BAB IV METODE PENELITIAN 4.1 Tempat dan Waktu Penelitian Tempat yang akan digunakan selama melakukan penelitian ini adalah di Laboratorium Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Udayana kampus Jimbaran Bali. Berbagai macam pengujian dan pemrosesan akan dilakukan di Lab tersebut selama penelitian ini berlangsung. Pengujian yang dilakukan tersebut meliputi uji nilai kalor biomassa, uji ultimate biomassa, pemrosesan limbah biomassa, dan terakhir adalah uji performansi gasifikasi biomassa yang terdiri dari tiga jenis limbah biomassa tersebut. Adapun tempat dan pengujian tersebut seperti dijelaskan berikut ini. Lokasi uji nilai kalor dan uji ultimate biomassa dilakukan di Laboratorium Konversi Energi Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Udayana Jimbaran dan waktu yang diperlukan untuk pengujian tersebut sekitar tiga hari. Lokasi pengujian performansi kompor gasifikasi biomassa dilakukan di halaman Laboratorium Teknik Mesin Universitas Udayana Jimbaran dan waktu yang diperlukan untuk pengujian tersebut selama 12 hari untuk 12 kali pengujian (waktu tiap pengujian yaitu sampai temperatur kumbung tercapai 70 o C ). 4.2 Prosedur Penelitian Penelitian ini dimulai dengan terlebih dahulu menentukan jenis tungku / kompor gasifikasi biomassa yang sudah ada di lapangan dan kemudian menguji kapasitas pembakarannya. Jika kapasitas pembakaran dari kompor gasifikasi biomassa 30
31 ini sudah diketahui, maka laju aliran uap panas yang dihasilkan dari boiler ini dapat dietahui pula yang juga akhirnya ukuran prototipe kumbung jamur pun dapat ditentukan. Jika persiapan dan semua bahan telah disediakan maka pengujian proses sterilisasi prototipe kumbung dapat dilakukan kemudian. Prosedur penelitian yang akan dilakukan mengikuti beberapa tahap / proses seperti dijelaskan berikut ini : Penentuan kompor gasifikasi dan pembuatan prototipe kumbung Dilakukan penentuan kompor gasifikasi terlebih dahulu untuk dapat menentukan ukuran prototipe kumbung yang akan dibuat. Berbagai macam jenis kompor gasifikasi skala rumah tangga telah tersedia di pasaran, diantaranya adalah kompor biomass UB 03 dari Unibraw Malang, kompor sekam buatan IPB, kompor biomasa UI dan lain sebagainya. Universitas Udayana sendiri telah membuat kompor gasifikasi berbahan bakar sekam padi. Kompor gasifikasi yang ada tersebut memiliki waktu nyala yang bervariasi antara 1 jam sampai 2 jam nyala operasinya. Adapun jenis kompor gasifikasi yang digunakan pada penelitian ini adalah kompor biomass UB-03 buatan M. Nurhuda dari Universitas Brawijaya Malang mengingat nyala api pada kompor tersebut dapat mencapai 2 jam pembakaran. Pembuatan tangki air boiler Setelah kompor gasifikasi didapatkan, langkah selanjutnya adalah membuat bejana tertutup sebagai penampung air dan menyambungkannya dengan pipa uap hingga menyerupai boiler sederhana untuk menghasilkan uap panas pada proses sterilisasinya.
