PENERAPAN
THERMOELECTRIC GENERATOR
SEBAGAI
PENIUP UDARA PADA KOMPOR GASIFIKASI BIOMASSA
TIPE KONTINYU
HOLIL
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Penerapan
Thermoelectric Generator sebagai Peniup Udara pada Kompor Gasifikasi Biomassa Tipe Kontinyu adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing Prof Dr Ir Armansyah H Tambunan dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2016
Holil
ABSTRAK
HOLIL. Penerapan Thermoelectric Generator sebagai Peniup Udara pada Kompor Gasifikasi Biomassa Tipe Kontinyu. Dibimbing oleh ARMANSYAH H TAMBUNAN
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) dapat digunakan menjadi bahan bakar kompor biomassa. Kompor tradisional memiliki efisiensi panas yang rendah dan perlu ditingkatkan dengan menerapkan sistem kompor gasifikasi. Namun kompor tersebut membutuhkan kipas untuk mengalirkan udara. Penerapan thermoelectric generator (TEG) untuk memberi energi pada kipas dapat menjadi solusi yang masuk akal. TEG memerlukan perbedaan suhu antara sisi dingin dan sisi panas pada modul TEG untuk menghasilkan listrik. Oleh karena itu kipas juga digunakan untuk mendinginkan heatsink yang dipasang pada sisi dingin TEG. Kompor gasifikasi tipe kontinyu dengan penambahan TEG untuk sumber listrik kipas telah dirancang dan diuji menggunakan metode water boiling test (WBT). Efisiensi panas fase cold start, hot start, dan simmering secara berturut-turut adalah 16.03%, 17.44%, dan 30.14%. Modul TEG yang diterapkan menghasilkan daya luaran sebesar 0.25 W pada perbedaan suhu 71.9 oC, dengan efisiensi konversi sebesar 1.92%.
Kata kunci: tandan kosong kelapa sawit, kompor biomassa, gasifikasi,
thermoelectric generator
ABSTRACT
HOLIL. Application of Thermoelectric Generator as Air Blower in Biomass Gasification Stove Continuous Type. Supervised by ARMANSYAH H TAMBUNAN
Empty fruit bunches (EFB) can be used as feedstock for biomass stove. Traditional stove has low thermal efficiency and needs to be improved by applying gasification stove system. However, such a stove needs fan for blowing air, which is unaffordable in remote areas. Application of thermoelectric generator (TEG) to energize the fan could be a reasonable solution. TEG requires a temperature difference between the cold and hot sides of the modules to generate electricity. Therefore the fan is also used to cool the heat sink mounted on the cold side of the TEG. Continuous type gasification stove with the application of TEG has been designed and tested using the water boiling tests (WBT) method. The thermal efficiency during cold start, hot start, and simmering phase were 16.03%, 17.44% and 30.14%, respectively. The TEG modules produced 0.25 W output power at 71.9 ° C temperature difference with conversion efficiency of 1.92%.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
PENERAPAN
THERMOELECTRIC GENERATOR
SEBAGAI
PENIUP UDARA PADA KOMPOR GASIFIKASI BIOMASSA
TIPE KONTINYU
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Judul penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2015 ini ialah Penerapan Thermoelectric Generator sebagai Peniup Udara pada Kompor Gasifikasi Biomassa tipe Kontinyu. Terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya penulis sampaikan kepada Prof Dr Armansyah H Tambunan selaku pembimbing, atas ilmu dan petuahnya yang brilian. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada orang tua penulis, Ibu Asiah dan Bapak Kodim atas segala kasih sayang dan dukungan yang tidak ternilai, dan semoga selalu dalam lindungan-Nya. Selain itu, penulis juga menyampaikan banyak terima kasih kepada keluarga: Hati Habibah, Hutari, Lena, Lani, Yuyun, Sulistio, Eni, dan sanak-keluarga lainnya, atas kasih sayang, dukungan moral, dan dukungan finansial selama ini. Tak lupa, penulis ucapkan banyak terima kasih kepada Amelia Hernisa yang senantiasa selalu memberikan bantuan, semangat, do’a, dan dukungan. Terakhir, ucapan terima kasih penulis sampaikan untuk sahabat dan teman penulis yang terlibat langsung maupun tidak dalam penelitian ini: Ibu Inge, Pak Johanis, Pak Alimudin, Bang Raju, Bang Agus Ginting, Bang Irfan, Bang Dwi, Kak Sari, Kak Dian, Kak Tiara, Muzakir, Ramdhan, Fidela, Jhon, dan rekan-rekan TMB’48.
Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada program Hibah Kompetensi Nomor Kontrak 157/SP2H/PL/Dit.Litabmas/II/2015 tanggal 5 Februari 2015 atas nama Prof Dr Armansyah H Tambunan yang telah memfasilitasi ilmu dan finansial untuk pengembangan penelitian ini.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Januari 2016
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL vi
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN viii
DAFTAR SIMBOL viii
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Tujuan Penelitian 1
Manfaat Penelitian 2
Ruang Lingkup Penelitian 2
TINJAUAN PUSTAKA 2
Thermoelectric Generator 2
Kompor Gasifikasi 3
Komponen Tandan Kosong Kelapa Sawit 5
METODOLOGI 5
Waktu dan Tempat Penelitian 5
Alat dan Bahan 5
Tahap Desain 6
Metode Pengujian 7
ANALISIS RANCANGAN 8
Kriteria Perancangan 8
Rancangan Fungsional dan Struktural 8
HASIL DAN PEMBAHASAN 12
Uji Kinerja Kompor Gasifikasi 12
Uji Kinerja TEG 14
SIMPULAN DAN SARAN 16
Simpulan 16
Saran 16
DAFTAR PUSTAKA 16
DAFTAR TABEL
1 Penerapan TE pada kompor gasifikasi 4
2 Karakteristik tandan kosong kelapa sawit 5
3 Alat dan bahan penelitian 6
4 Kriteria perancangan kompor gasifikasi-TEG 8
5 Bagian fungsional rancangan 8
6 Karakteristik tandan kosong kelapa sawit 9
7 Spesifikasi modul TEG 11
8 Karakteristik TE dengan material bismuth telluride 11
9 Tabel pengujian WBT 14
10 Perbandingan daya keluaran modul TEG hasil pengukuran dan
perhitungan 15
DAFTAR GAMBAR
1 Skema downdraft gasifier 3
2 Skema inverterd downdraft gasifier/ TLUD 3
3 Skema crossraft gasifier 4
4 Skema updraft gasifier 4
5 Diagram alir tahap desain 6
6 Foto rangkaian peralatan untuk pengujian 7
