Bab II Tinjauan Pustaka

Transkripsi

1 Bab II Tnauan Pustaka 2.1 Konsep Gagasan Penghematan Bahan Bakar pada Kompor Gas Prnsp dar alat penghemat gas pada tugas akhr n merupakan pengembangan dar tugas akhr yang sebelumnya sudah pernah dlaksanakan. Dar hasl pengamatan alran gas hasl pembakaran, tercpta suatu de untuk melakukan penghematan dengan menempatkan gas panas yang tersebar tu ke daerah dekat dndng panc sehngga energ dar gas hasl pembakaran dapat lebh banyak dserap oleh panc yang selanutnya dserap oleh ar. Jad, teknk penghematan yang dlakukan adalah dengan menggunakan pengumpul alran gas agar gas hasl pembakaran dapat mengalr d sektar permukaan luar panc dan memberkan energnya secara maksmum. Gambar 2.1 Sebaran udara panas Gambar 2.2 Alran udara panas yang dbmbng selubung

2 Dengan menggunakan alat bantu memasak berupa selubung d sektar panc dan dengan pemlhan ukuran yang bak, dharapkan proses pembakaran bahan bakar dapat terad dengan sempurna dan alran gas hasl pembakaran akan terkumpul d seluruh permukaan dndng panc sepert terlhat pada Gambar 2.2. Dperkrakan dengan usaha n, energ bahan bakar yang dapat dmanfaatkan untuk pemanasan ar menad lebh besar darpada ka tdak menggunakan selubung. Pada peneltan sebelumnya, untuk mendesan alat penghemat gas n sudah dtentukan dmens dar kompor dan alat memasaknya yatu sebuah panc yang dmensnya sudah dtentukan. Sedangkan pada tugas akhr n dfokuskan untuk dapat mengembangkan desan yang lebh rgd dan menark untuk dpaka pada masyarakat luas. Usaha penghematan bahan bakar akan dterapkan pada proses pemanasan ar dalam panc. Selan karena kegatan n adalah kegatan yang palng serng dlakukan dalam rumah tangga, pemanasan ar merupakan hal yang palng mudah dan prakts dlakukan dalam pembuatan tugas akhr n mengngat untuk memperoleh desan alat bantu yang palng efsen perlu dlakukan percobaan berkal-kal. Bla damat, proses pemanasan ar cukup mudah untuk dpaham. Gas pembakaran yang keluar dar kompor akan memanas bagan dasar dar panc dan uga sebagan dar dndng panc bagan bawah. Gas-gas hasl pembakaran tersebut mula menyebar menauh dndng panc sehngga dndng panc bagan atas kurang tersentuh oleh gas-gas tersebut, padahal gas hasl pembakaran tersebut mash bertemperatur tngg. 2.2 Teor Dasar Untuk dapat memaham apa yang terad pada proses memanaskan ar serta efeknya dalam menggunakan selubung, maka hal yang pertama dlakukan adalah menentukan sstem.

3 2.2.1 Sstem Pemanasan Ar tanpa Selubung Dagram: E stored E generated Sumber energ Gambar 2.3 Model sstem massa atur tanpa selubung Dar Gambar 2.3 dapat dlhat bahwa sumber energ yang masuk ke dalam sstem berasal dar ap kompor. Energ tersmpan d ar dalam bentuk kenakan temperatur ar, begtu pula energ yang tersmpan d panc dalam bentuk kenakan temperatur panc. Namun karena massa panc relatf kecl dbandng massa ar dan kapastas panas ens spesfk panc yang berbahan alumunum relatf rendah dbandng kapastas panas ens spesfk ar, maka energ yang dserap d panc relatf kecl dbandng energ yang dserap ar. Oleh karena tu, energ yang dserap panc dapat dabakan dalam perhtungan. Energ yang keluar dar sstem adalah energ yang terbuang ke lngkungan bak dar ar, panc, maupun energ dar ap yang belum sempat berpndah ke ar atau panc. Sebuah asums perlu dnyatakan agar neraca energ dapat dbuat yatu bahwa energ yang dbangktkan ap danggap seluruhnya masuk ke dalam sstem, baru kemudan energ akan keluar dar sstem sebaga rug-rug energ. Ada dua bentuk sstem termodnamka yatu sstem tertutup atau sstem massa atur, dan sstem terbuka atau sstem volume atur. Pada sstem massa atur, energ melewat batas sstem sedangkan massa tdak melewat batas sstem. Energ yang berpndah dalam bentuk panas atau kera. Energ dapat berpndah masuk ke dalam sstem maupun berpndah keluar dar sstem. Pada sstem volume atur, selan energ, massa uga melewat batas sstem. Dengan adanya massa yang

