perancangan kompor biomassa

KOMPOR BIOMASSA 2012

LAPORAN TUGAS PERANCANGAN 6

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Biomassa

Di Indonesia terdapat cukup banyak sumber energi alternatif yang dapat

dikembangkan, baik dengan penerapan teknologi tinggi maupun teknologi sederhana.

Dengan kondisi saat ini yang tidak menguntungkan, energi alternatif yang bisa

dikembangkan dan ditawarkan kepada masyarakat harus murah, mudah dibuat, mudah

dicari sumber bahannya.

Berfikir tentang sebuah alat yang mengumpulkan dan menyimpan energi

matahari, tidak menghasilkan polusi, tidak ada biaya untuk membangun, dan dapat

memperbaharui dirinya sendiri di sepanjang hidupnya adalah berfikir tentang tumbuhan

hijau. Tumbuhan mengambil bahan-bahan mentah dari tanah dan karbon dioksida dari

atmosfer dan mengubahnya menjadi oksigen dan gula menggunakan energi sinar

matahari untuk memberi tenaga pada proses tersebut. Daun, batang, dan akarnya

menyimpan energi kimia dengan daya guna dan dapat dilepas ketika tanaman dibakar,

mati dan membusuk atau ketika dimakan oleh hewan.

Biomassa adalah keseluruhan makhluk hidup (hidup atau mati), misalnya

tumbuh-tumbuhan, binatang, mikroorganisme, dan bahan organik (termasuk sampah

organik), unsur utama dari biomassa adalah bermacam-macam zat kimia (molekul),

yang sebagian besar mengandung atom karbon (C). Bila kita membakar biomassa,

karbon tersebut dilepaskan keudara dalam bentuk Karbon Dioksida (CO2).

Energi biomassa merupakan energi tertua yang telah digunakan sejak

peradaban manusia dimulai. Sampai saat inipun energi biomassa masih memegang

peranan penting khususnya di daerah pedesaan. (Daryanto, 2007)

Biomassa ini sangat mudah ditemukan dari aktivitas pertanian, peternakan,

kehutanan, perkebunan, perikanan dan limbah-limbahnya di daerah, sehingga mudah

dimanfaatkan untuk mengembangkan alternatif energi. Dari beberapa jenis bahan baku

yang paling mudah dan melimpah serta tidak pernah habis adalah sampah.



2.2 Sumber Biomassa

Sumber energi biomassa adalah sumber energi yang berasal dari bahan nabati

termasuk limbah yang berasal dari manusia atau hewan. Dilihat dari sumbernya,

biomassa berasal dari hutan, perkebunan, lahan masyarakat (kebun campuran, tegalan,

sawah dan pekarangan) dan limbah kota. Semua bahan organik yang sudah berbentuk

limbah beserta turunannya yang masih memiliki sejumlah energi dapat diubah menjadi

bahan bakar biomassa. Berdasarkan definisi tersebut, banyak pilihan peluang bisa

ditempuh. di setiap tempat, dimana banyak dijumpai limbah organik sebagai hasil

ikutan dari kegiatan industri dan pertanian. Misalnya, sekam padi, jerami, serbuk

gergaji, eceng gondok, dedaunan, rerumputan, gambut, cocodust, serta sampah rumah

tangga merupakan bahan baku sangat potensial untuk produksi bahan bakar biomassa.

2.3 Kayu Bakar

penggunaan kayu bakar oleh rakyat Indonesia, sering dilakukan dalam rumah.

Asap pembakaran dari memasak dengan kayu bakar tersebut menyebabkan banyak

anggota keluarga terpaksa menghirup gas beracun karbondioksida.

Gambar 2.1 Maysarakat Memasak dengan Menggunakan Kayu Bakar



Data Clinton Global Initiative mencatat, asap dari memasak dengan kayu

bakar didalam rumah telah menyebabkan kematian pada 1,9 juta orang yang

kebanyakan dialami perempuan dan anak-anak, karena setiap hari selama bertahun-

tahun menghirup asap dari kompor kayu di dalam rumah.

Asap dari hasil memasak dengan tungku kayu telah membuat gas beracun

membumbung di dalam rumah. Gas ini telah menyebabkan pneumonia pada anak-

anak, kanker paru-paru, bronkitis dan penyakit kardiovaskuler. Sedangkan efek lain

dari memasak dengan kayu bakar adalah ikut memberikan kontribusi terhadap

perubahan iklim melalui emisi karbon dioksida dan metana yang dikeluarkan. Kedua

gas ini merupakan faktor utama gas rumah kaca.

