EFISIENSI ENERGI DAN SEBARAN KALOR PADA TUNGKU … · Jika dibandingkan dengan sekam, bahan bakar...

EFISIENSI ENERGI DAN SEBARAN KALOR

PADA TUNGKU BERBAHAN BAKAR CANGKANG KEMIRI

JALIMAS SABASTINI

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 Efisiensi Energi dan

Sebaran Kalor pada Tungku Berbahan Bakar Cangkang Kemiri 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, April 2013

Jalimas Sabastini

NIM G74080064

ABSTRAK

JALIMAS SABASTINI. Efisiensi Energi dan Sebaran Kalor pada Tungku Berbahan

Bakar Cangkang Kemiri. Dibimbing oleh IRZAMAN dan AKHIRUDIN MADDU.

Efisiensi energi yang didapatkan pada proses pendidihan 1 liter air dengan

bahan bakar cangkang kemiri adalah sekitar 3.95 %. Jika dibandingkan dengan

sekam, bahan bakar sekam efisiensinya mencapai 7.6%. Percobaan dilakukan

terhadap 3 variasi diameter dasar reservoir tungku yakni 6 cm, 9 cm dan 12 cm.

Efisiensi yang didapat menunjukkan bahwa diameter 6 cm memiliki efisiensi

tertinggi yakni 4.19%, kemudian pada diameter 9 cm adalah 3.92%, dan terendah

pada diameter 12 cm yakni 3.72%. Percobaan pada bahan bakar cangkang kemiri

juga dilakukan variasi ukurannya yaitu ukuran cangkang kecil (dihancurkan terlebih

dahulu) dan ukuran cangkang besar (tidak dihancurkan terlebih dahulu). Efisiensi

yang didapatkan menunjukkan bahwa ukuran cangkang besar memiliki efisiensi

lebih tinggi daripada cangkang ukuran kecil. Telah dianalisis pula sebaran kalor

pada reservoir tungku dengan menyelesaikan persamaan sebaran kalor satu dimensi

melalui pendekatan metode beda hingga skema implisit.

Kata kunci: beda hingga, cangkang kemiri, efisiensi, sebaran kalor, skema implisit

ABSTRACT

JALIMAS SABASTINI. Energy Efficiency and Heat in a Stove Using a Candlenut

Shell as Biofuel. Supervised by IRZAMAN dan AKHIRUDIN MADDU.

Energy efficiency to boil 1 liter of water by using a candlenut shell as fuel is

about 3.95 %. When we compared, husk fuel efficiency reaches 7.6 %. The

experiments are conducted on 3 variations based on stove reservoir buttom diameter,

6 cm, 9 cm and 12 cm. Experiments showed that the diameter of 6 cm has the

highest efficiency that is 4.19%, then the diameter of 9 cm is 3.92%, and the lowest

is 3.72% on the diameter of 12 cm. Experiments on candlenut shell fuel also be

variation in size, is the small size (shells was crushed first) and size large shell

(shells was not destroyed first). Its efficiency showed that the large size of shell has

a higher efficiency than the small one. Have also analyzed the distribution of heat in

a stove reservoir by solving the equations of one-dimensional heat distribution using

finite difference method that approach implicit scheme.

Keywords: candlenut shells, efficiency, finite difference, heat distribution, implicit

scheme.

EFISIENSI ENERGI DAN SEBARAN KALOR

PADA TUNGKU BERBAHAN BAKAR CANGKANG KEMIRI

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

JALIMAS SABASTINI

iii

Judul Skripsi : Efisiensi Energi dan Sebaran Kalor Pada Tungku Berbahan Bakar

Cangkang Kemiri

Nama : Jalimas Sabastini

NIM : G74080064

Disetujui oleh

Dr Ir Irzaman, M.Si

Pembimbing I

Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si

Pembimbing II

Diketahui oleh

Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si

Ketua Departemen Fisika

Tanggal Lulus:

PRAKATA

Puji syukur ke hadirat Allah SWT yang Maha Sempurna yang telah memberi

rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul Efisiensi

Energi dan Sebaran Kalor pada Tungku Berbahan Bakar Cangkang Kemiri.

Sebaran kalor pada reservoir (tandon) tungku dianalisis dengan menggunakan

metode beda hingga. Penelitian ini diharapkan dapat menjadi sumber informasi

adanya bahan bakar alternatif yang dapat dimanfaatkan dan diaplikasikan bagi

kehidupan masyarakat.

Pada kesempatan ini, penulis juga ingin mengucapkan terimakasih kepada:

1. Kedua orang tua, Bapak Taslim dan Ibu Suli Sriati yang tak pernah berhenti

mengalir doa dan kasih sayangnya.

2. Adik (Mety Parmiati) yang selalu memberi canda tawa dan semangat.

3. Bapak Irzaman dan Bapak Akhirudiin Maddu selaku pembimbing skripsi yang

telah banyak memberi bimbingan dan motivasi.

4. Bapak Kiagus Dahlan selaku penguji yang telah memberi masukan dan saran.

5. Bapak Indro yang senantiasa menyediakan waktunya untuk memberi arahan,

motivasi dan menjadi teman diskusi.

6. Bapak Prihantoro yang telah mengenalkan makna hidup sesungguhnya.

7. Kak Dewi Asri yang senantiasa mengayomi.

8. Keluarga Wanda yang senantiasa memotivasi dan mengajarkan makna banyak

hal.

9. Mulyana, yang setia bersama saat sulit maupun senang.

10. Rifka Dina Putri, yang senantiasa menyemangati.

11. Rekan-rekan CI’ers terimakasih atas kebersamaannya.

12. Rekan-rekan staff dan pengajar BKB Nurul Fikri yang senantiasa memberi

warna.

13. Kepada seluruh Dosen Pengajar, staf dan karyawan Departemen Fisika FMIPA

IPB.

14. Teman-teman angkatan 45 terimakasih atas kebersamaannya.

15. Kakak-kakak kelas angkatan 43 dan 44 dan adik-adik angkatan 46 dan 47.

16. Semua pihak yang telah membantu yang tidak bisa penulis ucapkan satu persatu,

terimakasih banyak atas dukungannya.

Akhir kata, dengan adanya tulisan ini diharapkan dapat memberikan manfaat

yang besar. Kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan untuk

kemajuan penelitian ini. Semoga Allah SWT senantiasa melimpahkan rahmat dan

karunia-Nya untuk kita semua. Amin.

Bogor, Februari 2013

Jalimas Sabastini

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL vii

DAFTAR GAMBAR vii

DAFTAR LAMPIRAN viii

PENDAHULUAN 1

Latar Belakang 1

Perumusan Masalah 1

Tujuan Penelitian 1

Manfaat Penelitian 1

TINJAUAN PUSTAKA 2

Cangkang Kemiri 2

Tungku Sekam 2

Energi yang Terkandung dalam Bahan Bakar 2

Efisiensi Energi 2

Sebaran Kalor 3

Metode Beda Hingga Skema Implisit 3

BAHAN DAN METODE 4

Waktu Penelitian 4

Alat dan Bahan Penelitian 4

Metode Penelitian 4

Penyiapan Alat dan Bahan 4

Pengukuran Lama Pendidihan Air 5

Perhitungan Efisiensi Energi 5

Mengukur Suhu Reservoir Tungku 6

Menganalisis Sebaran Kalor pada Reservoir Tungku 7

HASIL DAN PEMBAHASAN 10

Efisiensi Bahan Bakar Cangkang Kemiri 10

Pengaruh Diameter dasar Reservoir dan Ukuran Cangkang Kemiri dengan

Efisiensi Energi 10

Sebaran Kalor pada Reservoir Tungku 12

SIMPULAN 15

DAFTAR PUSTAKA 16

LAMPIRAN-LAMPIRAN 18

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1 Berbagai Macam Ukuran Diameter Dasar dan Panjang

