TUGAS AKHIR

PENGARUH DINDING ISOLASI PADA TUNGKU GASIFIKASI SEKAM PADI TERHADAP TEMPERATUR PRMBAKARAN

Tugas Akhir Ini Disusun Sebagai Syarat Untuk Mendapatkan Gelar Sarjana S1 Pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas muhammadiyah surakarta

Disusun oleh:

ALFAN NUR ROHMAN ADITAMA D200 080 021

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

NOVEMBER 2012

HALAMAN PENGESAHAN 

MAKALAH TUGAS AKHIR 

Makalah tugas akhir dengan judul “Pengaruh Dinding Isolasi Pada Tungku Gasifikasi Sekam Padi Terhadap Temperatur Pembakaran” telah disahkan oleh pembimbing dan koordinator sebagai syarat seminar tugas akhir dan ujian tugas akhir.

Disusun oleh:

Nama : Alfan Nur Rohman Aditama

NIM : D200 080 021

Disetujui pada:

Hari :

Tanggal :

Pengaruh Dinding Isolasi PadaTungku Gasifikasi Sekam Padi Terhadap Temperatur Pembakaran

Alfan Nur R A, Subroto, Wijianto

Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A.Yani Tromol Pos 1 Pabelan Kartasura

E-mail: alfanaditama@ymail.com

ABSTRAKSI

Pertumbuhan penduduk yang terus bertambah di Indonesia menyebabkan konsumsi bahan bakar semakin meningkat. Sekam padi merupakan salah satu energi terbarukan yang berpotensi di Indonesia ini. Sekam padi dapat diubah menjadi gas metana dengan proses gasifikasi. Gasifikasi merupakan proses pengubahan bahan bakar menjadi bentuk gas dengan cara pemanasan. Pada pengujian gasifikasi sekam padi ini terdapat 3 variasi dinding isolasi, yaitu serbuk bata, pasir dan tanah liat. Berdasarkan hal tersebut penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan pengaruh dinding isolasi pada temperatur pembakaran dan waktu nyala efektif gas metana.

Penelitian diawali dengan melakukan uji pembakaran pada variasi isolasi serbuk bata, pasir dan tanah liat, dengan cara membakar sekam padi dalam tungku gasifikasi yang disuplai udara dari fan, Kemudian diukur temperatur nyala efektif pembakaran, temperatur air dan mengukur temperatur dinding isolasi. Pengukuran temperatur dilakukan setiap 3 menit. Hasil penelitian menunjukan variasi dinding isolasi berpengaruh terhadap temperatur pembakaran yang dihasilkan. Temperatur pembakaran pada isolasi serbuk bata mencapai 345,4°C, dengan temperatur isolasi sebesar 53,25°C dan waktu nyala efektif selama 36 menit. Isolasi pasir temperatur pembakaran mencapai 314,75°C, dengan temperatur isolasi sebesar 61,65°C dan waktu nyala efektif selama 31 menit. Isolasi tanah liat temperatur pembakaran mencapai 316,96°C, dengan temperatur isolasi sebesar 59,54°C dan waktu nyala efektif selama 32 menit. Semakin rendah temperatur dinding isolasi maka akan semakin tinggi temperatur pembakaran yang dihasilkan dan waktu nyala efektifnya semakin lama.

Kata kunci: Tungku, gasifikasi, gas metana, dinding isolasi

Pendahuluan

Latar belakang Pertumbuhan penduduk yang

terus bertambah di Indonesia menyebabkan konsumsi bahan bakar yang tidak terbarukan seperti minyak bumi, gas alam dan batu bara semakin meningkat, sedangkan ketersediaannya semakin menipis. Hal ini memicu meningkatnya harga bahan bakar minyak saat ini. Salah satu cara yang dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan ini adalah dengan memanfaatkan energi terbarukan seperti biomas dan limbah pertanian yang banyak dimiliki oleh negara agraris seperti Indonesia.

