.37
II
1
0.53 0.19 0.28 105.2 150.7
8.13
III
1
0.33 0.24 0.43 120.6 296.1
8.05
Mf = 1 kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Waktu = 0.14 jam,
T0
T1
T0
T1
T0
T1
Es = 73 kcal/kg
Tdk Tkak
Tkik
Tbek
Ttek
51.3 47.8 80.3 77.3 640.0
253.6 226.6 229.6 221.8 628.0
48.1 63.1 47.8 49.3 628.4
274.2 227.8 311.4 336.4 661.8
46.9 57.6 59.7 53.1 522.6
333.8 284.6 353.8 334.5 750.6
HVf = 4000 kcal/kg
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.31 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
. kg
m
FCR
.
. jam
waktu
→Energi yang di Butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
waktu
. jam
kg/jam
.
kcal/jam
23
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
. %
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
b. Ulangan 2
Waktu = 0.14 jam, massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.28 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
kg/jam x
kcal/kg
FCR x HVf
c. Ulangan 3
Waktu = 0.13 jam, massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.43 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
t
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
.
FCR x HVf
. kg/jam x
kcal/kg
B. Diameter ujung bawah kerucut 9 cm
Suhu awal
: 27 oC
Suhu akhir
: 100 oC
Ulangan Massa cangkang kelapa
sawit (kg)
maw ms
mar mt
Suhu bagian atas kerucut (oC)
Suhu Suhu Waktu
panci arang didih
(oC) (oC) (menit)
I
1
0.46 0.23 0.31 112.3 160.7
7.62
II
1
o.47 0.21 0.32 124.2 370.4
7.7
III
1
0.45 0.11 0.44 110.9 299.6
7.9
Mf = 1 kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Waktu = 0.13 jam,
Es = 73 kcal/kg
%
T0
T1
T0
T1
T0
T1
Tdk Tkak
Tkik
Tbek
48.4 58.8 68.5 71.8
310.0 202.9 256.5 247.3
54.5 58.8 57.6 64.7
260.6 262.2 287.1 306.1
59.6 46.9 53.4 60.6
317.6 327.1 325.8 326.4
HVf = 4000 kcal/kg
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.31 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
Ttek
681.8
696.9
648.8
710.4
697.1
788.9
24
m
. kg
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
,
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
FCR
b. Ulangan 2
Waktu = 0.13 jam,
%
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.32 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
t
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
c. Ulangan 3
Waktu = 0.13 jam,
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.44 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
Q
. kcal/jam
ε
x
%
.
FCR x HVf
. kg/jamx
kcal/kg
%
25
C. Diameter ujung bawah kerucut 12 cm
Suhu awal
: 27 oC
Suhu akhir
: 100 oC
Ulangan
Massa cangkang kelapa
sawit (kg)
maw
ms
mar
Suhu bagian atas kerucut (oC)
Suhu Suhu Waktu
panci arang didih
(oC) (oC) (jam)
mt
I
1
0.49
0.12 0.39 110.1 366.4
0.13
II
1
0.38
0.16 0.46 141.2 136.3
0.12
III
1
0.40
0.15 0.45 130.1 381.0
0.12
Mf = 1 kg
Pengolahan data
a. Ulangan 1
Waktu = 0.13 jam,
T0
T1
T0
T1
T0
T1
Es = 73 kcal/kg
Tdk
Tkak
Tkik
Tbek
53.6 46.2 51.7 60.8
219.1 247.6 254.2 234.8
63.8 108.4 129.2 130.4
244.7 279.8 294.0 265.7
57.4 60.7 72.0 106.4
342.4 262.4 273.3 301.8
HVf = 4000 kcal/kg
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.39 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
. kg
m
kg/jam
FCR
. jam
waktu
→Energi yang di butuhkan
M xE
kg x
kcal/kg
Q
. kcal/jam
waktu
. jam
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
b. Ulangan 2
Waktu = 0.12 jam, massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.46 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
m
. kg
FCR
. kg/jam
waktu
. jam
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
.
/
ε
x
%
. %
FC
HV
c. Ulangan 3
Waktu = 0.12 jam,
.