Apotema pada Reservoir Tungku 4

Gambar 2 Titik-titik Pengambilan Suhu pada Kerucut 6

Gambar 3 Efisiensi Cangkang Kemiri dan Sekam 11

Gambar 4 Efisiensi energi tiap diameter tungku pada cangkang kemiri

ukuran besar dan cangkang kemiri ukuran kecil 11

Gambar 5 Nilai Suhu T(x,t) pada Diameter 6 cm 13



Gambar 8 Kontur Nilai Suhu T(x,t) pada Diameter 6 cm 14

Gambar 9 Kontur Nilai Suhu T(x,t) pada Diameter 9 cm 14


Gambar 11 Cangkang Kemiri 21

Gambar 12 Desain Tungku Sekam 21

Gambar 13 Skema Implisit pada Persamaan Perambatan Kalor 21

DAFTAR TABEL

Tabel 1 Efisiensi Pemakaian Bahan Bakar Cangkang Kemiri pada Berbagai

Ukuran Diameter Dasar Reservoir dan Ukuran Cangkang Kemiri 11

Tabel 2 Nilai Pemanasan pada Berbagai Bahan Bakar 19

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN 1 Alur Kerja Penelitian 19

LAMPIRAN 2 Tabel Nilai Pemanasan Berbagai Bahan Bakar 20

LAMPIRAN 3 Gambar 11, Gambar 12, Gambar 13 21

LAMPIRAN 4 Data dan Pengolahan Data pada Diameter Reservoir 6cm 22

LAMPIRAN 5 Data dan Pengolahan Data pada Diameter Reservoir 9cm 24 LAMPIRAN 6 Data dan Pengolahan Data pada Diameter Reservoir 12cm 26

LAMPIRAN 7 Sistem Persamaan(12) dan Bentuk Matriksnya 27

LAMPIRAN 8 Program Sebaran Kalor 36

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Krisis energi mendorong beberapa negara untuk mencari energi alternatif.

Selain sekam padi, pemanfaatan cangkang (kulit) kemiri sebagai energi alternatif

terbarukan juga sangat potensial sebab kemiri tersebar luas hampir di seluruh

wilayah Nusantara dan yang terbanyak adalah di Sulawesi Selatan, Jawa, Maluku

dan Sumatera Utara.1,2

Tanaman ini sebagian besar (95%) penanamannya

diusahakan oleh rakyat dengan pengelolaan yang sederhana.3 Berdasarkan data dari

Departemen Pertanian produksi kemiri Nasional terus meningkat dari 74.317 ton

pada tahun 2000 menjadi 89.155 ton pada tahun 2003.4

Selain itu, cangkang kemiri

juga masih mengandung minyak yang tinggi dan bisa diekstraksi,5 sehingga sangat

potensial dimanfaatkan sebagai energi alternatif.

Dalam pemanfaatan cangkang kemiri dan sekam padi sebagai bahan bakar,

dibutuhkan media yaitu tungku untuk proses pembakaran cangkang kemiri maupun

sekam padi tersebut. Tungku yang digunakan peneliti adalah tungku yang telah

dirancang dan dikembangkan di Departemen Fisika IPB. Dengan tungku ini peneliti

mencoba mengkaji efisiensi energi pada bahan bakar cangkang kemiri dan sebaran

kalor pada reservoir (kerucut) tungkunya.

Perumusan Masalah

Yang menjadi perumusan masalah dalam penelitian ini adalah:

1. Berapakah efisiensi energi pada bahan bakar cangkang kemiri?

2. Berapakah efisiensi energi yang lebih baik antara bahan bakar sekam dan

cangkang kemiri?

3. Berapakah ukuran diameter reservoir (kerucut) yang paling optimal (yang nilai

efisiensinya tertinggi)?

4. Bagaimana sebaran kalor pada tiap diameter reservoir (kerucut) tungku yang menggunakan bahan bakar cangkang kemiri?

Tujuan Penelitian

1. Mempelajari efisiensi energi pada bahan bakar cangkang kemiri

2. Mendapatkan ukuran diameter dasar reservoir (kerucut) tungku paling optimum

yang memiliki efisiensi tertinggi

3. Mempelajari sebaran kalor pada reservoir (kerucut) tungku

Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai sumber informasi adanya bahan

bakar alternatif yang dapat dimanfaatkan dan diaplikasikan bagi kehidupan

masyarakat.

TINJAUAN PUSTAKA

Cangkang Kemiri

Tanaman kemiri (Aleurites mollucana) hidup di daerah tropis dan subtropis

sehingga dapat ditanam di tanah rendah dan pegunungan, baik yang subur maupun

tanah yang kurang subur.1 Jika ditelusuri dari luar ke dalam, bagian buah kemiri

berturut-turut adalah kulit luar, lapisan kayu, kulit biji, endosperm, dan kotiledon.6

Diameter biji kemiri mencapai 1,5 hingga 2 cm yang di dalamnya terdapat daging

biji berwarna putih yang kaku (merupakan bagian endosperm yang digunakan

sebagai bumbu masak).7 Biji kemiri mempunyai kulit biji yang dikenal sebagai

tempurung atau cangkang yang sangat keras. Tebal tempurung adalah 3-5 mm

berwarna cokelat atau kehitaman.4 Kulit biji inilah yang merupakan bagian buah

yang paling keras, permukaan luarnya kasar dan berlekuk.4

Energi yang Terkandung dalam Bahan Bakar

Setiap bahan bakar memiliki nilai pemanasan atau heat value fuel (HVF) yaitu

energi yang terkandung dalam bahan bakar.8 Cangkang kemiri memiliki nilai HVF

sebesar 5200 kkal/gram. pada berbagai jenis bahan bakar. Nilai HVF pada berbagai

bahan bakar selengkapnya dapat dilihat pada Tabel 2 yang terlampir dalam

lampiran.

Efisiensi Energi

Efisiensi energi adalah perbandingan antara energi yang dapat dimanfaatkan

terhadap energi yang dibutuhkan. Semakin tinggi tingkat efisiensi energi maka

penggunaan energi akan semakin sedikit untuk hasil yang sama.9 Untuk menghitung

laju energi yang dibutuhkan untuk memasak yaitu dengan menggunakan Persamaan

(1) dan Persamaan (2) yang akan diuraikan pada bab berikutnya.

Sebaran Kalor

Sebaran (distribusi) kalor didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari satu

tempat ke tempat lainnya yang disebabkan perbedaan temperatur antara tempat-

tempat tersebut.10

Umumnya kondisi berlangsungnya proses perpindahan kalor ada

dua macam yaitu: kondisi Steady (Tunak) dan kondisi Unsteady (Tidak tunak).11

Bila keadaan suhu sebuah benda berubah terhadap waktu, maka proses perpindahan

panas yang berlangsung di dalam benda tersebut dikatakan sebagai proses yang

berlangsung dalam keadaan tak ajeg/tak tunak (transient /unsteady state).12

Persamaan persebaran kalor satu dimensi pada keadaan tidak tunak adalah

sebagai berikut:

3

dengan α = koefisien difusi dan T = suhu pada lokasi x dan waktu t.12,13

Syarat

awalnya adalah:

dan syarat batasnya sebagai berikut:

Nilai α dapat ditentukan dengan rumus:

dimana K = konduktivitas termal (Wm-1

K-1

)

c = kapasitas panas (J kg-1

K-1

)