7 Titik pengukuran suhu 7
8 Skema pembangkit listrik dari TEG 11
9 Profil suhu air pengujian WBT 12
10 Profil suhu kompor gasifikasi-TEG 13
11 Api gasifikasi pada burner 13
12 Grafik hubungan perbedaan suhu dengan daya keluaran TEG 15
DAFTAR LAMPIRAN
1 Prosedur pengujian 18
2 Penentuan dimensi dan gambar teknik kompor 19
3 Perhitungan udara gasifikasi 21
4 Grafik pengujian WBT 22
5 Profil suhu kompor gasifikasi-TEG 23
6 Grafik hubungan perbedaan suhu dengan daya keluaran TEG 24
7 Perpindahan panas pada modul TEG 25
8 Perpindahan panas pada heatsink 29
DAFTAR SIMBOL
A Luas thermoelement (mm2)
ATEG Luas permukaan modul TEG (m2) Cpw Panas spesifik air (4.185 kJ/kg K) FCR Laju konsumsi bahan bakar (kg/menit) g Percepatan gravitasi (m/s2)
Gr Bilangan Grashof (tanpa dimensi) h Koefisien konveksi (W/m2 K) H Tinggi sirip heatsink (m) hf Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg) HHV Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg) ht Kalor laten air (2260 kJ/kg) kf Konduktivitas udara (W/m K) L Panjang heatsink (m)
N Jumlah pasangan thermoelement per modul (-) na Jumlah sirip heatsink (-)
ne Kontak parameter-elektrik (2ρc/ρ) (mm) Nu Bilangan Nusselt (tanpa dimensi) q Laju perpindahan panas (W)
Qn Panas yang dibutuhkan untuk memasak (W) r Kontak parameter-termal (λ/λc)
Ra Bilangan Rayleigh (tanpa dimensi) Re Bilangan Reynold (tanpa dimensi) sm Rataan jarak antar sirip heatsink (m) T ͚ Suhu lingkungan (oC, K)
t Waktu (detik)
tab Tebal bagian dasar sirip heatsink (m) taf Tebal bagian ujung sirip heatsink (m)
Tc Suhu sisi dingin modul TEG atau suhu bagian dasar heatsink (oC)
v Kecepatan kinematik udara (m2/s) Voc Tegangan open circuit (V) η Efisiensi panas kompor (%)
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Indonesia merupakan salah satu produsen utama CPO (crude palm oil) dunia. Pada tahun 2013, Indonesia memiliki perkebunan kelapa sawit sekitar 10.46 juta Ha dengan produksi perkebunan mencapai 27.78 juta ton (BPS 2015). Proses pengolahan kelapa sawit selain menghasilkan CPO juga menghasilkan limbah (padat dan cair) dari tandan buah yang diolah. Limbah tersebut dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi, baik untuk perusahan maupun untuk masyarakat di sekitar pabrik pengolahan kelapa sawit.
Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan limbah yang belum banyak dimanfaatkan menjadi sumber energi. TKKS biasanya dikembalikan ke lahan perkebunan sebagai pupuk organik. Kandungan ligninselulosa pada TKKS dapat dikonversi menjadi bahan bakar. Oleh karena itu perlu dilakukan konversi TKKS menjadi sumber energi bagi masyarakat luas dengan menjadikan TKKS sebagai bahan bakar kompor biomassa rumah tangga.
Kompor biomassa merupakan alat yang digunakan untuk memasak dengan memanfaatkan panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan biomassa (SNI 2013). Kompor biomassa dapat dikelompokan menjadi tiga jenis, yaitu kompor tradisional (three stone), kompor yang dikembangkan (improved stove), dan kompor gasifikasi (natural draft dan force draft).
Roth (2011) menyimpulkan bahwa kompor gasifikasi yang dikembangkan dengan penambahan kipas memiliki emisi CO yang lebih rendah dibandingkan dengan jenis kompor lain. Kompor gasifikasi dengan penerapan kipas merupakan kompor gasifkasi force draft yang membutuhkan sumber listrik eksternal untuk menggerakkan kipas. Salah satu upaya yang dilakukan untuk menyediakan listrik tersebut adalah dengan menerapkan modul thermoelectric generator (TEG) pada kompor gasifikasi. Prinsip dasar TEG berdasarkan efek Seebeck yang dapat menghasilkan listrik akibat adanya perbedaan suhu di ujung sambungan 2 logam yang berbeda jenis. O’Shaughnessyet al. (2015) menerapkan TEG pada improved stove dengan bahan bakar kayu. Daya yang dihasilkan perangkat tersebut mencapai 4 W dengan perbedaan suhu 175 oC. Lertsatitthanakorn et al. (2013) menerapkan 2 modul TEG pada kompor gasifikasi sekam padi tipe Top Lit Updraft (TLUD) yang menghasilkan daya maksimum 3.9 W dengan perbedaan suhu 60 oC.
Kompor gasifikasi TLUD merupakan kompor biomassa tipe batch sehingga memasukan biomassa pada saat proses dapat mengganggu proses gasifikasi. Oleh karena itu perlu dikembangkan kompor gasifikasi tipe kontinyu yang dilengkapi TEG, sehingga kegiatan memasak dapat dilakukan terus menerus dan kebutuhan listrik untuk proses gasifikasi dapat dipenuhi.
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah tersedianya kompor gasifikasi yang dilengkapi dengan modul TEG sehingga dapat menyediakan listrik untuk menggerakan kipas yang menyediakan udara untuk proses gasifikasi.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini mencakup desain fungsional, desain struktural, dan uji kinerja. Uji kinerja dilakukan untuk mengetahui kesesuaian prototipe dengan rancangan dan efisiensi panas berdasarkan Water Boiling Test (WBT 3.0) tanpa analisis pindah panas pada konstruksi kompor.
TINJAUAN PUSTAKA
Thermoelectric Generator
Thermoelectric generator didasarkan pada sebuah efek yang disebut efek Seebeck yang ditemukan pada tahun 1821 oleh Thomas Johann Seebeck. Prinsip kerja dari efek Seebeck yang bekerja pada pembangkit thermoelectric adalah jika ada dua buah material atau lempeng logam yang tersambung berada pada lingkungan dengan suhu yang berbeda maka di dalam material atau lempeng logam tersebut akan mengalir arus listrik (He et al. 2015).
Thermoelectric umumnya menggunakan bahan yang bersifat semikonduktor. Struktur thermoelectric terdiri dari suatu susunan elemen tipe-P, yaitu material yang kekurangan elektron, dan elemen tipe-N, yaitu material yang kelebihan elektron. Panas masuk pada salah satu sisi dan dibuang pada sisi lainnya. Transfer panas tersebut menghasilkan suatu tegangan yang melewati sambungan thermoelectric
dan besarnya tegangan listrik yang dihasilkan sebanding dengan gradien suhu (Wirawan 2012).