/
/
massa cangkang kelapa sawit terpakai = 0.45 kg
→Laju bahan bakar yang digunakan
. kg
m
FCR
. jam
waktu
.
kg/jam
Ttek
516.4
741.4
660.5
750.5
404.8
730.3
26
→Energi yang di butuhkan
kg x
kcal/kg
M xE
. kcal/jam
Q
. jam
waktu
→Efisiensi tungku sekam
. kcal/jam
Q
x
%
. %
ε
. kg/jamx
kcal/kg
FCR x HVf
27
Lampiran 3 Hasil pengukuran sebaran kalor pada bagian bawah panci berbahan sekam padi dan cangkang kelapa sawit pada
pendidihan 1 liter air dengan 3 diameter ujung bawah kerucut yang berbeda
Bahan
bakar
Sekam
Cangkang
kelapa
sawit
Diameter
(cm)
6
9
12
6
9
12
Suhu pada bagian bawah panci (0C)
Suhu kanan panci
Suhu kiri panci
1
2
3
4
1
2
3
174.6 196 193.4 193.5 178.7 194.5 195.0
170.9 170.5 169.8 170.0 172.5 178.8 182.8
160.1 181.1 180.1 178.1 180.2 188.1 176.1
322.5 300.5 284.6 290.1 250.5 315.1 334.5
309.1 320.8 327.1 324.5 305.1 315.1 326.4
349.1 312.5 310.5 306.5 301.9 304.3 305.5
Suhu depan panci
1
2
3
4
180.9 180 186.6 190
168.1 167.1 167.8 170.6
160.1 158.8 155.5 165.5
330.1 340.1 333.8 320.5
302.1 300.5 317.6 315.1
323.1 333.3 342.4 340.1
4
198
189.2
179.1
246
319.9
300.6
Suhu belakang panci
1
2
3
4
180 183.5 182.7 180.7
180.9 190.4 195.1 188.1
211.1 199.1 213.0 201.1
348.1 350.1 353.8 340.0
320.4 314.1 325.8 321.1
305.4 309.8 301.8 319.9
Pengolahan data dengan bahan bakar sekam padi
,
Dengan menggunakan rumus Laplace:
,
Δx= 22 cm, Δy=22 cm
Maka persamaan menjadi:
∆
,
,
,
,
,,
,
∆
,
,
,
,
,
=0
,
=0
27
28
1. Pada diameter bagian ujung bawah kerucut 6 cm
Dengan domain: (0 ≤ x ≤ 22; 0 ≤ y ≤ 22)
Sarat batas :
,
,
,
,
0,
,
. ,
,
. ,
Batas temperatur pada tepi bagian bawah panci, yaitu:
Suhu belakang panci
187.7
180.7
182.7
183.5
180
5
4
2,4
3,4
4,4
23
3,3
4,3
2,2
3,2
193.5
194.5
3
Suhu kiri panci
193.4
195.0
2
4,2
198.0
196
1
180.9
22
3
4
5
180
186.6
190
174.6
Suhu depan panci
Koordinat (2,2):
Koordinat (3,2):
Koordinat (4,2):
Koordinat (2,3):
Koordinat (3,3):
Koordinat (4,3):
Koordinat (2,4):
Koordinat (3,4):
Koordinat (4,4):
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
.
,
,
,
.
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
.
,
,
,
.
.
Suhu kanan panci
29
Penjabaran persamaan diatas dalam bentuk matriks sebagai berikut:
4
-1
0
-1
0
0
0
0
0
-1
4
-1
0
-1
0
0
0
0
0
-1
4
0
0
-1
0
0
0
-1
0
-1
4
-1
0
-1
0
0
0 0 0
-1 0 0
0 -1 0
-1 0 -1
4 -1 0
-1 4 0
0 0 4
-1 0 -1
0 -1 0
0
0
0
0
-1
0
-1
4
-1
.
.
,
0
0
0
0
0
-1
0
-1
4
,
,
,
.
=
,
.
.
,
,
,
,
2. Pada diameter bagian ujung bawah kerucut 9 cm
De