32 Pemrosesan limbah jerami, kardus, dan kapas Pemrosesan limbah diperlukan pada penelitian ini mengingat kondisi limbah media tanam jamur yang berupa jerami, kardus, dan kapas masih dalam keadaan basah dan tidak siap untuk langsung dijadikan sebagai bahan bakar. Proses/perlakuan yang dilakukan pada limbah tersebut meliputi : penggilingan, pencetakan dalam bentuk briket, dan pengeringan. Briket yang dibuat mempunyai ukuran panjang 10 cm, lebar 7cm, dan tebal 2 cm. Bahan baku briket yang telah digiling tersebut dicampur dengan tepung tapioka sebagai perekat sebanyak 5 10 % dari massa biomassanya. Bahan tambahan yang diperlukan dalam pembuatan briket tersebut kemudian diaduk menjadi satu dan dicetak dalam bentuk padatan briket dengan menggunakan cetakan plastic dan diproses secara sederhana kemudian dikeringkan di bawah sinar matahari selama tiga hari. Gambar berikut menjelaskan proses dari pembuatan briket limbah biomassa tersebut. Gambar 4.1 proses pembuatan briket limbah jerami. (a) limbah jerami sisa budidaya jamur merang, (b) penggilingan dengan cara ditumbuk, (c) pencampuran dengan lem kanji, (d) pemadatan, (e) pencetakan, dan (f) penjemuran.
33 Pengujian pada prototipe kumbung Pengujian kompor gasifikasi biomassa ini menggunakan 3 jenis bahan bakar yaitu limbah jerami, limbah kardus, dan limbah kapas. Masing masing bahan bakar tersebut digunakan pada proses sterilisasi prototipe kumbung dengan waktu sampai temperatur kumbung tercapai pada temperatur 70 o C. Pengambilan data dilakukan dengan cara mengukur ketiga jenis temperatur yang terdiri dari : temperatur gasifikasi sebanyak 4 titik, temperatur air dan uap masing masing satu titik, dan temperatur kumbung sebanyak 4 titik. Pengukuran temperatur gasifikasi yang sebanyak 4 titik tersebut diharapkan dapat mengetahui karakteristik dari 4 tahap proses gasifikasi tersebut dan diindikasikan dengan kode T1, T2, T3, dan T4. Dimana keempat titik gasifier tersebut diharapkan dapat mewakili keempat proses tahapan gasifikasi yang terdiri dari : proses oksidasi (T1), proses reduksi (T2), proses pirolisis (T3) Temperatur air dan uap diindikasikan dengan kode T5, dan T6, sedangkan temperatur kumbung sebanyak 4 titik diindikasikan dengan T7, T8, T9, dan T10. Kesepuluh titik temperatur tersebut diukur dengan menggunakan termokopel yang terhubung dengan data akuisisi type KTE DA100 dan langsung menampilkan datanya pada perangkat komputer/laptop. Data temperatur yang terbaca pada komputer tersebut kemudian akan tercatat pada tabel excel setiap 1 menit sekali secara otomatis. Sebuah timbangan mini digunakan untuk menimbang jumlah massa bahan bakar biomassa yang disuplai pada ruang pembakaran sehingga dapat diketahui laju konsumsi bahan bakarnya (FCR). Data tentang massa bahan bakar biomassa tersebut tercatat tersendiri secara manual pada tabel yang lain. Proses pengambilan data dilakukan 2 kali untuk tiap bahan bakar biomassa dengan kondisi aliran udara yang
berbeda, yaitu aliran udara alamiah dan aliran udara konveksi paksa. Gambar berikut merupakan skema pengujian yang dilakukan dalam penelitian ini. 34 Temp. kumbung Temp. air & uap Temp. gasifikasi Data Akuisisi Komputer Gambar 4.2 Skema pengukuran temperatur pada pengujian prototipe kumbung Perhitungan dan Analisa data Perhitungan sebagai dasar analisa data dilakukan menggunakan persamaan persamaan yang telah di jelaskan pada bab sebelumnya (bab 2). Hasil perhitungan dan hasil olah data akan menentukan nilai parameter dari performansi gasifikasi biomassa yang telah diuji tersebut. Pembuatan laporan Setelah analisa data didapatkan, langkah terakhir dalam penelitian ini adalah pembuatan laporan tertulis sebagai bukti atas hasil hasil yang diperoleh selama melakukan penelitian ini.
