Pendekatan desain tangki portable

Pelaporan hasil

A. Modifikasi Pompa

B.1. Pendekatan desain tangki portable

Tujuan utama dari pembuatan tangki portable adalah sebagai media penampung biogas yang relatif kecil, mudah dipindah tempatkan. Tujuannya agar penggunaan biogas sebagai sumber energi alternatif tidak terbatas hanya pada pengguna yang memiliki peternakan, namun juga masyarakat sekitar peternakan. Selain harus didisain dengan ukuran yang relatif kecil namun juga harus dapat menampung biogas dalam jumlah yang memadai untuk kebutuhan pemasakan.

Pemilihan bahan juga disesuaikan dengan ketersediaannya bahan dipasaran, maka dipilih bahan yang banyak tersedia dipasar namun mampu memenuhi kriteria sebagai media penyimpan. Dari beberapa bahan yang ada, dibuat suatu perbandingan dengan beberapa parameter pembanding. Perbandingan antar bahan media penyimpan ini dapat dilihat pada Tabel 10.

Tabel 10. Perbandingan sifat bahan tangki portable

Faktor pembanding

Material besi Material karet Material Plastik Volume

Penyimpanan

Tergantung volume tabung, hanya sebatas besar volume tabung.

Besar dan dapat terus bertambah, karena sifat karet yang elastis.

Tergantung volume tabung plastik dan volume maksimal hanya sebesar volume tabung plastiknya

Tingkat kebocoran

(Faktor Keamanan)

Tidak mudah bocor oleh gangguan benda tajam dari luar, namun mudah bocor apabila terkena korosi dari dalam

Mudah bocor oleh gangguan benda tajam dari luar, tapi anti karat.

Mudah bocor oleh gangguan benda tajam dari luar, tapi anti karat.

Umur pakai Pendek, karena komponen penyusun biogas yang hampir semuanya cenderung mengakibatkan korosi pada tabung.

Tinggi, karena material karet anti korosi, namun dalam jangka waktu yang panjang material akan mengalami penurunan nilai modulus elastisitas karena getas yang disebabkan H₂O yang timbul akibat reaksi antara H₂ dengan CO₂. sehingga dapat menimbulkan kebocoran.

Tinggi, Karena material plastik anti korosi dan tahan terhadap serangan komponen zat kimia penyusun biogas. Namun sangat sensitif terhadap UV karena dapat memecah senyawa kimia pada plastik, sehigga menyebabkan kerusakan.

Kemampuan kempa Gas

Tergantung pengempaan awal yang diberikan ketika menginjeksikan biogas kedalam tabung.

Tinggi, karena sifat karet yang fleksibel sehingga memberikan efek penekanan alami ketika gas ditembakkan keluar dari tabung (namun tergantung pada material karetnya dan fleksibilitasnya).

Rendah, karena material plastik tidak mempunyai kemampuan penekanan alami, dan sangat tergantung pada kompresi awal ketika gas diinjeksikan kedalamnya.

Efektifitas pemakaian

Tidak efektif, karena volume simpan kecil namun tidak memakan banyak tempat dan ringkas dibawa.

Efektif karena volume simpan besar, namun tidak bisa efektif dalam penempatan, karena selain memakan banyak tempat juga karena sifat permeabilitas karet yang sangat dipengaruhi oleh suhu lingkungan, dan ini berefek pada volume simpan.

efektif dalam hal volume penyimpanan namun tidak efektif dalam pemakaian tempat.

23 Dari tabel diatas dapat dilihat, bahwa dalam hal ketahanan, bahan yang terbuat dari karet dan dari plastik hampir mempunyai kekuatan yang sama ketika bersentuhan dengan komponen gas yang ada pada biogas. Pada bahan plastik sendiri memiliki kentungan berupa kerapatan bahan yang tinggi, sehingga biogas yang tertampung tidak dapat lolos keluar. Sementara pada bahan karet mempunyai keuntungan karena memiliki sifat bahan yang elastis, dimana akan tetap dapat menampung biogas dengan cara mengelastiskan dirinya. Akan tetapi, ketika bahan karet yang terus mengembang dan membuat permukaan bahanya semakin meluas, membuat lapisan bahan semakin tipis dan tingkat permeabilitas bahan semakin tinggi. Tingkat permeabilitias yang semakin tinggi membuat biogas semakin mudah melewati bahan karet ini.