2.4 Pembakaran

Dalam ensiklopedi sains dan kehidupan (2003) disebutkan bahwa

Pembakaran umumnya merupakan reaksi eksoterm antara suatu bahan dengan gas

oksigen. Selain itu pembakaran dapat pula melibatkan gas lain seperti klorin.

Penjelasan lain tentang pembakaran yakni, Pembakaran merupakan oksidasi cepat

bahan bakar disertai dengan produksi panas dan cahaya. Pembakaran sempurna bahan

bakar terjadi hanya jika ada pasokan oksigen yang cukup.

Pembakaran spontan adalah pembakaran dimana bahan mengalami oksidasi

perlahan-lahan sehingga kalor yang dihasilkan tidak dilepaskan, akan tetapi dipakai

untuk menaikkan suhu bahan secara pelan-pelan sampai mencapai suhu nyala.

Pembakaran sempurna adalah pembakaran dimana semua konstituen yang dapat

terbakar di dalam bahan bakar membentuk gas CO2, air (H2O), dan gas SO2, sehingga

tak ada lagi bahan yang dapat terbakar tersisa.

2.5 Analisis Kalor

Panas atau kalor merupakan salah satu bentuk energi. Suatu benda dapat

melepas kalor pada benda-benda lain dan kalor yang diterima benda lain akan sama

dengan kalor yang dilepas benda tersebut. Dalam hal ini berlaku Asas Black yaitu kalor



yang dilepas = kalor yang diterima. (Sugiasih, 2007). Kalor juga didefinisikan sebagai

energi yang berpindah dari satu tempat ke tempat yang lain akibat adanya perbedaan

suhu. Kalor secara alamiah akan mengalir dari benda yang suhunya lebih tinggi

menuju benda yang bersuhu lebih rendah. Dalam satuan SI, kalor memmpunyai satuan

Joule.

Joule adalah orang yang memperlihatkan dengan eksperimen bahwa bila

suatu kualitas tenaga mekanis yang diubah menjadi kalor, maka kuantitas kalor yang

sama selalu dikembangkan (dihasilkan). Jadi kesetaraan kalor dan kerja mekanis

sebagai dua bentuk tenaga telah diperlihatkan secara pasti.

Besarnya nilai kuantitas panas sangat berhubungan dengan nilai panas

spesifiknya, jika kuantitas panas ∆Q dibutuhkan untuk menghasilkan perubahan

temperatur ∆T bagi satu massa zat m, maka panas spesifiknya adalah

c =

atau ∆Q = m.c. ∆T ................................................................................(2.1)

Dalam SI, c memiliki satuan J/Kg K yang ekivalen dengan J/Kg.ºC. Selain itu

satuan yang sering digunakan adalah kal/g.ºC, dimana 1kal//g.ºC=1 Btu/lb oF tepat.

Perhatikan bahwa kalor jenis air, yang sama dengan 1,00 cal/g. oC, adalah besar

dibandingkan terhadap kalor jenis dari kebanyakan zat. Satuan kalor yang paling enak

dipakai disebut kalori dan didefinisikan sebagai sejumlah kalor yang diperlukan untuk

menaikan temperatur 1 gram air sebesar 1 oC. Untuk mengukur jumlah kalor yang

dipindahkan antara suatu sistem dengan sejumlah air, kita hanya memerlukan dua

pengukuran, yaitu: massa air dan perubahan temperatur.

2.6 Makanisme Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor dapat dipandang sebagai perpindahan energi dari suatu

daerah ke daerah lainnya, akibat perbedaan temperatur antara daerah daerah tersebut.

Kalor akan selalu mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang



bertemperatur rendah. Aliran kalor ini akan terus terjadi selama masih terdapat

perbedaan temperatur antara dua daerah tersebut. Peristiwa ini akan berhenti bila telah

tercapai keseimbangan termal.

Ketika suatu ketel di letakkan di atas kompor, temperatur air akan naik. Kita

bisa mengatakan bahwa kalor mengalir dari kompor ke air yang dingin. Ketika dua

benda yang temperaturnya berbeda dan di letakkan saling bersentuhan, kalor akan

mengalir seketika dari yang panas ke yang dingin. Aliran kalor selalu dalam arah yang

cenderung menyamakan temperatur. Jika kedua benda tresebut di sentuhkan cukup

lama sehingga temperatur keduanya sama, keduanya bisa di katakan dalam keadaan

setimbang termal dan tidak ada lagi kalor yang mengalir di antaranya.

