Peralatan dan Bahan Penelitian Peralatan
Peralatan yang digunakan untuk membuat alat adalah peralatan perbengkelan yang menunjang modifikasi alat. Sedangkan peralatan yang digunakan dalam uji unjuk kerja alat adalah termokopel batang tipe K untuk suhu pembakaran, termokopel tipe CA, Recorder tipe Yokogawa 3056, timbangan, digital moisture tester, anemometer merek Kinomax, termometer alkohol dan peralatan pelengkap lainnya. Berikut alat yang digunakan adalah
Termokopel batang tipe K
Termokopel ini digunakan untuk mengukur suhu pada ruang bakar pada bagian atas dan bawah. Nilai rentangan termokopel batang ini antara suhu -200⁰C sampai dengan 1370⁰C.
Termokopel tipe CA
Termokopel ini digunakan untuk mengukur suhu pada bagian-bagian incinerator. Nilai rentangan termokopel ini hingga suhu 900⁰C.
Recorder tipe Yokogawa 3056
Alat recorder ini digunakan untuk mencatat hasil suhu pembakaran yang terdapat pada incinerator. Alat ini dapat membaca suhu tergantung dari jenis termokopel yang digunakan.
20
Timbangan
Timbangan yang digunakan untuk mengukur berat sampah yang akan digunakan dalam pengujian. Nilai rentangan timbangan tersebut antara 0 kg sampai dengan 5 kg.
Digital moisture tester
Digital moisture tester digunakan untuk mengukur kadar air sampah. Diukur berdasarkan basis basah (% wet basis).
Anemometer
Anemometer yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Termometer alkohol
Termometer alkohol yang digunakan untuk mengukur air yang dipanaskan. Nilai rentangan termometer alkohol tersebut antara -10⁰C sampai dengan 100⁰C.
Bahan
Bahan yang digunakan dalam modifikasi desain alat adalah plat esier tebal 2 mm, plat esier tebal 5 mm, pipa dengan diameter 0.5 inch, dan besi kolom. Bahan yang digunakan dalam pengujian alat adalah sampah padat berupa sampah organik dan sampah anorganik. Dengan kadar air 12-16%. Sampah padat tersebut diperoleh dari rumah tangga di kampung Babakan, Darmaga, Bogor.
Waktu dan Lokasi Penelitian
Modifikasi model dan desain alat pembakar sampah (incenerator) dilakukan di bengkel Departemen Teknik Mesin dan Biosistem dan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor. Modifikasi model dan desain alat ini akan dilakukan pada bulan Februari 2013 sampai dengan bulan Mei 2013.
Prosedur Penelitian
Penelitian dibagi menjadi tiga tahap yaitu penelitian pendahuluan, kemudian akan dilakukan perancangan pembuatan alat, serta pengujian sistem kerja incenerator tersebut. Bagan alirnya sebagai berikut:
21
Gambar 3.1. Bagan alir prosedur penelitian Penelitian pendahuluan
Penelitian pendahuluan dilakukan untuk mengamati dan melakukan sistem operasi kinerja incinerator hasil modifikasi yang sudah dirancang, untuk mengetahui metode penggunaan incinerator yang baik dan menguji kinerja incinerator untuk mendapatkan hasil parameter yang optimal.
Penentuan parameter perancangan
Perhitungan dan perancangan fungsional dan struktural sesuai rencana modifikasi
Penentuan parameter pengujian
Pengujian unjuk kerja alat
Analisis hasil unjuk kerja dan rekomendasi Pembuatan prototype alat
Selesai Mulai Penelitian Pendahuluan Berhasil Ya Tidak Tahap perancangan
dan pembuatan alat
22
Perancangan modifikasi incinerator
Alat pembakar sampah yang akan dibuat harus mampu membakar sampah secara sempurna. Karena pemasukan bahan bakar dirancang untuk dilakukan secara terus menerus, maka ruang pembakaran harus memiliki sistem pemasukan dan pengeluaran yang tepat, agar sisa-sisa sampah yang telah terbakar habis dapat langsung dikeluarkan tanpa menggangu proses pemasukan sampah ke dalam ruang pembakaran. Pendekatan rancangan yang akan dilakukan untuk modifikasi alat incinerator ini dibagi menjadi dua pendekatan yaitu rancangan fungsional dan rancangan struktural. Pembakaran yang sempurna membutuhkan jumlah oksigen dan waktu pembakaran pertama yang tepat. Parameter yang perlu diketahui adalah volume ruang pembakaran, jumlah udara yang dibutuhkan dalam pembakaran yang akan dipengaruhi oleh jenis dari jumlah sampah yang akan di bakar.