Melalui proses gasifikasi, energi didalam biomas tersebut dapat dikonversi menjadi gas bahan bakar, untuk itulah dirancang suatu alat gasifikasi biomas yang diberi nama tungku gasifikasi. Tungku gasifikasi yang dibuat merupakan sebuah alat yang digunakan untuk menghasilkan gas bahan bakar dari biomas sekam padi.

Biomas yang digunakan sebagai bahan bakar dalam penelitian ini adalah sekam padi. Sebagai sumber energi terbarukan, sekam padi memiliki karakteristik tersendiri, yaitu mempunyai kelebihan dan kekurangan dalam hal penggunaannya sebagai bahan bakar.

Sebagai makanan pokok manusia, tanaman padi harus di proses menjadi beras. Dalam proses pengolahan padi menjadi beras banyak ditemukan bagian dari bulir padi-padian (serealia) berupa lembaran yang kering, bersisik, dan tidak dapat dimakan, yang melindungi bagian dalam atau istilah umumnya disebut sekam padi. Hal inilah yang menyebabkan sekam padi sudah menjadi sampah yang terbuang sia-sia. Dengan memanfaatkan mudah untuk mendapatkanya sekam padi dapat

dijadikan sebagai bahan bakar energi alternatif khususnya biomas.

Biomas merupakan bahan hayati yang selama ini dianggap sebagai sampah. Biomas yang berasal dari limbah pertanian khususnya sekam padi ini mempunyai sifat mudah terbakar, tetapi pembakarannya sulit dikontrol (cepat habis). Maka dari itu dengan proses gasifikasi, sekam padi dapat dikonversi dari bahan bakar padat menjadi gas yang menghasilkan gas mudah dibakar.  Pembatasan masalah a. Alat produksi gas metana dengan

jenis thermal prosses gasification. b. Pengaruh dinding isolasi terhadap

temperatur pembakaran, dan bahan yang digunakan berupa sekam padi.

c. Dinding isolasi yang digunakan serbuk batu bata, pasir dan tanah liat.

d. Kecepatan udara yang digunakan 2,82 m/s.

e. Pada penelitian tidak dibahas mengenai perhitungan perpindahan kalor secara konduksi, konveksi dan radiasi.

Tujuan penelitian a. Untuk mengetahui pengaruh dinding

isolasi terhadap temperatur pembakaran.

b. Untuk mengetahui waktu nyala efektif produk gas metana.

Tinjauan pustaka

Belonio (2005), merancang dan membuat alat gasifikasi biomas dengan bahan bakar sekam padi, yaitu Rice Hush Gas Stove (tungku sekam padi) dengan sistem updraft. Dengan suplai udara dari fan alat ini dapat mengubah bahan bakar sekam padi menjadi gas metana (CH4) melalui proses gasifikasi, sehingga pada burner akan terjadi pembakaran yang mengeluarkan nyala api yang maksimal.

Dengan dimensi reactor berdiameter dalam 150 mm, diameter luar 200 mm dan tinggi 350 mm dapat menampung sekam padi 1,3 Kg dengan waktu nyala api selama 45 menit. Dalam perancangan alat ini, fan casing, ash chamber, reactor dan burner gabung menjadi satu, maka Rice Hush Gas Stove Alexis T Belonio ini merupakan tungku gasifikasi biomas yang sederhana. Spesifikasi alat ini, dengan sekam berkapasitas penuh 1,3 Kg, waktu penyalaan 1,75 menit, waktu perubahan menjadi gas 40 detik dan total waktu nyala api selama 48,98 menit.

Istanto (2008), meneliti optimasi produksi gas hidrogen pada proses reduksi arang dalam gasifikasi biomas sistem downdraft. Bahan bakar yang digunakan adalah briket dari sekam padi dan serbuk gergaji kayu jati. Gasifikasi biomas sistem downdraft merupakan sistem gasifikasi yang sederhana. Gas-gas yang dihasilkan dari gasifikasi biomas udara mempunyai komposisi CO, CO2, H2, CH4, H2O dan N2. Konsentrasi dari masing-masing gas sangat tergantung dari banyak variabel. Konsentrasi dari masing-masing gas akan berhubungan langsung dengan jumlah energi yang mampu dihasilkan dari sistem gasifikasi tersebut. Terdapat banyak variabel yang perlu diperhitungkan dalam sistem gasifikasi biomas sistem downdraft diantaranya adalah perbandingan udara bahan bakar (AFR) dan temperatur gas masuk.

