Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana
AAIA. Sri Komaladewi
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana
Abstrak−Gamelan Bali merupakan alat musik tradisional Bali yang digunakan untuk mengiringi rangkaian upacara spiritual keagamaan maupun pentas budaya. Keberadaan gamelan ini sudah terkenal sampai ke Manca Negara, sehingga produksi gamelan ini selain dibutuhkan di daerah Bali sendiri juga banyak dipesan dilingkup nasional bahkan internasional. Proses produksi gamelan ini hampir 75% menggunakan cara tradisional yaitu mulai dari proses peleburan, penempaan, penggerindaan (sruti) untuk mendapatkan nada dasar serta perakitan. Proses peleburan menggunakan tungku tradisional, dimana udara pembakaran dihembuskan dari blower melalui injektor ke ruang bakar pada tungku peleburan. Bentuk tungku yang digunakan menggunakan model terbuka, sehingga energi panas yang dihasilkan pada pembakaran bahan bakar kurang sempurna dan penggunaan bahan bakar lebih banyak. Kondisi ini tentu akan memberikan dampak terhadap faktor polutan yang dihasilkan pada proses pembakaran serta biaya produksi yang cukup tinggi. Untuk meminimalkan permasalahan ini, maka dilakukan perubahan bentuk injektor dengan menggunakan model ergo termal injektor (bentuk konvergen-divergen) serta redesain penampungan udara pembakaran. Penggunaan metode ini dalam proses peleburan diharapkan dapat mengurangi biaya produksi terutama dari penggunaan bahan bakar serta mengurangi polutan yang dihasilkan dalam proses pembakaran. Studi yang telah dilakukan menunjukkan bahwa penerapan metode di atas memberikan pengaruh pada penurunan penggunaan bahan bakar sampai 20 %.Penurunan penggunaan bahan bakar disebabkan karena bahan bakar (arang) lebih banyak terbalut oleh udara, sehingga memberikan pengaruh terhadap kesempurnaan proses pembakaran bahan bakar.
Kata kunci : Gamelan, tungku, polutan, injector
I. PENDAHULUAN
Proses peleburan paduan perunggu dalam pembuatan gamelan merupakan aktivitas yang menentukan kualitas dari gamelan yang dihasilkan. Aktivitas ini dimulai dari pembuatan komposisi yang terdiri dari tembaga (Cu) serta timah putih
(Sn). Perajin gamelan di tempat penelitian dilakukan biasanya membuat komposisi paduan 80% Cu dan 20% Sn. Komposisi ini berdasarkan penelitian yang telah dilakukan menunjukkan kekerasan permukaan 29,33 VHN [1]. Material perunggu yang telah dilebur, selanjutnya di cetak dengan menggunakan cetakan terbuka dengan bentuk sesuai perangkat gamelan yang dibuat. Hasil cetakan dilakukan proses penempaan (forging) yang bertujuan untuk merapatkan struktur mikro material melalui proses panas. Setelah proses penempaan selanjutnya dilakukan penyelarasan suara untuk mendapatkan nada dasar dengan menggerinda.
Dalam proses peleburan banyak kendala yang dihadapi oleh perajin, seperti waktu peleburan yang lama, penggunaan bahan bakar banyak, debu yang berterbangan di tempat kerja yang cukup mengganggu. Penelitian yang dilakukan yaitu dengan redesain penampungan udara diharapkan kendala yang dihadapi perajin dapat dikurangi. Tentunya redesain yang dilakukan tidak sampai mengurangi kekuatan mekanik dari material paduan yang dilebur. Penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa waktu peleburan secara signifikan tidak merubah kekerasan mekanik hasil peleburan [2,3].