Rancangan fungsional alat pembakar sampah (incenerator) yang akan dirancang adalah alat pembakar sampah tipe continue. Pada prinsipnya model alat pembakar sampah yang dirancang dapat dibagi menjadi 6 bagian yaitu, ruang pembakaran,saringan sampah dan abu sampah, cerobong asap, lubang udara, sistem penukar panas, ruang pengendapan zat padat dan selang air masuk serta selang air keluar.
Tabel 3.1. Rancangan fungsional alat pembakar sampah
No Nama Bagian Fungsi
1 Ruang Pembakaran Tempat terjadinya pembakaran yang dilengkapi dengan sistem pemasukan dan pengeluaran hasil pembakaran. Pemasukan melalui bagian atas pembakaran dan pengeluaran melalui bagian bawah ruang pembakaran 2 Saringan Sampah dan
Abu Sampah
Tempat pemisahan antara sampah dengan abu sampah hasil pembakaran di ruang pembakaran
3 Cerobong Asap Tempat pengeluaran asap selama proses pembakaran berlangsung. Dirancang terpisah dari ruang pembakaran agar tidak mengganggu pemasukan sampah dan bahan padat yang terbawa asap dapat diendapkan terlebih dahulu
4 Lubang Udara Sebagai tempat masuknya udara yang dibutuhkan dalam pembakaran. Lubang udara terletak di bagian bawah ruang pembakaran dan terletak di dinding ruang pembakaran.
5. Sistem Penukar Panas Sistem pemanfaatan energi panas yang dihasilkan. Dalam desain ini menggunakan pipa yang dapat menerima panas melalui konduksi dan meneruskan ke aliran air dalam pipa melalui konveksi paksa.
23
No. Nama Bagian Fungsi
6 Ruang Pengendapan Zat Padat Asap
Ruang pengendapan zat padat asap ini berfungsi untuk membuat asap mengalami siklonisasi sehingga zat-zat padat asap mengalami pengendapan di ruang ini. Ruangan ini juga dilengkapi dengan pintu masukan dan pintu keluaran yang dapat digunakan untuk memasukkan batok kelapa dan mengeluarkan arang batok kelapa dari ruangan ini.
Modifikasi yang akan dilakukan lebih fokus ke bagian sistem pindah panas yang dihasilkan pada pipa pemanas air, perancangan tutup untuk proses pemasukan dan proses pembuangan abu dari ruang pembakaran, pemanfaatan energi di ruang pengendap zat padat asap, dan penempatan lubang udara. Berikut tabel rancangan incinerator sebelumnya dan modifikasi yang akan dilakukan berdasarkan kinerja.