Sifat plastis bahan plastik akan membuatnya mengembang jika terkena tekanan tinggi, namun tidak akan kembali kebentuk semula. Berbeda dengan karet yang dapat kembali kebentuk semula. Sifat karet yang elastis ini juga berguna sebagai kekuatan dorong alami, sehingga biogas dapat keluar dari media tersebut.

Kemampuan gaya tekan alami untuk mendorong biogas keluar inilah yang membuat media dari bahan karet unggul. Dalam penelitian ini, digunakan media dari bahan karet yang dapat dengan mudah ditemukan di pasaran. Dalam hal ini ban dalam sebuah kendaraan layak untuk dipergunakan. Ban dalam yang dipergunakan dipilih ban dalam truk.

Pemilihan ban dalam truk (berdiameter luar 900 mm dan diameter dalamnya 508 mm) memiliki keunggulan dalam hal volume simpan yang lebih besar, yang artinya lebih banyak biogas yang dapat ditampung. Namun dalam penggunaannya, ban tersebut tidak dapat langsung diaplikasikan untuk diinjeksikan biogas. Sifatnya yang elastis, membuatnya akan semakin membesar dan dapat pecah apabila diinjeksikan biogas terus-menerus. Untuk mengatasi hal ini, maka ban perlu dimodifikasi agar ketika diinjeksikan biogas, volume ban tidak terlalu membesar melampaui volume normalnya namun tetap dapat menampung biogas sampai tekanan yang diinginkan.

Modifikasi yang dilakukan adalah dengan merancang selimut untuk ban, yang dapat bergerak mengikuti bentuk ban yang lentur, sehingga ketika dalam keadaan kosong ban dapat dilipat. Bahan yang digunakan sebagai selimut terbuat dari kain terpal. Kain terpal yang digunakan adalah kain yang biasa terdapat pada tenda pesta ataupun kain penutup bak pada truk. Kain ini dipilih karena ketebatalannya yang diatas ketebalan kain lain, namun tetap lentur seperti jenis kain lainnya.

24 Proses pertama dalam perancangan adalah pembuatan pola jahitan pada kain, dengan mengukur volume ban, mulai dari pengukuran diameter potongan ban, hingga pengukuran keliling lingkar luar dan dalam ban. Pola jahitan disesuaikan dan mengikuti bentuk ban itu sendiri. Dalam proses menjahit, dipergunakan benang nilon yang biasa dipakai pada proses reparasi sepatu (sol sepatu). Metode menjahit menggunakan teknik manual dengan jarum yang biasa digunakan untuk mereparasi sepatu. Walaupun tingkat kerapihan kecil, namun dari segi kekuatan tarik, metode ini dapat diandalkan sebab jarum mesin jahit tidak mampu menembus lapisan kain.

B.2.Uji kinerja

Uji tekanan maksimal tangki

Setelah proses pembuatan selimut ban selesai dilakukan pengujian kekuatan maksimal dari tangki

portable dalam menerima tekanan biogas yang diinjeksikan. Pada percobaan pertama, biogas coba diinjeksikan dengan target tekanan maksimal yang dapat diterima tangki sebesar 30 Psi tanpa mengalami kerusakan. Namun kenyataanya pada percobaan pertama tabung sudah mengalami kerusakan berupa sobeknya kain terpal pembungkus ban pada tekanan 13 Psi. Ternyata kain terpal yang memiliki ketebalan paling tinggi ini tidak mampu juga menahan tekanan yang diberikan oleh biogas yang diijeksikan. Sehingga dengan pertimbangan jika diberikan tekanan lebih dari 13 Psi selimut tabung bisa kembali robek, maka untuk percobaan selanjutnya ditetapkan tekanan maksimal yang dapat diberikan hanya pada angka 10 Psi. Walaupun pada percobaan pertama dapat dicapai tekanan maksimal sebesar 13 Psi, namun untuk menjaga umur tabung agar dapat dipakai lebih lama maka ditetapkan 10 Psi sebagai tekanan maksimal yang dapat diberikan.

