Peralatan
Peralatan yang digunakan pada penelitian ini dibagi menjadi dua tahap yaitu A. Pemodelan dan simulasi
Proses pemodelan dan simulasi menggunakan peralatan notebook TOSHIBA NB520 (Operating System dan Office), Software Design (Gambit 2.4.6), Software Analisis CFD (Ansys Fluent 13).
B. Uji kinerja lapang
Proses uji kinerja lapang menggunakan peralatan Hybrid Recorder YOKOGAWA, termokopel tipe CC, dan CA, termometer air raksa (100oC), Timbangan digital EK-1200A, Anemometer Kinomax tipe 6011, satu buah unit tungku natural draft gasification hasil pengembangan modifikasi, kawat kasa, panci, penggaris, dan gas analyzer.
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah arang kayu dengan ukuran dimensi volume panjang 3.825 ± 0.84 cm; lebar 1.325 ± 0.45 cm; dan tinggi 2.10 ± 0.68 cm yang diambil dari rataan 20 sampel acak bahan contoh. Data pengambilan ukuran dimensi arang kayu disajikan pada Lampiran 7. Bahan arang kayu yang dijadikan sebagai bahan ditentukan uji proximat dan uji ultimate. Uji proximat yang dilakukan menggunakan metode SNIsedangkan uji ultimate arang kayu yang digunakan diambil dari hasil rata-rata data arang kayu yang digunakan pada literature (J.Pastor 2005). Data kadar proximat dan ultimate arang kayu dijadikan sebagai data simulasi CFD tungku NDG, dimana data tersebut ditunjukkan pada Tabel 4.
14
Tabel 4 Uji proximatdan uji ultimatearang kayu Parameter Proximate Persentase (%) Parameter Ultimate Persentase (%) Volatile 13.52 C 84.20 Fix Carbon 78.61 H 2.40 Ash 2.07 O 12.60 Moisture 5.80 N 0.80
Waktu dan Tempat Penelitian
Simulasi model, pembuatan tungku, uji lapang dan validasi desain tungku natural draft gasification dilakukan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian,dan Laboratorium Lapang Siswadhi Soepardjo Leuwikopo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor. Modifikasi model dan desain alat ini akan dilakukan pada bulan Februari 2014 sampai dengan bulan Juni 2014.
Prosedur Penelitian
Pengembangan tungku NDG yang dilakukan adalah meningkatkan prinsip kerja dari tungku tersebut yaitu konveksi bebas, ini berkaitan dengan hasil kualitas gas pembakaran dari proses gasifikasi yang terjadi di dalam tungku tersebut. Pengembangan disain geometri dari tungku NDG sebelumnya dilakukan untuk mendapatkan kualitas gas yang diharapkan. Tungku NDG yang dikembangkan memiliki komponen yaitu rangka tungku, ruang pembakaran, insulasi, lubang udara sekunder, lubang udara primer, saluran udara sekunder, dinding berpori, dan saluran gas utama pembakaran. Tahapan pengembangan yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi 5 tahapan yaitu :
Perancangan untuk pengembangan disain tungku NDG
Penggambaran disain model tungku NDG
Simulasi kinerja model tungku NDG
Pembuatan tungku NDGhasil simulasi.
Uji kinerja lapang untuk tungku NDG
Seluruh tahapan yang dilakukan ini dijelaskan lebih mendetail pada penjelasan berikutnya. Adapun tahapan perancangan hingga uji kinerja lapang tungku NDG ditunjukkan pada Gambar 5.