Modul thermoelectric diklasifikasikan berdasarkan suhu kerjanya yang umumnya dibuat dari silicon germanium (500 sampai 1000 oC), lead telluride (300 sampai 500 oC), dan bismuth telluride (<300 oC). Bismuth telluride memiliki figure of merit yang paling tinggi dibandingkan dengan silicon germanium dan lead telluride. Secara teoritis tegangan, daya luaran dan efisensi konversi TEG pada rangkaian terbuka (open circuit) berturut-turut dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan 1, 2 dan 3 (Rowe 1995).
3
Kompor Gasifikasi
Gasifikasi merupakan salah satu teknik termokimia yang digunakan untuk mengkonversi bahan bakar padat ke dalam bentuk gas (Basu 2013). Proses gasifikasi diawali oleh proses oksidasi yang bersifat melepas panas (eksotermik) dan dilanjutkan proses pengeringan akibat terserapnya panas dari proses oksidasi (endotermik) oleh biomassa untuk melepaskan uap air. Selanjutnya akibat suhu yang terus meningkat akan terjadi proses pirolisis, yaitu dekomposisi dari lignoselulosa
biomassa untuk menghasilkan gas mampu bakar (CO, H2 dan CH4). Tahapan
berikutnya adalah proses reduksi dimana padatan yang kaya dengan kandungan karbon akan bereaksi dengan CO2 dan H2O yang akan menghasilkan CO dan H2.
Secara umum tipe aliran udara yang digunakan untuk kompor gasifikasi adalah sebagai berikut (Belonio 2005):
a. Downdraft gasifier
Downdraft gasifier merupakan sistem gasifikasi yang memiliki aliran gas menurun. Gas hasil pirolisis akan mengalir ke zona dasar pengarangan serta membakar tar, hasilnya menciptakan pembakaran yang bersih. Sistem pengumpanan dapat dilakukan secara terus menerus dimana pengisian bahan bakar pada bagian atas reaktor akan melanjutkan proses. Gambar 1 menunjukkan proses pada kompor gasifier tipe downdraft.
Gambar 1 Skema downdraft gasifier
b. Inverted downdraft gasifier/ Top-Lit Updraft
Proses yang bekerja pada tipe ini merupakan kebalikan dari gasifier downdraft dimana api gasifier berada pada bagian atas reaktor. Sistem pengisisan bahan bakar merupakan sistem sekali pengisian pada satu kali tahap proses (batch). Proses pembakaran dimulai dari atas (top lit). Gambar 2 dibawah menunjukkan skema kompor gasifikasi tipe inverted downdraft.
Gambar 2 Skema inverterd downdraft gasifier/ TLUD Biomassa
Pembakaran
Arang
Biomassa Pembakaran
4
c. Crossdraft gasifier
Crossdraft gasifier bekerja dengan aliran gas menyilang pada ruang pembakaran. Sistem ini merupakan sistem pengisisan bahan bakar secara berkelanjutan. Gambar 3 menunjukkan skema kerja kompor crossdraft gasifier stove.
Gambar 3 Skema crossraft gasifier
d. Updraft gasifier
Proses yang bekerja pada tipe ini adalah proses pembakaran yang berada pada bagian bawah dan gas bergerak kebagian atas, serta bahan bakar terjatuh dan membuat ruang dan produk akhir dari proses adalah abu. Gambar 4 menunjukkan skema kompor Updraft gasifier.
Gambar 4 Skema updraft gasifier
Kajian mengenai kompor gasifikasi yang memanfaatkan berbagai jenis biomassa dengan berbagai sistem aliran udara sudah dikembangkan oleh beberapa peneliti, termasuk kompor gasifikasi yang dilengkapi dengan TEG. Tabel 1 menunjukkan beberapa penelitian tentang kompor yang sudah dilakukan.
Tabel 1 Penerapan TE pada kompor gasifikasi
No Nama Kompor Bahan
Bakar Tipe
Efisiensi
Panas (%) Keterangan 1 Chitetezo Mbaula
(O’Shaughnessy et al.
2015)
Kayu TLUD 18-20 1 modul
TE 2 TE-RHG
(Lertsatitthanakorn et al.
2013)
Sekam padi
TLUD 20.5 2 modul
TE 3 Kompor Gasifikasi
(Ginting 2014)
TKKS Updraft 2.8-9.96 - Biomassa
Pembakaran
5
Komponen Tandan Kosong Kelapa Sawit
Komponen utama biomassa terdiri dari selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Pirolisis suhu tinggi selulosa akan menghasilkan gas-gas mampu bakar yang seperti CO, H2, dan CH4. Pirolisis yang dilakukan Ginting (2014) dengan suhu 200 sampai 450 oC pada proses pirolisis TKKS menunjukkan semakin tinggi suhu pirolisis akan meningkatkan produksi gas H2 dan CH4, sedangkan produksi CO semakin menurun. Suhu pirolisis minimal untuk TKKS adalah 250 oC.
Hasil analisa proximat dan ultimat dijadikan indikator terhadap hasil yang dapat diperoleh dari konversi biomassa menjadi gas mampu bakar. Tabel 2 menunjukan perbandingan hasil analisa ultimat dan proximat tandan kosong kelapa sawit dari beberapa penelitian.
Tabel 2 Karakteristik tandan kosong kelapa sawit
Kandungan TKKS
Analisa Ultimat A B C
C (%) 46.62 48.78 49.07
H (%) 6.45 7.33 6.48
O (%) 45.66 40.18 38.29
N (%) 1.21 - 0.70
S (%) 0.04 0.08 0.10
Analisa Proksimat
Kadar air (%) 5.18 8.75 7.95
Volatile matter (%) 82.58 79.67 83.86 Karbon tetap (%) 8.97 8.68 10.78 Kadar Abu (%) 3.45 3.02 5.36 Nilai Kalor (KJ/g) 17.02 18.96 17.08
AMohammed (2011). BMa dan Yousuf (2005). CYang et al. (2006).
METODOLOGI
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilaksanakan dari bulan April sampai September 2015. Perancangan dilakukan di Laboratorium Pindah Panas dan Massa sedangkan pengujian dilakukan di Laboratorium Teknik Energi Terbarukan Laboratorium Lapang Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor.
Alat dan Bahan
6
Tabel 3 Alat dan bahan penelitian
Tahapan Alat Bahan - Ceramic wool (insulasi) - 1 modul TEG (TEHP1-- Data logger (Yokogawa
MV1000)
- 2 timbangan (CHQ & Camry) - 2 multimeter (Krisbow
KW06-271) - 2 panci
- Tandan kosong kelapa sawit*
- Air 2.5 kg
*Kebun Cikasungka PTPN VIII, Cigudeg, Bogor.
