Studi Eksperimen Distribusi Temperatur Nyala Api Kompor Bioetanol Tipe Side Burner dengan Variasi Diameter Firewall

  

Studi Eksperimen Distribusi Temperatur Nyala Api

Kompor Bioetanol Tipe Side Burner dengan Variasi

Diameter Firewall

  R.R. Vienna Sona Saputri Soetadi dan Djoko Sungkono Kawano, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

  

E-mail : hdkawano@me.its.ac.id

Untuk mendapatkan kompor bioetanol efisiensi thermal maksimal diperlukan penelitian komprehensif. Salah satunya

  II. METODE PENELITIAN

  adalah penelitian terhadap posisi peletakkan beban pada kompor bioetanol kompak. Pengujian dilakukan pada kompor uji

  1. Diagram Alir Penelitian bioetanol dengan kadar 99%, yaitu kompor bioetanol tipe side burner dengan firewall 2.5 inci dan firewall 3 inci. Pengukuran

  Penelitian dilaksanakan berdasarkan pada diagram alir

  temperatur api dengan 13 thermocouple K dengan pengukuran

  sebagai berikut:

  searah api keatas setiap 5 mm-an. Kemudian, water boiling test dilakukan untuk mendapatkan daya dan beban dan dilanjutkan mengukur waktu pendidihan air. Hasil penelitian ini menunjukkan gambaran total distribusi temperatur nyala api difusi. Hasil menunjukkan untuk kompor 2.5 inci dengan daya 1.6 kW mempunyai temperatur 542 ºC dengan jarak ketinggian 5 mm dari rim kompor sedangkan kompor 3 inci menghasilkan daya 2.38 kW dengan temperatur 516 ºC.

  Kata Kunci—Kompor, bioetanol, side burner, field temperature

  I. PENDAHULUAN eiring bertambahnya waktu, populasi manusia semakin

  S bertambah. Kenaikan populasi ini menghasilkan resiko

  naiknya kebutuhan energi. Sejak wacana krisis energi non-

  renewable muncul, berkembang penelitian – penelitian

  terhadap energi terbarukan atau renewable energi. Energi terbarukan tersebut kini sedikit demi sedikit menjadi alternatif bagi masyarakat dalam menunjang aktifitas sehari-hari. Salah satunya adalah penelitian kompor bioetanol. Untuk bisa mendapatkan kompor bioetanol yang optimal dari segi penggunaannya sehingga menghasilkan pemanfaatan energi maksimal diperlukan penelitian komprehensif. Salah satunya adalah penelitian terhadap posisi peletakkan beban pada kompor bioetanol.

  Berangkat dari pemikiran tersebut, maka muncul ide penelitian bagaimana karakteristik api dan pola distribusi temperatur dinding isothermal api yang dihasilkan. Dimana distribusi temperatur dinding isothermal api berhubungan erat dengan posisi peletakan beban pada kompor. Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimen dan bertempat di Laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar – Teknik Mesin ITS Surabaya. Penelitian ini menggunakan kompor penelitian terdahulu tanpa sumbu tipe side burner dengan variasi firewall 3 inci dan 2.5 inci.

• Area ketingg memberi
• Referensi pemil berdasarkan Tug A Gambar1. Diagram alir

  25

  20

  2 200

  200

  2

  20 200

  2

  2 200 200

  2

  2

  5

  25 250

  2

  5 250

  25

  5

  25 250

  250 250

  25

  3

  30 300

  30

  30

  3 300

  300 300

  3 350

  35 350

  350

  3

  2 200

  1

  35

  10

  90

  95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150

  50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

  (a) Gambar 3. Profil api bir

  a) firewall 2.5 inci; b)

  mpak kedua kompor uji mampu abil dan berwarna biru. Meskipun irewall 3 inci didapatkan model api a biru tetapi juga berwarna kuning a kuning ini diakibatkan karena ah berwarna kuning disebut juga mana pada daerah non-stoikiometri ahan bakar dan udara kurang dari 1 nya radiasi karbon yakni jelaga esempatan bahan bakar dan udara idator untuk bertemu.

  r

  i bagaimana besar daerah api yang panas. Maka dalam sub bab ini a kontur temperatur dan garis-garis por uji dengan menggunakan tools

  al distribusi temperatur rata-rata kompor wall

  2.5 inci api kompor firewall 2.5 inci [1]