15
a
Gambar 5. Diagram alir prosedur penelitian
Perancangan pengembangan disain tungku NDG
Tungku NDG memiliki prinsip kerja dengan konsep free convection yaitu aliran udara yang diberikan ke dalam tungku bergerak secara alamiah dengan adanya perbedaan tekanan dan suhu yang terdapat di dalam tungku dengan lingkungan, aliran udara yang digunakan ada dua yaitu aliran udara sekunder dan primer. Proses reaksi yang terjadi di dalam tungku disajikan pada Gambar 6. Aliran udara primer (6) membantu proses pembakaran bahan bakar biomassa di ruang pembakaran (1). Rasio jumlah yang dimiliki antara aliran udara dengan bahan bakar tidak lengkap, menyebabkan proses pembakaran tidak terjadi secara
16
sempurna sehingga menimbulkan adanya reaksi reduksi (2). Hasil proses pembakaran tersebut, menghasilkan gas mampu bakar yang bereaksi dengan arang di bagian atas tumpukan untuk menghasilkan gas-gas bakar (CO, H2, CH4). Gas bakar ini bereaksi juga dengan aliran udara sekunder (5) yang dimasukkan ke dalam tungku. Aliran udara sekunder ini masuk melalui bagian bawah tungku dan dialirkan melewati pinggir tungku yang kemudian diarahkan ke saluran utama gas. Gas hasil reaksi antara gas pembakaran dan arang dengan aliran udara sekunder bereaksi di saluran utama gas (3). Hasil reaksi ini menjadi gas mampu bakar yang digunakan untuk proses memasak(4).
Gambar 6. Prinsip kerja tungku biomassa
Rancangan fungsional tungku NDG menjelaskan masing-masing fungsional yang dimiliki oleh tiap-tiap 9 bagian dari tungku tersebut. Prinsipnya bagian tungku biomassa ini dibagi menjadi rangka tungku, ruang pembakaran, insulasi, lubang udara sekunder, lubang udara primer, saluran udara sekunder, dinding berpori, saluran gas utama pembakaran, dan tempat meletakkan alat masak.
Tabel 5 Rancangan fungsional tungku NDG
No. Nama Bagian Fungsi
1. Rangka tungku Menstabilkan posisi tungku biomassa baik pada saat dilakukan maupun tidak untuk operasi
2. Ruang pembakaran Tempat meletakkan bahan bakar dan tempat terjadinya reaksi antara udara (O2) dengan bahan bakar biomassa
3. Insulasi Mencegah panas hasil reaksi pembakaran di ruang pembakaran keluar
6 5 4 2 1 3
17
No. Nama Bagian Fungsi
4. Lubang udara sekunder Tempat masuknya aliran udara sekunder yang akan masuk ke dalam tungku
5. Lubang udara primer Tempat masuknya aliran udara primer yang akan masuk ke ruang pembakaran
6. Saluran udara sekunder Saluran yang digunakan oleh aliran udara sekunder ke tempat reaksi dengan gas hasil reduksi arang
7. Dinding berpori Tempat yang digunakan mengeluarkan gas hasil reduksi antara gas bakar dan arang
8. Saluran gas utama pembakaran
Menyalurkan gas hasil pembakaran keluar yang merupakan lanjutan dari ruang pembakaran
9. Tempat meletakkan alat masak
Tempat dudukan alat memasak sekaligus membuat sela saluran gas hasil pembakaran dengan alat masak
Setelah mengetahui rancangan fungsional dari tungku tersebut kemudian dilakukan perhitungan dimensi tungku yang dilakukan dengan perhitungan yang tepat, berikut beberapa perhitungan yang diperlukan untuk pengembangan tungku NDG ini.
Kebutuhan bahan bakar
Penggunan bahan bakar merupakan salah satu parameter yang dapat menentukan tingkan efisien dalam suatu tungku, dimana apabila laju penggunaan bahan bakar semakin tinggi maka tingkat efisien suatu tungku semakin rendah begitu sebaliknya. Penggunaan bahan bakar yang optimal perlu diketahui agar tungku yang digunakan tidak terlalu boros untuk menggunakan bahan bakar berikut merupakan perhitungan untuk mengetahui laju penggunaan bahan bakar (Djatmiko, 1986).
e
tm tungku parang kayu (1)
air pair air
tm tungku parang kayu (2)
̅ (3)
Data dari laju penggunaan bahan bakar ini dijadikan sebagai data dasar untuk proses simulasi tungku NDG.
Kebutuhan udara pembakaran
Pembakaran merupakan reaksi antara oksigen dan partikel bahan bakar. Jumlah oksigen yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna dinyatakan sebagai (Baldwin, 1987)
18 th (5) a z th z excess air - (6) q a udara udara kg m (7) Analisis Teknik
Proses perancangan disain yang dilakukan pada disain tungku NDG berpusat pada bagian geometri ruang pembakaran, ruang pengumpan (hopper), lubang lubang udara, dan cerobong gas.