II. METODOLOGI A. Bentuk Desain Tungku
Desain tungku dalam proses peleburan secara tidak langsung memberikan dampak pada berlangsungnya peleburan yang dilakukan. Desain tungku konvensional yang biasa digunakan oleh perajin mempunyai bentuk seperti Gambar 1 a, sedangkan redesain yang dilakukan ditunjukkan pada Gambar 1 b. Bagian A, merupakan udukan tungku, untuk koi (mangkok tempat paduan) pada mulut tungku berada di pernukaan tanah. Bagian B merupakan penampungan udara pembakaran dimana udara mengalir melalui blower berada dibawah permukaan tanah. Volume penampungan udara pembakaran, kapasitas koi, kapasitas bahan bakar sebelum dan
Prosiding Seminar Nasional Rekayasan Material, Sistem manufaktur dan Energi
sesudah mempunyai volume yang sama. Bahan bakar yang digunakan adalah arang kayu (biomassa) sembarang yang dijual bebas. Kapasitas paduan perunggu dalam koi seberat 1,25 kg/koi, dalam penelitian digunakan 6 buah koi.
a. Sebelum redesain b. Sesudah redesain Gambar 1. Bentuk tungku Keterangan :
1 = dudukan koi pada mulut tungku 2 = injector udara pembakaran dari blower 3 = penampungan udara pembakaran
Titik-titik merah merupakan penempatan probe dari termokopel untuk mengukur temperatur udara di dalam ruang penampungan. Termokopel yang digunakan 4 channel dilengkapi dengan akuisisi data yang memiliki kemampuan koleksi data pada interval 70 milidetik, merk National Instrument NI USB-9211/9211A.
Udara pembakaran mengalir melalui blower dengan spesifikasi sebagai berikut:
TABEL 1.SPESIFIKASI BLOWER
Spesifikasi Ukuran Satuan
Merk Elektrical Blower buatan China Diameteroutput(do) Diameter sudu (ds) Putaran motor (n) Tegangan (V) Daya motor (P) Arus (i) 2 5,5 3000/3600 220 30 1,5 inch inch rpm volt Watt Ampere
Pengambilan data dilakukan dengan pengulangan 3 (tiga kali) pada waktu dan hari yang berbeda. Data yang didapat berupa data temperatur, kapasitas bahan bakar (biomassa) yang digunakan serta produksi bilah gamelan yang dihasilkan. B. Desain Penampungan Udara
Dasar perhitungan dari desain penampungan udara secara mendasar digunakan persamaan sebagai berikut :
Volume penampungan udara pembakaran seperti gambar 2
Gambar 2. Bentuk penampungan udara
Perhitungan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
)]
(
)
.
[(
3
1
.
.
3
1
.
.
3
1
2 2 1 1 2 2 2 1 1 1 2 1t
l
t
l
V
sehingga
t
l
V
t
l
V
V
V
V
nudara penampunga udara n penampunga
(1) dimana l1 = luas permukaan 1 (m2) l2 = luas permukaan 2 (m 2 ) t1 = tinggi limas besar (m) t2 = tinggi limas kecil (m) C. Aliran Udara PembakaranAliran udara menuju ruang bakar mengikuti persamaan gas ideal :
T
R
n
V
p.
.
.
(2) dimana p = tekanan udara (N/m2) V = Volume udara (m3)n = jumlah mol gas
R = tetapan umum gas 8314 J/kmol K (0,082 L atm/mol K)
T = temperatur (K)
Model seperti Gambar 1, dimana aliran udara pembakaran masuk ke ruang bakar dengan tekanan yang dihasilkan oleh kecepatan blower. Udara bakar yang mengalir ada yang langsung ke ruang bakar dan ada yang ke penampungan udara bakar. Udara bakar yang mengalir ke ruang penampungan akan menerima perpindahan energi dalam bentuk panas dari dinding tungku sehingga temperaturnya meningkat. Udara panas pada ruang penampungan selanjutnya mengalir ke ruang bakar bersama-sama udara dari blower. Kondisi udara bakar dengan temperatur yang meningkat tentu dapat mempercepat A
Prosiding Seminar Nasional Rekayasan Material, Sistem manufaktur dan Energi
proses pembakaran bahan bakar. Udara pembakaran yang mempunyai temperatur yang tinggi memberikan pengaruh pada cepat mencapai temperatur peleburan dan mengurangi penggunaan bahan bakar [4]. Pemberian udara pembakaran yang cukup dalam proses pembakaran bahan bakar dapat mengurangi kandungan emisi [5].