Tahap Desain
Analisis, Ukuran, Kontrol Flowsheet akhir
Tinjauan rancangan
7
Metode Pengujian
Parameter yang diukur dalam pengujian adalah efisiensi termal kompor dan daya yang dihasilkan oleh TEG. Pengujian kompor gasifikasi menggunakan metode Water Boiling Test versi 3.0 (WBT 3.0) sedangkan daya keluaran TEG diukur secara langsung menggunakan multimeter. Tahapan pengujian secara terperinci dapat dilihat pada Lampiran 1. Efisiensi termal kompor gasifikasi dapat ditentukan menggunakan Persamaan 4 berikut (Bailis et al. 2007):
η= mwiCpw Te-Tmi +ht(mwe-mwi)
fhf ×100 (4)
Gambar 6 Foto rangkaian peralatan untuk pengujian
Data yang diukur adalah waktu operasi, suhu, massa bahan bakar yang digunakan, massa air (sebelum dan sesudah operasi), kecepatan udara (kipas dan lingkungan), serta tegangan dan arus dari TEG. Gambar 7 menunjukan titik pengukuran suhu pada pengujian kompor gasifikasi-TEG.
Gambar 7 Titik pengukuran suhu Keterangan gambar:
1 = Plat panas T1 = sisi dingin TEG T4 = dinding ke-2 T7= api 2 = Modul TEG T2 = sisi panas TEG T5 = dinding ke-1 T8 = air 3 = Heatsink T3 = dinding ke-3 T6 = biomassa
Udara primer
Udara Sekunder
T7
T5 T1
T2 T8
T6 T4
T3
8
ANALISIS RANCANGAN
Kriteria Perancangan
Tabel 4 Kriteria perancangan kompor gasifikasi-TEG
No Parameter Indikator Tujuan
1 Efisiensi panas 30% Penghematan bahan bakar 2 Waktu penyalaan awal 1 s/d 2 menit Penghematan waktu dan
meningkatkan kenyamanan operasional
3 Daya keluaran TEG 2 W Suplai kebutuhan daya kipas Nilai efisiensi panas 30% pada Tabel 4 merupakan setengah dari efisiensi Carnot yang dapat terjadi dengan suhu api berkisar dari 500-700 oC (Ginting 2014).
Rancangan Fungsional dan Struktural
Kompor gasifikasi-TEG ini dibagi menjadi dua sistem, yaitu kompor gasifikasi dan sistem pembangkit listrik. Kompor gasifikasi terdiri dari ruang pembakaran, insulasi, saluran udara primer, saluran udara sekunder, saluran gas utama pembakaran, tempat meletakkan alat masak, dan pembuangan abu (grate) serta penampungannya. Sistem pembangkit listrik terdiri dari modul TEG, heat sink, penaik tegangan, dan baterai.
Tabel 5 Bagian fungsional rancangan
No Nama bagian Fungsi
1 Reaktor gasifikasi Tempat terjadinya reaksi antara udara (O2) dengan bahan bakar biomassa 2 Pemasukan bahan bakar Memasukkan bahan bakar
3 Insulasi Mencegah panas hasil reaksi pembakaran di ruang pembakaran keluar
4 Kipas Menyalurkan udara untuk reaksi
gasifikasi dan gas hasil ke saluran gas utama, sekaligus mendinginkan heat sink
5 Saluran udara primer Saluran untuk aliran udara menuju ke tempat reaksi gasifikasi
6 Saluran udara sekunder Saluran untuk aliran udara menuju ke tempat reaksi dengan gas hasil gasifikasi 7 Dudukan alat masak Tempat dudukan alat memasak
8 Grate / garangan Mengatur pengeluaran abu 9 Penampungan abu Menampung abu sisa gasifikasi 10 Modul TEG Menghasilkan listrik
11 Penyerap panas (plat panas) Menyalurkan panas ke sisi panas TEG 12 Pembuang panas (heat sink) Membuang panas dari modul TEG 13 Penaik tegangan Menaikan tegangan output TEG
9
Analisis Rancangan Kompor Gasifikasi
Kompor gasifikasi dirancang berdasarkan kebutuhan panas untuk memasak 5 kg air dalam waktu 25 menit. TKKS yang digunakan memiliki nilai kalor 18730 kJ/kg dan densitas sebesar 49.91 kg/m3. Efisiensi panas kompor keseluruhan yang diharapkan adalah 30%.
Qn= mCpwt ∆T (5)
FCR= Qn
η×HHV (6)
Besarnya Qn dan FCR berdasarkan Persamaan 5 dan 6 adalah 976.5 W dan 0.0104 kg/menit. Nilai tersebut selanjutnya digunakan untuk menentukan dimensi dari ruang pembakaran atau reaktor gasifikasi. Kompor ini dirancang dengan bentuk silinder. Terdapat 3 lapisan dinding yaitu dinding 1 (reaktor), dinding ke-2, dan dinding ke-3 (dinding terluar). Jarak antar tiap dinding adalah 2 cm. Insulasi juga digunakan untuk mengurangi kehilangan panas ke lingkungan. Insulasi
ceramic wool dipasang diantara dinding ke-2 dan ke-3. Diamter dan tinggi reaktor adalah 12 cm dan 270 cm. Penentuan dimensi dan gambar keseluruhan kompor dapat dilihat pada Lampiran 2.
Bahan konstruksi kompor gasifikasi ditentukan berdasarkan suhu reaktor gasifikasi. Suhu gasifikasi berkisar dari 700 oC sampai 900 oC (Kaupp dan Goss 1984). Mild steel (medium carbon) dipilih sebagai bahan konstruksi karena memiliki melting temperature sekitar 1425 oC (di atas suhu gasifikasi).
Kebutuhan Udara Gasifikasi
Udara gasifikasi (udara primer) biomassa yang optimal adalah dengan
Equivalence Ratio (ER) 0.25 dari udara stoikiometri pembakaran sempurna biomassa (Brown 2011). Udara stoikiometri pembakaran sempurna biomassa ditentukan dari rumus kimia biomassa itu sendiri.
