BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Biomassa Biomassa adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintesis baik berupa produk maupun buangan. Contoh biomassa antara lain adalah tanaman, pepohonan, rumput, limbah pertanian, limbah hutan, tinja, dan kotoran ternak. Selain digunakan untuk pembuatan serat primer, bahan pangan, pakan ternak, minyak nabati, bahan bangunan, dan sebagainya. Biomassa juga digunakan sebagai sumber energi (bahan bakar), yang digunakan adalah bahan bakar biomassa yang nilai ekonomisnya rendah atau merupakan limbah setelah diambil produk primernya (Pari dan Hartoyo, 1983). Energi biomassa dapat menjadi sumber energi alternatif pengganti bahan bakar fosil (minyak bumi) karena beberapa sifatnya yang menguntungkan yaitu, dapat dimanfaatkan secara lestari karena sifatnya yang dapat diperbaharui, relatif tidak mengandung unsur sulfur sehingga tidak menyebabkan polusi udara dan juga dapat meningkatkan efisiensi pemanfaatan sumber daya hutan dan pertanian (Widardo dan Suryanta, 1995). Tabel 2. 1 Potensi Biomassa di Indonesia Sumber Energi Produksi Enegi 10 6 ton/tahun 10 9 kkal/tahun Kayu Sekam padi Tongkol jagung Tempurung kelapa Potensi total Sumber: The Potential Of Biomass Redidues As Energi Source In Indonesia (Dewi dan Siagian, 1992) 2.2 Minyak Goreng Minyak goreng adalah minyak nabati yang telah dimurnikan dan dapat digunakan sebagai bahan pangan. Proses pemurnian minyak goreng meliputi degumming, netralisasi, dan deodorasi. Minyak goreng biasanya digunakan sebagai media penggoreng bahan pangan, penambah cita rasa, ataupun shortening yang membentuk tekstur pada pembuatan roti. Minyak merupakan trigliserida yang tersusun atas tiga unit asam lemak, berwujud cair pada Jurusan Teknik Konversi Energi 5

2 suhu kamar (25 C) dan lebih banyak mengandung asam lemak tidak jenuh sehingga mudah mengalami oksidasi. Minyak yang berbentuk padat biasa disebut dengan lemak. Faktor-faktor yang dapat mempercepat kerusakan minyak selama proses pemanasan diantaranya adalah kontak minyak dengan udara, pemanasan yang berlebihan pada minyak, kontak minyak dengan logam dari alat pemanas, dan adanya kandungan air,protein, lemak, hidrokarbon, dan bahan lain dari bahan pangan yang digoreng. Pada suhu tinggi air akan menghidrolisa gliserida-gliserida minyak menjadi gliserol dan asam lemak bebas. Gliserol selanjutnya akan terpecah menjadi akrolein. Kerusakan minyak karena pemanasan akan menghasilkan dua macam senyawa yaitu komponen non volatile yang tetap terdapat dalam minyak dan dapat diserap oleh bahan pangan yang digoreng dan komponen volatile yang dapat keluar bersama uap pada saat dipanaskan. Komponen non volatile terbentuk dari asam lemak tak jenuh yang terdapat dalam molekul trigliserida. Pembentukan dan akumulasi dari senyawa ini akan menimbulkan perubahan fisik minyak, seperti peningkatan kekentalan, warna dan buih, juga terhadap sifat kimia minyak seperti peningkatan asam lemak bebas, bilangan karbonil, kandungan hidroksil, bilangan penyabunan, dan penurunan derajat ketidak jenuahan. (Andreas, 2009) Tabel 2. 2 Spesifikasi Minyak Goreng No Sifat Fisik Minyak goreng 1. Titik Didih ( C) Viskositas pada 40 C (cst) 4,9 3. Bilangan Sentan Titik beku ( C) 3,3 5. Sulfur Content (%m/m) - 6. Clorofic value (kj/kg) 385,42 7. Massa jenis pasa 15 C (kg/l) 0,93 8. Kapasitas panas pada 20 C (kj/kg C) 2,44 Pada tungku biomassa ini, minyak goreng berfungsi sebagai penyerap panas yang membawa panas pembakaran dari ruang bakar ke tungku masak. Titik didih minyak goreng adalah sebesar 330 F atau 175 C, tergantung jenis minyak gorengnya (minyak kelapa, sawit, zaitun, canola, bunga matahari, lemak, dll). Panas yang diserap oleh minyak goreng ini yang Jurusan Teknik Konversi Energi 6