ρ = massa jenis (kg m-3

). 12

Karena reservoir tungku terbuat dari seng, maka nilai K pada seng adalah

116 Wm-1

K-1

, nilai ρ (7,14 x 10-3

) kg m-3

, dan nilai c adalah 25.470 J kg-1

K-1

. 14

Metode Beda Hingga Skema Implisit

Metode beda hingga merupakan salah satu metode yang digunakan dalam

menyelesaikan persamaan diferensial parsial.15

Ada beberapa macam metode hingga

yaitu metode beda hingga skema Eksplisit, skema Implisit, skema Crank-Nicholson

dan sebagainya.15

Penggunaan metode beda hingga dilakukan dengan cara

mengganti koefesien persamaan diffrensial dengan koefesien beda (diffrence).16

Skema beda (diffrence scheme) merupakan suatu pendekatan dari suatu derivatif

pada suatu titik menggunakan nilai kolektif dari titik sekitarnya yang dibagi atas tiga

skema yaitu : skema sentral (center scheme), skema beda maju (forward diffrence

scheme) dan skema beda mundur (backward diffrence scheme).16

Pengertian penyelesaian dengan metode beda hingga dapat dijelaskan dengan

meninjau suatu luasan yang merupakan hasil dari persamaan diferensial parsial, 11

yang dalam Persamaan (1) mempunyai satu variable tak bebas T dan dua variable

bebas x dan t. Setiap persamaan diferensial yang berlaku pada luasan tersebut

menyatakan keadaan suatu titik atau pias yang cukup kecil pada luasan tersebut.11

Untuk menyelesaikan sistem persamaan di atas dengan metode beda hingga

akan dihitung nilai pendekatan T (temperatur) pada jaringan titik xi (x ke i) dan titik

tj (t ke j) dengan

dimana n adalah banyaknya pias. 12

Pada skema Implisit, variabel T(xi,tj) dihitung berdasarkan variabel T(xi+tj+1)

yang tidak diketahui nilainya. Gambar 4 merupakan jaringan titik hitung pada skema

Implisit, dimana turunannya didekati sebuah waktu pada saat j+1.11

(Lihat Gambar

13 pada lampiran).

BAHAN DAN METODE

Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian dilaksanakan pada bulan September 2012 – November 2012 di

Bengkel Mekanik, Departemen Fisika IPB, Bogor.

Alat dan Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sekam padi, air, cangkang

kemiri. Peralatan yang digunakan adalah tungku sekam, meteran, termometer laser,

timbangan, panci, ember, stop watch, korek api, dan peralatan tulis.

Metode Penelitian

Penyiapan Alat dan Bahan

Bahan bakar cangkang kemiri yang digunakan pada penelitian ini adalah

cangkang kemiri ukuran besar dan cangkang kemiri ukuran kecil. Untuk

mendapatkan cangkang kemiri ukuran kecil, cangkang kemiri ukuran besar

dihancurkan terlebih dahulu hingga ukurannya menjadi lebih kecil. Kemudian

cangkang kemiri dijemur di bawah sinar matahari untuk mengurangi kadar airnya.

Setelah dijemur, cangkang kemiri ditimbang sebelum dilakukan percobaan

pendidihan air. Massa kemiri yang ditimbang adalah 1 kg sebagai massa awal bahan

bakar yang digunakan.

Dalam Penelitian ini digunakan beberapa model reservoir tungku yang

berbeda berdasarkan ukuran diameter dasar reservoirnya, yaitu diameter 6 cm, 9 cm,

dan 12 cm. Dengan masing- masing ukuran digunakan untuk dua kali pengulangan

percobaan pada variasi ukuran cangkang kemiri (cangkang kemiri ukuran besar dan

cangkang kemiri ukuran kecil). Gambar 1 adalah gambar beberapa model reservoir

tungku yang berbeda berdasarkan ukuran diameter dasar reservoirnya, sedangkan

Gambar 12 (pada lampiran) adalah gambar desain tungku yang merupakan alat

utama pada penelitian ini.

Gambar 1 Berbagai macam ukuran diameter dan panjang apotema

pada reservoir tungku

5

Keterangan :

d = Diameter dasar reservoir (kerucut) tungku

A= Tinggi atau apotema (sisi miring) pada reservoir tungku

Pengukuran Lama Pendidihan Air pada Berbagai Ukuran Diameter Dasar

Reservoir Tungku

Air yang dididihkan adalah sebanyak 1 liter. Pengukuran lama pendidihan

dilakukan dengan menggunakan stopwatch , diukur saat air mulai dipanaskan

hingga air mulai terlihat gelembung saat mendidih.

Pengukuran lama pendidihan air ini dilakukan pada ketiga ukuran diameter

dasar reservoir tungku yaitu diameter 6 cm, 9 cm dan 12 cm. Masing-masing

percobaan dilakukan sebanyak dua kali ulangan dengan variasi ukuran cangkang

kemiri kecil (cangkang kemiri yang dihancurkan) dengan cangkang kemiri besar

(cangkang kemiri tidak dihancurkan).

Perhitungan Efisiensi Energi

Untuk menghitung laju energi yang dibutuhkan selama pendidihan air yaitu

dengan menggunakan persamaan: 8

Keterangan :

= laju energi yang dibutuhkan (kcal/jam)

= massa air awal (kg)

= massa air yang menguap (kg)

= kalor jenis air (kcal/kg°C )

= kalor jenis uap air (kcal/kg°C )

= kalor laten uap air (kcal/kg)

= perubahan suhu (°C )

t = waktu pemasakan (hari)

Sedangkan efisiensi bahan bakar dapat dihitung menggunakan persamaan:9

Keterangan :

= efisiensi bahan bakar (%)

= (Fuel consumption rate) laju bahan bakar yang dibutuhkan (kg/jam)

= laju energi yang dibutuhkan (kcal/jam)

= (Heat value fuel) energi yang terkandung dalam bahan bakar (kcal/kg)

Sesuai dengan Persamaan (4), untuk menghitung efisiensi energi pada bahan

bakar perlu dihitung terlebih dahulu besar Fuel Consumption Rate (FCR) atau laju

6

pembakaran bahan bakar (massa bahan bakar yang dibutuhkan untuk setiap kali

pendidihan air per satuan waktu) dan besar Qn atau laju energi pada bahan bakar

(banyaknya energi yang dibutuhkan untuk setiap kali pendidihan air per satuan

waktu).

Pada perhitungan laju pembakaran bahan bakar diperlukan penimbangan

banyaknya cangkang kemiri yang dibutuhkan selama pendidihan air. Sedangkan

sesuai dengan Persamaan (3), perhitungan laju energi pada bahan bakar diperlukan

pengukuran massa air yang didihkan dan lamanya waktu pendidihan air.

Setelah didapatkan hasil perhitungan laju pembakaran bahan bakar dan laju

energi bahan bakarnya, dapat dilakukan perhitungan efisiensi energi bahan bakar

cangkang kemiri pada ukuran cangkang kemiri besar (cangkang tidak dihancurkan)

dan pada ukuran cangkang kemiri kecil (cangkang dihancurkan) serta pada tiap

ukuran diameter reservoir tungku (6 cm, 9 cm, dan 12 cm). Sehingga dapat

dibandingkan mana yang lebih baik efisiensinya.

Mengukur Suhu Reservoir Tungku

Untuk mengukur suhu reservoir (kerucut) tungku digunakan termometer laser.

Untuk menganalisis persebaran kalor pada reservoir tungku terlebih dahulu

dilakukan pengukuran suhunya guna mengetahui nilai awal dan nilai batas suhunya.

Suhu diukur pada titik bawah reservoir (x = 0) dan titik atas reservoir (x = L).

Nilai suhu awal diukur pada titik bawah apotema (x = 0) dan titik atas

reservoir (x = L) saat api baru mulai menyala. Nilai batas suhu juga diukur pada

kedua titik tersebut setelah ∆t detik (600 detik atau 10 menit) dari pengukuran suhu

awal. Nilai ∆t ini berdasarkan hasil perhitungan yang didapat dengan menggunakan

Persamaan (9) dan (10).