4 melewat batas sstem, energ uga turut mengalr melewat batas sstem yatu energ alran. Pada sstem memanaskan ar dalam panc, tdak ada massa yang melewat batas sstem sehngga sstem dapat danggap sstem tertutup atau massa atur. Permasalahan termodnamka sstem tertutup cukup dselesakan dengan melakukan neraca energ. Pada proses memanaskan ar, neraca energ devaluas pada keadaan belum memanaskan ar terhadap keadaan sesudah memanaskan ar. dmana: Neraca energ untuk sstem tertutup adalah: EK EP U = Q W (2.1) EK adalah perubahan energ knetk EP adalah perubahan energ potensal U adalah perubahan energ dalam Q adalah energ yang melewat batas sstem dalam bentuk panas W adalah energ yang melewat batas sstem dalam bentuk kera Dalam persamaan 2.1 notas W dapat dhlangkan karena pada sstem tdak ada kera masuk maupun keluar. Dengan mengabakan perubahan energ knetk maupun energ potensal, maka persamaan 2.1 dapat lebh dsederhanakan menad: U = Q (2.2) Energ panas Q adalah energ masuk E gas dan energ keluar. U adalah perubahan energ dalam yang dtanda dengan naknya temperatur ar.

5 2.2.2 Sstem Pemanasan Ar dengan Selubung E n E stored E n E generated Sumber energ Gambar 2.4 Model sstem massa atur dengan selubung Pemanasan ar menggunakan selubung sepert yang dtunukkan pada gambar 2.4 memungknkan lebh banyak energ masuk melalu ss panc. Hal n terad karena udara panas darahkan oleh selubung untuk lebh merapat ke dndng panc. 2.3 Hubungan Sfat Termodnamka Dalam mengevaluas sfat-sfat termodnamka, asums-asums dapat dterapkan untuk mempermudah perhtungan. Asums dtentukan sesua dengan keadaan sstem yang sedang danalss. Asums-asums yang serng muncul dalam permasalahan termodnamka antara lan model zat nkompresbel dan model gas deal. Asums zat nkompresbel basanya berlaku untuk sstem yang berupa benda car atau benda padat. Sfat termodnamka benda car dan benda padat hanya berubah sedkt terhadap perbedaan tekanan. Dengan demkan, perubahan sfat termodnamka benda car dan benda padat akbat perubahan tekanan dapat dabakan terhadap perubahan sfat termodnamka akbat perubahan temperatur. Asums zat nkompresbel serngkal uga menyatakan bahwa volume spesfk tdak berubah dan energ dalam hanya bergantung pada temperatur. Istlah kapastas panas ens spesfk dperkenalkan untuk memudahkan perhtungan pada model zat nkompresbel maupun model gas deal

