efisiensi energi dan sebaran kalor pada tungku … · jika dibandingkan dengan sekam, bahan bakar...
TRANSCRIPT
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 6 Nilai Suhu T(x,t) pada Diameter 9 cm 13
Gambar 7 Nilai Suhu T(x,t) pada Diameter 12 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 10 Nilai Suhu T(x,t) pada Diameter 12 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.
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
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
2. Cangkang Ukuran Kecil Ulangan 2
Laju bahan bakar yang dibutuhkan
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
Waktu didih (menit) 9.72 9.44 9.58 9.46 9.40 9.43
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
Laju energi yang dibutuhkan
Efisiensi bahan bakar
Rata-rata efisiensi = (4.06% + 4.17%) / 2 = 4.11%
3. Cangkang Ukuran Besar Ulangan 1
Laju bahan bakar yang dibutuhkan
Laju energi yang dibutuhkan
Efisiensi bahan bakar
4. Cangkang Ukuran Besar Ulangan 2
Laju bahan bakar yang dibutuhkan
Laju energi yang dibutuhkan
Efisiensi bahan bakar
Rata-rata efisiensi = (4.29% + 4.17%) / 2 = 4.23%
24
LAMPIRAN 5
Data efisiensi pemakaian bahan bakar cangkang kemiri pada reservoir tungku
berdiameter dasar 9 cm.
Pengolahan Data
1. Cangkang Ukuran Kecil Ulangan 1
Laju bahan bakar yang dibutuhkan
massa terpakai
aktu
. kg
. jam . kg jam
Laju energi yang dibutuhkan
Efisiensi bahan bakar
2. Cangkang Ukuran Kecil Ulangan 2
Laju bahan bakar yang dibutuhkan
Diameter Reservoir
9 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 0.34 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
Laju energi yang dibutuhkan
Efisiensi bahan bakar
Rata-rata efisiensi = (3,84% + 3.84%) / 2 = 3.84%
3. Cangkang Ukuran Besar Ulangan 1
Laju bahan bakar yang dibutuhkan
Laju energi yang dibutuhkan
Efisiensi bahan bakar
4. Cangkang Ukuran Besar Ulangan 2
Laju bahan bakar yang dibutuhkan
Laju energi yang dibutuhkan
Efisiensi bahan bakar
Rata-rata efisiensi = (4.06% + 3.95%) / 2 = 4.00%
26
LAMPIRAN 6
Data efisiensi pemakaian bahan bakar cangkang kemiri pada reservoir tungku
berdiameter dasar 12 cm
Pengolahan Data
1. Cangkang Ukuran Kecil Ulangan 1
Laju bahan bakar yang dibutuhkan
massa terpakai
aktu
. kg
. jam . kg jam
Laju energi yang dibutuhkan
Efisiensi bahan bakar
2. Cangkang Ukuran Kecil Ulangan 2
Laju bahan bakar yang dibutuhkan
Diameter Reservoir
12cm
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 0.36 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
Waktu didih (menit) 7.68 6.96 7.32 7.05 7.67 7.36
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
Laju energi yang dibutuhkan
Efisiensi bahan bakar
Rata-rata efisiensi = (3,65% + 3.65%) / 2 = 3.65%
3. Cangkang Ukuran Besar Ulangan 1
Laju bahan bakar yang dibutuhkan
Laju energi yang dibutuhkan
Efisiensi bahan bakar
4. Cangkang Ukuran Besar Ulangan 2
Laju bahan bakar yang dibutuhkan
Laju energi yang dibutuhkan
Efisiensi bahan bakar
Rata-rata efisiensi = (3.84% + 3.74%) / 2 = 3.8%
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
Sistem Persamaan (12) pada reservoir tungku berdiameter dasar 9 cm dengan
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
Sistem Persamaan (12) pada reservoir tungku berdiameter dasar 12 cm dengan
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.
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');
xlabel('jarak (x)');
ylabel('waktu (t)');
end
Program Sebaran Panas dengan Metode Beda Hingga Skema Implisit pada Tungku
dengan diameter dasar reservoir 9 cm (tinggi apotema=18 cm)
clc;clear all; format long e;
disp('===============================================')
disp(' Solusi Persamaan Diferensial Parsial')
disp(' Persamaan Penjalaran Panas pada Kerucut Tungku
Berdiameter Dasar 9 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=600; %dt=input('Masukkan jarak interval t,dt = ');
alpha=0.0004171; %alpha=input('Masukkan nilai koefisien
difusi,alpha = ');
Tbd=218; %Tbd=input('Masukkan nilai suhu batas,Tbd=');
M = 36; tic;
% M adalah banyaknya pias
T = zeros(N,M+1);
% Kondisi Batas dan awal
for n = 1:N
38
T(n,1) =Tbd;
end
for i = 1:M
P(i,1) = 116;
T(n,M+1) = 27;
end
% Penyusunan matriks koefisien S
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
% 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');
disp('===============================================')
disp(T);
disp('===============================================')
disp(['Waktu Komputasi = ',num2str(toc)])
disp('===============================================')
figure(1)
mesh(1:M+1,1:N,T);
view(38,10)
title('Gambar 10. Grafik nilai suhu (T(x,t))pada diameter
9cm');
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 18]);
shading interp
title('Gambar 13. Grafik kontur nilai suhu (T(x,t))pada
diameter 9cm');
xlabel('jarak (x)');
ylabel('waktu (t)');
end
39
Program Sebaran Panas dengan Metode Beda Hingga Skema Implisit pada Tungku
dengan diameter dasar reservoir 12 cm (tinggi apotema=18 cm)
clc;clear all; format long e;
disp('===============================================')
disp(' Solusi Persamaan Diferensial Parsial')
disp(' Persamaan Penjalaran Panas pada Reservoir Tungku
Berdiameter Dasar 12 cm')
disp(' Metode Beda Hingga Skema Implisit')
disp(' Oleh : Jalimas Sabastini')
disp(' NIM : G74080064')
disp('===============================================')
disp('')
N=600; %N=input('Masukkan banyaknya iterasi t,N = ');
dx=0.5; %dx=input('Masukkan jarak interval x,dx = ');
dt=600; %dt=input('Masukkan jarak interval t,dt = ');
alpha=0.0004171; %alpha=input('Masukkan nilai koefisien
difusi,alpha = ');
Tbd=296; %Tbd=input('Masukkan nilai suhu awal,Tbd=');
M = 15; tic;
% M adalah banyaknya pias
T = N,M+1;
% Kondisi Batas dan awal
for n = 1:N
T(n,1) =Tbd;
end
for i = 1:M
P(i,1) = 122;
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=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');
disp('===============================================')
disp(T);
disp('===============================================')
40
disp(['Waktu Komputasi = ',num2str(toc)])
disp('===============================================')
figure(1)
mesh(1:M+1,1:N,T);
view(38,10)
title('Gambar 11. Grafik nilai suhu (T(x,t))pada diameter
12cm');
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 15]);
shading interp
title('Gambar 14. Grafik kontur nilai suhu (T(x,t))pada
diameter 12cm');
xlabel('jarak (x)');
ylabel('waktu (t)');
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.