Tabel 3.2. Perbandingan rancangan hasil modifikasi dengan rancangan awal No. Nama Bagian Kinerja rancangan sebelumnya
(Pradipta,2011)
Modifikasi yang dilakukan 1 Lubang Udara Jumlah dan diameter lubang
udara belum optimum sehingga suhu pembakaran hanya
mencapai 413⁰C - 748⁰C (luas lubang udara : 103.29 cm2)
Penambahan jumlah lubang udara, atau dengan memperbesar diameter lubang udara 2 Cerobong
Asap
Asap yang dihasilkan masih membuat pedas pada mata operator (tinggi cerobong : 180 cm)
Perubahan konstruksi pada tinggi cerobong asap
3 Sistem Penukar Panas
Pemanfaatan energi untuk pemanas air masih minim karena hanya berkisar antara 9.97 – 16.26 kJ (panjang pipa : 4 meter, diameter pipa : 1.27 cm)
Menambah panjang pipa atau memperbesar diameter pipa, dan meletakkan pipa dekat dengan dinding ruang pembakaran
4 Ruang Pengendapan Zat Padat Asap
Pemanfaatan energi untuk proses pengarangan masih minim karena energi panasnya hanya diterima pada permukaan batok kelapa saja
Periode waktu
pembakaran yang akan dibuat lebih lama agar maksimal hasil yang didapatkan
Penentuan rancangan struktural dari bagian-bagian alat incenerator tipe
24
a. Ruang pembakaran
Setiap harinya sampah yang dihasilkan setiap orang pada perkantoran rata-rata sebesar 0.5 - 0.75 liter/kapita/hari. Dengan demikian jika dalam perkantoran terdapat 200 pegawai maka setiap perkantoran tersebut sudah menghasilkan 150 liter sampah padatan.
V = 0.15 m3
Dari hasil perhitungan volume sampah yang dihasilkan perkantoran tiap hari, maka dirancang ruang bakar dengan ukuran 50 cm x 50 cm x 60 cm. ruang bakar yang dirancang mengunakan bahan plat essier dengan ketebalan 2 mm,kemudian dibagian bawah nya menggunakan saringan untuk memisahkan antara sampah dengan abu sampah.
b. Saringan Sampah dan Abu
Adanya tambahan saringan antara ruang sampah dengan ruang abu agar dapat memisahkan antara sampah yang mengalami proses pembakaran dengan abu hasil pembakaran, ini bertujuan agar abu hasil pembakaran tidak menghambat prosesnya pembakaran yang berujung pada lamanya waktu yang dibutuhkan untuk proses pembakaran tersebut. Saringan tersebut menggunakan plat essier dengan ketebalan 1 mm.
c. Cerobong asap
Cerobong asap yang digunakan memiliki konstruksi berbeda dari konstruksi cerobong sebelumnya, yang mana cerobong yang dibuat memiliki konstruksi berupa persegi, dengan ukuran 150 mm x 150 mm dan tinggi 1500 mm. Cerobong asap dipasang pada bagian bawah ruang pengendap zat padat, ini bertujuan agar asap hasil pembakaran yang terdapat di ruang bakar akan terlebih dahulu melewati batok kelapa, untuk menyaring partikel-partikel terbang yang terikut dengan asap, sehingga tidak secara langsung asap yang membawa partikel tersebut lepas ke lingkungan luar, selain itu dengan konstruksi persegi akan menambah banyaknya partikel yang tersaring jatuh ke bawah, ini disebabkan asap yang membawa partikel tersebut mengalami benturan-benturan di sisi cerobon asap tersebut sehingga asap yang keluar lebih bersih dan tidak mencemari lingkungan udara luar.
d. Lubang udara
Lubang udara merupakan salah satu bagian terpenting dari alat incinerator, lubang udara ini sangat membantu dalam hal pemberian udara yang mengandung oksigen untuk membantu proses pembakaran yang terjadi di ruang pembakaran. Perhitungan lubang udara ini dapat didekati dengan menghitung kebutuhan udara untuk proses pembakaran dengan jumlah C sebesar 15-30% dan H sebesar 2-5 % (Pichtel, 2005).