6 (Moran:2000). Kapastas panas ens spesfk ddefnskan dalam bentuk persamaan sebaga berkut: u cv ( T) = (2.3) T c p v h ( T ) = (2.4) T p Huruf v dan p menandakan bahwa penurunan dlakukan dengan menganggap v atau p sebaga sebuah konstanta. Khusus untuk zat nkompresbel, karena ada asums volume spesfk konstan, maka turunan entalp terhadap temperatur dengan menganggap p konstanta akan menad du/dt. Dengan demkan, pada zat nkompresbel tdak ada perbedaan nla antara c p maupun c v, atau c p = c v = c Ar adalah zat nkompresbel. sehngga U dapat ddekat dengan m H2O.c H2O.(T 2 - T 1 ). Setelah mengdentfkas varabel U dan Q, persamaan 2.2 berubah menad: m H O ch O ( T2 T ) = Egas Eloss E gas adalah massa gas yang dgunakan dkal LHV gas tersebut (pers. 2.6). E gas (2.5) = m LHV (2.6) gas Dengan menukarkan ss kr pada persamaan 2.5 dengan yang ada d ss kanan serta mensubttuskan E gas dengan persamaan 2.6, maka persamaan 2.5 menad: E loss ( T ) = m LHV m (2.7) gas H 2O ch 2O 2 T1 Kapastas panas ens spesfk untuk ar adalah 4,2 kj/kg.k. LHV untuk butana (C 4 H 10 ) adalah kj/kg.

7 2.4 Perhtungan Efsens Efsens berdasarkan sstem yang telah dgambarkan datas adalah perbandngan antara banyaknya energ yang dserap ar terhadap banyaknya energ bahan bakar yang dgunakan. E E stored η = (2.8) generated dmana energ yang dserap ar dperoleh dar rumus: E stored = mh O. c p H. T (2.9) 2 O 2 dan energ bahan bakar yang dgunakan dperoleh dar rumus: E = m LHV (2.10) generated gas. sehngga efsens memasak dperoleh dengan menghtung: mh O. c p. T 2 H2O η = (2.11) m. LHV gas Pada dasarnya umlah bahan bakar gas yang dgunakan untuk satu kal penguan adalah sektar gram. Agar dperoleh data dengan kesalahan auh dar 1% maka dperlukan suatu alat ukur yang memlk skala terkecl 0.1 gram. Kompor standar memlk tabung gas dengan berat sebesar ± 20 kg. Oleh karena tu muncul kesultan dalam hal alat ukur yang memlk kapastas datas 20 kg dan skala terkecl 0.1 gram. Sehngga dperlukan alat ukur yang memlk kecermatan relatf tngg dalam selang yang cukup besar untuk dapat menghtung efsens berdasarkan lau alran bahan bakar yang terad. Selan tu perhtungan efsens uga dlakukan dengan menghtung waktu pemanasan ar.

8 2.5 Data Hasl Percobaan pada Tugas Akhr Sebelumnya Data hasl percobaan sebelumnya dtamplkan untuk bsa dbandngkan haslnya dengan percobaan kal n. Sehngga dengan perbandngan n dharapkan bsa dpaka sebaga acuan dalam pembuatan alat penghemat bahan bakar gas. Dar hasl percobaan pada tugas akhr sebelumnya tanpa menggunakan selubung, efsens memanaskan ar menggunakan kompor portable berksar antara 39% hngga 50% (Tabel 2.1). Dengan kata lan, 50% dar energ yang dhaslkan bahan bakar tdak dgunakan untuk kebutuhan yang kta ngnkan. Tabel 2.1 Efsens memasak cara konvensonal Jka dbandngkan terhadap kompor portable, kompor standar memlk efsens yang lebh rendah. Kompor portable dkatakan memlk efsens cukup tngg karena berdasarkan percobaan, udara panas mengalr mengkut profl panc dan panasnya tdak menyebar sebagamana dtemukan pada kompor standar. Selan tu, pemanfaatan selubung pada kompor portable tdak dapat menakkan efsens setngg yang dapat dlakukan pada kompor standar Pemanasan Ar pada Kompor Gas Portable Meskpun temperatur ar saat menyalakan dan mematkan kompor sudah dtentukan, pada prakteknya ada kesultan mendapatkan temperatur awal yang sama, dan kesultan mencatat waktu maupun menghentkan kompor tepat pada temperaturnya yang dtentukan. Supaya temperatur awal ar sama pada setap penguan, maka temperatur awal ar yang relatf rendah perlu dpanaskan. Namun karena pemakaan bahan bakar dambl sebaga data, maka usaha menakkan temperatur awal tdak dapat dlakukan dengan cara menyalakan kompor. Beberapa alan keluarnya adalah dengan cara menympan seumlah ar yang cukup banyak, msalnya dalam bak,