  1

  1

  10

  1 100

  5 150

  1 100

  1

  1

  5

  15

  1

  5

  15

  15

  1

  5

  15

  15 150

  1

  5 350

  35

  80

  40

  20

  20

  50 150

  15

  10

  10 Posisi Thermocouple K e ti n g g ia n , h ( m m )

  5

  10

  15

  20

  25

  30

  35

  45

  1 100

  50

  55

  60

  65

  70

  75

  80

  85

  90

  95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150

  50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

  (b) biru kompor uji

  b) firewall 3 inci Flame zone Soot particle growth zone

  Soot particle inception zone Soot oxidation zone

  30

  45

  40

  50 500

  4

  4 400

  400

  4 400 400

  4

  45 450

  45

  45

  4

  5 450 450

  4

  5 500

  500

  5 500 500

  15

  5

  55 550

  5

  5 550

  550

  1

  1

  1

  1

  45

  5

  5 150

  15

  30 150

  85

  75

  30 300

  2 200 200

  15 150

  1

  5 150

  1

  5

  2 200

  20

  2 200

  200

  2

  20 200

  2

  2

  5

  2

  5

  25 250

  2

  5 250

  25

  25

  25 250

  250 250

  25

  3

  70

  30

  15

  1

  3 300

  Pengujian ketinggian temperatur api K

  3. Pengujian Waktu Pendidihan Air

  Pengujian ini dilakukan setelah peng analisa temperatur api. Dari profil api dan akan didapatkan lokasi tinggi temper memberikan energi panas tertinggi. Peng pendidihan air kembali dengan posisi 0,5mm dan + 5mm dari ketinggian beban dengan daftar VEG Gas Institute Belanda m diameter panci berdasarkan daya yang Untuk kompor uji diameter 2.5 inci digun diameter 22 cm dan volume air 2.7 L dan k 3 inci menggunakan panci berdiameter 26 air 5,7 L.

  Pengujian temperatur api bertujuan temperatur optimum dari api biru tanpa a dari profil api tersebut. Temperatur api d

  Kriteria : ggian api yang maksimal erikan energi panas ilihan panci dan volume air

  Tugas Akhir saudara Rizka Andika P. r

  n untuk menentukan a adanya warna merah i diukur menggunakan an jarak antar center

  mperatur api

  engambilan data dan an garis isothermal api eratur yang mampu ngambilan data waktu si peletakan beban – an sebelumnya. Sesuai a mengenai penentuan g dihasilkan kompor. gunakan panci dengan n kompor uji diameter

  2. Pengujian Temperatur Api

  Dari gambar di atas tam menampilkan api yang stabil untuk kompor uji dengan fire yang tidak hanya berwarna b pada ujung apinya. Warna radiasi jelaga. Pada daerah daerah non-stoikiometri dima ini rasio campuran antara bah (ɸ < 1) [1]. Akibat adany mengakibatkan kecilnya kese yang berperan sebagai oksidato

  2. Distribusi Temperatur

  Untuk dapat mengetahui b optimal dalam melepaskan p akan ditampilkan bagaimana k isothermal pada kedua kompo MATLAB

  ® R2010b.

  A Kesimpulan End

  15

  1

  1

  10

  10

  1 100

  1 100

  1

  1

  5

  15

  1

  5

  15

  30

  300 300

  thermocouple sebanyak 13 buah dengan thermocouple 5 mm disusun radial.

  10

  5

  5 150

  15

  30 150

  15

  45

  1 100

  30

  20

  20

  50 150

  15

  10 Posisi Thermocouple K e ti n g g ia n , h ( m m )

  1

  5

  10

  15

  20

  25

  30

  35

  40

  45

  50

  55

  60

  65

  45

  1

  3 350

  45

  35 350

  350

  3

  5 350

  35

  35

  40

  4

  4 400

  400

  4 400 400

  4

  45 450

  45

  1

  4

  5 450 450

  4

  5 500

  500

  50 500

  5 500 500

  5

  55 550

  5

  5 550

  550

  1

  Gambar 2. Pengambilan data temp

• 12-11-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
• 12-11-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

  Pengukuran ini dimaksudkan untuk me tertinggi yang dihasilkan oleh api stabil. T dapat diindikasikan melalui temperatur ap mampu dihasilkan oleh kompor.