Wmin = 100/21 x [(1.96 x C) + (5.85 x H)]
Wmin = 100/21 x [(1.96 x 0.3) + (5.85 x 0.05)] = 4.1928 m3/kg Kemudian dihitung laju pembakaran sampah (Bbt) dengan asumsi massa jenis sampah sebesar 100 kg/m3 yaitu
25 Laju pembakaran sampah (Bbt) = berat sampah / waktu pembakaran
= 15 kg/ 2 jam = 7.5 kg/jam
Kemudian dihitung debit udara yang dibutuhkan untuk proses pembakaran yaitu
Debit udara yang dibutuhkan (Qud) = Wmin x Bbt = 4.1928 x 7.5 = 31.446 m3/jam = 0.008735 m3/detik
Menurut Abdullah et al. (1998) debit udara pada proses perancangan untuk pembakaran perlu penambahan kelebihan udara sebesar 40% dari total debit udara yang dibutuhkan secara teoritis sehingga
Debit udara perancangan (Q) = Qud (1 + 40%) = 0.008735 (1 + 40%) = 0.012229 m3/detik Luas lubang cerobong asap (A) = sisi x sisi
Sisi = 0.15 m
= 0.15 x 0.15 = 0.0225 m2 Debit gas cerobong (Q) = c x A x [(2 x g x h) x ((Ti-To)/Ti)]1/2
= 0.7 x 0.0225 x [(2 x 9.81 x 1.5) x ((391.54- 300) / 391.54)]1/2
= 0.041 m3/detik
Kecepatan Udara (v) = Q / A = 0.041 / 0.0225
= 1.822 m/detik
Dengan perhitungan kecepatan angin sebesar 1.822 m/detik, maka luas lubang udara sebesar
Luas lubang udara (A) = Q / v = 0.012229 / 1.822 = 0.0067 m20.007 m2 = 70 cm2
Karena, lubang udara yang dirancang memiliki diameter lubang udara sebesar 2 cm, maka jumlah lubang udara yang dibentuk sebanyak 32 buah, dengan persebaran lubang udara 12 buah di depan alat ruang pembakaran, dan di bagian bawah ruang pembakaran. Lubang udara yang dirancang ini diharapkan agar udara yang masuk melewati lubang udara ini dapat maksimal untuk membantu proses pembakaran.
e. Sistem pindah panas
Pada rancangan alat incinerator sistem pindah panas yang dirancang menggunakan sistem konduksi dan konveksi. Sistem konduksi dilakukan dengan proses energi panas dari ruang bakar akan mengalir melalui sekat pemisah antara ruang bakar dengan ruang pipa, sedangkan pada sistem konveksi terjadi antara sekat dengan pipa air yang dipanaskan. Pada rancangan sistem pindah panas kali ini, dilakukan untuk debit air sebesar 5 liter/menit sampai dengan 5.4 liter/menit, dan kecepatan air sebesar 0.2652 m/detik. Diameter pipa yang dirancang sebesar 2 cm, dengan suhu pembakaran pipa sebesar 100⁰C dan air hasil pemanasan sebesar 40⁰C sampai dengan 60⁰C. Sistem pindah panas yang akan dihitung adalah suhu
26
rata-rata, bilangan reynold, nilai stanton, dan panjang pipa. Berikut hasil perhitungan rancang yang dilakukan
Suhu rata-rata pipa air dengan sekat pemisah
Suhu rata-rata (Tf) = [(T∞ + ((Ti + To)/2)) / 2] = [(404 + ((300 + 360)/2)) / 2]
= 367 K
Bilangan Reynold
Melalui suhu rata-rata tersebut dapat diketahui nilai v = 3.19 x 10-7 m2/detik dan Pr = 1.91, sehingga bilangan Reynold dapat diketahui Bilangan Reynold (Red) =(D x v∞) /v = ( 0.02 x 0.2652) /3.19 x10-7
= 1.64 x 104 > 104 aliran turbulen Nilai Stanton
Bilangan Stanton (St) = 0.023 x Red-0.2 x Pr-2/3
= 0.023 x (1.64 x 104)-0.2 x (1.91)-2/3
= 0.00214
Panjang Pipa
Panjang pipa pemanas air (L) = ln ((Ti-T∞)/(To-T∞)) x (D / St x 4) = ln((300-404)/(360-404)) x (0.02 / 0.00214x4)
= 3.0147 m 4 m
Dalam hal peningkatan pemanfaatan energi panas dapat dilakukan dengan 2 cara yaitu dengan merubah diameter pipa atau merubah panjang pipa. Dari hasil perancangan dihasilkan ukuran pipa pemanas air dengan diameter sebesar 2 cm, dan panjang pipa sebesar 4 m, meskipun panjang pipa yang dihasilkan sama akan tetapi dengan penambahan diameter pipa diharapkan dapat menyerap panas maksimal dari energi panas yang dihasilkan dari proses pembakaran. Pipa pemanas air ini diletakkan di sebelah ruang bakar dengan adanya sekat pemisah untuk memisahkan antara ruang pembakaran dengan pipa, selain itu sekat ini juga dapat membantu untuk mengurangi suhu yang terlalu panas dari ruang bakar terhadap pipa pemanas air.
f. Ruang pengendapan zat padat asap.