9 sehngga ar untuk penguan selalu bertemperatur awal sama karena dambl dar bak yang sama. Cara lan adalah memanaskan ar menggunakan heater. Mesk demkan, mematkan heater tepat pada temperatur tertentu bukan hal yang mudah. Oleh karena tu, dambl sebuah tolak ukur baru yatu kenakan temperatur satu klogram ar per gram bahan bakar. Ukuran tu secara defns adalah mereakskan satu gram bahan bakar untuk memanaskan satu klogram ar lalu mencatat kenakan temperatur satu klogram ar tersebut. Secara praktek, nla n bsa ddapat dengan cara mengalkan massa ar dengan selsh temperatur akhr dan temperatur awal lalu membagnya dengan umlah gas yang dgunakan. kenakan temperatur 1kg ar / gram bb = m H2O [kg] T akhr - T m [gram] gas awal (2.12) Data hasl penguan menggunakan kompor portable beserta varas selubungnya telah dtabelkan dalam percobaan tugas akhr tahun lalu. D bawah n akan dperlhatkan dagram batang kenakan temperatur 1 kg ar per gram bahan bakar. Kenakan temperatur 1 kg ar per gram bahan bakar panc da.16 cm; ar 1L (kompor portable) non selubung percobaan Semakn tngg semakn bak Gambar 2.5 Dagram batang ens selubung vs kenakan temperatur 1 kg ar per gram bahan bakar (panc da. 16 cm, ar 1 L, kompor portable)

10 Kenakan temperatur 1 kg ar per gram bahan bakar panc da. 16 cm; ar 0.8L (kompor portable) non selubung non selubung hngga 85 C 4.00 hngga menddh Semakn tngg semakn bak Gambar 2.6 Dagram batang ens selubung vs kenakan temperatur 1 kg ar per gram bahan bakar (panc da. 16 cm, ar 0.8 L, kompor portable) Kenakan temperatur 1 kg ar per gram bahan bakar panc da. 20 cm; ar 1.2L (kompor portable) percobaan non Selubung net saver Semakn tngg semakn bak Gambar 2.7 Dagram batang ens selubung vs kenakan temperatur 1 kg ar per gram bahan bakar (panc da. 20 cm, ar 1.2 L, kompor portable) Pemanasan Ar pada Kompor Gas Standar Pada penguan menggunakan kompor standar, analss efsens dambl dalam bentuk penghematan waktu. Pendekatan n dapat danggap benar apabla lau massa bahan bakar selalu konstan. Anggapan lau massa bahan bakar konstan dambl dar data percobaan menggunakan kompor portable. Kesmpulan yang dambl dar data kompor portable n dgeneralsaskan untuk kompor standar.

11 Waktu pemanasan untuk panc da. 16cm, ar 1.5L (kompor standar) waktu (s) no selubung T = 35 o C T = 55 o C semakn pendek semakn bak Gambar 2.8 Dagram batang ens selubung vs waktu (panc da.16 cm, ar 1.5 L, kompor standar) Tabel 2.2 Waktu pemanasan tap ens selubung (panc da. 16 cm, ar 1.5L, kompor standar)

12 Waktu pemanasan untuk panc da. 20 cm; ar 1.5L (kompor standar) 300 waktu (s) no selubung netsaver T = 35 o C T = 55 o C Gambar 2.9 Dagram batang ens selubung vs waktu (panc da.20 cm, ar 1.5 L, kompor standar) Tabel 2.3 Waktu pemanasan tap ens selubung (panc da. 20 cm, ar 1.5L, kompor standar) 2.6 Smulas dengan Perangkat Lunak Fluent Pemodelan Smulas dawal dengan menggambar model berdasarkan data geometr kompor, panc, dan selubung hasl desan. Model yang dgunakan dalam smulas numerk n adalah model 2 dmens. Pemodelan n dlakukan secara bertahap yatu dmula dengan pendefnsan ttk, dar ttk-ttk yang ada ddefnskan sebaga gars, hngga akhrnya menad suatu bdang. Setelah dperoleh model, dlakukan dskttsas pada bdang tersebut (meshng). Pembentukan mesh n akan berpengaruh terhadap keakuratan perhtungan smulas dnamka fluda, sehngga proses meshng harus dlakukan secara tepat dan benar.