2.7 Temperature

Temperatur adalah ukuran derajat panas suatu benda. Ukuran keadaan benda

yang menentukan kecepatan benda itu menerima atau melepas kalor terhadap

sekelilingnya yang keadaannya berbeda dengan benda itu.

Dalam reverensi lain menyebutkan bahwa ”semua keadaan isoterm

bersesuaian dari semua sistem mempunyai suatu kesamaan, yaitu semua dalam

keadaan kesetimbangan termal satu sama lain. Dalam keadaan ini sistem sendiri dapat

dikatakan memiliki sifat yang menjamin bahwa sistem dalam kesetimbangan termal

satu sama lain. Sifat ini disebut temperatur. Temperatur sistem adalah suatu sifat yang

menentukan apakah sistem dalam kesetimbangan termal dengan sistem lain”.

(Zemansky, 1986)

Temperatur merupakan sebuah sistem dengan sebuah sifat yang pada

akhirnya akan mencapai sebuah nilai yang sama seperti nilai dari sistem yang lain

apabila sistem-sistem tersebut dibuat bersentuhan. Konsep ini sesuai dengan konsep

pemikiran sehari-hari mengenai temperatur sebagai ukuran panas dingin sebuah

sistem.

Pengungkapan yang lebih formal barangkali lebih fundamental mengenai

hukum ke nol yang berhubungan dengan temperatur adalah: terdapat sebuah kuantitas



skalar yang dinamakan temperatur, yang merupakan sebuah sifat semua sistem

termodinamika (di dalam keadaan-keadaan kesetimbangan), sehingga kesamaan

temperatur adalah merupakan syarat yang perlu dan cukup untuk kesetimbangan

termal. Secara bebas dapat dikatakan, sari hukum ke nol adalah: ada sebuah kuantitas

yang berguna yang dinamakan temperatur.

2.8 Skala Celcius dan Skala Fahrenheit

Skala temperatur celcius memakai derajat yang besarnya sama dengan

temperatur gas ideal, tetapi titik nolnya digeser sehingga temperatur celcius titik tripel

air ialah 0,01 derajat Celcius, atau disingkat menjadi 0,01 oC. Jadi jika T menyatakan

temperatur Celcius,

t(°C) = θ (K) – 273,15 ............................................................................................ (2.2)

Dengan demikian temperatur celcius ts, yaitu temperatur pada waktu uap air

mengembun pada tekanan baku, ialah = − 273,15

ts = θs ...................................................................................................................... (2.3)

Skala Fahrenheit, yang masih digunakan dalam beberapa negara yang

berbahasa inggris tidaklah digunakan di dalam bidang pekerjaan ilmiah. Hubungan

diantara skala fahrenheit dan skala celcius didefinisikan sebagai:

TF = 32 +

TC........................................................................................................ (2.4)

Dalam gambar 2.2 dapat dibandingkan skala-skala Kelvin, Celcius dan

Fahrenheit.



Gambar 2.2 Skala Kelvin, Celcius dan Fahrenheit

2.9 Perpindahan Kalor

Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya energi dari satu

daerah ke daerah lain sebagai akibat dari perbedaan suhu antara daerahdaerah lain.

Perpindahan panas dibedakan atas konduksi, konveksi dan radiasi.

1. Konduksi

Konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu bahan, yang tidak disertai

perpindahan bahan itu. Proses hantaran kalor ini disebabkan oleh molekulmolekul

yang suhunya lebih tinggi akan bergetar lebih cepat dan membentur molekul-molekul

lain yang suhunya lebih rendah. Benturan tersebut mengakibatkan molekul-molekul

disekitarnya juga bergetar lebih cepat sehingga akhirnya semua molekul bahan

bergetar cepat dan suhunya naik. Kecepatan perpindahan kalor bergantung pada

panjang, luas penampang, suhu dan jenis bahan.



Sebuah benda dengan luas penampang A dan tebal L, Suhu kedua permukaan

T1 dan T2 sehingga perbedaan suhu diantara kedua permukaan adalah ∆T = T1 - T2.