D. Perpindahan Sejumlah Energi
Perpindahan sejumlah energi dalam bentuk panas terjadi akibat panas dari pembakaran bahan bakar pada mulut tungku ke ruang penampungan udara. Perpindahan energi ini terjadi secara konduksi, konveksi serta radiasi.
Perpindahan sejumlah energi secara konduksi
Perambatan energi akan mengalir secara konduksi melalui dinding mulut tungku yang mempunyai temperatur tinggi ke dinding ruang penampungan dengan persamaan [6]:
L
T
T
A
K
Q
con
.
(
1
2)/
(3) dimana :Qcon = aliran panas konduksi dari mulut tungku ke dinding ruang penampungan udara yang terbuat dari bata tahan api (W/m-2K-1)
K = Konduktivitas termal bata tahan api (Wm-1K-1) A = luasan daerah panas (m2)
T1- T2 = perbedaan temperatur (K)
L = ketinggian ruang penampungan udara, sesuai letak probe dari termokopel
Perpindahan sejumlah energi secara konveksi
Perpindahan sejumlah energi secara konveksi terjadi dari dinding ke ruang penampungan udara dengan persamaan [7]:
)
(T
1T
2A
h
Q
conv
ch
(4) dimana : hch = koefisien konveksi (W/m2K)A = luas daerah kontak dinding dengan ruang penampungan udara (m2)
T1 = temperatur pada dinding ruang penampungan udara (K)
T2 = temperatur ruang penampunag udara (K)
Perpindahan sejumlah energi secara radiasi
Perpindahan sejumlah energi secara radiasi terjadi akibat panas yang terjadi dari mulut tungku ke ruang penampungan udaradengan persamaan [8]:
)
(
)
(
T
4kW
Q
rad
ε
σ
(5) dimana :ε = factor emisi untuk material
σ = konstanta bolzman (5,72x10-5) kW m-2K) ∆ = perbedaan temperatur (K)
III. HASILDANPEMBAHASAN
Distribusi temperatur yang terjadi pada pembakaran bahan bakar arang, kondisi ini diukur dengan menggunakan termokopel. Pengukuran tercatat setiap 5 menit dilakukan mulai dari pk 7.00 s/d 12.00 Wita hasilnya seperti Grafik :
Grafik 1 Temperatur penampungan udara
Grafik 1 menunjukkan bahwa udara yang berada pada penampungan udara menerima perpindahan sejumlah energi dalam bentuk panas dari tungku saat proses pembakaran bahan bakar. Kondisi ini menyebabkan udara yang ada pada penampungan udara pembakaran sebelum dan sesudah redesain meningkat. Udara yang ada pada penampungan udara pembakaran adalah berfungsi untuk menambah kebutuhan udara pembakaran. Penambahan temperatur udara pembakaran memberikan pengaruh pada kesempurnaan proses pembakaran [9].
Grafik 2. Temperatur peleburan
Grafik 2 menunjukkan adanya peningkatan temperatur pembakaran secara signifikan sebelum dan sesudah redesain. Hal ini disebabkan karena udara pembakaran yang digunakan dalam proses pembakaran sudah mempunyai temperatur yang cukup tinggi sesuai Grafik 1. Penelitian sebelumnya juga menyatakan bahwa udara pembakaran dengan temperatur cukup tinggi menyebabkan proses pembakaran bahan bakar lebih cepat dan menghasilkan temperatur tinggi [10].
Prosiding Seminar Nasional Rekayasan Material, Sistem manufaktur dan Energi
Grafik 3. Penggunaan arang kayu
Grafik 3 menunjukkan redesain yang dilakukan memberikan pengaruh pada penurunan penggunaan bahan bakar pada proses pembakaran sebesar 20 %. Kondisi ini tentu memberikan dampak pada efektivitas penggunaan bahan bakar pada proses peleburan paduan perunggu. Efektivitas penggunaan bahan bakar pada proses pembakaran akan memberikan pengaruh yang signifikan terhadap efisiensi termis dari tungku yang digunakan [11].