13 2.6.2 Smulas Numerk Metode numerk elemen hngga banyak dgunakan untuk mempermudah proses perhtungan dan aplkas yang rumt untuk dselesakan secara analts. Metode n bercrkan adanya pembagan bdang atau volume sstem, bak pada massa atur maupun volume atur, menad volume kecl yang dsebut yang dsebut mesh atau grd. Setap bdang atau volume kecl memlk seumlah nodal tempat menerapkan persamaan-persamaan. Semakn halus meshng, maka hasl yang dperoleh akan semakn detal dan akurat. Dengan metode n akan memberkan peluang penyederhanaan persamaan analts yang rumt menad persaman alabar yang eksak. Penyelesaan dengan metode analtk yang menghaslkan penyelesaan eksak sult dterapkan. Untuk menyelesakannya dgunakan metode numerk, yatu metode perhtungan aproksmas persamaan dferensal dengan persamaan artmatka basa (persamaan dskrt) yang dapat dpecahkan dan menghaslkan penyelesaan aproksmas pada ttk-ttk dskrt. Gambar 2.10 Alran fluda pada suatu elemen kecl Gambar 2.10 memberkan lustras penerapan persamaan kontnutas pada suatu elemen kecl volume (nfntesmal volume). Lau massa masuk dwakl oleh V1 dan dan lau massa keluar dwakl oleh V2, masng-masng terdr dar komponen arah dan arah y, u, dan v. Persamaan kontnutas dua dmens adalah: ρ ( ρ u ) ( ρ v ) = Sm t y (2.13) Untuk alran stasoner dan bla tdak ada mass source, Sm, persamaan (2.13) tersebut menad :

14 ρ ( ρ u ) ( ρ v ) = 0 t y (2.14) Dengan mengasumskan denstas fluda konstan, nla dan y dtentukan dan berlaku untuk semua volume yang sangat kecl, sehngga u dan v menad u dan v, persamaan d atas dapat dubah menad persamaan alabar (2.15). u v y = 0 (2.15) Apabla persamaan (2.15) durakan terhadap komponen-komponennya, maka akan dperoleh persamaan: u 2 u 1 v 2 v y 1 = 0 (2.16) Persamaan (2.16) dselesakan bersama-sama dengan persamaanpersamaan kekekalan energ, kekekalan momentum, speses transport, turbulens dan persamaan lan secara smultan. Dengan menerapkan konds batas pada persamaan-persamaan tersebut akan ddapatkan solus akhr Persamaan Dasar pada Smulas Fluent Persamaan dasar yang dgunakan untuk menymulaskan alran udara dan nteraks partkel ar dengan udara pada proses pendngnan adalah: a. Persamaan kekekalan massa (kontnutas) b. Persamaan kekekalan momentum c. Persamaan kekekalan energ Persamaan Kontnutas Persamaan kontnutas berdasarkan persamaan (2.15) yang dterapkan Fluent dalam arah adalah : ρ ( ρu ) = S t m (2.17) Persamaan d atas adalah bentuk umum persamaan kontnutas yang dterapkan Fluent untuk alran nkompresbel maupun kompresbel. S m adalah mass source dar fasa dskrt, ataupun reaks speses.