Reactor gasifikasi berbentuk silinder dengan diameter 1 m dan panjang 1 m. Perbandingan udara bahan bakar (AFR) mempunyai pengaruh yang besar pada komposisi gas dan temperatur gas dalam reactor gasifikasi. Semakin tinggi temperatur gas masuk akan meningkatkan laju reaksi gasifikasi, sehingga H2 banyak dikonsumsi dan CH4 banyak diproduksi.

Santoso (2009), menganalisa simulasi numerik pada perpindahan panas gasifikasi sekam padi. Biomas dapat dimanfaatkan dengan melakukan proses gasifikasi. Dalam teknologi gasifikasi proses perpindahan panas selalu ada sehingga perlu pengembangan dalam metode penyelesaiannya. Metode yang lebih cepat dan akurat sangat dibutuhkan untuk mendapatkan hasil penelitian, oleh karena itu dilakukan dengan pedekatan pemrograman komputer.

Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari analisa eksperimen dan simulasi numerik pada tungku gasifikasi berbahan bakar sekam padi. Pengujian eksperimen dilakukan dengan tiga variasi kecepatan, yaitu kecepatan I (kecepatan udara masuk fan 2,0 m/s), kecepatan II (kecepatan udara masuk fan 2,1 m/s), dan kecepatan III (kecepatan udara masuk fan 2,2 m/s).

Hasil pengujian eksperimen dianalisa untuk mengetahui distribusi tekanan, temperatur dan efisiensi. Simulasi numerik dilakukan untuk mengetahui distribusi tekanan dan temperatur dalam tungku gasifikasi. Hasil penelitian menunjukan bahwa kecepatan udara masuk reactor dan kapasitas biomas berpengaruh terhadap disribusi tekanan. Efisiensi energi tertinggi didapatkan pada variasi kecepatan III, yaitu dengan kecepatan udara tertinggi, mencapai 2,2 m/s.

Dasar teori

Biogas Biogas adalah gas

mudah terbakar (flammable) yang dihasilkan dari proses fermentasi bahan-bahan organik oleh bakteri-bakteri anaerob (bakteri yang hidup dalam kondisi kedap udara). Pada umumnya semua jenis bahan organik bisa diproses untuk

menghasilkan biogas, namun demikian hanya bahan organik (padat, cair) homogen seperti kotoran dan urine (air kencing) hewan ternak yang cocok untuk sistem biogas sederhana. Kandungan utama dalam biogas adalah metana (CH4) dan karbon dioksida(CO2).

Gasifikasi

Gasifikasi adalah suatu proses perubahan bahan bakar padat secara termo kimia menjadi gas, dimana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara yang digunakan untuk proses pembakaran. Selama proses gasifikasi reaksi kimia utama yang terjadi adalah endotermis (diperlukan panas dari luar selama proses berlangsung). Media yang paling umum digunakan dalam proses gasifikasi adalah udara dan uap. Gas Metana

Metana (CH4) adalah molekul tetrahedral dengan empat ikatan C-H yang berbentuk gas dengan rumus kimia CH4. Struktur elektroniknya dapat dijelaskan dengan 4 ikatan orbital molekul yang dihasilkan dari orbital valensi C dan H yang saling melengkapi.