Uji pembakaran

Uji perlakuan pertama dilakukan pemasakan air sebanyak satu liter hingga air mendidih. Tujuan perlakuan pertama ini untuk melihat seberapa efisien pemasakan satu liter air dengan menggunakan biogas. Kemudian pada perlakuan kedua dilakukan uji penyimpanan terlebih dahulu sebelum dilakukan uji pembakaran, dimana tujuan penyimpanan adalah untuk melihat hubungan antara lama waktu penyimpanan dengan kualitas biogas setelah penyimpanan dilakukan. Melalui perlakuan kedua ini, akan coba dibandingkan hasil data pemasakan dengan perlakuan pertama. Mulai dari segi waktu dan efisiensi pemasakan yang dicapai.

Pada perlakuan ketiga dilakukan pemasakan air sebanyak 5 liter. Tujuannya adalah untuk melihat kenaikan suhu maksimal yang dapat dicapai ketika pemasakan hingga biogas yang ada didalam tangki habis. Pada percobaan pembakaran dengan 3 perlakuan ini, diambil beberapa parameter data. Pertama diukur penurunan tekanan tangki dari mulai waktu pembakaran hingga air mendidih. Parameter data kedua yang diukur adalah volume awal tangki portable hingga akhir proses pemasakan. Parameter data ketiga adalah kenaikan suhu air hingga air mendidih dan suhu lingkungan selama proses pemasakan berlangsung.

Data penurunan tekanan tangki dari 6 ulangan dapat dilihat melalui grafik di bawah ini. Data diambil mulai dari proses penyalaan api hingga katup kompor ditutup pada saat air telah mendidih.

25 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 14 Te k a n a n ( Ps i) Waktu (menit)

Perubahan tekanan (Psi) pada uji pembakaran perlakuan I ulangan I 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Te k a n a n ( Ps i) Waktu (menit)

Perubahan tekanan (Psi) pada uji pembakaran perlakuan I ulangan II

Gambar 9. Perubahan tekanan (Psi) pada uji pembakaran perlakuan I ulangan I

26 Gambar 11. Perubahan tekanan (Psi) pada uji pembakaran perlakuan II ulangan I

Gambar 12. Perubahan tekanan (Psi) pada uji pembakaran perlakuan II ulangan II 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 Te k a n a n ( P si ) Waktu (menit)

Perubahan tekanan (Psi) pada uji pembakaran perlakuan II ulangan I 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 Te k a n a n ( Ps i) Waktu (menit)

Perubahan tekanan (Psi) pada uji pembakaran perlakuan II ulangan II

27 Gambar 13. Perubahan tekanan (Psi) pada uji pembakaran perlakuan III ulangan I

Gambar 14. Perubahan tekanan (Psi) pada uji pembakaran perlakuan III ulangan II

Berdasarkan data diatas, dapat dilihat bahwa pada semua ulangan, terjadinya kesamaan penurunan tekanan tangki. Kesamaan ini bisa terjadi karena pada semua ulangan dilakukan dengan standar operasional yang sama, dimana bukaan katup pada pressure gauge tangki dan katup kompor, diatur pada tingkat yang sama.

0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Te k a n a n ( Ps i) Waktu (menit)

Perubahan tekanan (Psi) pada uji pembakaran perlakuan III ulangan I

0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Te k a n a n ( Ps i) Waktu (menit)

Perubahan tekanan (Psi) pada uji pembakaran perlakuan III ulangan II

28

Percobaan perlakuan I

Gambar 15. Perbandingan perubahan suhu pada uji pembakaran perlakuan I ulangan I dan II

Tabel 11. Data suhu air pada uji pembakaran perlakuan I ulangan I dan II

Waktu Ulangan I Ulangan II

0 28,1 26 2 49,9 47,1 4 60,3 60,4 6 71,6 73,2 8 85,4 81,8 10 96,8 92,1 12 99,1 96,2 14 99,0

Pada ulangan pertama dan kedua dilakukan dengan perlakuan yang sama. Dimana dilakukan proses pemasakan air langsung setelah tangki portable diisi biogas. Dua ulangan ini menghasilkan hasil yang cukup berbeda, dimana pada ulangan pertama, dari awal proses pemasakan hingga air mendidih dibutuhkan waktu 12 menit, sementara pada ulangan kedua waktu yang dibutuhkan proses hingga air mendidih yaitu 14 menit.