Ruang pembakaran
Ruang pembakaran berbentuk silinder dengan luasan minimum
d isi silinder d r r (8)
r ̅ruang pembakaran
arang kayu (9)
r (10)
Ruang pengumpan (Hopper)
ressure drop total
tumpukan (11)
uas ruang hopper [
arang kayu arang kayu]
tumpukan (12)
Diameter ruang hopper √ (13)
Lubang Udara mo q ̅ (14) tm mo m (15) - (16) (17) a ̅ [ t x ] (18)
Debit udara dan gas hasil pembakaran
(19)
(20)
Diameter Lubang udara
√h ( g )
c (21)
uas lubang udara tm
19 Perlu diketahui bahwa kecepatan yang didapatkan dari perhitungan ini merupakan data kecepatan yang dijadikan sebagai data awal (data acuan) untuk penentuan dari diameter lubang udara, dimana diameter lubang udara ini digunakan sebagai data untuk pembuatan geometri atau model dari tungku NDG yang dilakukan simulasi CFD.
Asumsi jumlah lubang yang dibuat : 2 buah, 4 buah, 6 buah, 8 buah.
uas tiap lubang jumlah lubang udara uas lubang udara (23)
Diameter lubang √ (24) Cerobong Gas ko a gas gas kg m (25) tm ko k (26)
Perlu diketahui juga bahwa kecepatan yang didapatkan dari perhitungan ini merupakan data kecepatan yang dijadikan sebagai data awal (data acuan) untuk penentuan dari diameter cerobong gas, dimana diameter cerobong gas ini digunakan sebagai data untuk pembuatan geometri atau model dari tungku NDG yang dilakukan simulasi CFD.
Asumsi tinggi cerobong gas : 15 cm, 10 cm, 20 cm
uas cerobong gas a
h √ gh h- amb
amb (27)
Diameter lubang cerobong gas √ (28) Hasil perhitungan perancangan mendapatkan data dimensi ukuran geometri dari ruang pembakaran, ruang pengumpan (hopper), lubang udara, dan cerobong gas tungku NDG. Dimensi ukuran geometri tungku NDG hasil perancangan perhitungan ini dijadikan sebagai data untuk proses penggambaran tungku NDG dengan kondisi batas yang mempengaruhinya, untuk dilakukan proses simulasi CFD.
Penggambaran disain dan simulasi kinerja tungku NDG
Setelah melakukan perhitungan pengembangan disain maka selanjutnya dilakukan penentuan disain tungku menggunakan CFD melalui tahap-tahap sebagai berikut :
A. Geometri, Meshing dan Boundary Conditions
Bentuk geometri yang dirancang telah ditentukan pada model sebelumnya. Geometri yang telah dibuat dilakukan proses pembuatan Grid/Mesh. Pembuatan mesh dilakukan menggunakan perangkat lunak Gambit 2.4.6. Mesh/Grid menggunakan element yang tidak terstruktur. Setelah melakukan proses mesh maka dilakukan proses penentuan kondisi batas untuk simulasi. Penentuan kondisi batas bertujuan untuk membatasi bagian yang dianalisis oleh perangkat lunak.
20
Simulasi dilakukan dalam dua tahap, dimana pada simulasi tahap pertama dilakukan untuk mengetahui aliran kecepatan udara yang mampu melewati tumpukan bahan biomassa pada kondisi konveksi bebas (free convection). Pergerakan aliran udara tersebut diakibatkan oleh perbedaan tekanan yang terdapat di dalam tungku dengan di lingkungan. Kecepatan aliran udara pada kondisi konveksi bebas menentukan energi dan komposisi gas yang dihasilkan dari proses pembakaran dan gasifikasi bahan biomassa pada simulasi tahap kedua. Parameter yang dijadikan sebagai kondisi batas untuk proses simulasi pada tahap pertama yaitu dinding panas atau wall yakni kondisi batas dinding yang memiliki suhu tinggi sebagai pemicu terjadinya aliran udara yang masuk ke dalam tungku. Pressure inlet yaitu pergerakkan udara dari bawah tungku menggunakan efek buoyancy, dimana efek buoyancy pada proses simulasi terjadi akibat model gas yang digunakan bersifat ideal gas. Ideal gas tersebut akan memberikan perbedaan densitas udara antara gas bakar dengan udara lingkungan yang mengakibatkan udara naik ke atas tungku guna membawa gas bakar hasil pembakaran arang kayu. Pressure outlet yaitu posisi pengeluaran udara di atas tumpukan. Porous zone pada tumpukan arang kayu yang digunakan. Pembagian satu cell zone yakni cell udara sebagai asumsi fluida.