  26 cm dengan volume KUSI mengetahui temperatur il. Terjadinya api stabil api biru tertinggi yang

  Gambar 4. Kontur isothermal d firewa

III. HASIL DAN DISKUS

1. Pengukuran Temperatur Api

  Gambar 5 Struktur ap

  5

  30

  35

  350

  5 350

  3

  30

  3 300 300

  30

  30

  45

  5 350 350

  2

  5 250 250

  2

  5 250

  2

  5

  2

  5

  2

  3

  3

  2 200 200

  5

  30

  25

  20

  15

  10

  5

  K e ti n g g ia n , h ( m m )

  350 350 Posisi thermocouple

  5 500

  55

  5

  500

  5 500

  4 5 500

  5 450 450

  4

  450 450

  4 400 400 450

  40 400 400

  40 400

  2

  20

  40

  ( × )

  1

  1

  1 100

  50

  55

  60

  65

  Gambar 8. Grafik luasan total distribusi temperatur pada ketinggian tertentu Gambar 9. Grafik temperatur rata-rata distribusi temperatur api pada ketinggian tertentu

  ...................................................(2)

  70

  1

  75

  80

  85

  90

  95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150

  100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

  100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000

  5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Lu a sa n t o ta l (m m ²) Ketinggian, h (mm)

  Kompor 2.5inci Kompor 3inci

  1

  1

  20

  1

  2

  20

  5

  1

  5

  1

  5 150

  1

  5

  5

  1 100

  1

  5

  1

  5

  1

  15

  5

  1

  1

  35

• 12-11-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

  Gambar 6 Kontur isothermal distribusi temperatur rata-rata kompor firewall 3 inci

  Reaction zone, adalah daerah dimana semua reaksi kimia

  Soot “wings”

  2.5inci 3inci Flame zone

  10 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 K e ti n g g ia n , h ( m m ) Waktu pendidihan (menit)

  5

  Kompor 2.5inci Kompor 3inci

  5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 T e m p e ra tu r ra ta -r a ta (° C ) Ketinggian,h (mm)

  100 200 300 400 500 600

  Gambar 7. Struktur api kompor firewall 3 inci [1]

  Pada nyala api kedua kompor ini tergolong dalam nyala api difusi. Hal tersebut dikarenakan nyala api yang terbentuk merupakan nyala api yang timbul sewaktu udara berdifusi atau masuk ke dalam aliran uap bahan bakar tanpa dicampur terlebih dahulu sehingga oksidator berasal dari udara luar. Dari gambar struktur api nyala api kompor uji dapat dijelaskan daerah – daerah api sebagai berikut [2]:

  dan pelepasan panas terjadi. Reaction zone dimulai pada titik dimana reaksi stoikiometri mulai terjadi sampai ketika pembakaran telah sempurna. Daerah api difusi ini dibagi menjadi daerah :

  Dari gambar 9. dapat terlihat waktu pendidihan air dari kompor firewall 2.5 inci lebih singkat yakni 19.62 menit dibandingkan dengan kompor firewall 3 inci yaitu 28.47 menit. Hal ini dapat dilihat dari luasan total distribusi temperatur dan temperatur rata-rata dari kedua kompor, kompor firewall 2.5 inci lebih besar dibandingkan dengan kompor firewall 3 inci. Sehingga analisa melalui luasan total dan temperatur rata-rata distribusi temperatur nyala api sesuai dapat memberikan gambaran untuk peletakan beban.

  1. Luminous Region (yellow region)

  2. Non luminous region (blue zone) Sebagian besar proses reaksi terjadi pada daerah berwarna biru sehingga mempunyai temperatur yang relatif lebih tinggi, sedangkan daerah berwarna kuning menunjukkan persentase partikel karbon.

  Burnt gas zone

  Daerah dimana terdapat gas-gas yang terbentuk dari api pada proses-proses sebelumnya dengan kecepatan, temperatur dan konsentrasi species (fuel, product, oxidizer) yang sama. Daerah dimana reaksi kimia terjadi biasanya cukup sempit. Seperti pada gambar struktur api pada gambar 4.11 dan gambar 4.13, daerah reaksi temperatur tinggi terjadi pada daerah yang berbentuk gelang.