Pada ulangan pertama melalui hasil perhitungan efisiensi pemasakan didapatkan efisiensi sebesar 9,7 % dan pada ulangan kedua didapatkan efisiensi sebesar 8.3 %. Suhu awal air juga berbeda, pada ulangan 1 suhu awal air 28,1^oC dan pada ulangan 2 suhu awal air 26^oC. suhu awal air yang lebih rendah menunjukkan peningkatan suhu pemasakan yang lebih lambat.

0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 8 10 12 14 S u h u ( 0C ⁾ Waktu (menit)

Perbandingan perubahan suhu pada uji pembakaran perlakuan I ulangan I dan II

Percobaan I

Percobaan II

Ulangan I

Ulangan II

29 Dalam melakukan kedua percobaan, percobaan dilakukan dengan standar prosedur yang sama dan juga tempat yang sama, dan bisa diasumsikan dengan tempat yang berarti juga memiliki tekanan udara yang sama, jadi terjadinya perbedaan waktu kenaikan suhu air hingga mendidih lebih diakibatkan karena untuk suhu air yang lebih rendah maka dibutuhkan perpindahan kalor yang lebih besar untuk meningkatkan suhu air tersebut.

Percobaan perlakuan II 8,4 8,6 8,8 9 9,2 9,4 9,6 9,8 10 10,2

Tek

a

n

a

n

(

P

si

)

Waktu

Grafik perubahan tekanan gas dalam ban (Psi) pada uji penyimpanan ulangan I 8,4 8,6 8,8 9 9,2 9,4 9,6 9,8 10 10,2

Tek

a

n

a

n

(

P

si

)

Waktu

Grafik perubahan tekanan gas dalam ban (Psi) pada uji penyimpanan ulangan II

Gambar 16. Grafik perubahan tekanan gas dalam ban pada uji penyimpanan ulangan I

30 0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 8 10 12 S u h u ( 0C⁾ Waktu (menit)

Perbandingan perubahan suhu pada uji pembakaran perlakuan II ulangan I dan II

Percobaan I Percobaan II

Dapat dilihat pada Gambar 16 dan 17 terjadi penurunan tekanan gas dalam ban. Penurunan paling drastis terjadi mulai dari hari ketiga sampai dengan hari kelima. Tingkat penurunan tekanan tangki tetap sama walaupun mengalami perubahan suhu lingkungan berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa suhu ruang tidak berpengaruh pada penurunan tekanan tangki. Penurunan tekanan bisa terjadi karena masih bisa lolosnya gas melalui celah antara pentil tabung yang terhubung dengan katup pressure gauge.

Gambar18. Perbandingan perubahan suhu pada uji pembakaran perlakuan II ulangan I dan II Pada percobaan perlakuan II ulangan I dan II dilakukan perebusan air dengan terlebih dahulu dilakukan perlakuan penyimpanan tangki portable selama seminggu dalam ruangan dan posisi yang sama. Kemudian diukur suhu ruangan dan perubahan tekanan gas pada tangki portable pada jam 06.00, 12.00 dan 18.00 WIB.

Perlakuan penyimpanan dilakukan untuk melihat hubungan antara lama penyimpanan dengan perubahan tekanan gas. Melihat kualitas pembakaran gas melalui proses pemasakan dan kemudian membandingkannya dengan percobaan pemasakan air tanpa perlakuan penyimpanan.

Melalui 2 kali ulangan didapatkan data yang memperlihatkan 2 hasil yang berbeda. Dimana dalam 2 ulangan menunjukkan pencapaian titik didih yang berbeda. Walaupun dalam dua ulangan menunjukkan 2 pencapaian titik didih yang berbeda, namun dicapai dalam waktu yang sama.

Adapun pada ulangan I titik didih yang dicapai oleh air lebih rendah dari pada titik didih yang dicapai oleh ulangan II lebih diakibatkan karena suhu lingkungan yang berbeda. Pada ulangan I suhu lingkungan lebih rendah 3^oC, suhu lingkungan yang lebih rendah juga berakibat pada penurunan tekanan udara pada lingkungan. Tekanan udara lingkungan yang lebih rendah mengakibatkan titik didih pemasakan juga lebih cepat dicapai.