Parameter yang dijadikan sebagai kondisi batas untuk proses simulasi pada tahap kedua yaitu dinding atau wall yakni kondisi batas dinding berfungsi untuk memisahan antara regional fluida dan solid. Velocity inlet yaitu pergerakan aliran udara optimal untuk terjadinya proses reaksi pembakaran dan gasifikasi arang kayu. Pressure outlet yaitu posisi pengeluaran udara di atas tumpukan. Mass flow inlet yaitu laju aliran massa arang kayu yang masuk ke dalam tungku. Pembagian dua cell zone yakni cell arang sebagai asumsi solid sedangkan cell udara sebagai asumsi fluida.
b. Simulasi CFD tungku dengan Ansys Fluent
Simulasi CFD tungku dengan Ansys Fluent menggunakan persamaan Governing Equation dimana set persamaan untuk komputasi aliran kontinu terdiri dari persamaan konservasi massa, persamaan konservasi momentum, persamaan konservasi energi, persamaan konservasi spesies, persamaan RANS (The Reynold-Averaged Navier-Stokes), dan persamaan radiasi. Keseluruhan persamaan yang digunakan dipecahkan dalam simulasi CFD dan sangat penting untuk mengetahui dan menentukan kondisi terbaik pada tungku NDG agar mendapatkan kualitas yang terbaik dari tungku tersebut. Set persamaan untuk aliran fluida 3 dimensi dikenal sebagai Navier-Stokes equations. Persamaan tersebut menggambarkan aliran laminar dan turbulen. Kasus aliran yang bereaksi secara kimia, pada setiap titik dapat secara lengkap digambarkan dengan suhu, tekanan, densitas, dan kecepatan aliran maupun konsentrasi setiap spesies. Selain persamaan konservasi tersebut persamaan lain yang digunakan adalah persamaan model energi. Persamaan energi ini digunakan karena untuk menganalisis suhu pada tungku NDG, perpindahan panas, dan radiasi yang terjadi pada tungku NDG. Selain itu, pemilihan model viscous ialah k-epsilon (2 eqn) jugadigunakan karena memberikan hasil yang cukup konsisten (Silaen dan Wang 2010). Model radiasi menggunakan model radiation Rosseland, model Rosseland digunakan karena model ini menghasilkan model yang cukup stabil untuk memprediksi komposisi
21 gas dan suhu. Persamaan spesies model species transport menggunakan model finite-rate/eddy-dissipation, model ini digunakan karena lebih riil dibandingkan dengan model Eddy dissipation (Silaen dan Wang 2009). Laju reaksi pada model finite rate/Eddy dissipation didasarkan pada nilai terkecil dari model finite rate dan Eddy dissipation.
Persamaan konservasi massa
Bentuk umum persamaan konservasi massa yang juga dikenal sebagai persamaan kontinuitas adalah (Ansys,2010)
t v̅ m (29) Sm merupakan massa yang ditambahkan pada fase kontinu dari fase kedua disperse (misalnya pada penguapan droplet cairan)
Persamaan konservasi momentum
Persamaan momentum, berdasarkan Hukum Newton tentang gerak (motion) menghubungkan jumlah gaya-gaya yang bekerja pada suatu elemen fluida terhadap percepatannya yang merupakan laju perubahan momentum dalam arah resultan gaya. Persamaan konservasi momentum dapat dituliskan dalam bentuk sebagai berikut (Ansys,2010)
t v⃗ v⃗ v⃗ ̅ g⃗ ⃗ (30) Di mana ̅ dinyatakan sebagai
̅
v⃗ v⃗⃗⃗⃗ - v⃗ (31)
Persamaan konservasi energi
Persamaan konservasi energi yang digunakan dapat dituliskan dalam bentuk sebagai berikut (Ansys,2010)
t (v⃗ p ) keff ∑j hj⃗⃗ j ̅̅̅̅̅̅⃗⃗ h (32)
E = h - p v (33)
h = ∑j jhj (34)
Yj merupakan fraksi massa dari spesies j
hj ∫ ref pjd (35)
Persamaan konservasi spesies
Persamaan konservasi spesies secara umum dapat ditulis sebagai berikut (Ansys,2010)
t i v⃗ i ⃗⃗ i i i (36) Fluks difusi dari spesies I dinyatakan sebagai:
ji
⃗ - Di m t
22
Persamaan RANS (The Reynolds-averaged Navier-Stokes)
Pada persamaan RANS, variabel solusi dalam persamaan Navier-Stokes eksak didekomposisi ke dalam bentuk rataan dan komponen yang berfluktuasi, dimana untuk besaran skala dapat dinyatakan sebagai berikut
̅ (38)
Dimana menunjukkan suatu besaran skalar tertentu, seperti kecepatan, tekanan, energi, atau konsentrasi spesies.