Gas metana dapat terbentuk melalui reaksi antara hidrogen dengan karbon monoksida:

Reaksi : CO + 3H2 CH4 + H2O Pembakaran satu molekul metana dengan oksigen murni akan melepaskan satu molekul CO2 (karbondioksida) dan dua molekul H2O (air):

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O Sedangkan reaksi pembakaran gas

metana yang terjadi di alam adalah: CH4 + 2O2 + 7.52N2 → CO2 + 2H2O + 7.52N2 + kalor

Yang artinya untuk pembakaran sempurna 1 kg gas metana (CH4)

membutuhkan 2 kg oksigen (O2) dan 7,52 kg nitrogen (N2) yang akan menghasilkan 1 kg karbon dioksida (CO2), 2 kg air (H2O), 7,52 kg nitrogen (N2) dan kalor. Metodologi penelitian Diagram alir penelitian

Gambar 1. Diagram alir penelitian

Alat d

1. Alaa. Bur

Bupember

b. ReAlapro

c. Ask

Asktempemrea

d. FanAlaudapem

dan bahan

at rner

rner digunmbakaran rkeluarnya

actor Pemat ini digunaoses pemba

Gambar 3k Chamberk Chamb

mpat penmbakaran actor.

Gamn

at ini diguara primembakaran.

penelitian

nakan segas metan

api.

Gambar 2.mbakaran akan sebagakaran seka

3. Reaktor pr er diguna

nampungansekam pa

mbar 4. Ask

unakan unter ke d

n

bagai temna dan tem

burner

gai tempat am padi.

pembakara

akan seba abu h

adi dari ru

k Chamber

tuk menyualam rea

mpat mpat

an

agai hasil uang

r

uplai actor

e. Th

Apem

f. Sto

Aw

g. AnAnmefan

h. Tim

Alamadig

hermometerlat ini digerubahan

menit.

Gamopwatch diglat ini dig

waktu.

Gambnemometernemometer engukur ken.

Gamba

mbangan aat ini digunassa bahgunakan.

Gam

Gambarr unakan untemperatur

mbar 6.Thergital

gunakan u

bar 7.Stopwr digital r digital digucepatan ali

ar 8. Anem

analog nakan untuan bakar

mbar 9. Tim

r 5.fan

ntuk mengr air setia

rmometer

ntuk menc

watch

unakan unturan udara d

ometer dig

uk menimbr yang a

bangan ana

ukur ap 3

catat

uk dari

ital

bang akan

alog

i. TheThemetem

2. Baa. Se

Sepadlemtidabag

b. SeSekecpropen

c. Pas

Pasatataja

ermo riderermo rid

engukur mperatur din

Gam

han penelikam padi kam padi di-padian

mbaran yanak dapat dgian dalam

Gamba

rbuk bata rbuk batacil, halus oses numbukkan

Gambasir sir adalah

au batuan eam.

Ga

der diguntemperat

nding isolas

mbar 10.Th

itian

adalah ba(sereali

ng kering, imakan, ya.

ar 11. Seka

adalah yang di

penggilingn batu bata

r 12. Serbu

butiran-bendapan ya

mbar 13. P

nakan untur apisi.

hermo rider

gian dari bia) ber

bersisik, ang melindu

m padi

butiran-butihasilkan

gan a.

uk bata

utiran minang keras

Pasir

Gamba

ntuk idan

bulir rupa dan ungi

tiran dari atau

neral dan

d. Ta

Tapa

Insta

ar GaKeter

1. 2. 3. 4. 5.

3.3. T

dalamgasifi1. M

di2. M

gakg

anah liat anah rtikel minera

Gamba

alasi pengu

mbar 15. Inrangan gamPot holderBurner Reaktor Ash chambFan casing

Tahap peneLangkah-

m penelitiaikasi sekam

Menimbang igunakan se

Mengisi sekasifikasi deg.

liat al berkerang

ar 14. Tana

ujian

nstalasi Tunmbar:

ber g

6. Do7. Lo8. As9. Ha10.Se ho

elitian -langkah y

an dan penm padi, dian

sekam paebagai bahkam padi ngan kapas

adka dasar sili

ah liat

ngku gasifik

oor ock sh lever assandle econdary aioles

yang dilakungujian tunntaranya : adi yang ahan bakar.

pada reasitas penuh

Gasifikas

Udara

dalah ikat.

kasi 

sembly

ir

ukan ngku

akan

actor h 1,2

si 

3. Menyalakan fan pada stop kontak, dengan kecepatan udara 2.82 m/s.

4. Membuat sobekan kertas kemudian letakan sobekan kertas tersebut

diatas sekam padi yang telah diisi pada reactor pembakaran.