Gambar berikut ini merupakan flowchart yang menggambarkan alur proses penelitian tersebut diatas, yaitu sebagai berikut : 35 Gambar 4.3 Flowchart / alur prosedur penelitian yang akan dilakukan 4.3 Bahan dan Instrumen Penelitian Bahan bahan yang diperlukan selama melakukan penelitian ini adalah : Kayu usuk ukuran 3 cm untuk rangka kumbung jamur mini. Plastik PE bening dan insulasi untuk dinding kumbung. Jerami / kapas sebagai media tanam jamur merang yang akan dipanaskan. Limbah media tanam jamur sebagai bahan bakar pada kompor biomassa. Kompor gasifikasi biomassa sebagai pemanas air. Panci tempat air dipanaskan sebagai penghasil uap panas. Pipa besi ¾ inch sebagai saluran aliran uap dari panci ke dalam kumbung.
36 Sedangkan beberapa instrumen berikut diperlukan dalam penelitian ini, yaitu : Data Akuisisi + termocouple sensor 10 buah untuk mengukur temperatur gasifikasi dan temperatur lainnya. Stopwatch untuk mengetahui waktu penelitian. Anemometer untuk mengukur kecepatan uap panas yang mengalir ke kumbung, dan Timbangan untuk mengukur massa bahan bakar biomassa yang terpakai pada proses pembakaran. 4.4 Rancangan Penelitian 4.4.1 Spesifikasi boiler dengan kompor gasifikasi biomassa Boiler biomassa menggunakan kompor gasifikasi biomassa tipe UB-03 buatan M. Nurhuda dari Universitas Brawijaya Malang (prasetya, 2009). Adapun bentuk dari kompor gasifikasi biomassa tersebut adalah seperti terlihat pada gambar berikut ini, yaitu : Gambar 4.4 Kompor biomassa UB-03 dengan sistem gasifikasi yang digunakan pada penelitian (sumber : prasetya, 2009)
Uji awal terhadap kompor gasifikasi ini perlu dilakukan untuk mengetahui berapa ukuran prototipe kumbung yang harus dibuat. Uji awal tersebut adalah dengan cara menggunakan kompor gasifikasi untuk memasak air sebanyak 1,5 liter dengan bahan bakar berupa serbuk kayu gergaji. Hasil yang didapat dari uji awal terhadap kompor gasifikasi ini dapat dilihat seperti pada tabel 4.1 berikut ini. Tabel 4.1 Data pengujian awal pemanasan air 1,5 L menggunakan kompor gasifikasi UB-03 Menit ke- Ruang bakar Temperatur ( C) Dinding Panci 0 30 29,5 30,2 1 87 68,3 44,7 2 112 82,5 53,2 3 267 87,4 62,4 4 267 84,9 69,7 5 300 89,1 77,3 6 280 95,2 88,1 7 276 101,7 96,1 43 dtk 253 105,5 100,7 Massa serbuk kayu (kg) Air Awal Akhir Terpakai 0.595 0.485 0.110 Terlihat dari data tersebut diatas diketahui bahwa massa serbuk kayu yang terpakai selama proses pemanasan air tersebut adalah sebanyak 0,110 kg yang terpakai selama waktu 7 menit 43 detik, atau 7,71 menit. Sehingga FCR yang diperoleh dari pengujian awal pada kompor gasifikasi tersebut adalah sebesar 0,014 kg/mnt (14 gr/mnt). 37 Sebuah modifikasi telah dilalukan pada bagian rektor kompor gasifikasi ini untuk memudahkan abu pembakaran dapat turun ke bagian bawah sehingga pembakaran diharapkan dapat terus berlangsung lama.