Dengan mensubtitusikan bentuk persamaan di atas ke dalam persamaan kontinuitas dan momentum serta mengambil waktu rata-rata, menghasilkan persamaan momentum rata-rata, yang merupakan persamaan RANS yaitu sebagai berikut (Ansys, 2010) t x i ui (39) t( ui) x j( uiuj) x p i xj[ ( ui xj xj ui- ij u x)] x j u̅̅̅̅̅̅i uj (40) Pada model yang digunakan kali ini menggunakan kondisi steady.
Persamaan model turbulent
Persamaan model turbulent memiliki kaitan dengan model viscous yang digunakan yaitu model k-ɛpsilon model yang digunakan. Persamaan model turbulent yang digunakan adalah sebagai berikut (Luan et al, 2012)
i kui j[ t k k xj] k- (41) dan i ui j[ t xj] k k- k (42) Pada persamaan tersebut. Gk merupakan bentuk dari energi kinetik aliran turbulent yang diakibatkan oleh perbedaan kecepatan. k dan ɛ adalan angka turbulent Prandtl untuk k dan ɛ. Viskositas turbulent µt, dihitung oleh kombinasi k dan ɛ
yaitu
t k (43)
Nilai konstanta model empirik yang digunakan adalah C1ɛ = 1.44, C2ɛ = 1.92, Cµ =
k ɛ = 1.3
Persamaan Radiasi
Model radiasi Rosseland atau pendekatan diffusi untuk radiasi ketika tebal optical media ((α + x)L >> 1), dan direkomendasikan untuk menyelesaikan masalah dengan ketebalan optical lebih besar dari 3. Persamaan ini diperoleh dari model radiasi P-1, dengan beberapa pendekatan (Ansys,2010)
Model Rosseland dapat dilakukan pendekatan dengan rumus
qr - (44)
Model Rosseland diasumsi dengan tingkat intensitas black-body pada suhu gas. Dengan rumus G = 4 n2T4, dimana n adalah skala refractive. Sehingga apabila rumus G disubtitusikan ke dalam persamaan sebelumnya, maka menjadi
23
qr - ln (45)
Semenjak fluks radiasi panas memiliki bentuk yang sama dengan hukum konduksi Fourier, ini dapat ditulis sebagai berikut
q qc qr
q - k kr (46)
kr ln
dimana k adalah konduktivitas thermal dan kr adalah konduktivitas radiasi.Sejak pendekatan difusi tidak valid, maka slip kondisi suhu batasan diperhitungkan. Fluks radiasi pana pada dinding batas didefinisikan menggunakan koefisien slip
ψ :
qr,w = - [ w4– Tg4)] / ψ (47) dimana Tw adalah suhu dinding, Tg adalah suhu gas pada dinding, dan koefisien slip ψ didekatkan dengan beberapa kondisi yaitu
ψ= ½ Nw <0.01
ψ= [2x3+3x2-12x+7]/ 54 0.01< Nw <10 (48) ψ= 0 Nw >10
dimana Nw adalah parameter radiasi konduksi pada dinding :
Nw = k(α + s) / 4 Tw3 (49) x = log10Nw (50) Nilai Nw merupakan nilai parameter radiasi konduksi yang terjadi pada model. Nilai Nw ini dipengaruhi oleh nilai diffusivitas panas dinding dan suhu dinding. Oleh karena itu, apabila nilai diffusivitas panas dinding tinggi maka mengakibatkan nilai Nw menjadi besar, sedangkan apabila suhu dinding menjadi lebih tinggi maka nilai Nw menjadi kecil. Hasil dari perhitungan tersebut mendapatkan nilai Nw, dimana nilai Nw ini sudah memiliki batasan angka. Nilai radiasi Nw dengan batasan inilah yang dijadikan sebagai dasar penentuan koefisien slip ψ persamaan (48).