Tabel 6 Karakteristik tandan kosong kelapa sawit
Kandungan TKKS
10
Tabel 6 menunjukan karakteristik TKKS yang digunakan dalam penelitian ini. Hasil analisa ultimat digunakan untuk menentukan rumus kimia dari TKKS. Rumus kimia biomassa secara umum dapat dinyatakan sebagai CnHxOyNz dimana n, x, y dan z merupakan fraksi mol C, H, O dan N secara berturut-turut. Fraksi mol masing-masing komponen diperoleh berdasarkan perbandingan massa komponen ultimat dibandingkan dengan massa relatif masing-masing komponen. Rumus kimia TKKS berdasarkan nilai rata-rata dari Tabel 6 adalah CH1.73O0.26N0.02. Penentuan rumus kimia TKKS secara rinci disajikan pada Lampiran 3. Persamaan 4 menunjukan kesetimbangan kimia pembakaran sempurna dari TKKS.
CH1.73O0.26N0.02 + a(O2 + 3.76N2) bCO2 + cH2O + dN2 (7) CH1.73O0.26N0.02 + 1.302(O2 + 3.76N2) CO2 + 0.865H2O + 4.897N2 (8) Udara stoikiometri pembakaran sempurna TKKS berdasarkan Persamaan 8 adalah 9.841 kg udara/kg bahan bakar. Nilai tersebut merupakan jumlah perkalian antara konstanta a (1.302) dengan mol TKKS dan berat molekul udara (O2 dan N2). Kebutuhan udara gafikasi TKKS dengan ER 0.25 atau sekitar 25% dari kebutuhan udara pembakaran stoikiometri adalah 2.46 kg udara/kg bahan bakar. Nilai tersebut selanjutnya digunakan untuk menentukan kipas yang akan digunakan. Perhitungan rinci kebutuhan udara gasifikasi TKKS dapat dilihat pada Lampiran 3.
Pemilihan kipas dibatasi oleh kemampuan TEG yang umumnya hanya mampu menghasilkan tegangan rendah. Kipas yang sesuai untuk proses gasifikasi adalah kipas sentrifugal (blower) karena memiliki tekanan yang lebih tinggi dan debit yang lebih rendah dibandingkan dengan kipas aksial dengan daya yang sama. Namun kipas yang dipilih pada penelitian ini adalah kipas tipe aksial dengan spesifikasi 1 W (5 VDC) karena blower dengan tegangan rendah (5 VDC) tidak tersedia.
Udara sekunder dibutuhkan agar gas hasil gasifikasi dapat dibakar pada bagian burner. Udara sekunder masuk melalui 4 buah lubang berdiameter 2 cm yang ada pada dinding kompor. Udara sekunder diharapkan dapat mengambil panas pada dinding ke-1 sehingga udara yang bercampur dengan gas mampu bakar hasil gasifikasi merupakan udara panas.
Analisis Rancangan TEG
11 Tabel 7 Spesifikasi modul TEG
Parameter Nilai
Suhu sisi panas (oC) 300
Suhu sisi dingin (oC) 30
Open circuit voltage (V) 14.4
Matched load resistance(Ω) 2.4
Matched load output voltage (V) 7.2
Matched load output current (A) 3
Tabel 8 Karakteristik TE dengan material bismuth telluride
Parameter Satuan Nilai
Koefisien Seebeck V/K 0.0533
Jumlah thermoelement per modul - 240*
Luas thermoelement mm2 2.3925*
Konduktivitas elektrik TE 1/Ω mm 0.0013
Tinggi thermoelement mm 1.2
Tebal solder/kontak mm 0.8
Kontak parameter-elektrik (2ρc/ρ) mm 0.1
Kontak parameter-termal (λ/λc) - 0.2
Konduktivitas termal W/mK 1.0544
Nuwayhid et al. 2003 *Pengukuran
Posisi TEG ditentukan setelah konstruksi kompor selesai dan dilakukan pengujian pendahuluan. Pengujian pendahuluan dilakukan untuk mengetahui profil suhu dari dinding kompor. Suhu dinding ke-1 (reaktor atau ruang bakar), dinding ke-2, dan dinding ke-3 (dinding terluar) berturut-turut adalah 492.1 oC, 395.7 oC, dan 104.4 oC. Sumber panas yang dipilih yaitu dinding ke-2 karena modul TEG dan
heatsink diletakkan dibagian luar kompor untuk mengurangi radiasi ke sisi dingin TEG. Media yang digunakan untuk perpindahan panas dari dinding ke-2 ke sisi panas TEG adalah plat aluminium dengan tebal 2 cm sedangkan panjang dan lebarnya disesuaikan dengan dimensi dari TEG (56 mm × 56 mm). Gambar 8 merupakan skema dari sistem rangkaian TEG.
Gambar 8 Skema pembangkit listrik dari TEG Kipas Baterai
12
Listrik dari modul TEG selanjutnya akan dinaikan tegangannya menggunakan DC-DC Step Up (penaik tegangan) agar bisa melakukan pengisian daya ke baterai. Selanjutnya daya pada baterai digunakan untuk menggerakan kipas.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Uji Kinerja Kompor Gasifikasi
Kompor gasifikasi-TEG ini dirancang untuk memasak secara kontinyu dengan bahan bakar berupa tandan kosong kelapa sawit (TKKS). Sistem aliran yang digunakan pada kompor ini adalah inverted downdraft gasifier atau top-lit updraft
(TLUD) dan updraft. Sistem TLUD digunakan pada proses penyalaan awal untuk mempermudah proses penyalaan api. Sistem updraft digunakan setelah bahan bakar yang dimasukan pertama kali (pada sistem TLUD) sudah hampir habis dan menjadi bara api sehingga proses gasifikasi dapat berlangsung secara kontinyu.
Kipas yang digunakan pada awal rancangan adalah 1 unit namun belum dapat membuang panas heatsink secara maksimal. Oleh karena itu pada pengujian digunakan 2 unit kipas aksial dengan spesifikasi yang sama. Hal tersebut menyebabkan terjadinya kelebihan suplai udara gasifikasi. Udara primer yang terjadi adalah 34.33 kg udara/kg bahan bakar dengan laju udara primer sebesar 2.19 m/s. Nilai ER (Equivalence Ratio) yang terjadi adalah 3.488 atau 13-14 kali lipat nilai ER optimal. Walau demikian proses gasifikasi tetap terjadi karena kelebihan suplai udara terjadi pada bagian dasar unggun biomassa sehingga terjadi pembakaran. Panas dari pembakaran tersebut selanjutnya digunakan sebagai sumber panas untuk proses pirolisis biomassa yang ada pada unggun biomassa di bagian atasnya yang dimasukan secara kontinyu. Perhitungan rinci udara gasifikasi yang terjadi dapat dilihat pada Lampiran 3.
Waktu yang dibutuhkan untuk memanaskan air sebanyak 2.5 kg hingga suhu 95 oC pada fase hot start dan cold start berkisar dari 13 sampai 19 menit. Gambar 8 merupakan grafik suhu air pada penujian WBT dan Gambar 9 adalah profil suhu kompor gasifikasi-TEG.