38 Gambar 4.5 Modifikasi pada bagian bawah reaktor gasifikasi untuk memudahkan abu turun ke bawah. Berikut ini merupakan spesifikasi dari model boiler gasifikasi yang akan digunakan pada pengujian ini. Panci berisi air Gas hasil gasifikasi Kompor biomassa Pipa besi ¾ inch Uap panas menuju kumbung Supplai udara masuk Gambar 4.6 Spesifikasi dari boiler gasifikasi biomassa yang digunakan sebagai penghasil uap panas pada prototipe sterilisasi kumbung jamur 4.4.2 Kapasitas sterilisasi Telah disebutkan diatas bahwa kompor gasifikasi UB-03 yang digunakan pada penelitian ini memiliki FCR sebesar 0,014 kg/mnt, maka melalui persamaan (9) pada bab 2 diatas dapat dihitung nilai laju kalor pembakarannya (Q f ), yaitu :
39, HHV jerami = 11881 kj/kg = = 3,64 kw Penentuan awal efisiensi kompor gasifikasi biomassa tersebut memiliki nilai sebesar 30%, maka besarnya energi kalor yang dapat digunakan untuk memanaskan jerami pada kumbung tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (10) yaitu sbb :, sehingga : = 0,3 x 3,64 kw = 1,1 kw Sedangkan untuk mengetahui jumlah jerami yang dapat dipanaskan oleh kompor gasifikasi biomassa tersebut adalah dengan menggabungkan persamaan (12) dan persamaan (13) pada bab 2 diatas, yaitu :, sehingga :, t = 4 jam, = 50 o C, cp = 2,7 kj/kg o C = 35,2 kg jerami Sehingga jumlah media tanam jerami yang akan digunakan pada proses pengujian ini adalah sebanyak 35 kg.
40 4.4.3 Desain tangki air boiler Mengingat pengujian proses sterilisasi ini maksimal selama 4 jam dengan cara memanaskan air di dalam tangki boiler, maka tangki air boiler tersebut harus dapat menampung sejumlah air yang cukup untuk proses pemanasan selama 4 jam tersebut. Terlihat pada perhitungan diatas bahwa kapasitas pemanasan air ( ) sebesar 1,1 kw, maka jumlah air minimal yang harus digunakan pada proses sterilisasi ini dapat diketahui dengan terlebih dahulu menghitung laju aliran aliran uap yang dihitung dengan persamaan (11) pada bab 2 diatas : = 1,1 kj/s ; h 2 = 2675 kj/kg (100 o C) h 1 = 125 kj/kg (30 o C) Jika waktu penguapan terjadi selama 3 jam, maka massa air minimal yang harus di siapkan pada pengujian ini sebanyak : = 3 jam = 10800 s = 0,000486 x 10800 = 5,2 kg Massa air yang sebanyak 5,2 kg tersebut memiliki volume sekitar 5,2 liter, dan tangki air yang digunakan pada boiler tersebut hendaknya yang memiliki volume yang lebih besar dari volume air diatas. Sebuah tangki kaleng berdiameter 28 cm dan tinggi 36 cm dan memiliki volume sebesar 22 liter digunakan pada penelitian ini untuk
41 memperbesar luas area pemanasan air. Tangki air tersebut kemudian diberi saluran uap dari pipa besi ½ inch untuk mengalirkan uap panasnya ke dalam kumbung. Berikut ini merupakan gambar rancangan tangki air yang digunakan pada penelitian ini. Gambar 4.7 Tangki air boiler yang digunakan pada pengujian proses sterilisasi 4.4.4 Ukuran prototipe kumbung Setelah diketahui jumlah jerami yang dapat dipanaskan pada pengujian ini, langkah selanjutnya adalah dengan menentukan ukuran prototipe kumbung yang akan digunakan untuk menampung media tanam jerami tersebut. Diketahui pada perhitungan sebelumnya bahwa kompor gasifikasi yang akan dipakai tersebut hanya dapat memanaskan media tanam jerami sebanyak 35 kg, maka ukuran prototipe kumbung yang akan dibuat pada penelitian ini juga harus dapat menampung sejumlah media tanam jerami tersebut. Selain itu, volume prototipe kumbung yang dibuat juga harus memiliki selumlah udara yang cukup agar sirkulasi panas dan RH dalam ruangan kumbung