Persamaan finite-rate/eddy dissipation-rate
Model yang digunakan untuk menghitung laju reaksi yang terlibat adalah persamaan laju Arhennius, atau model finite-rate/ Eddy-dissipation-ratemodel (Luan et al.2012) Arhennius rate i r ̅̅̅̅ i rn i r kf r∏[ j f r j kb r∏[ j f r j kf r r nexp r kb r kf r k (51) Dimana, Vti,r, Vni,r merupakan koefisien stoikionometri rekasi dan produk,
i
j,r, nj,r adalah laju eksponen untuk reaktan j dan produk j. Er merupakan energi aktivasi, R adalah konstanta gas ideal, Ar adalah faktor pra-eksponensial, Cj adalah konsentrasi spesies molar , dan K adalah konstanta kesetimbangan.
24 Eddy-dissipation rate i r min i r i r i r i r i kɛ r i r i r i ɛk ∑p p ∑j j r j (52) Dimana Yr dan Yp merupakan fraksi massa spesies, A adalah konstanta Magnussen untuk reaktan (4.0), B adalah konstanta Magnussen untuk produk (0.5), M adalah berat molecular, dan R dan P merupakan reaktan dan produk. Model yang digunakan menentukan jenis laju reaksi yang terjadi pada proses reaksi kimia di dalam tungku NDG. Seluruh persamaan (persamaan (29) sampai dengan persamaan (52)) yang digunakan pada proses simulasi model tungku NDG ini telah diterapkan pada software analisis CFD (Ansys Fluent). Operator dalam penggunaan software analisis tersebut hanya memasukkan data input yang mempengaruhi model yang dirancang, sedangkan perhitungan dengan persamaan-persamaan tersebut telah dilakukan oleh software. Pemilihan model dalam Ansys Fluent disajikan pada Lampiran 3.
Secara global laju reaksi gasifikasi dan pembakaran yang digunakan pada tungku NDG tertera pada Tabel 6. Pada reaksi R1 sampai R3 dimana bahan bakar berupa C(s) bukan berbentuk padatan melainkan diasumsikan sebagai fluida yang mengalir dengan laju aliran massa tertentu. Massa arang kayu akan bercampur dan bereaksi dengan aliran udara yang masuk. Pada reaksi R4 sampai R6 merupakan reaksi yang terjadi pada gas karbon monoksida (CO) hasil dari reaksi devolatilisasi bahan bakar yang dijelaskan pada reaksi R7. Reaksi R7, arang kayu mengalami proses devolatilisasi menjadi gas mampu bakar antara lain gas CO, gas CH4, gas H2, dan gas CO2. Pada reaksi R8 dan R9 merupakan reaksi hasil gas mampu bakar dari arang kayu yaitu gas CH4 dan gas H2 dengan aliran udara sekunder yang membawa suplai oksigen yang bercampur dan bereaksi dengan gas mampu bakar pada tengah-tengah saluran gas mampu bakar.
Perlu diketahui bahwa pada reaksi ini data E(J/kmol) merupakan data energi aktivasi yang terjadi pada proses reaksi tersebut. Data A merupakan pre-exponential factor yang terjadi pada proses pembakaran dan gasifikasi arang kayu tersebut. Simulasi laju reaksi yang terjadi pada tungku ditentukan oleh kedua data tersebut.