15 Interaks massa, momentum, dan energ fasa kontnu dengan fasa dskrt delaskan dalam Gambar Fluent menyertakan perhtungan perpndahan massa, momentum, dan energ dar fasa dskrt ke fasa kontnu setap kal trackng lntasan partkel melewat volume atur (grd). Perubahan-perubahan n devaluas pada ss masuk dan ss keluar volume atur yang dlalu lntasan partkel, dan dmasukkan pada suku S m persamaan (2.17). LINTASAN PARTIKEL GRID VOLUME ATUR Gambar 2.11 Dagram smulas transfer massa, momentum, dan energ fasa dskrt dengan fasa kontnu. Lntasan partkel dgambarkan melewat satu volume atur, grd, yang dbatas dengan gars putus-putus Persamaan Kekekalan Momentum Persamaan umum kekekalan momentum dalam arah untuk fasa kontnu dberkan dalam persamaan (2.18) ( t τ p ( ρu u ) = ρg F ρ u ) (2.18) Dengan p adalah tekanan stats, τ adalah tensor tegangan geser, ρg dan F adalah pengaruh gaya gravtas dan gaya eksternal. Tensor tegangan geser dapat dnyatakan dengan persamaan :

16 k k u u u δ µ µ τ = 3 2 (2.19) Persamaan Kekekalan Energ Persamaan umum kekekalan energ dapat drumuskan sebaga berkut : ( ) [ ] h eff eff S ) ( u J h T k p E u E ) ( t = τ ρ ρ 2.20) Dmana k eff adalah konduktvtas panas efektf ( kk f, dengan k f adalah konduktvtas termal turbulen), J adalah fluks dfus speses, tga suku d ruas kr persamaan (2.20) mewakl perpndahan panas konduks, dfus speses, dan dspas vskos. Suku S h adalah sumber energ yang dapat berasal dar reaks, radas, perpndahan panas antara fasa kontnu dengan fasa dskrt dan fluks energ. Pengaruh energ potensal dan knetk dwakl oleh E pada ruas kr suku kedua. Suku kedua ruas kanan kanan, yatu dspas vskos, dabakan karena terlalu kecl pengaruhnya apabla dbandngkan dengan suku-suku yang lan, sehngga persamaan (2.20) menad : ( ) [ ] h eff S J h T k p E u E ) ( t = ρ ρ (2.21) Konds Batas Dndng (Wall) Konds batas dndng dterapkan ke semua permukaan fluda. Persamaan persamaan yang berlaku adalah persamaan perpndahan panas konduks, konveks dan radas. Perpndahan panas konduks, konveks dan radas secara berurutan dberkan oleh persamaan : ) ( s w k T T A k q = (2.22) ) ( s w h T T A h q = (2.23) ) ( 4 4 w et r T T q = σ ε (2.24)

17 Nla masukan yang dperlukan oleh Fluent adalah konduktvtas termal dndng, koefsen perpndahan panas konveks, dan emsvtas dndng luar Pressure Outlet Penggunaan pressure outlet berlaku untuk alran kompresbel. Input yang dperlukan adalah komposs gas keluaran, energ knetk turbulen, lau dspas turbulen dan temperatur keluar gas. Penggunaan konds batas n mempermudah smulas karena kta tdak perlu menentukan besar tekanan udara pada ss keluar Mass Flow Inlet Konds batas n dpergunakan untuk semua masukan gas. Fluent akan menentukan besar kecepatan tap nodal dengan membag lau massa dengan massa ens dan luas penampang setap cell. Input untuk konds batas n adalah komposs massa gas masuk, temperatur masuk, energ knetk turbulen, lau dspas turbulens, dan temperatur radas batas.

18 Bab III Rancangan dan Prosedur Percobaan Sepert yang telah dtentukan dalam bab sebelumnya, penghematan dlakukan dengan menggunakan selubung pengumpul alran gas hasl pembakaran d sektar panc. Percobaan dlakukan dengan memanaskan ar d dalam panc tanpa menggunakan selubung dan dbandngkan haslnya dengan pemanasan menggunakan selubung. 3.1 Peralatan yang Dgunakan Gambar 3.1 Termometer dan stopwatch Termometer yang dgunakan dalam peneltan n memlk kecermatan 0,1 O C. Tekns pemakaannya adalah cukup dengan menempelkan sensor yang terdapat d bagan uung kabel ke tempat yang ngn dketahu temperaturnya. Untuk kompor gas portable, percobaan dlakukan dengan menghtung waktu 1