3 kemuadian akan dipindahkan ke panci, sehingga diharapkan mampu memanaskan air sampai 100 C. 2.3 Jenis-jenis Tungku Tungku secara luas dibagi menjadi dua jenis berdasarkan metoda pembangkitan panasnya. Tungku pembakaran yang menggunakan bahan bakar, dan tungku listrik yang menggunakan listrik. Tungku pembakaran dapat digolongkan menjadi beberapa bagian seperti ditunjukkan dalam Tabel 2.3, jenis bahan bakar yang digunakan, cara pengisian bahan baku, cara perpindahan panasnya dan cara pemanfaatan kembali limbah panasnya. Tetapi, dalam prakteknya tidak mungkin menggunakan penggolongan ini sebab tungku dapat menggunakan berbagai jenis bahan bakar, cara pengisian bahan ke tungku yang berbeda, dll. Tungku yang paling umum digunakanakan dijelaskan dalam bagian berikutnya. Tabel 2. 3 Klasifikasi Tungku Metode Klasifikasi Jenis bahan bakar yang digunakan Jenis dan contoh Dibakar dengan minyak Dibakar dengan gas Dibakar dengan batubara Dibakar dengan biomassa Berselang (intermittent) / batch Berkala Penempataan Penggulungan ulang/ re-rolling (batch/pusher) Pot Cara pengisian bahan bakar Kontinyu Pusher Balok berjalan Perapian berjalan Tungku bogie dengan sirkulasi ulang kontinyu Tungku perapian berputar/rotary hearth furnace Radiasi (tempat perapian terbuka) Cara perpindahan panas Konveksi (pemanasan melalui media) Rekuperatif Cara pemanfaatan kembali limbah panas Regenerative Sumber: (Ibnu Hajar, 2007) Jurusan Teknik Konversi Energi 7

4 2.4 Komponen Sistem Tungku biomassa merupakan suatu alat yang dapat menghasilkan panas, panas tersebut dapat disalurkan pada peralatan lain yang memerlukannya dan berbahan bakar biomassa padat. Bahan bakar biomassa adalah semua yang berasal dari kayu bakar, tumbungtumbuhan, daun-daunan, limbah pertanian, limbah rumah tangga, sampak organik dan lainlain. Bagian-bagian dari tungku biomassa adalah sebagai berikut. A. Ruang Bakar Ruang bakar merupakan tempat terjadinya bahan bakar B. Saluran Udara Primer Saluran udara primer adalah tempat saluran udara yang dipasok dari bawah kisi dan berkontak langsung dengan bahan bakar, berfungsi untuk membakar komponen biomassa. C. Penyangga Biomassa (Kisi) Penyangga biomassa berfungsi untuk menyangga biomassa yang akan dibakar di dalam ruang bakar. D. Ruang Abu Biomassa Ruang abu biomassa berfungsi untuk menampung abu biomassa hasil proses pembakaran. E. Aliran Udara Sekunder Aliran udara sekunder adalah saluran udara yang dipasok di atas unggun bahan bakar, berfungsi untuk membakar komponen-komponen zat terbang untuk penyempurnaan bahan bakar. F. Pipa Pengalir Minyak Pipa ini berisi minyak yang akan dialirkan dari ruang bakar ke penampungan minyak. G. Tungku Masak Tungku Masak / penampungan minyak berfungsi untuk menyangga panci atau penggorengan untuk memasak. Tungku ini dilengkapi dengan isolasi dari pasir untuk menahan panas. Jurusan Teknik Konversi Energi 8