Tabel 6 Reaksi fase gas
No. Reaksi A E(J/Kmol) Sumber
Reaksi Heterogen R1 C(s) + ½ O2 CO 0.052 6.1 x 107 Chen et al (2000) R2 C(s) + CO22CO 0.0732 1.125 x 108 R3 C(s) + H2O CO + H2 0.0782 1.15 x 108 Reaksi Homogen R4 CO + ½ O2 CO2 2.2 x 1012 1.67 x 108 Westbrook and Dryer (1981)
25
No. Reaksi A E(J/kmol) Sumber
R5 CO + H2O(g) CO2 + H2 2.75 x 1010 8.38 x 107 Jones and Lindstedt (1998) R6 CO + 3H2 CH4 + H2O 4.4 x 1011 1.68 x 108 R7 CH2.382O1.0750.582 CO + 0.246 CO2 + 0.171 CH4 + 0.848 H2 Eddy Dissipation Xijia Lu and Ting Wang (2014) R8 CH4 + ½ O2 CO + 2H2 R9 H2 + ½ O2H2O 6.8 x 1015 1.68 x 108 Jones and Lindstedt (1998) Tahap simulasi ini melakukan kombinasi disain geometri dari tungku biomassa. Kombinasi disain yang dilakukan terletak pada bagian diameter lubang udara untuk pemasukan udara sekunder, dan tinggi cerobong gas mampu bakar. Pada penelitian ini dicoba dengan beberapa kemungkinan dari diameter lubang udara yang dibutuhkan, ini dikarenakan apabila terlalu sedikit maupun banyak udara menyebabkan proses pembakaran yang dilakukan tidak sempurna. Cerobong gas akan dikombinasikan pada segi tinggi rendahnya cerobong gas, ini yang menjadi dasar untuk menentukan kualitas dan kuantitas dari gas yang dihasilkan.
Pembuatan tungku NDGhasil simulasi
Setelah mendapatkan hasil simulasi pengembangan tungku NDG yang sesuai dan tepat, maka dilakukan proses pembuatan tungku. Tujuan dari proses ini adalah membuat tungku hasil simulasi yang terbaik untuk uji kinerja lapang. Proses pembuatan tungku ini meliputi proses pabrikasi bentuk geometri tungku. Pabrikasi yang dilakukan terfokus pada sisi diameter lubang udara sekunder, dan tinggi cerobong gas.
Uji Kinerja Lapang Tungku NDG
Setelah melakukan proses pembuatan tungku NDG hasil dari simulasi yang dilakukan, maka selanjutnya proses yang dilakukan adalah uji kinerja tungku yang dilakukan di lapang. Uji kinerja dibagi menjadi dua uji yaitu uji water boiling test (WBT) dan uji komposisi gas. Dalam pengujian dengan metode water boiling test yang didekati dengan audit rinci tungku, maka diperlukan batasan sistem, yaitu :
Proses pembakaran dimulai ketika arang kayu telah menjadi bara.
Pengukuran suhu pada tiap parameter tetap berlangsung hingga sepuluh menit setelah air di dalam panci mendidih.
Input energi yang diperhitungkan adalah semua energi langsung yang digunakan dalam proses pemanasan. Energi langsung berupa energi bahan bakar yaitu arang kayu.
Tekanan atmosfir didekati dengan nilai 1 atm.
Kehilangan energi akibat perpindahan panas dari bara ke permukaan panci tidak diperhitungkan.
Energi output hanya dihitung berdasarkan panas yang digunakan untuk memanaskan air dan menguapkan air.
26
Dalam kesempatan ini juga beberapa parameter yang diambil datanya meliputi kecepatan aliran udara, suhu pembakaran, dan tumpukan biomassa. Kecepatan aliran udara yang diukur adalah kecepatan udara di bagian lubang udara yang diukur menggunakan anemometer. Suhu yang diukur adalah lingkungan, bagian ruang pembakaran, bagian dinding tengah tempat arang kayu, bagian cerobong gas mampu bakar, dan air. Alat untuk mengukur suhu adalah termokopel, dan termometer air raksa. Tumpukan biomassa akan dihitung dengan menggunakan timbangan digital selama proses pembakaran berlangsung. Perhitungan tumpukan biomassa ini bertujuan untuk melihat penurunan jumlah bahan biomassa yang digunakan selama proses pembakaran berlangsung.
Uji WBT ini juga digunakan untuk menghitung efisiensi panas pembakaran tungku.Efisiensi yang dihitung adalah efisiensi sistem tungku-panci. Rumus efisiensi (Ƞ) dari sistem tersebut adalah
Ƞ = avg p( boil- i) uap hfg avg