5. Membuat bara api dari sobekan kertas sebagai penyalaan bahan bakar.

6. Mencatat lama penyalaan bahan bakar dari pembuatan bara api sampai pemasukan bara api kedalam reactor.

7. Menutup reactor gasifikasi dengan burner.

8. Mencatat waktu berubahnya nyala api sampai menjadi gas hasil dari gasifikasi.

9. Menuangkan panci yang berisi air dengan volume tiga liter.

10. Mencatat temperatur nyala efektif pembakaran, temperatur air dan temperatur dinding isolasi setiap 3 menit.

11. Ulangi percobaan yang sama dengan variasi dinding isolasi serbuk bata, pasir dan tanah liat.

Hasil dan pembahasan 1. Rata-rata temperatur pembakaran

Gambar 16. Grafik perbandingan antara waktu dengan temperatur pembakaran isolasi serbuk bata, pasir dan tanah liat

Gambar 16. menunjukan bahwa dengan isolasi serbuk bata mencapai temperatur pembakaran paling tinggi sebesar 372°C dan waktu nyala efektif paling lama selama 36 menit. Temperatur mengalami kenaikan pada menit ke 6 kemudian konstan sampai

menit ke 30. Pada pembakaran dengan isolasi pasir dan tanah liat temperatur pembakaran mengalami kenaikan pada menit ke 6 kemudian konstan sampai menit ke 21, dan waktu nyala efektif 31 menit pada isolasi pasir, 32 menit pada isolas tanah liat.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36

tempe

ratur pe

mba

karan (°

C)

waktu (menit)

isolasi serbuk bata

isolasi pasir

isolasi tanah liat

2. Rata-rata temperatur dinding isolasi

Gambar 17. Grafik perbandingan antara waktu dengan temperatur dinding isolasi pada isolasi serbuk bata, pasir dan tanah liat

Pada gambar 17 dapat dilihat bahwa temperatur dinding isolasi konstan sampai menit ke 12, kemudian mengalami kenaikan secara konstan setelah menit ke 12. Pada isolasi serbuk bata kenaikan temperatur sampai menit ke 33 sebesar 83°C, Pada isolasi pasir temperatur isolasi mengalami kenaikan temperatur sampai menit ke 27 sebesar 89°C, sedangkan pada isolasi tanah liat mengalami kenaikan temperatur sampai menit ke 24 sebesar 88°C.

Dalam variasi dinding isolasi ini, rata-rata temperatur isolasi serbuk bata sebesar 53,25°C, isolasi pasir 61,65°C dan rata-tata temperatur isolasi tanah liat 59,54°C. Dengan dinding isolasi serbuk bata mencapai temperatur isolasi paling rendah dan waktu nyala efektif paling lama.

0

20

40

60

80

100

3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36

tempe

ratur dind

ing isolasi (

°C)

waktu (menit)

isolasi serbuk bata

isolasi pasir

isolasi tanah liat 

3. Rat

Gamb

waktuisolasmencpembnyala isolas

Kesi

KesimSetelapembsekamisolastanahsebag

1. Temiso345iso

0306090

120150180210240270300330360

Tempe

ratur (

˚C)

ta-rata tem

bar 18. Dia

efektif

Gambar u nyala efsi serbuk apai 36 m

bakaran sebefektif pem

si pasir sela

mpulan d

mpulan ah me

bakaran pam padi desi serbuk liat d

gai berikut :mperatur lasi serb5,40°C, lasi sebe

0000000000000

isolasi se

mperatur pe

gram hubu

18 menunjfektif deng

bata pamenit, dan besar 345,4mbakaran pama 31 me

dan saran

lakukan ada tungkengan varibatu bata,

diperoleh :