  Untuk membandingkan kualitas distribusi temperatur dari kedua kompor uji dianalisa berdasarkan luasan temperatur rata-rata dengan perhitungan menggunakan rumus di bawah ini:

  .......................................................(1) =

  Dari gambar 7 dan 8 terlihat bahwa kompor firewall 2.5 inci memiliki besar luasan total dan temperatur rata-rata yang terdistribusi lebih besar dibandingkan dengan kompor firewall 3 inci. Hal tersebut dikarenakan kompor 2.5 inci memiliki nyala api yang dominan berwarna biru yakni nyala api stoikiometri. Sementara kompor firewall 3 inci nyala apinya masih kekuningan atau nyala api yang non-stoikiometri.

  Dari data temperatur rata-rata yang diperoleh didapatkan untuk kompor firewall 2.5 inci ketinggian yang memiliki temperatur rata-rata terbesar adalah ketinggian 5 mm dari rim kompor. Untuk kompor firewall 3 inci didapatkan ketinggiannya 0 mm dari rim kompor. Selanjutnya data ini akan digunakan dalam pengujian waktu pendidihan air.

  Gambar 10. Grafik waktu pendidihan air terhadap ketinggian beban tertentu

3. Analisa Distribusi Temperatur

  C 26 cm 5.7 liter 2.38 kW

  o

  5 mm 56.57% 28’47” g 0.065728kg

  W 0.486369kW

  C ke ll 2.5 inci adalah 0.582319kW dan ci sebesar 0.486369kW. tribusi temperatur dan pengujian nunjukkan untuk posisi peletakan ntuk kompor uji firewall 2.5 inci por. Posisi peletakan beban untuk aitu pada ketinggian 5 mm dari rim tersebut nyala api yang diterima se api yang stabil sehingga bisa ihan yang tersingkat. mpor firewall 3 inci membutuhkan mendidihkan air daripada kompor but dikarenakan ukuran panci dan untuk kompor firewall 3 inci lebih por firewall 3 inci luasan total dan lebih kecil.

   

  keterangan : ɳ

  = efisiensi kompor (%) LHV = nilai kalor bawah bio T = waktu pendidihan air m = massa bahan bakar y

  Perbedaan energi yang d terjadi karena beberapa hal, waktu pendidihan, ukuran pan profil dan temperatur api da berbeda.

  Pada tabel terlihat kompor inci memiliki nilai efisiens konsumsi bahan bakar yang l kompor uji firewall 2.5 inci ditransfer nilainya lebih kecil. kompor firewall 3 inci temp temperaturnya lebih rendah d selain itu, pada kedua komp yang dipanaskan pun berbeda diameter panci yang digunaka

  IV. HASIL Pada hasil analisa luasan kompor firewall 2.5 inci ketinggian 5 mm dan kom 439899.43 mm

  2

  pada keting rata-rata tertinggi yang did adalah 542

  o

  C pada ketinggia inci 516

  C pada ketinggian 0 pada kompor firewall 2.5 ketinggian peletakan beban 5 inci mendidihkan pada waktu mm. Energi yang ditransfer 100

  .5 Firewall 3 inci 516 o

  o

  C pada kompor firewall untuk kompor firewall 3 inci s Hasil dari analisis distrib waktu pendidihan air menun beban yang paling baik untu adalah 5 mm dari rim kompo kompor uji firewall 3 inci yait kompor. Pada ketinggian te beban telah mencapai fase mendapatkan waktu pendidiha

  Pada eksperimen ini komp waktu lebih panjang untuk m

  firewall 2.5 inci. Hal tersebu

  volume air yang digunakan un besar. Selain itu, pada kompo temperatur rata-ratanya pun le

  o

  (b)

  transfer =

  m t LHV

    η

  ........(3) %) bioetanol (kJ/kg) air (sekon) r yang dikonsumsi (kg) ditransfer saat pengujian dapat l, yakni karena adanya perbedaan panci, volume air yang dipanaskan, dari masing-masing kompor juga por uji dengan diameter firewall 3 ensi, waktu pendidihan air, dan g lebih besar dibandingkan dengan nci sedangkan untuk energi yang cil. Hal tersebut dikarenakan pada mperatur rata-rata dan luasan total daripada kompor firewall 2.5 inci por ukuran panci dan jumlah air da yakni lebih besar volume air dan kan pada kompor uji 3 inci.