Ruang pengendap zat padat asap yang dirancang memiliki ukuran 50 cm x 10 cm x 60 cm. Pembuatan ruang pengendap zat padat tersebut ditujukan agar dapat memanfaatkan energi panas dari ruang bakar berupa asap dapat maksimal. Energi panas tersebut akan dimanfaatkan untuk membuat arang dari batok kelapa, selain itu dengan adanya batok kelapa juga dapat membantu proses penyaringan partikel-partikel zat buang yang terbawa oleh asap, sehingga pada nantinya asap yang dibuang ke lingkungan udara luar bersih dari partikel-partikel zat terbang tersebut. Uji Unjuk Kerja Alat Pembakar Sampah (Incinerator)
Uji kinerja incinerator yang telah dirancang tersebut menggunakan parameter kerja yang meliputi tingkat suhu pembakaran, penyebaran suhu, laju
27 pembakaran, kualitas asap hasil pembakaran, suhu air hasil pemanasan, pemanfaatan energi panas dari asap hasil pembakaran dan safety factor.
a. Suhu Pembakaran
Suhu pembakaran yang dihasilkan oleh incinerator terdapat pada ruang bakar incinerator tersebut. Suhu pembakaran ini merupakan parameter yang menunjukkan keberhasilan incinerator dalam menjalankan proses pembakaran bahan bakar yaitu sampah dengan waktu yang secepat mungkin. Pengukuran suhu pembakaran dilakukan di ruang bakar pada dua daerah yaitu daerah bawah dan atas ruang bakar.
b. Penyebaran Suhu
Hasil pengukuran penyebaran suhu yang terdapat pada alat incinerator akan menjadi parameter pemerataan suhu pembakaran alat incinerator tesebut. Pengukuran penyebaran suhu dilakukan di beberapa tempat yaitu ruang bakar, ruang pengumpan (hopper), ruang abu, ruang pengendapan zat padat, cerobong asap,dan ruang pipa pemanas air.
c. Laju pembakaran
Parameter laju pembakaran sampah yang dilakukan dapat dihitung dengan mengetahui banyaknya komposisi sampah yang terbakar dan waktu pembakaran yang dibutuhkan untuk membakar bahan bakar tersebut. laju pembakaran dapat diketahui dengan persamaan berikut Laju pembakaran = (kg/jam) = m/t (kg/jam)
d. Kualitas asap hasil pembakaran
Kualitas asap hasil pembakaran dikatakan minimum apabila proses pembakaran yang dilakukan sempurna. Meskipun ada asap yang dihasilkan namun asap tersebut diusahakan agar tidak memiliki dampak negatif yang terlalu besar untuk lingkungan sekitar. Untuk mengetahui kualitas asap hasil pembakaran maka parameter yang akan dilihat adalah warna asap, bau asap, dan partikel-partikel yang terbawa oleh asap. e. Suhu air hasil pemanasan
Suhu air hasil pemanasan diukur untuk mengetahui seberapa besar pemanfaatan energi panas yang digunakan untuk memanaskan air, untuk mengetahui hal tersebut maka parameter yang dikukur adalah suhu air masuk, suhu air hasil pemanasan, dan suhu pada pipa pemanas air. f. Pemanfaatan energi panas dari asap hasil pembakaran
Pemanfaatan energi panas dari asap hasil pembakaran digunakan untuk proses pengarangan yang terdapat pada ruang pengendap zat padat, untuk mengetahui seberapa besar energi panas yang dapat termanfaatkan untuk proses pengarangan tersebut, dapat dilihat dari hasil batok kelapa yang mampu terarangkan dan yang tidak dapat terarangkan, serta suhu yang terdapat pada ruang pengendap zat padat
28
tersebut juga dapat dijadikan sebagai parameter, karena dalam proses pengarangan suhu yang dibutuhkan sebesar 300⁰C sampai dengan 400⁰C, apabila suhu yang terdapat di ruang pengendap zat padat tersebut kurang mencapai suhu tersebut, maka pemanfaatan energi panas untuk proses pengarangan belum maksimal.