Grafik 4. Jumlah produksi bilah gamelan
Grafik 4 menunjukkan jumlah produksi yang dihasilkan pada proses peleburan sebelum dan sesudah dilakukan redesain penampung udara pembakaran. Pada grafik terlihat garis konstan menunjukkan bahwa rentang waktu tersebut proses peleburan sedang berlangsung. Tren peningkatan menunjukkan waktu produksi. Waktu produk bilah gamelan dilakukan dengan proses pengecoran paduan dengan rentang waktu rata- rata 3 menit dan koi sebanyak 6 buah. Penelitian yang telah dilakukan menyatakan bahwa redesain yang didasarkan perkembangan teknologi dapat meningkatkan produksi dibandingkan dengan cara konvensional [4]
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan terhadap perubahan desain penampungan udara pembakaran cukup memberikan manfaat pada kinerja tungku. Kinerja ini terukur secara signifikan pada proses pembakaran bahan bakar menyebabkan temperatur pembakaran lebih tinggi. Penggunaan bahan bakar dari redesain yang dilakukan menunjukkan penurunan sebesar 20 %. Produksi hasil proses peleburan bilah gamelan menunjukkan peningkatan. Melihat dari hasil penelitian ini diharapkan dapat menggairahkan perajin gamelan dalam meningkatkan produktivitasnya.
DAFTARPUSTAKA
[1] Sugita IKG., Priambadi, IGN dan Kusuma K. 2006. Studi Eksperimental Variasi Komposisi Campuran Perunggu dan Variasi Beban Close Forging Terhadap Sifat Ketangguhan Retak Dan Kekerasan Material Perunggu Gamelan Bali.Research Grant. Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana. TPSDP- Batch II
[2] Martano, M.A and Capocchi, J. D. T. 2000. Heat Transfer Coefficient At The Metal Mould Interface In The Unidirectional Solidification Of Cu–8% Sn Alloys,International Journal Of Heat And Mass Transfer. 43: 2541–2552.
[3] Halvaee, A and Talebi, A. 2001. Effect Of Process Variables An Microstructure And Segregation On Centripugal Casting Of C92200 Alloy.Journal Of Materials Processing Technology.
[4] Arijit Biswas & Pinakeswar Mahanta. (2013). Design and Experimental Analysis of Furnace for the Production of Bamboo Charcoal. International Journal of Mechanical and Industrial Engineering (IJMIE) ISSN No. 2231-6477, Vol-3, Iss-1.
[5] Abuelnuor A. A. A., Cs. (2013)Review of Numerical Studies on NOX
Emission in the Flameless Combustion.International JournalApplied Mechanics and Materials Vol. 388 (2013) pp 235-240.
[6] Kirk, D. and A.W. Holmes. (1976). The heating of food stuffs in a microwave oven. Jor. of Food TechnologyVol 30 pp 375-384. [7] Sunil Gokhale ,Cs. (1991). Simulation of ceramic furnaces using one-
dimensional model of heat transfer –Part I: Model development and validation .Indian Institute of Technology, New Delhi, India
[8] Duffie, J. A., and W. A. Beckman. (1991). Solar Engineering of Thermal Process, 2nd ed., NewYork, John Wiley.
[9] Jun Li. Cs. (2013). Effects of Flue Gas Internal Recirculation on NOx and Sox Emissions in a Co-Firing Boiler. International Journal of Clean Coal and Energy, 2013, 2, 13-21.
[10] Murrari Mohon Roy and Kenny W. Corscadden. (2012). An experimental study of combustion and emissions of biomass briquettes. International Journal. Applied Energi 99 pp 206–212.
[11] S. R. Bello, and T.A. Adegbulugbe. (2010). Comparative Utilization of Charcoal, Sawdust and Rice Husk as Fuel in Heating biomass furnace- dryer. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development. Manuscript 92, Volume XII.
Prosiding Seminar Nasional Rekayasan Material, Sistem manufaktur dan Energi