5 2.5 Komponen Tungku Masak Tungku masak merupakan bagian dari sistem tungku biomasa. Adapun bagian-bagian dari tungku masak tersebut adalah sebagai berikut. A. Pipa Pengalir Minyak Pipa ini berfungsi sebagai media untuk mengalirkan minyak panas yang berasal dari ruang bakar. B. Panci Air Panci ini digunakan sebagai tempat untuk memanaskan air. Panci ini akan dicelupkan ke dalam penampungan minyak panas. C. Penampungan Minyak Tempat ini yang akan menampung minyak hasil pemanasan di ruang bakar. Penampungan ini yang akan dijadikan sebagai tempat untuk menyimpan panci air. D. Isolasi Pasir Pasir ini diletakkan mengelilingi seluruh bagian luar dari penampungan minyak untuk mengurangi rugi-rugi pada tungku masak. E. Kaki Tungku Masak Digunakan sebagai penyangga tungku minyak. 2.6 Karakteristik Tungku Pada umumnya panas yang mengalir pada tungku adalah panas yang berasal dari api hasil pembakaran bahan bakar di ruang bakar. Namun, pada Tungku Masak ini api tidak bersentuhan langsung dengan peralatan pemanas air. Panas yang berasal dari ruang bakar ini akan dialirkan menggunakan pipa tembaga berisi cairan minyak. Pipa tembaga akan dililitkan diatas ruang bakar, lilitan pipa ini kemudian dihubungkan ke penampungan minyak (tungku minyak). Suhu minyak yang berada di penampungan ini diharapkan mampu melebihi 175 C, tetapi tidak seluruh panas minyak di penampungan ini mampu diserap sempurna oleh air, ada sebagian panas yang terbuang melalui udara, dinding isolasi, dan dinding luar (losses). Jadi, panas minyak ini tidak seluruhnya dapat dimanfaatkan untuk melakukan aktivitas pembebanan (memanaskan air). Gambar 2.1 merupakan losses yang terjadi pada proses pemanasan air. Jurusan Teknik Konversi Energi 9

6 Panas Masuk TUNGKU MASAK Panas Panci Panas yang diserap Udara Panas yang diserap isolasi Panas yang diserap dinding Gambar 2. 1 Kehilangan Panas pada Tungku Masak Kehilangan panas dalam tungku tersebut meliputi (BEE, 2005 and US DOE, 2004): Panas yang diserap dinding tungku/permukaan, juga disebut kehilangan melalui dinding: sementara suhu dibagiandalam tungku cukup tinggi, panas dihantarkan melalui atap, lantai dan dinding dan dipancarkan ke udara luar begitu mencapai kulit atau permukaan tungku. Panas yang diserap isolasi, bila tungku mulai dinyalakan maka struktur dan isolasitungku juga dipanaskan, dan panas ini hanya akan meninggalkan struktur lagi jika tungku dimatikan. Oleh karena itu kehilangan panas jenis ini akan meningkat dengan jumlahwaktu tungku dihidup-matikan. Panas yang diserap udara, pada saat proses pemanasan minyak akan ada panas yang terbuang melalui udara dengan radiasi. 2.7 Proses Perpindahan Panas Dari ilmu termodinamika, energi bisa berpindah dengan adanya interaksi antara system dengan lingkungan. Interaksi ini disebut kerja dan panas. Namun, termodinamika tidak memberikan informasi seperti apa proses dan berapa lama waktu yang dibutuhkan Jurusan Teknik Konversi Energi 10

7 untuk menyelesaikan proses tersebut. Dalam ilmu perpindahan panas hal tersebut dapat diketahui. Perpindahan panas merupakan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. (J.P. Holman, 1991) Perpindahan Panas Secara Konduksi Perpindahan panas secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah dalam satu medium(padat, cair atau gas) atau antara medieum-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung (Sri Wuryanti, 2010) Gambar 2. 2 Perpindahan Panas Secara Konduksi Secara umum laju aliran kalor secara konduksi dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut: (2.1) q k k = nilai kalor yang dipindahkan (Watt) = konduktivitas termal bahan (W/m C) A = luas penampang (m 2 ) dt/dx = gradient suhu pada penampang (laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam aliran panas) Perpindahan Panas Secara Konveksi Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses perpindahan energi dengan kerja gabungan dari konduksi kalor, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi Jurusan Teknik Konversi Energi 11

8 dangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cair atau gas. Perpindahan kalor secara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya di atas suhu fluida di sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, kalor akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partiket-partikel fluida yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam partikelpartikel fluida tersebut. Kedua, partikel-partikel tersebut akan bergerak ke daerah suhu yang lebih rendah dimana partikel tersebut akan bercampur dengan partikel-partikel fluida lain. (J.P. Holman 1991) Gambar 2. 3 Perpindahan Panas Secara Konveksi Perpindahan kalor secara konveksi dapat dikelompokkan menurut gerakan alirannya, yaitu konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Apabila gerakan fluida tersebut terjadi sebagai akibat dari perbedaan densitas (kerapatan) yang disebabakan oleh gradient suhu maka disebut konveksi bebas atau konveksi alamiah (natural convection). Bila gerakan fluida tersebut disebabkan oleh penggunaan alat dari luar, seperti pompa atau kipas, maka prosesnya disebut konveksi paksa. Laju perpindahan panas antara suatu permukaan plat dan suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan:..(2.2) q c = nilai kalor yang dipindahkan (Watt) h = koefisien perpindahan panas A = luas daerah perpindahan panas (m 2 ) T 1 = temperatur fluida dingin ( C) T 2 = temperatur fluida dingin ( C) Jurusan Teknik Konversi Energi 12