42 tersebut tetap terjaga pada kondisi tertentu. Untuk menentukan ukuran prototipe kumbung yang akan dibuat hanya berdasarkan perkiraan saja, dimana ukuran prototipe kumbung yang akan dibuat tersebut ditetapkan dengan ukuran yang wajar, yaitu : 150 x 100 x 75 cm. Gambar berikut merupakan gambar rancangan dari prototipe sistem sterilisasi kumbung jamur yang telah dibuat, yaitu : 5 T6 4 2 T7 T8 T5 1 T1 T2 T3 T4 3 T9 T10 Keterangan : 1. Kumbung Jamur, 9. T3 = temperatur pirolisis gasifier 2. Media tanam jamur merang 10. T4 = temperatur drying gasifier 3. Boiler dengan kompor gasifikasi biomassa 11. T5 = temperatur air 4. Dinding dan atap kumbung yang terdiri dari 12. T6 = temperatur uap lapisan plastik polietilen dan stirofoam setebal 3 cm. 13. T7 s.d. T10 temperatur kumbung 5. Jendela, sebagai tempat sirkulasi udara 6. Rak bambu, tempat jerami ditanami jamur merang 7. T1 = temperatur oksidasi gasifier 8. T2 = temperatur reduksi gasifier Gambar 4.8 Rancangan ukuran prototipe sistem sterilisasi kumbung jamur merang dan lokasi 10 titik pengukuran temperaturnya. Berikut ini merupakan spesifikasi dari prototipe kumbung jamur tersebut yang terdiri dari : 6
43 Kumbung jamur, dengan ukuran (pxlxt) : 150 x 100 x 75 cm, volume : 1,12 m 3. Bagian dinding dan atap terbuat dari plastik polietilen dan insulasi setebal 0,5 cm. Bagian rangka kumbung terbuat dari kayu usuk tebal 3 cm. Bagian rak jerami dibuat 2 buah yang terbuat dari bambu dan masing masing terdiri dari 4 tingkat. Boiler dengan kompor gasifikasi biomassa berukuran 26 x 26 x 37 cm. 4.5 Ruang Lingkup Penelitian Ruang lingkup yang menjadi pokok bahasan pada penelitian ini terbatas pada pengujian sederhana tantang performansi kompor gasifikasi biomassa berbahan bakar limbah media tanam jamur yang terdiri dari tiga jenis limbah, yaitu jerami, kapas, dan kardus. Perbandingan performansi masing masing pembakaran tersebut dilakukan agar dapat diketahui bahan bakar yang memiliki performansi terbaik yang dapat di aplikasikan pada proses sterilisasi kumbung jamur merang tersebut. Selain itu juga penelitian ini mencakup analisis tentang perbedaan performansi yang dihasilkan jika sistem gasifikasi ini menggunakan aliran udara yang berbeda. Aliran udara yang digunakan sebagai perbandingan tersebut adalah aliran udara alamiah dan aliran udara paksa dengan bantuan blower dengan daya yang kecil. Daya blower yang kecil tersebut akan meningkatkan performansi gasifikasi terutama pada laju kalor pembakarannya, namun tidak diketahui berapa persen kenaikan performansinyatersebut. Diharapkan melalui pengujian ini, akan dapat diketahui
persentase kenaikan performansinya dan dapat dijadikan acuan untuk penentuan desain lebih lanjut yang lebih besar yang sesuai dengan keadaan yang ada di lapangan. 44 4.6 Variabel Penelitian Variabel penelitian yang digunakan dalam pengujian ini meliputi variabel tetap dan variabel tidak tetap. Variabel tetap pengujian berupa : Temperatur kumbung (T kb ), yang dijaga konstan pada kondisi 70 80 o C Massa air pada boiler, m air Massa media tanam jerami yang akan disterilkan, m jerami Jenis dan ukuran reaktor gasifikasi Variabel tidak tetap berupa : Jenis bahan bakar biomassa, yang terdiri dari 3 jenis: jerami, kardus, dan kapas Suplai aliran udara, yang meliputi : aliran alamiah dan aliran konveksi paksa.