Nilai suhu awal pada titik bawah reservoir (x = 0) dan titik atas reservoir

(x = L) adalah sama sebab api baru mulai menyala sehingga belum ada kalor yang

merambat. Oleh sebab itu, suhu awal di titik bawah maupun titik atas reservoir

dilambangkan dengan satu lambang saja T(x,0) dengan x bernilai 0 < x < L.

Sedangkan nilai batas suhu pada titik bawah reservoir dilambangkan dengan T(0,t)

dan nilai batas suhu pada titik atas reservoir dilambangkan dengan T(L,t).

Gambar 2 Titik-titik pengambilan suhu pada reservoir tungku

x = 0

x = L

Titik-titik

pengambilan

suhu untuk

persebaran kalor

pada reservoir

Tinggi

apotema

resrvoir

Diameter

dasar

reservoir

7

Menganalisis Sebaran Kalor pada Reservoir Tungku Menggunakan Metode

Beda Hingga Skema Implisit

Sebaran (distribusi) kalor pada reservoir tungku dapat dianalisis secara

numerik dengan menyesesaikan persamaan sebaran kalor satu dimensi (Persamaan

(1)) melalui metode beda hingga skema implisit. Langkah-langkah menyelesaikan

Persamaan (1) dengan metode beda hingga skema implisit adalah sebagai berikut.

1. Menentukan persamaan yang akan diselesaikan (Persamaan (1)).

2. Mengukur nilai suhu awal (T(x,0)) dan nilai suhu batas (T(0,t) dan T(L,t))

(didapatkan dari pengukuran).

3. Mengubah Persamaan (1) ke dalam bentuk skema Implisit yaitu Persamaan (7).

Untuk menyelesaikan sistem Persamaan (1) dengan metode beda hingga

akan dihitung nilai pendekatan T (temperatur) pada jaringan titik xi (x ke i) dan

titik tj (t ke j). Pada skema Implisit, variabel T(xi,tj) dihitung berdasarkan

variabel T(xi+tj+1) yang tidak diketahui nilainya.

Dengan menggunakan skema diferensial maju untuk turunan pertama

terhadap t (Persamaan (5)), serta diferensial terpusat untuk turunan kedua

terhadap x (Persamaan (6)) , fungsi variabel (temperatur) T(x,t) didekati oleh

bentuk berikut:14

(5)

(6)

Sehingga Persamaan (1) dapat ditulis dalam bentuk persamaan beda

hingga skema implisit menjadi:

(

)

(

)

atau

(7)

dimana

(8)

4. Menentukan ∆x dan ∆t yang digunakan dengan Persamaan (9) dan (10) .

Nilai ∆x yang ingin digunakan dapat ditentukan dengan persamaan

8

∆x = L/n (9)

dengan L adalah panjang apotema reservoir tungku (satu dimensi) dan n adalah

banyaknya pias yang diambil.17

Karena dimensi reservoir ditinjau dari satu dimensi, maka panjang

reservoir yang dimaksud adalah tinggi apotema reservoir . Reservoir

berdiameter dasar 6 cm mempunyai tinggi apotema 19.5 cm, reservoir

berdiameter dasar 9 cm mempunyai tinggi apotema 18 cm, sedangkan reservoir

berdiameter dasar 12 cm mempunyai tinggi apotema 15 cm. Apabila n

(banyaknya pias) yang diambil untuk reservoir yang panjang apotemanya

(tinggi apotemanya) 19.5 cm adalah 39 pias, dan pada reservoir yang

panjangnya 18 cm adalah 36 pias, serta pada reservoir yang panjangnya 15 cm

adalah 30 pias, maka ∆x pada masing-masing reservoir adalah 0.5 cm.

Nilai ∆t yang akan digunakan dapat ditentukan dengan persamaan

dengan α adalah nilai koefisien difusi . 14

Nilai ∆t yang digunakan dapat ditentukan dengan Persamaan (10)

dengan α adalah koefisien difusi. Dengan nilai ∆x adalah 0.5 cm, dan nilai

koefisien difusi (α) pada seng adalah (4.17 x 10-8

) m2s

-1 yang didapatkan dari

Persamaan (2), maka nilai ∆t yang digunakan adalah 600 sekon atau 10 menit.

5. Menghitung koefisien A, B dan C dengan Persamaan (8) sehingga Persamaan (7)

menjadi Persamaan (11).

Maka Persamaan (7) menjadi:

[

]

6. Memasukkan nilai i pada Persamaan (11) sehingga menjadi sistem Persamaan

seperti Persamaan (12).

Diasumsikan bahwa untuk i = 1, 2, 3,........, n-1, maka dari Persamaan

(7) akan terbentuk sistem persamaan seperti berikut:17

9

7. Memasukkan nilai awal dan nilai batas suhu hasil pengukuran pada sistem

Persamaan (12).

8. Mengubah sistem Persamaan (12) yang sudah dimasukkan nilai awal dan nilai

batas suhunya ke dalam bentuk matriks seperti Persamaan(13).15

=

(13)

Atau

9. Menyelesaikan matriks tersebut dengan operasi pada Persamaan (14).

Dengan menggunakan operasi invers matriks, solusinya adalah:

(14)

dari sini diperoleh nilai

untuk i = 1, 2, 3,...... ,n -1. 14

10. Menyimulasikan langkah-langkah penyelesaian dengan program Matlab dan memplotkan hasilnya pada grafik.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Efisiensi Energi Bahan Bakar Cangkang Kemiri

Nilai rata-rata efisiensi bahan bakar cangkang kemiri yang digunakan untuk

mendidihkan satu liter air mencapai 3.95 %. Nilai ini lebih rendah dari nilai efisiensi

sekam (7.12%).20

Grafik nilai-nilai efisiensi tersebut ditunjukkan pada Gambar 7.

Terlihat pada Gambar 7 bahwa nilai rata-rata efisiensi cangkang kemiri lebih

kecil dibandingkan dengan sekam, padahal nilai HVF (heat value fuel) atau nilai

pemanasan yang dikandung cangkang kemiri lebih besar daripada sekam yakni

sekitar 5200 kkal/kg sedangkan sekam hanya 3300 kkal/kg dimana semakin besar

nilai HVF semakin cepat waktu pendidihan airnya. Hal ini disebabkan karena massa

jenis cangkang kemiri yang lebih besar daripada sekam, sehingga untuk volume

reservoir (kerucut) tungku yang sama, massa bahan bakar (cangkang kemiri) yang

dibutuhkan untuk setiap kali pembakaran lebih banyak daripada massa bahan bakar

(sekam) yang dibutuhkan. Sehingga, jika dihitung laju pembakaran bahan bakarnya

(perbandingan antara massa bahan bakar yang dibutuhkan untuk setiap kali

pendidihan air per satuan waktu) atau disebut dengan Fuel Consumption Rate

(FCR), cangkang kemiri mempunyai nilai FCR yang lebih tinggi dibanding sekam,

dimana semakin tinggi nilai FCR maka semakin rendah nilai efisiensinya. Grafik

perbandingan efisiensi kedua jenis bahan bakar ini ditunjukkan pada Gambar 3.

Pengaruh Diameter Dasar Reservoir dan Ukuran Cangkang Kemiri

terhadap Efisiensi Energi

Ukuran diameter dasar reservoir tungku yang digunakan adalah 6 cm, 9 cm

dan 12 cm. Pengaruh diameter dasar reservoir tungku terhadap nilai efisiensi energi

yakni dihasilkan nilai efisiensi tertinggi pada diameter dasar reservoir 6 cm,

kemudian berikutnya 9 cm dan yang terendah adalah 12 cm. Efisiensi pemakaian

bahan bakar cangkang kemiri pada berbagai ukuran diameter dasar reservoir dan

ukuran cangkang kemiri disajikan pada Tabel 1 dan grafiknya disajikan pada

Gambar 4.