g. Safety factor
Parameter safety factor merupakan salah satu hal yang penting dalam alat incinerator. Safety factor ini menandakan tingkat keamanan operator dalam menggunakan alat incinerator. Parameter yang akan diukur adalah suhu yang terdapat pada jarak terdekat dari alat incinerator tersebut, dengan diketahuinya suhu tersebut maka akan dapat menilai apakah operator akan merasa aman atau tidak dalam menggunakan alat incinerator tersebut.
Pengujian alat incinerator dilakukan, dengan melakukan pengujian. Pengujian alat yang dilakukan sebanyak 9 kali, yang mana penelitian pendahuluan dilakukan sebanyak 5 kali, dan penelitian inti sebanyak 4 kali. Pengambilan data menggunakan alat pengukur suhu (termokopel) di 10 titik, yaitu di ruang pengumpan (hopper), ruang pembakaran di bagian atas, dan di bagian bawah, ruang abu, pipa pemanas air, sekat pemisah ruang pipadengan ruang pembakaran, ruang pengendapan zat padat, cerobong asap, dinding ruang bakar, dan lingkungan. Pada ruang pembakaran diambil dua titik di atas dan di bawah, ini dilakukan utnuk mengetahui pemerataan proses pembakaran yang terjadi pada ruang pembakaran.
Berikut tabel titik pengambilan data yang dilakukan dengan metoda pengambilan data, yaitu
Tabel 3.3 Titik pengambilan data
No. Bagian Jumlah Titik Pengukuran
1 Ruang Pengumpan (Hopper) 1
2 Ruang Bakar 2
3 Ruang Abu 1
4 Sekat Pemisah ruang Bakar dan Ruang Pipa
1
5 Pipa Pemanas Air 1
6 Ruang Pengendapan Zat Padat Asap 1
7 Cerobong Asap 1
8 Dinding Ruang Pembakaran 1
9 Suhu Air Masuk 1
10 Suhu Air Keluar 1
29
Gambar 3.2 Titik pengukuran Prosedur pengujian incinerator adalah sebagai berikut : 1. Memasang alat ukur suhu pada incenerator
2. Menimbang sampah kering yang telah disiapkan untuk dibakar
3. Mengukur kadar air basis basah sampel sampah kering yang akan dimasukkan ke dalam alat pembakar sampah dan batok kelapa yang akan di arangkan
4. Memasukkan sampah ke dalam alat pembakar sampah sebagai pembakaran awal pada ruang pembakaran.
5. Memasukkan batok kelapa ke dalam ruang pengendapan zat padat asap 6. Mulai membakar sampah dengan menggunakan korek.
a. Pada percobaan I dan II setelah api menyala pada pagian bawah kemudian menutup pintu alat pembakar sampah
b. Pada percobaan III dan IV setelah api menyala kemudian ditunggu hingga api merata hingga ada jilatan api keluar pintu, kemudian menutup pintu pemasukan.
7. Kemudian mulai menyalakan recorder.
8. Apabila pada ruang pembakaran sampah yang dijadikan pembakaran awal mulai habis, kemudian dimasukkan sampah berikutnya untuk proses pembakaran berkelanjutan.
9. Tunggu hingga api pada ruang pembakaran mati kemudian, kemudian lihat suhu pada ruang pengendapan zat padat apabila sudah dibawah 70⁰C, maka pintu pengeluaran abu sudah dapat dibuka.
2 1 2 3 4 5 6 7 8 11 50 cm 9 10
30