13
Gambar 10 Profil suhu kompor gasifikasi-TEG
Gambar 9 dan 10 merupakan hasil dari pengujian ke-3 yang memiliki efisiensi panas tertinggi. Pengujian ke-1 dan ke-2 WBT dan profil suhu pada kompor gasifikasi-TEG disajikan pada Lampiran 4 dan 5. Profil suhu tiap pengulangan memiliki bentuk yang hampir sama. Perbedaan terjadi pada waktu yang dibutuhkan untuk memanaskan air. Suhu di dalam reaktor tiap pengulangan menunjukan proses gasifikasi telah terjadi, yaitu mencapai 813 sampai 908 oC. Proses gasifikasi juga ditunjukan secara kualitatif dengan bentuk api pembakaran gas mampu bakar yang sudah tercampur dengan udara sekunder seperti dapat dilihat pada Gambar 11.
Gambar 11 Api gasifikasi pada burner
Pemasukan TKKS dilakukan setiap 2 sampai 5 menit. Jumlah dan waktu pemasukan TKKS disesuaikan dengan nyala api pada burner. Laju gasifikasi spesifik dari TKKS tidak dapat dihitung karena data laju gasifikasi spesifik bias dengan laju menguapnya air. Oleh karena itu Fuel Consumption Rate (FCR) atau laju konsumsi bahan bakar dihitung berdasarkan rasio jumlah bahan bakar yang
0 200 400 600 800 1000
0 20 40 60 80 100 120
S
uhu (
o C)
Waktu (menit)
T1 (Sisi dingin TEG) T2 (Sisi panas TEG) T3 (Dinding ke-3)
T4 (Dinding ke-2) T5 (Dinding ke-1) T6 (Reaktor)
14
dimasukan ke dalam kompor terhadap waktu yang dibutuhkan untuk mendidihkan air. FCR yang terjadi lebih besar dibandingkan dengan FCR perancangan. Hal tersebut terjadi akibat TKKS yang digunakan lebih cepat terdekomposisi secara termal dibandingkan dengan asumsi waktu yang digunakan pada perancangan (10 menit) akibat ketidak-sesuaian estimasi FCR, efisiensi panas yang diharapkan, dan besarnya kebutuhan panas pada rancangan dengan hasil pengujian. Nilai FCR yang tinggi menyebabkan rendahnya efisiensi panas akibat lebih banyak energi input yang hilang dibandingkan dengan energi yang ditransfer ke air. Tabel 8 menunjukan hasil pengujian WBT.
Tabel 9 Tabel pengujian WBT
Ulangan ke- 1 2 3
Fase CS HS S CS HS S CS HS S
FCR (g/s) 0.34 0.46 0.22 0.42 0.45 0.12 0.27 0.38 0.11
Waktu didih (menit) 19 13 - 14 14 - 19 14 -
Ekivalensi daya (W) 7.46 9.58 4.11 8.92 10.12 2.24 5.90 7.31 2.14
Efisiensi panas (%) 13.40 13.02 16.11 13.42 13.51 23.06 16.03 17.44 30.14
Keterangan: CS= Cold Start, HS= Hot Start, S= Simmering
Fase simmering memiliki efisiensi panas yang paling tinggi, diikuti fase hot start dan fase cold start. Fase simmering memiliki efisiensi yang tinggi akibat bahan bakar hanya digunakan mempertahankan suhu air pada di selang -6 oC di bawah suhu didih air sedangkan jumlah air yang menguap lebih banyak dibandingkan fase lainnya. Efisiensi fase hot start lebih tinggi dibandingkan dengan fase cold start
disebabkan keadaan kompor sudah panas sehingga bagian konstruksi kompor tidak banyak mengambil panas hasil pembakaran. Efisiensi panas juga dipengaruhi oleh keterampilan operator dalam mengontrol api, sehingga dapat menghemat penggunaan bahan bakar. Efisiensi panas yang dihitung merupakan efisiensi panas minimum karena TKKS yang digunakan dianggap terbakar seluruhnya.
Uji Kinerja TEG
15
Gambar 12 Grafik hubungan perbedaan suhu dengan daya keluaran TEG Daya yang dihasilkan TEG berbanding lurus dengan perbedaan suhu antara sisi dingin dan sisi panas TEG seperti ditunjukan oleh Gambar 11 yang merupakan hasil pengujian 3 dengan efisiensi panas tertinggi. Grafik pengujian 1 dan ke-2 disajikan pada Lampiran 6. Daya maksimal hasil pengukuran dan secara teoritis berturut-turut adalah 0.25 W dan 2.63 W pada perbedaan suhu sisi panas-dingin TEG sebesar 71.9 oC dengan efisiensi konversi sebesar 1.94%. Efisiensi konversi dipengaruhi perbedaan suhu antara sisi panas-dingin modul TEG (He et al. 2015). Rata-rata daya hasil pengukuran hanya mencapai 10.64% dibandingkan secara teoritis. Daya maksimum perhitungan dengan menggunakan Persamaan 2 merupakan daya maksimum dalam keadaan open circuit sedangkan daya hasil pengukuran didapatkan dengan mengukur tegangan dan arus saat terjadi pembebanan. Menurut spesifikasi modul TEG pada Tabel 7, tegangan maksimum saat terjadi pembebanan lebih kecil 50% dibandingkan dengan tegangan open circuit. Penurunan tegangan saat pembebanan juga terjadi pada pengujian, dimana perbedaan hasil pengukuran dan perhitungan tegangan berdasarkan Persamaan 1 mencapai 49.56%. Berdasarkan hal tersebut maka perbedaan suhu yang harus terjadi untuk mendapatkan tegangan saat pembebanan sebesar 5 VDC adalah 187.6 oC (asumsi perbedaan tegangan open circuit dan tegangan saat pembebanan adalah 50%). Tabel 10 menunjukan perbandingan tegangan dan daya luaran maksimum yang dapat dihasilkan pada tiap ulangan.