Besaran (T1 - T2) / L disebut gradien suhu. Gradien suhu adalah perubahan suhu

terhadap jarak. Jumlah kalor yang berpindah dari permukaan 1 ke permukaan 2 dalam

waktu ∆t adalah:

= k A

..........................................................................................................(2.5)

K adalah tetapan perbandingan dan bergantung pada zat; disebut koefisien

konduktifitas termal. 1 kal/s.cm. ºC = 418,4 W/m.K dan1Btu.in/h.ft2.ºF =

0,144W/m.K.

Sebuah batang logam jika dibentuk sebagai batang dan salah satu ujungnya

dipanaskan secara listrik sedangkan ujung yang lain didinginkan dengan aliran air,

maka permukaan batang tersebut termal dan kalor yang hilang melalui penyekat dapat

dihitung dengan mengurangi laju kalor yang memasuki air dari laju energi listrik yang

diberikan. Temperaturnya bisa diukur dengan memakai termokopel yang sesuai,

dengan dua tempat yang berjarak L, dan persamaanya adalah:

K =

Q ..................................................................................................(2.6)

Dipakai untuk menentukan konduktifitas termal rata-rata dalam daerah

temperatur tertentu. Jika θ1 − θ2 kecil, K praktis sama dengan konduktifitas termal

pada temperatur rata-ratanya. K mempunyai satuan W/m.K.

2. Konveksi

Konveksi adalah proses perpindahan panas disertai perpindahan molekul zat

akibat perbedaan massa jenis. Misalnya, air dipanaskan akan memuai sehingga

massanya lebih kecil, akibatnya air yang panas tadi mengalir dan tempatnya akan diisi



oleh air yang lebih dingin karena massa jenisnya lebih besar. Konveksi dapat terjadi

pada fluida (zat alir) baik zat cair maupun gas. Contoh konveksi antara lain terjadinya

angin darat (malam hari), angin laut (siang hari), dan aliran udara dalm ruang yang

berventilasi.

Konveksi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu konveksi paksaan (forced

convection) dan konveksi alamiah (natural convection). Jika suatu bahan yang

dipanaskan dipaksa bergerak dengan alat peniup atau pompa, prosesnya disebut

konveksi paksaan. Sedangkan jika bahan itu mengalir akibat perbedaan rapat massa,

prosesnya disebut konveksi alamiah atau konveksi bebas. Secara sederhana besarnya

panas yang dialirkan dirumuskan seperti dibawah ini:

H = h . A . ∆T ......................................................................................................... (2.7)

Dimana h = koefisien konveksi, dengan satuan watt/m2.oC; dan A = luas

permukaan dimana konveksi terjadi. Dengan kata lain, besarnya panas yang dialirkan

per satuan waktu tergantung pada luasan permukaan, selisih suhu, dan juga koefisien

konveksi zat tersebut yang menjadi kekhasan suatu zat.

Karena sifat fisis fluida bergantung pada temperatur dan tekanan, jelas bahwa

perhitungan ketat koefisien konveksi yang cocok dengan dinding tertentu serta

fluidanya merupakan masalah yang cukup rumit. Hanya baru-baru ini saja pemecahan

masalah ini, yang cukup baik dan praktis, telah tercapai dengan analisis demonsional.

Analisis yang menghasilkan ungkapan untuk h bersifat fisis, kecepatan fluida, serta

tetapan serta eksponen yang belum diketahui.

3. Radiasi

Radiasi adalah cara energi termal berpindah dalam vakum dan ruangan

kosong diantara molekul-molekul. Radiasi adalah peristiwa gelombang

elektromagnetik. (Bueche, 1998) Radiasi dimaksudkan ialah pancaran (emisi) energi

terus menerus dari permukaan semua benda. Energi ini dinamakan energi radian dan



dalam bentuk gelombang elektromaknet. Gelombang ini bergerak secara cepat dengan

kecepatan cahaya dan dapat melewati ruang hampa, dan juga melalui udara. Kalau

terhalang oleh suatu benda yang tidak dapat dilaluinya, misal telapak tangan atau

dinding kamar, gelombang itu akan diserapnya.

2.10 Laju Perpindahan Panas

Kalor selalu berpindah dari zat yang lebih tinggi suhunya, menuju ke zat yang

lebih rendah suhunya. Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai berpindahnya

suatu energi dari suatu daerah lainnya akibat dari beda suhu antara daerah – daerah

tersebut. Dengan sains modern dijelaskan bahwa air akan mengalir dari daerah yang

mempunyai muka air tanah tinggi (high water table) menuju daerah dengan muka air

tanah yang rendah (low water table).

perancangan kompor biomassa

Documents