Semakin besar ukuran diameternya, semakin banyak bahan bakar yang

dibutuhkan, meskipun waktu pendidihannya semakin cepat. Namun jika dihitung,

semakin besar ukuran diameter dasar reservoir tungku, maka nilai Fuel

Consumption Rate (FCR) atau laju pembakaran bahan bakarnya (massa bahan bakar

yang dibutuhkan untuk setiap kali pendidihan air per satuan waktu) akan semakin

besar pula. Sesuai dengan Persamaan (4), hubungan antara nilai FCR dan nilai

efisiensinya berbanding terbalik. Inilah yang menyebabkan semakin besar ukuran

diameter dasar reservoir tungku, semakin kecil nilai efisiensinya.

11

Tabel 1 Efisiensi pemakaian bahan bakar cangkang kemiri pada berbagai ukuran

diameter dasar reservoir dan ukuran cangkang kemiri.

Diameter Dasar

Reservoir 6 cm 9 cm 12 cm

Ukuran Cangkang Cangkang

kecil

Cangkang

besar

Cangkang

kecil

Cangkang

besar

Cangkang

kecil

Cangkang

besar

Massa

Bahan

Bakar

(kg)

Massa Awal 1 1 1 1 1 1

Massa Sisa 0.42 0.44 0.34 0.36 0.32 0.32

Massa Arang 0.23 0.22 0.28 0.28 0.28 0.30

Massa Terpakai 0.35 0.34 0.38 0.36 0.40 0.38

Waktu didih (menit) 9.58 9.43 8.85 8.68 7.32 7.36

FCR (kg/jam) 2.22 2.20 2.58 2.52 3.28 3.14

Qn (kcal/jam) 457.30 464.48 494.92 504.61 598.36 595.11

Efisiensi (%) 4.11 4.23 3.84 4.00 3.65 3.79

Gambar 3 Efisiensi bahan bakar cangkang kemiri dan sekam

Gambar 4 Efisiensi energi tiap diameter reservoir tungku pada cangkang

kemiri ukuran besar dan cangkang kemiri ukuran kecil

12

Cangkang kemiri yang digunakan terdapat dua macam ukuran, yaitu cangkang

ukuran besar dan cangkang ukuran kecil. Cangkang ukuran kecil yang dimaksud

adalah cangkang yang berasal dari ukuran besar namun dihancurkan terlebih dahulu

sebelum digunakan sehingga ukurannya menjadi lebih kecil, sedangkan cangkang

ukuran besar adalah cangkang yang tidak dihancurkan terlebih dahulu sebelum

digunakan. Melihat perbandingan nilai efisiensinya, cangkang ukuran besar

mempunyai nilai efisiensi lebih tinggi daripada cangkang ukuran kecil. Hal ini

disebabkan cangkang ukuran kecil lebih cepat habis terbakar dibandingkan

cangkang ukuran besar.

Pada ukuran diameter 6 cm, dengan bahan bakar cangkang kemiri ukuran

besar (tidak dihancurkan) efisiensinya mencapai 4.11% dan mencapai 4.23 %

dengan menggunakan cangkang kemiri ukuran kecil (dihancurkan). Sedangkan pada

ukuran diameter 9 cm, dengan bahan bakar cangkang kemiri ukuran besar (tidak

dihancurkan)efisiensinya mencapai 3.84% dan mencapai 4.00 % dengan

menggunakan cangkang kemiri ukuran kecil (dihancurkan). Serta pada ukuran

diameter 12 cm, dengan bahan bakar cangkang kemiri ukuran besar (tidak

dihancurkan)efisiensinya mencapai 3.79 % dan mencapai 3.65 % dengan

menggunakan cangkang kemiri ukuran kecil (dihancurkan).

Sebaran Kalor pada Reservoir Tungku

Kalor pada reservoir (kerucut) tungku mengalir secara konduksi dari bagian

dasar reservoir ke bagian atas reservoir. Persamaan konduksi panas satu dimensi

pada reservoir dapat didefinisikan sebagai persamaan sebaran panas satu dimensi

yang merupakan persamaan differensial parabolik seperti Persamaan (1) di atas.

Dari Persamaan (1) dapat diperoleh suatu hasil penyelesaian berupa distribusi

suhu yang merupakan fungsi posisi (x) dan fungsi waktu (t ) , yaitu T = T (x,t).

Harga α adalah besarnya difusivitas suhu dari bahan yang dapat diasumsikan

berharga konstan. Metode yang digunakan untuk menyelesaikan persoalan sebaran

panas tersebut adalah metode beda hingga dengan skema implisit.

Langkah-langkah menyelesaikan Persamaan (1) tersebut dengan metode beda

hingga skema implisit telah diurakan pada bab sebelumnya. Pada langkah 2 untuk

menentukan nilai awal dan nilai batas suhu didapatkan dari pengukuran suhu pada

reservoir tungku. Berikut adalah hasil pengukuran nilai awal dan nilai batas suhu

pada berbagai ukuran diameter dasar reservoir tungku.

Untuk reservoir berdiameter dasar 12 cm (L=15 cm)

T(x,0) = 25 0C , 0 < x < L

T(0,t) = 296 0C , t > 0

T(L,t) = 1870C , t > 0

Untuk reservoir berdiameter dasar 9 cm (L=18 cm)

T(x,0) = 250C , 0 < x < L

T(0,t) = 2180C , t > 0

T(L,t) = 1160C , t > 0

Untuk reservoir berdiameter dasar 6 cm (L=19.5 cm)

T(x,0) = 250C , 0 < x < L

T(0,t) = 1740C , t > 0

T(L,t) = 890C , t > 0

13

Pada langkah 6 dan 7, sistem Persamaan (12) didapatkan dengan memasukkan

nilai i pada Persamaan (11) dengan nilai i = 1, 2, 3,........, n-1 kemudian

memasukkan nilai awal dan nilai batas suhu hasil pengukuran. Sistem Persamaan

(12) yang didapat pada masing-masing ukuran diameter dasar reservoir tungku,

diuraikan secara lengkap pada lampiran 7. Demikian pula bentuk matriks yang

didapat pada langkah 8 ditampilkan pada lampiran 7. Langkah-langkah di atas

dijalankan pada setiap diameter dasar reservoir dan disimulasikan pada program

Matlab R12 kemudian hasilnya diplotkan pada grafik, maka akan menghasilkan plot

grafik yang akan disajikan pada Gambar 5 hingga Gambar 10..

Gambar 8, Gambar 9 dan Gambar 10 adalah grafik hubungan antara nilai suhu

(T), waktu (t) dan panjang apotema reservoir (x) pada diameter reservoir 6 cm, 9 cm

dan 12 cm. Sedangkan grafik kontur dari ketiga hubungan tersebut digambarkan

pada Gambar 11, Gambar 12 dan Gambar 13. Warna yang terlihat pada masing-

masing grafik menunjukan adanya perbedaan suhu. Warna merah berarti bersuhu

tinggi dan warna biru adalah suhu yang rendah.

Gambar 5 Nilai suhu,T(x,t),pada diameter 6 cm Gambar 6 Nilai suhu,T(x,t),pada diameter 9 cm

Gambar 7 Nilai suhu,T(x,t),pada diameter 12 cm

14

Dari semua grafik tersebut dapat dilihat bahwa semakin naik nilai x (semakin

mendekati x = L), maka nilai suhu semakin menurun secara hampir linear. Hal ini

dikarenakan ketika nilai x semakin mendekati L, maka semakin menjauhi sumber api

(sumber api di x = 0), sehingga suhu di x = L lebih rendah daripada di x = 0 (di

dekat sumber api). Selain itu, dapat dilihat juga bahwa semakin lama (nilai t

semakin besar), maka nilai suhu semakin meningkat secara eksponensial. Hal ini

membuktikan adanya kalor yang merambat dari sumber api ke reservoir tungku.