Tabel 10 Perbandingan daya keluaran modul TEG hasil pengukuran dan perhitungan
Ulangan ke-
ΔT (oC)
Tegangan maksimum (V) Daya maksimum (W) Pengukuran Perhitungan Pengukuran Perhitungan
1 63.6 1.68 3.39 0.19 2.06
2 65.8 1.62 3.51 0.21 2.21
3 71.9 1.72 3.83 0.25 2.63
Daya yang dihasilkan TEG hanya mampu menyediakan listrik sekitar 9.5-12.5% dari kebutuhan kipas. Rendahnya daya yang dihasilkan modul TEG
16
disebabkan panas pada sisi dingin TEG tidak dapat dibuang secara optimal oleh
heatsink, sehingga perbedaan suhu yang terjadi tidak terlalu besar. Besarnya panas yang mampu dibuang oleh heatsink sebesar 20.59 W sedangkan pindah panas yang terjadi pada modul TEG mencapai 47.55 W. Perhitungan perpindahan panas yang terjadi pada modul TEG dan heatsink secara berturut-turut dapat dilihat pada Lampiran 7 dan 8.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Modul TEG dapat diterapkan sebagai penggerak kipas untuk mengalirkan udara pada kompor gasifikasi tipe kontinyu dengan bahan bakar tandan kosong kepala sawit (TKKS). Kompor gasifikasi dapat digunakan dengan baik untuk proses memasak air dan diuji dengan metode WBT. Efisiensi panas fase cold start, hot start, dan simmering secara berturut-turut adalah 16.03%, 17.44%, dan 30.14%. Modul TEG yang digunakan menghasilkan daya luaran sebesar 0.25 W pada perbedaan suhu sisi dingin dan sisi panas TEG sebesar 71.9 oC dengan efisiensi konversi 1.92%. Daya tersebut belum cukup untuk menggerakan kipas yang digunakan, tetapi masih dapat ditingkatkan dengan memperbesar perbedaan suhu yang terjadi pada sisi panas-dingin TEG. Perbedaan suhu yang kecil disebabkan panas pada heatsink tidak dapat dibuang secara optimal. Perbedaan suhu minimum untuk mendapatkan tegangan 5 VDC adalah 187.6 oC.
Saran
Perbaikan dapat dilakukan pada bagian insulasi meningkatkan efisiensi panas kompor dan pada bagian saluran udara sehingga kebutuhan udara gasifikasi dan udara untuk mendinginkan heatsink dapat terpenuhi. Perlu dilakukan kajian teknik pembuangan panas yang efektif pada bagian heatsink sehingga memperbesar perbedaan suhu panas-dingin TEG. Penambahan atau penggunaan TEG tipe lain dengan laju perpindahan panas yang lebih rendah dapat dilakukan untuk meningkat daya luaran yang dapat digunakan untuk menggerakkan kipas.
DAFTAR PUSTAKA
Bailis R, Victor B, Chaya C, Karabi D, Rufus E, Omar M, Dean S, Kirk RS. 2007. Performance testing for monitoring improved biomass stove interventions: experiences of the household energy and health project. Energy for Sustainable Development. 11(2):57-70.doi:10.1016/S0973-0826(08)60400-7. Basu P. 2013. Biomass Gasification and Pyrolysis: Practical Design and Theory
2nd. California (US): Elsevier Inc.
17 Belonio, AT. 2005. Rice Husk Gas Stove Hand Book. Philippine (PH): Central
Philippine University.
[BPS] Badan Pusat Statistik Indonesia. 2015. Statik Kelapa Sawit Indonesia 2014. Jakarta (ID): Badan Pusat Statistik Indonesia.
Brown RC. 2011. Thermochemical Processing of Biomass: Conversion into Fuels, Chemicals and Power, First Edition. Wiltshire (UK): John Wiley & Sons, Ltd. Cengel YA. 2005. Heat Transfer: A Practical Approach 2nd. Boston (US):
McGraw-Hill.
Corominas JG. 2011. Heat Sink Analytical Modeling. [tesis]. Rennes (FR): Supélec. Ginting AS. 2014. Rancang Bangun dan Analisis Termodinamis Kompor Gasifikasi
dengan Bahan Bakar Tandan Kosong Kelapa Sawit. [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
He W, Gan Z, Xingxing Z, Jie J, Guiqiang L, Xudong Z. 2015. Recent development and application of thermoelectric generator and cooler. Applied Energy. 143 (2015):1-25.doi: 10.1016/j.apenergy.2014.12.075.
Kaupp A dan Goss JR. 1984. Small Scale Gas Producer-Engine Systems. Eschborn (DE): GTZ/GATE.
Lertsatitthanakorn C, Jamradloedluk J, Rungsiyopas M. 2013. Study of combine rice husk gasifier thermoelectric generator. Energy Procedia. 52 (2014):159-166.doi: 10.1016/j.egypro.2014.07.066.
Ma AN, Yousof B. 2005. Biomass energy from palm oil industry in Malysia. Ingenieur. 27: 18-25.
Mohammed MAA, Salmiaton A, Wan A, Amran M. 2011. Gasification of oil palm empty fruit bunch: a characterization and kinetic study. Bioresource Technology.110 (2012):628-636.doi: 10.1016/j.biortech.2012.01.056
Nuwayhid RY, Rowe DM, Min G. 2003. Low cost stove-top thermoelectric generator for regions with unreliable electricity supply. Renewable Energy. 28 (2003): 205-222.
O’Shaughnessy SM, Deasy MJ, Doyle JV, Robinson AJ. 2015. Field trial testing of an electricity-producing portable biomass cooking stove in rural Malawi.
Energy for Sustainable Depelopment. 20 (2014): 1-10.doi:10.1016/j.esd.2014.01.009.
Roth C. 2011. Micro-Gasification: Cooking with Gas from Biomass 1st Edition. [internet]. [diacu 2015 Jan 20]. Tersedia dari: http://www.biochar-
international.org/sites/default/files/HERA-GIZ%20micro-gasification%20manual%20V1.0%20January%202011.pdf
Rowe DM. 1995. CRC Handbook of Thermoelectrics. Florida (US): CRC Press LLC.
[SNI] Standar Nasional Indonesia. Kinerja Kompor Biomassa [internet]. [diacu 2015
Agustus 21]. Tersedia dari:
https://cleancookstoves.org/binary-data/DOCUMENT/file/000/000/14-1.pdf
[Thermonamic]. (tahun tidak diketahui). Specification of Thermoelectric Module TEHP1-24156-1.2 [internet]. [diacu 2015 Jan 28]. Tersedia dari: http://www.thermonamic.com/TEHP1-24156-1.2-English.pdf.
Wirawan R. 2012. Analisa Penggunaan Heat Pipe pada Thermoelectric Generator. [skripsi]. Depok (ID): Universitas Indonesia.