9 T w1 T w0 (2.4) Perpindahan Panas Secara Radiasi Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas yang melibatkan gelombang elektromagnetik dalam proses perpindahannya di antara dua buah benda yang mempunyai temperatur yang berbeda. Semua banda memiliki kemampuan untuk memancarkan energi dengan menggunakan gelombang elektromagnetik. Semua benda yang mempunya temperatur di atas temperatur absolut bis terjadi perpindahan panas bentuk ini. Radiasi tidak memerlukan media seperti udara atau logam dalam perpindahan panasnya. Intensitas flux dari perpindahan ini sangat tergantung kepada temperatur benda atau material dan sifat permukaan dari benda tersebut. (J.P. Holman 1991).. (2.3) q r = nilai kalor yang dipindahkan (Watt) σ = konstanta Stefan Boltzman (5, W/m 2 K ) A = luas permukaan penerimaan radiasi (m 2 ) T 4 = temperatur lingkungan (Kelvin) Perpindahan Panas Menyeluruh Perpindahan panas menyeluruh adalah penjumlahan dari seluruh perpindahan panas yang meliputi perpindahan panas konveksi, konduksi, dan radiasi. Untuk plat datar jika diambil salah satu bagian kecil dari daerah pertukaran panas yang terkena lingkungan konveksi maka analogi listriknya dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut. (J.P. Holman, 1991) T 1 T 1 T w1 T w0 T 0 T 0 Gambar 2. 4 Perpindahan Panas Menyeluruh pada Permukaan Jurusan Teknik Konversi Energi 13

10 2.8 Water Boilling Test Water boiling test merupakan salah satu metode untuk mengetahui efisiensi dari suatu tungku. Water boiling test ini merupakan metode pengujian yang relatif singkat dan sederhana dalam prosedur standar memasak. Metode ini adalah metode sementara yang digunakan untuk penelitian terhadap tungku/kompor. Metode ini diciptakan oleh VITA (Volunters In Technical Assistance) dan dipakai untuk dapat membandingkan suatu kinerja dari sebuah tungku menurut perbedaan kondisi operasi. Water boiling test menggunakan air untuk simulasi memasak. Metode ini memiliki dua tahap percobaan, yaitu tahap tahap high power (daya tinggi atau pendidihan) dan tahap Low Power (daya rendah atau penguapan). High Power merupakan tahap pemanasan air dari temperatur lingkungan menuju temperatur maksimum dalam waktu secepat-cepatnya. Sedangkan Low Power merupakan pengujian daya reduksi untuk level atau tingkat terendah untuk menjaga kondisi air 3 C di bawah temperatur pendidihan. 2.9 Perhitungan Kinerja Tungku Efisiensi tungku meningkat bila persentase panas yang dipindahkan ke stok atau beban dibagiandalam tungku meningkat. Semakin baik efisiensi tungku maka semakin baik kinerja tungku tersebut. Kinerja tungku dapat dilihat darikonsumsi bahan bakar, laju bahan bakar tungku, panas yang diserap oleh air, energi bahan bakar yang dihasilkan, efisiensi thermal tungku dan losses yang dihasilkan oleh tungku. a) Panas yang dilepas oleh minyak (Q m ) Panas yang dilepas oleh minyak untuk pemanasan air sampai suhu 175 o C dapat diketahui dengan menggunakan persamaan berikut ini. m minyak = = Massa jenis minyak (Kg/m 3 ) = volume air (m 3 ) T = suhu akhir suhu awal ( o C) t = Waktu yang digunakan pada saat pengujian (s) Jurusan Teknik Konversi Energi 14

11 b) Panas yang diserap oleh air (Q a ) Panas yang diserap oleh air untuk pemanasan sampai suhu 100 o C adalah: m air = = Massa jenis air (Kg/m 3 ) = volume air awal (m 3 ) = suhu akhir suhu awal ( o C) t = Waktu yang digunakan saat pengujian (s) c) Efisiensi Efisiensi yaitu perbandingan antara energi yang diserap oleh air dan yang dilepas minyak. Effisiensi dapat diketahui dengan menggunakan persamaan berikut ini. η = efisiensi (%) Q a Q m = jumlah panas yang diserap oleh air (kj/s) = jumlah panas yang dilepas oleh minyak (kj/s) Jurusan Teknik Konversi Energi 15