Jika dibandingkan antara reservoir berdiameter 6 cm, 9 cm dan 12 cm pada

grafik nilai maupun grafik kontur tersebut, dapat dilihat bahwa setelah ∆t (60 detik

atau 10 menit) suhu di x = 0 maupun di x = L meningkat dari suhu awalnya,

peningkatan suhu tertinggi terdapat pada reservoir berdiameter 12 cm dan terendah

pada reservoir berdiameter 6 cm. Peningkatan suhu tertinggi pada diameter 12 cm

dan peningkatan suhu terendah pada diameter 6 cm dapat dicirikan dengan warna

yang dominan merah pada gambar kontur nilai suhu (Gambar 8, Gambar 9, Gambar

10), sedangkan pada Gambar 5, Gambar 6, dan Gambar 7 dapat dilihat dengan batas

suhu yang lebih tinggi pada diameter 12 cm, kemudian 9 cm dan yang terendah

adalah diameter 6 cm. Hal ini disebabkan pada reservoir berdiameter 12 cm mampu

menampung massa bahan bakar yang lebih banyak, sehingga kalor yang dihasilkan

dari pembakaran bahan bakar tersebut lebih banyak dan lebih cepat merambat. Pada

reservoir berdiameter 12 cm, jika dihitung dari suhu awal (saat api baru mulai

menyala) peningkatan suhunya adalah sebesar 269 0C di x = 0 dan 160

0C di x =

L. Pada reservoir berdiameter 9 cm, peningkatan suhunya adalah sebesar 191 0C di x

= 0 dan 89 0C di x = L. Sedangkan pada reservoir berdiameter 6 cm, peningkatan

suhunya adalah sebesar 147 0C di x = 0 dan 62

0C di x = L.

Gambar 8 Kontur nilai suhu, T(x,t), pada diameter 6 cm

Gambar 10 Kontur nilai suhu, T(x,t),

pada diameter 12 cm

Gambar 9 Kontur nilai suhu, T(x,t),

pada diameter 9 cm

SIMPULAN

Lama waktu pendidihan satu liter air pada tungku yang reservoirnya

berdiameter dasar 6 cm dengan menggunakan cangkang kemiri kecil adalah 9.58

menit dan dengan cangkang kemiri besar adalah 9.43 menit, sedangkan pada tungku

yang reservoirnya berdiameter dasar 9 cm dengan menggunakan cangkang kemiri

kecil adalah 8.85 menit dan dengan cangkang kemiri besar adalah 8.68 menit. Pada

tungku yang reservoirnya berdiameter dasar 12 cm lama waktu pendidihan satu liter

air dengan menggunakan cangkang kemiri kecil adalah 7.32 menit dan dengan

cangkang kemiri besar adalah 7.36 menit.

Rata-rata efisiensi energi yang didapatkan pada proses pendidihan satu liter air

dengan bahan bakar cangkang kemiri adalah sekitar 3.95 %. Efisiensi yang

didapatkan menunjukkan bahwa diameter reservoir tungku 6 cm memiliki efisiensi

tertinggi. Pada bahan bakar kemiri didapatkan rata-rata efisiensinya pada diameter 6

cm, 9 cm dan 12 cm berturut-turut 4.17%, 3.92% dan 3.72% . Efisiensi yang

didapatkan terhadap ukuran cangkang menunjukkan bahwa ukuran cangkang besar

memiliki efisiensi lebih tinggi daripada cangkang ukuran kecil.

Kalor merambat dari sumber api yang berasal dari pembakaran bahan bakar ke

reservoir tungku dan merambat pada sepanjang apotema reservoir. Kalor menyebar

secara hampir linear terhadap jarak dari sumber api, dimana semakin besar nilai

jarak maka semakin turun suhunya. Kalor juga menyebar secara eksponensial

terhadap waktu, dimana semakin besar waktu semakin tinggi suhunya. Sebaran kalor

tercepat terjadi pada reservoir tungku berdiameter dasar 12 cm.

DAFTAR PUSTAKA

1. Paimin, F.R. Kemiri, Budidaya dan Prospek Bisnis. Penebar Swadaya. Jakarta.

1994.

2. Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian. Sekam sebagai Sumber Energy

Alternatif dalam Rumah Tangga Petani. [terhubung berkala].

http://www.litbang.deptan.go.id/artikel/one/210/pdf/Sekam%20Padi%20Sebaga

i%20Sumber%20Energi%20Alternatif%20dalam%20Rumah%20Tangga%20Pe

tani.pdf. Departemen Pertanian. 2010. [21 april 2012].

3. Kusuma, Achmad. Kemiri dan Prospek Pengembangannya di Indonesia. Media

Indonesia. Jakarta. 2012. [26 Agustus 2012].

4. Sunanto. Kajian Mutu Arang Hasil Pirolisis Cangkang Kemiri. Program Studi

Kimia FKIP Unsyiah, Darussalam Banda Aceh 2. Pusat Penelitian dan

Pengembangan Hasil Hutan, Bogor. 1994.

5. Atjung. Tanaman yang Menghasilkan Minyak, Tepung, dan Gula. CV.

Yasaguna. Jakarta. 1981. hal 24-25.

6. Sutiyono dan Luluk, E. Pemanfaatan Kulit Kemiri untuk Pembuatan Arang

Aktif dengan Cara Pirolisis. Jawa Timur : Jurnal Penelitian Ilmu Teknik. 2006;

Vol.6, No.2 Desember 2006 :133-140.

7. Winarni, I. dkk. Pengaruh Kombinasi Perlakuan Terhadap Keutuhan Biji

Kemiri. Pusat Litbang Hasil Hutan. 2004.

8. Umrih, T. Analisis Efisiensi Energi Bahan Bakar Sekam dan Kayu Sengon pada

Proses Sterilisasi Media Tumbuh Jamur Tiram Putih . [Skripsi]. Bogor:Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor . 2012.

9. Demiati. Pembuatan beberapa Macam Ukuran lubang pada Dinding Tubuh

Tungku Sekam untuk Mendapatkan efisiensi Kalor Lebih Tinggi. [Skripsi].

Bogor : Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian

Bogor. 2010.

10. Fitrianto, E. Perpindahan Panas. [terhubung berkala].

http://endarfitrianto.blogspot.com/2008/07/perpindahan-panas.html. 2008. [20

april 2012]

11. Chasanah, U. Komputasi Distribusi Temperatur Pelat Logam dalam Keadaan

Tunak dengan Penyelesaian Persamaan Differensial Parsial Laplace Dua

Dimensi Metode Beda Hingga Menggunakan Matlab 7.9. Jurusan Fisika

FMIPA. Universitas Negeri Surabaya. Surabaya. 2011.

12. Purwadi, PK. Metode Alternating Direction Implicit pada Penyelesaian

Persoalan Perpindahan Kalor Konduksi Dua Dimensi Keadaan Tak Tunak.

SIGMA. 2000; Vol. 3, No.1, Januari 2000: 69-79

13. Yang, Won Yung. Applied Numerical Methode Using Matlab. USA: Wiley

Interscience. 2005.

14. Tolcin, A. C. Mineral Commodity Summaries 2009: Zinc. United States

Geological Survey. USA. 2009.

15. Mutholi’ah, Emy. Analisis Perbandingan Metode Beda Hingga Skema Implisit

dan Crank-Nicholson pada Penyelesaian Persamaan Differensial Parsial.