pembakabuk bata

dengan sar 53,25

erbuk bata

Tempe

embakaran

ngan antar

ukan bahwgan dindinaling lama

temperatu40°C. Waktpada dindinenit, denga

n

pengujiau gasifikasiasi dindin, pasir dakesimpula

aran padmencapa

temperatu5°C. Isolas

isolasi p

ratur pembaka

n dan wakt

ra temperat

wa ng a, ur tu ng an

tem31isopetem31

an si

ng an an

da ai ur si

2.

pasir

aran            Nya

tu nyala ef

tur pembak

mperatur 4,75°C. S

olasi tanahmbakaran

mperatur 6,96°C.

pasir temencapaitemperaturIsolasi tpembakaradengan te59,54°C. temperaturakan sempembakaraWaktu nyserbuk badengan te

isolasi tanah

ala Efektif

fektif

karan deng

pembakaSedangkan

liat waktuselama 3pembakar

emperatur 314,75

r isolasi setanah liaan mencaemperatur i

Semakr dinding makin tingan yang dihyala efektifata selam

emperatur i

0

10

20

30

40

50

60

 liat

an waktu n

aran sebpada din

u nyala ef32 menit, ran menc

pembak°C, denbesar 61,6

at tempeapai 316,9isolasi sebkin renisolasi m

ggi tempehasilkan. f pada iso

ma 36 misolasi seb

nyala

besar nding fektif dan

capai

aran ngan

65°C. ratur

96°C, besar ndah maka ratur

olasi menit, besar

53,25°C. Pada isolasi pasir selama 31 menit, dengan temperatur isolasi 61,65˚C. Dan pada isolasi tanah liat waktu nyala efektif selama 32 menit dengan temperatur isolasi sebesar 59,54˚C. Semakin rendah temperatur dinding isolasi maka waktu nyala efektifnya akan semakin lama.

Saran Setelah melakukan pengujian

pembakaran pada tungku gasifikasi sekam padi dengan variasi dinding isolasi serbuk batu bata, pasir dan tanah liat, maka disarankan sebagai berikut : a. Pemakaian tungku gasifikasi

sekam padi ini hendaknya diruangan yang berventilasi atau ditempat terbuka.

b. Pada saat pengujian pembakaran hendaknya dilakukan ditempat yang berangin stabil dan tidak berangin kencang.

c. Perlu dilakukan penekanan saat pengisian material isolasi pada dinding isolasi.

d. Perlu ditambah variasi pada dinding isolasi seperti gas bull dan alumunium foil, karena masih banyak kalor yang terbuang.

DAFTAR PUSTAKA

B.T. Alexis, 2005. Rice Husk Gas Stove Handbook. College of Agriculture Central Philippine University Iloilo City: Philippines

H. Erliza, dkk, 2007. Teknologi Bioenergi, Institut Pertanian Bogor: Bogor

Istanto. T, 2008. Optimasi Produksi Gas Hidrogen Pada Proses Reduksi Arang Dalam Gasifikasi Biomas Sistem Downdraft. Universitas Negeri Sebelas Maret: Surakarta

J.P. Holman, 1994. Perpindahan Kalor. Erlangga: Jakarta

S. Ibnu, 2011. Rancang Bangun dan Pengujian Alat Produksi Gas Metana dari Sampah Organik dengan Variasi Bahan Sekam Padi, Tempurung Kelapa dan Serbuk Gergaji Kayu. Universitas Muhammadiyah Surakarta: Surakarta

S. Suhut, 2006. Membuat Biogas Sebagai Pengganti Bahan Bakar Minyak. Institut Pertanian Bogor: Bogor

W. B. Santoso, 2009. Analisa Eksperimen Dan Simulasi Numerik Perpindahan Panas Pada Tungku Gasifikasi Sekam Padi Dan Serbuk Kayu. Universitas Negeri Sebelas Maret: Surakarta