18
Lampiran 1 Prosedur pengujian
Prosedur uji WBT dan pengukuran daya TEG yaitu: Fase persiapan
1. Alat ukur suhu, tegangan, dan arus dipasang pada kompor dan sistem pembangkit listrik (TEG)
2. Timbangan dipasang di bawah kompor tersebut untuk mengukur laju gasifikasi tiap waktunya
3. Kipas, multimeter dan timbangan mulai dinyalakan Fase Cold Start (Hot Power Phase):
4. Biomassa berupa tandan kosong kelapa sawit dan minyak tanah ditimbang sebelum dimasukkan ke dalam kompor.
5. Biomassa yang telah dicampur dengan sedikit minyak tanah dimasukkan ke dalam ruang pembakaran kompor
6. Air sebanyak 2.5 kg lalu dimasukkan ke dalam panci pada suhu lingkungan 7. Biomassa tersebut dibakar
8. Stopwatch dan data logger mulai dinyalakan
9. Panci yang telah berisi air diletakkan di atas kompor 10.Mengukur dan mencatat perubahan suhu per menit
11.Mengukur dan mencatat perubahan massa biomassa yang digunakan untuk mendidihkan air dan perubahan suhu air per menit hingga mendidih
12.Air dalam panci dan sisa bahan bakar ditimbang Fase Hot Start (High Power Phase):
13.Tahapan diulangi dari no. 4 s/d no. 12, kecuali tahapan no. 8 Fase Simmering (Low Power Phase):
14.Air pada panci (sisa fase hot start) diletakkan kembali di atas kompor
15.Biomassa ditimbang terlebih dahulu sebelum dimasukan ke dalam kompor setiap suhu air mulai turun 3oC dibawah suhu didih pada fase hot start. 16.Air dalam panci dan sisa bahan bakar ditimbang setelah fase simmering
berlangsung selama 45 menit
19 Lampiran 2 Penentuan dimensi dan gambar teknik kompor
Asumsi perancangan:
Parameter Satuan Nilai
Kapasitas air kg 5
Efisiensi panas % 30
Waktu didih Menit 25
Diameter reaktor m 0.12
ηpanas=0.5×η
Carnot=0.5 (
5 - 5 K
77 K )100=30 %
Diketahui:
Parameter Satuan Nilai Densitas TKKS Kg/m3 49.91 Nilai kalor TKKS kJ/kg 18730
Cp air kJ/kgK 4.185
Suhu didih oC 95
Suhu lingkungan oC 25 Maka
Qn = m Cpwt ∆T=5 × 4.185 × (9525 -25)=58.59 kJ/menit = 976.5 W
FCR = η × HHV = Qn 0.3 × 18730 =55.242 0.0104 kg/menit
Sehingga dimensi reaktor (asumsi pengisian penuh TKKS akan habis dalam 10 menit):
V = FCR ρ = t 0.0104 49.91 = × 0.0021 m3
h = π rV2 = 0.0021
π×0.062 = 0.18 m
21 Setiap mol O2 terdapat 3.76 mol N2. Kesetimbangan kimia pembakaran sempurna TKKS:
CH1.73O0.26N0.02 + 1.302(O2 + 3.76N2) CO2 + 0.865H2O + 4.897N2 Misal basis perhitungan adalah 1 g TKKS, maka:
n = m MrTKKS=
1
18.17 = . 55 mol
Sehingga AFR (Air Fuel Ratio) stoikiometri yang dibutuhkan:
mO2 = 1.302 × n × Mr O2 = 1.302 × 0.055 × 32 = 2.294 g O2/g TKKS
mN2 = 1.302 × 3.76 × n × Mr N2 = 1.302 × 3.76 × 0.055× 28 = 7.547 g N2/g TKKS mtotal = m O2 + m N2 = 2.294 + 7.547 = 9.841 g udara/g TKKS.
Equivalence Ratio (ER) yang digunakan untuk gasifikasi adalah 0.25, maka: AFR gasifikasi teoritis = 9.841 × 0.25 = 2.46 g udara/g TKKS
AFR riil (udara primer) dan ER riil adalah:
V kipas
22
23
T1 (Sisi dingin TEG) T2 (Sisi panas TEG) T3 (Dinding ke-3) T4 (Dinding ke-2) T5 (Dinding ke-1) T6 (Reaktor)
T7 (Api) T8 (Air)
24
Lampiran 6 Grafik hubungan perbedaan suhu dengan daya keluaran TEG
0
28
Ulangan 1 2 3
Menit TC (oC)
TH (oC)
Q (W)
TC (oC)
TH (oC)
Q (W)
TC (oC)
TH (oC)
Q (W) 116 39.90 48.50 5.69 44.40 54.80 6.88 - - -
117 - - - 43.80 53.60 6.48 - - -
118 - - - 43.30 52.60 6.15 - - -
119 - - - 42.80 51.60 5.82 - - -
120 - - - 42.50 50.60 5.36 - - -
Keterangan:
TC = Suhu sisi dingin TEG (oC)
TH = Suhu sisi panas TEG/suhu permukaan heatsink (Ts) (oC) Q = Pindah panas pada modul TEG (W)
Nilai Q merupakan perpindahan panas pada modul TEG yang ditentukan menggunakan persaamaan (Cengel 2005):
Q = kATEG∆Tx Dimana:
k = 1.0544 W/m K
29
Persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut (Qorominas 2011):
Diketahui:
Q = hAd (Ts - T∞)
Tf =Ts+2T∞
h=NuSmkf
Nu= [ Nufd -n+ Nudev -n]-1/n ,dimana n = 3
Nufd=0.5L ReSm SmPr
Nudev = 0.664 SmLReSm 0.5
×Pr1/3(1+ 3.65
Sm Resm
L
0.5)
0.5
Ra=Gr×Pr
Gr=gβ(Tsv - T2 ∞)L3
Re=V Lv
Ad = na Ltaf + 2H (taf + t2 ab) + 2HL + 2tp L + W) Lampiran 8 Perpindahan panas pada heatsink
Keterangan: na = 12 sirip W = 12 cm L = 20 cm H = 4.5 cm tp = 0.5 cm taf = 0.1 cm tab = 0.1 cm
30
Nilai k, Pr, α, v dicari dari Appendix 1, Tabel A-15 (Cengel 2005)
Uji ke- Ts (oC) Tf (K) kf (W/mK) Pr α (m2/s) 105 v (m2/s) 105 1 76.8 325.9 0.02756 0.72205 2.52905 1.82642 2 89.6 332.3 0.02803 0.72038 2.62185 1.88914 3 93.1 334.1 0.02816 0.71994 2.64754 1.9064
Uji ke-
β (1/K)
103
Gr Ra ReL ReSm Nufd Nudev Nu h
31
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Karawang 22 Januari 1993 sebagai anak kedua dari pasangan Bapak Kodim dan Ibu Asiah. Penulis menyelesaikan pendidikan menengahnya di SMA Negeri 1 Cikampek pada tahun 2011 dan diterima sebagai mahasiswa di Departemen Teknik Mesin dan Biosistem melalui pada tahun yang sama.