Jurusan Matematika Fakultas Sains dan Teknologi. Universitas Islam Negeri

Malang. Malang. 2008.

http://www.litbang.deptan.go.id/artikel/one/210/pdf/Sekam%20Padi%20Sebagai%20Sumber%20Energi%20Alternatif%20dalam%20Rumah%20Tangga%20Petani.pdf



http://endarfitrianto.blogspot.com/2008/07/perpindahan-panas.html

http://minerals.er.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/zinc/mcs-2009-zinc.pdf

http://id.wikipedia.org/wiki/United_States_Geological_Survey

http://id.wikipedia.org/wiki/United_States_Geological_Survey

17

16. Yulianto, F.E. Perhitungan Tekanan Air Pori pada Proses Sand Drain dengan

Menggunakan Metode Beda Hingga. Jurusan Tenik Sipil, Fakultas Teknik.

Universitas Madura. Madura. 2008.

17. United Nations Environment Programme. Peralatan Energi Panas: Tungku dan

Refraktori. Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri.

www.energyefficiencyasia.org. 2006. [27 agustus 2008]

18. Tambunan, Bisrul H. Karakteristik Pembakaran Briket Cangkang

Kemiri:Presentase Arang. Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas

Negeri Medan. 2007

19. Anonim. http://2.bp.blogspot.com/ [18 september 2012]

20. Mulyana. Optimasi Efisiensi Energi dan Analisis Sebaran Panas pada Tungku

Menggunakan Bahan Bakar Sekam dan Cangkang Kelapa Sawit . [Skripsi].

Bogor:Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian

Bogor . 2013

http://www.energyefficiencyasia.org/

LAMPIRAN - LAMPIRAN

19

LAMPIRAN 1

Alur Kerja Penelitian

Mulai

Persiapan alat dan

Bahan

Diameter

reservoir 9 cm Diameter

reservoir 12 cm

Diameter

reservoir 6 cm

Perebusan air

Cangkang kemiri ukuran

besar (2 kali ulangan)

Cangkang kemiri ukuran

kecil (2 kali ulangan)

Arang

Perhitungan dan

analisis data

Penyusunan laporan

Selesai

20

LAMPIRAN 2

Tabel 1 Nilai Pemanasan pada Berbagai Bahan Bakar. 17, 19

BAHAN BAKAR NILAI

PEMANASAN(kcal/kg)

LPG 11767 Kayu 3355

Cangkang Kemiri 5200

Sekam Padi 3300

Minyak Tanah 11000

Bensin 11528

Diesel 10917

21

LAMPIRAN 3

Gambar 1 Biji kemiri dan cangkangnya. 19

Gambar 2 Desain tungku sekam. 8

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.

(F) Penampung abu sementara.8

Gambar 3 Skema implisit pada persamaan perambatan kalor.11

22

LAMPIRAN 4

Data efisiensi pemakaian bahan bakar cangkang kemiri pada reservoir tungku

berdiameter dasar 6 cm.

Pengolahan Data

1. Cangkang Ukuran Kecil Ulangan 1

Laju bahan bakar yang dibutuhkan

FC massa terpakai

aktu

. kg

. jam . kg jam

Laju energi yang dibutuhkan

Efisiensi bahan bakar



Diameter Reservoir

6 cm

Ukuran Cangkang

Cangkang Kecil Cangkang Besar

Ulangan

1

Ulangan

2

Rata-

Rata

Ulangan

1

Ulangan

2

Rata-

Rata

Suhu

air (0C)

Suhu Awal 27 27 27 27 27 27

Suhu Akhir 100 100 100 100 100 100

Massa

Bahan

Bakar

(kg)

Massa awal 1 1 1 1 1 1

Massa sisa 0.39 0.44 0.42 0.41 0.46 0.44

Massa arang 0.25 0.21 0.23 0.25 0.19 0.22

Massa Terpakai 0.36 0.35 0.35 0.34 0.35 0.34


FCR (kg/jam) 2.22 2.22 2.22 2.16 2.23 2.20

Qn (kcal/jam) 450.80 463.98 457.30 463.00 465.96 464.48

Efisiensi (%) 4.06 4.17 4,11 4.29 4.17 4.23

23



Rata-rata efisiensi = (4.06% + 4.17%) / 2 = 4.11%

3. Cangkang Ukuran Besar Ulangan 1









24

LAMPIRAN 5


berdiameter dasar 9 cm.

Pengolahan Data



massa terpakai

aktu

. kg

. jam . kg jam





Diameter Reservoir

9 cm

Ukuran Cangkang


Ulangan

1

Ulangan

2

Rata-

Rata

Ulangan

1

Ulangan

2

Rata-

Rata

Suhu

air (0C)

Suhu Awal 27 27 27 27 27 27

Suhu Akhir 100 100 100 100 100 100

Massa

Bahan

Bakar

(kg)


Massa sisa 0.34 0.35 0.34 0.31 0.40 0.36

Massa arang 0.28 0.27 0.27 0.33 0.23 0.28

Massa Terpakai 0.38 0.38 0.38 0.36 0.37 0.36

Waktu didih (menit) 8.90 8.80 8.85 8.83 8,53 8.68

FCR (kg/jam) 2.56 2.59 2.58 2.45 2.60 2.52

Qn (Kcal/jam) 492.13 497.73 494.92 496.04 513.48 504.61

Efisiensi (%) 3.84 3.84 3.84 4.06 3.95 4.00

25



Rata-rata efisiensi = (3,84% + 3.84%) / 2 = 3.84%










26

LAMPIRAN 6


berdiameter dasar 12 cm

Pengolahan Data



massa terpakai

aktu

. kg

. jam . kg jam





Diameter Reservoir

12cm

Ukuran Cangkang


Ulangan

1

Ulangan

2

Rata-

Rata

Ulangan

1

Ulangan

2

Rata-

Rata

Suhu

air (0C)

Suhu Awal 27 27 27 27 27 27

Suhu Akhir 100 100 100 100 100 100

Massa

Bahan

Bakar

(kg)


Massa sisa 0.36 0.29 0.32 0.29 0.35 0.32

Massa arang 024 0.31 0.28 0.33 0.26 0.30

Massa Terpakai 0.40 0.40 0.40 0.38 0.39 0.38


FCR (kg/jam) 3.13 3.45 3.28 3.23 3.05 3.14

Qn (Kcal/jam) 570.31 629.31 598.36 621.28 571.06 595.11

Efisiensi (%) 3.65 3.65 3.65 3.84 3.74 3.79

27



Rata-rata efisiensi = (3,65% + 3.65%) / 2 = 3.65%










28

LAMPIRAN 7

Sistem Persamaan (12) pada reservoir tungku berdiameter dasar 6 cm dengan

panjang apotema (L) = 19.5 cm, banyaknya pias yang diambil (n) = 39, i = 1, 2,

3,......, 38, suhu batas T(0,t) = 174 0C dan suhu batas T(L,t) = 89

0C.

30


panjang apotema (L) = 18 cm, banyaknya pias yang diambil (n) = 36, i = 1, 2, 3,..,35,

suhu batas T(0,t) = 218 0C dan suhu batas T(L,t) = 116

0C.

32


panjang apotema (L) = 15 cm, banyaknya pias yang diambil (n) = 30, i = 1, 2, 3,., 29,

suhu batas T(0,t) = 296 0C dan suhu batas T(L,t) = 187

0C.

34

Bentuk matriks dari Persamaan (12) pada reservoir tungku berdiameter dasar 6 cm.

Bentuk matriks dari Persamaan (12) pada reservoir tungku berdiameter dasar 9 cm.

35

Bentuk matriks dari Persamaan(12) pada reservoir tungku berdiameter dasar 12 cm.