  IL DAN DISKUSI n total terbesar didapatkan untuk i sebesar 916928.57 mm

  2

  4. Analisa Waktu Pendidihan Air

  mpor enis kompor

  5 inci adalah 19,62 menit pada 5 mm dan untuk kompor firewall 3 ktu 28,47 menit pada ketinggian 5 er untuk mendidihkan air 30

  C Diameter panci *

  Dengan melihat gambar 9 pada temperatur, untuk kompor uji firewall peletakan beban direkomendasikan pada k rim kompor. Pada hasil pengujian didap pendidihan yang paling singkat dicapai pa sesuai dengan analisa distribusi temperatur

  Untuk kompor uji firewall 3 inci, rekom distribusi temperatur adalah pada ketingg kompor. Pada hasil pengujian didapatkan cepat didapatkan pada ketinggian 5 mm. dengan hasil analisa distribusi temperatur ketinggian 0 mm nyala api merambat ke b seperti gambar 10.(a). Sehingga mengak diterima beban tidak maksimal dan tidak bawah panci. Dan juga apabila beban dile dengan kompor, maka api sulit u kesempatan api untuk bertemu udara menja

  Gambar 11. Model api pada saat pengujian wa

  (a) Kompor firewall 2.5 inci pada ketingg (b) Kompor firewall 3 inci pada ketinggia

  5. Analisa Transfer Energi

  Untuk menganalisa besarnya ene bahan bakar untuk menaikkan temperatu aluminium, dari 30

  o

  C menjadi 100

  o

  C, dibutuhkan :

  Tabel 1. Indikator kinerja komp Indikator Jeni

  Firewall 2.5 inci Temperatur api rata-rata

  542 o

  22 cm Volume air *

  C, berikut data yang

  2.7 liter Daya

  1.6 kW Ketinggian peletakan beban

  5 mm Efisiensi*

  54.91% Waktu pendidihan

  19’62” Bahan Bakar yang Dikonsumsi

  0.055869kg Energi yang ditransfer

  0.582319kW

    (a)

  a analisa distribusi

  ll

  2.5 inci ketinggian ketinggian 5 mm dari apatkan bahwa waktu pada ketingggian yang tur. komendasi dari analisa ggian 0 mm dari rim n bahwa waktu paling

  . Hal ini tidak sesuai tur, dikarenakan pada e bagian dinding panci akibatkan panas yang ak merata pada bagian iletakkan terlalu dekat untuk berkembang, njadi kecil.

  waktu pendidihan air

  inggian 0 mm gian 5 mm energi yang ditransfer atur air dalam bejana

  pada kompor firewall 3 inci sebesar tinggian 0 mm. Untuk temperatur idapatkan oleh kompor 2.5 inci gian 5 mm dan kompor firewall 3 n 0 mm. Waktu pendidihan tercepat

• Diambil dari Ref.: [3]
• Besarnya energi yang ditransfer oleh ba dapat dihitung dengan rumus:

  Penulis R.R.V.S.S.S. men

  bahan bakar ke beban Energi bioetanol yang ditra

UCAPAN TE

  TERIMA KASIH engucapkan terima kasih kepada Kawano selaku dosen pembimbing Tugas Akhir. Ibu Suryani Soelaksana dan Bapak R. Sonny Soetadi selaku orang tua penulis atas dukungan moril dan materiil. Dosen-dosen dan karyawan Jurusan Teknik Mesin ITS Surabaya, terutama Bapak Suwarmin, PE selaku dosen wali dan Bapak Karmono karyawan Lab.TPBB Teknik Mesin ITS. Teman-teman angkatan M51 dan Yusufa rekan tugas akhir kompor.

  DAFTAR PUSTAKA [1] Turns,S.R., An Introduction To Combustion Concepts and Application.

  Mc Graw Hill, (1996). [2] Darana, Cahya, “Studi Distribusi Temperatur Api Transisi pada Bunsen Burner Bertekanan” . Teknik Mesin ITS, (2001).

  [3] Pratama, Rizka Andika. “Perbandingan Unjuk Kerja Kompor Bioetanol Tipe Side Burner dengan Variasi Diameter Firewall 3 Inci dan 2.5 Inci” . Tugas Akhir. Teknik Mesin ITS, Surabaya. (2012).