Ulangan I

Ulangan II

31

Percobaan perlakuan III

Gambar 19. Perbandingan perubahan suhu pada uji pembakaran perlakuan III ulangan I dan II Percobaan perlakuan III menggunakan massa air yang lebih besar yakni sebanyak 5 liter. Penggunaan massa air yang lebih besar bertujuan untuk melihat kemampuan maksimal dari besarnya kandungan biogas dalam tangki yang mampu diinjeksikan keluar dan dapat dibakar, serta mampu digunakan untuk memasak. Tujuan lain adalah untuk menghitung total nilai kalor dari biogas yang ada pada tangki portable. Dalam percobaannya ternyata nyala api yang ada tidak mampu memanaskan air hingga mendidih. Tidak seperti pada perlakuan I dan II dimana air 1 liter mampu dipanaskan dalam waktu 12 dan 14 menit. Tentu saja dikarenakan massa air yang jauh lebih besar, sesuai dengan teori Q~∆T (kalor sebanding dengan perubahan suhu). Dimana jika ingin meningkatkan suhu pada massa air yang lebih besar diperlukan juga sejumlah kalor yang lebih besar.

Pada ulangan I suhu awal air 26,4^oC dan memilik suhu tertinggi 78,4^oC sehingga kenaikan suhu yang dicapai adalah 52^oC. Sedangkan pada ulangan II suhu awal air 28,2^oC dan memiliki suhu tertinggi 78,9^o C sehingga kenaikan suhu yang dicapai adalah 50,7^oC. Dari kedua ulangan ini, memiliki perbedaan kenaikan suhu sebesar 1,3^oC. Dalam grafik perbandingan kedua ulangan ini dapat dilihat bahwa perbedaan kenaikan suhu air tidak memiliki selisih yang jauh. Perlakuan yang sama dengan menggunakan standar prosedur yang sama. Adapun terjadinya perbedaan kenaikan suhu juga dapat disebabkan oleh suhu awal air yang berbeda, sehingga energi yang di butuhkan untuk menaikkan suhu juga berbeda. Suhu lingkungan juga berpengaruh terhadap kenaikkan suhu, dimana pada ulangan I suhu lingkungan sekitar 27,3 ^oC dan pada ulangan II suhu lingkungan sekitar 29,1 ^oC.

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0 8 16 24 32 40 48 56 S u h u ( 0C ⁾ Waktu (menit)

Perbandingan perubahan suhu pada uji pembakaran perlakuan III ulangan I dan II

Percobaan III

Percobaan IV

Ulangan I

Ulangan II

32 Perhitungan nilai kalor terpakai dari biogas yang dihasilkan juga dapat diketahui. Perhitungan nilai kalor gas terpakai dapat dicari dengan rumus:

= ^{× × ∆}

Dimana:

m : massa air yang dipanaskan (kg) c : nilai panas jenis air (4,2 kJ/^oC/kg)

T : perubahan suhu air (^oC) Vb : volume biogas (m³)

Penghitungan nilai kalor biogas dapat dilihat pada Tabel 12.

Tabel 12. Perhitungan nilai kalor biogas

Ulangan ke- Massa air T_awal (^oC) T_akhir (^oC) T (^oC) V_biogas (m³) Q(kJ/m³)

I 5 26,4 78,4 52 2,03 537,93

II 5 28,2 78,9 50,7 2,03 524,48

Jika perhitungan diatas dibalik, maka dari nilai kalor real diatas dapat dihitung berapa banyak air yang dapat dipanaskan sampai mendidih dengan biogas yang ada dalam tangki portable. Berikut perhitungan massa air yang dapat didihkan:

Ulangan I: = ^× × ∆ ⁼ 537,93 × 2,03 4,2 × (99 − 26,4)^{= 3,58} Ulangan II = ^× × ∆ ⁼ 524,48 × 2,03 4,2 × (99 − 28,2)^{= 3,58}

Dari perhitungan diatas dapat ditarik sebuah kesimpulan bahwa satu buah tangki portable yang terisi penuh dapat digunakan untuk mendidihkan 3,58 kg atau 3,58 liter air. Menurut Abdullah et al., 1984 rata-rata jumlah anggota keluarga di pedesaan bogor adalah 5,56 orang. Bila satu keluarga terdiri dari 6 orang anggota, maka untuk keperluan memasak saja diperlukan biogas sebanyak 1,785 m³. Dengan kata lain tangki portable dengan volume 2.03 m³ seharusnya cukup untuk memenuhi kebutuhan rumah tangga, akan tetapi pada kenyataannya berbeda.