36

LAMPIRAN 8

Program Sebaran Panas dengan Metode Beda Hingga Skema Implisit pada Tungku

dengan diameter dasar reservoir 6 cm (tinggi apotema=19.5 cm)

clc;clear all; format long e;

disp('===============================================')

disp(' Solusi Persamaan Diferensial Parsial')

disp(' Persamaan Sebaran Kalor pada Reservoir Tungku

Berdiameter Dasar 6 cm')

disp(' Metode Beda Hingga Skema Implisit')

disp(' Oleh : Jalimas Sabastini')

disp(' NIM : G74080064')

disp('===============================================')

disp('')

N=200; %N=input('Masukkan banyaknya iterasi t,N = ');

dx=0.5; %dx=input('Masukkan jarak interval x,dx = ');

dt=300; %dt=input('Masukkan jarak interval t,dt = ');

alpha=0.0004171; %alpha=input('Masukkan nilai koefisien

difusi,alpha = ');

Tbd=174; %Tbd=input('Masukkan nilai suhu batas,Tbd=');

M = 39; tic;

% M adalah banyaknya pias

T = zeros(N,M+1);

% Kondisi Batas dan awal

for n = 1:N

T(n,1) =Tbd;

end

for i = 1:M

P(i,1) = 89;

T(n,M+1) = 27;

end

% Penyusunan matriks koefisien S

S=M-1,M-1;

A=(alpha/(dx^2));

B=((1/dt)+((2*alpha)/(dx^2)));

C=(alpha/(dx^2));

S(1,1)=B; S(1,2)=-C;

for i = 2:M-2

S(i,i-1)=-A; S(i,i)=B; S(i,i+1)=-C;

end

S(M-1,M-2)=-A; S(M-1,M-1)=B;

P=zeros(1,M-1);

for n = 1:N-1

% Penyusunan matriks konstanta P

P(1,1)=(T(n,2)/dt)+(Tbd*A);

P(1,2:M-1)=T(n,3:M)./dt;

% Solusi S*T = P untuk T

T(n+1,2:M) = (inv(S)*P')';

end

disp(' ');

disp('Hasil komputasi : ');

disp('Baris = x dan Kolom = t');

37

disp('===============================================')

disp(T);

disp('===============================================')

disp(['Waktu Komputasi = ',num2str(toc)])

disp('===============================================')

figure(1)

mesh(1:M+1,1:N,T);

view(38,10)

title('Gambar 9. Grafik nilai suhu (T(x,t))pada diameter

6cm');

grid on;

zlabel('suhu (T(x,t))');

ylabel('waktu (t)');

xlabel('jarak (x)');

figure(2)

pcolor(T);

colorbar vert

cxs=max(max(abs(T)));

caxis([0 20]);

shading interp

title('Gambar 12. Grafik kontur nilai suhu (T(x,t))pada

diameter 6cm');



end


dengan diameter dasar reservoir 9 cm (tinggi apotema=18 cm)


disp('===============================================')


disp(' Persamaan Penjalaran Panas pada Kerucut Tungku




disp(' NIM : G74080064')

disp('===============================================')

disp('')





difusi,alpha = ');

Tbd=218; %Tbd=input('Masukkan nilai suhu batas,Tbd=');

M = 36; tic;


T = zeros(N,M+1);


for n = 1:N

38

T(n,1) =Tbd;

end

for i = 1:M

P(i,1) = 116;

T(n,M+1) = 27;

end


S=zeros(M-1,M-1);

A=(alpha/(dx^2));

B=((1/dt)+((2*alpha)/(dx^2)));

C=(alpha/(dx^2));

S(1,1)=B; S(1,2)=-C;

for i = 2:M-2

S(i,i-1)=-A; S(i,i)=B; S(i,i+1)=-C;

end

S(M-1,M-2)=-A; S(M-1,M-1)=B;

P=zeros(1,M-1);

for n = 1:N-1


P(1,1)=(T(n,2)/dt)+(Tbd*A);

P(1,2:M-1)=T(n,3:M)./dt;


T(n+1,2:M) = (inv(S)*P')';

end

disp(' ');



disp('===============================================')

disp(T);

disp('===============================================')


disp('===============================================')

figure(1)

mesh(1:M+1,1:N,T);

view(38,10)


9cm');

grid on;




figure(2)

pcolor(T);

colorbar vert


caxis([0 18]);

shading interp


diameter 9cm');



end

39


dengan diameter dasar reservoir 12 cm (tinggi apotema=18 cm)


disp('===============================================')


disp(' Persamaan Penjalaran Panas pada Reservoir Tungku




disp(' NIM : G74080064')

disp('===============================================')

disp('')





difusi,alpha = ');

Tbd=296; %Tbd=input('Masukkan nilai suhu awal,Tbd=');

M = 15; tic;


T = N,M+1;


for n = 1:N

T(n,1) =Tbd;

end

for i = 1:M

P(i,1) = 122;

T(n,M+1) = 27;

end


S=M-1,M-1;

A=(alpha/(dx^2));

B=((1/dt)+((2*alpha)/(dx^2)));

C=(alpha/(dx^2));

S(1,1)=B; S(1,2)=-C;

for i = 2:M-2

S(i,i-1)=-A; S(i,i)=B; S(i,i+1)=-C;

end

S(M-1,M-2)=-A; S(M-1,M-1)=B;

P=1,M-1;

for n = 1:N-1


P(1,1)=(T(n,2)/dt)+(Tbd*A);

P(1,2:M-1)=T(n,3:M)./dt;


T(n+1,2:M) = (inv(S)*P')';

end

disp(' ');



disp('===============================================')

disp(T);

disp('===============================================')

40


disp('===============================================')

figure(1)

mesh(1:M+1,1:N,T);

view(38,10)


12cm');

grid on;




figure(2)

pcolor(T);

colorbar vert


caxis([0 15]);

shading interp


diameter 12cm');



end

RIWAYAT HIDUP

Penulis lahir pada tanggal 5 januari 1991 di Jakarta dari pasangan

Suli Sriati dan Sunardi Taslim. Penulis menyelesaikan

pendidikan formal SD pada tahun 1996-2002 di SD Negeri 012

Petang Jakarta, SMP Negeri 201 Jakarta pada 2002 – 2005, SMA

Negeri 84 Jakarta pada 2005 – 2008, kemudian melanjutkan ke

jenjang Perguruan Tinggi Negeri di Institut Pertanian Bogor

Departemen Fisika pada 2008-2012 melalui jalur masuk Seleksi

Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN).

Penulis juga mengikuti beberapa pendidikan nonformal

diantaranya Pelatihan IT dari PKBM (Pusat Kegiatan Belajar Masyarakat) pada

tahun 2005, Harcourt English Course tahun 2007, Training dasar kepemimpinan

2006 serta berbagai training dan seminar. Selain itu penulis juga mengikuti berbagai

organisasi dan kepanitiaan seperti LDF Serum-G divisi Public Relation 2010, LDF

Serum-G divisi HRD 2011, Gugus Disiplin Asrama TPB 2008, Panitia Masa

Perkenalan Kampus Mahasiswa Baru (MPKMB) divisi Komisi Disiplin 2009,

Panitia Pesta Sains divisi Kestari 2010, Panitia Masa Perkenalan Fisika (MPF) divisi

Squad Guardian 2010 dan sebagainya.

Penulis menyelesaikan tugas akhir skripsi dengan judul Efisiensi Energi dan

Sebaran Kalor pada Tungku Berbahan Bakar Cangkang Kemiri.

EFISIENSI ENERGI DAN SEBARAN KALOR PADA TUNGKU … · Jika dibandingkan dengan sekam, bahan bakar...

Documents

Transcript of EFISIENSI ENERGI DAN SEBARAN KALOR PADA TUNGKU … · Jika dibandingkan dengan sekam, bahan bakar...