DESAIN DAN UJI KINERJA ALAT PEMBAKAR SAMPAH (INCINERATOR) TIPE BATCH UNTUK PERKOTAAN DILENGKAPI DENGAN PEMANAS AIR

DESAIN DAN UJI KINERJA ALAT PEMBAKAR SAMPAH (INCINERATOR) TIPE BATCH UNTUK PERKOTAAN DILENGKAPI

DENGAN PEMANAS AIR

SKRIPSI

Oleh :

Adia Nuraga Galih Pradipta F14070020

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

2011

DESIGN AND PERFORMANCE TEST OF INCINERATOR BATCH TYPE FOR URBAN WASTE EQUIPPED WITH WATER HEATER

Adia Nuraga Galih Pradipta

Department of Mechanical & Biosystem Engineering, Faculty of Agricultural Technology Bogor Agriculturan University

IPB Darmaga Campus, PO Box 16680, Bogor, West Java, Indonesia.

Phone +628563479865, email: dipta06@gmail.com

ABSTRACT

Municipal solid waste (MSW) management is very important in order to keep the city clean, beautiful, and health. The waste could be utilized by various process that suitable each kind of waste. Organic waste can be utilized by composting process or biogas generation. While an-organic waste can be recycled. Incinerator was needed for toxic and medical waste utilization, due to its capability to burnt off the toxic materials.

Small incinerator seems an important solution for urban household waste management due to the shortage area for composting or other waste utilization. Beside that, heat energy which produced by combustion process in the incinerator could be use for several purposes to fulfill household demand such as drying process or water heater process. The aim of this study is to design an incinerator which can be implemented in the urban household. Those incinerator combined with water heating system as utilization of heat energy produced by the combustion process and smoke cyclone which can be used for drying or carbonization process

Result of the performance of the incinerator shows that the incinerator working well. The capacity of the incinerator is 0.294 m³. The weight of the waste that filled the incinerator is 10.5 to 18.3 kg. The maximum burn temperature is 413 to 478 ^oC. The incineration rates of the incinerator around 2.81 to 6.82 kg/hour.

Quality of smoke is good, showed by the colour of the smoke (near white). Heat energy produced by the system has been used for water heating and coconut shell carbonization process. Using water flow rate 3 l/minutes, the temperature of the water can be raised 14-18 ^oC per batch process. While carbonization process only produce 10% charcoal from 5 kg coconut shell which has been feed in the smoke cyclone room

Modification of the gas hole can increasing the temperature of incineration and modification of the length and relocation of pipe can increasing the water heater performance.

Keywords: Incinerator, waste, water, heater

ADIA NURAGA GALIH PRADIPTA F14070020. Desain Dan Uji Kinerja Alat Pembakar Sampah (Incinerator) Tipe Batch Untuk Perkotaan Dilengkapi Dengan Pemanas Air. Di bawah bimbingan Sri Endah Agustina. 2011

RINGKASAN

Sampah merupakan salah satu masalah yang ada di perkotaan. Karena sampah yang tidak dikelola dengan baik akan menimbulkan penimbunan yang menyebabkan ketidaknyamanan masyarakat perkotaan.

Pengelolaan sampah sangat penting untuk menjaga kebersihan, kesehatan, dan keindahan kota.

Pemanfaatan sampah dapat dilakukan dengan beberapa cara disesuaikan dengan jenis sampah yang ada.

Untuk sampah oranik dapat dimanfaatkan untuk kompos, biogas, dan pupuk cair. Sedangkan sampah an organik seperti plastik, kaleng dan kaca dapat di daur ulang untuk keperluan lain. Namun juga terdapat sampah-sampah yang harus dimusnahkan. Sampah-sampah tersebut yaitu, sampah medis yang mengandung bakteri atau virus, serta sampah-sampah kemasan yang bersifat toxic (beracun). Pemusnahan sampah-sampah tersebut dapat dilakukan dengan pembakaran.

Incinerator yang telah beredar di masyarakat masih dalam kapasitas yang besar sehingga masih memerlukan tempat penampungan yang besar sehingga masih cukup mengganggu masyarakat sekitar. Karena hal tersebut menyebabkan masyarakat membakar sampah secara bebas yang menyebabkan gangguan di masyarakat. Sehingga diharapkan dengan adanya incinerator dengan kapasitas yang kecil permasalahan tersebut dapat teratasi.

Tujuan dari penelitian ini adalah Merancang alat pembakar sampah (incinerator) sebagai pembakar sampah yang baik dan dilengkapi dengan sistem pemanfaatan panas yang dihasilkan. Hasil dari perancangan ini adalah alat pembakar sampah yang baik, serta dapat memanfaatkan energi yang ada pada proses pembakaran untuk kebutuhan rumah tangga.

Penelitian ini dilakukan pada awal maret hingga akhir Juli 2011. Metode yang dilakukan terdapat dua tahap, yaitu tahap perancangan dan uji unjuk kerja. Parameter yang diamati dalam penelitian ini adalah penyebaran suhu selama pembakaran, laju pembakaran, kualitas asap hasil pembakaran, dan hasil pemanfaatan energi. Pengambilan data dilakukan dengan cara pengamatan dan pengukuran langsung dalam percobaan yang dilakukan.

Hasil perancangan alat pembakar sampah memiliki 6 bagian yaitu, ruang pembakaran, kasa penyulut api, cerobong asap, lubang udara, sistem penukar panas, dan ruang pengendapan zat padat.

Hasil uji unjuk kerja yang dilakukan selama pengujian alat pembakar sampah menunjukkan kemampuan ruang pembakaran dalam menampung sampah sebesar 0.294 m³ dengan berat sampah berkisar antara 10.5 hingga 18.3 kg sampah kering. Suhu tertinggi pada pembakaran berkisar antara 413 hingga 748^oC.

Sementara itu laju pembakaran sampah berkisar antara 2.81 kg/ jam hingga 6.82 kg/ jam. Semntara itu kualitas asap yang dihasilkan sudah cukup baik karena lebih banyak asap berwarna putih. Sementara itu hasil pemanfaatan energi yang telah dilakukan dapat meningkatkan suhu air sebesar 14^oC hingga 18 ^oC. Selain itu juga pemanfaatan energi yang di ruang pengendapan zat padat dapat menghasilkan arang sebesar 200 gram hingga 500 gram arang batok kelapa.

Untuk dapat meningkatkan kemampuan dalam sistem pindah panas dapat dilakukan dengan menambah lubang udara sehingga dapat meningkatkan suhu pembakaran dan dapat juga dengan memperpanjang pipa pemindah panas dan meletakkanya lebih dekat dengan sumber api. Selain itu perlu juga pengkajian lebih lanjut mengenai pemanfaatan ruang pengendapan zat padat sehingga alat tersebut lebih effisien.

DESAIN DAN UJI KINERJA ALAT PEMBAKAR SAMPAH (INCINERATOR) TIPE BATCH UNTUK PERKOTAAN DILENGKAPI

DENGAN PEMANAS AIR

SKRIPSI

Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN

pada

Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fakultas Teknologi Pertanian

Institut Pertanian Bogor

Oleh :

ADIA NURAGA GALIH PRADIPTA F14070020

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

2011

Judul Skripsi : Desain dan Uji Kinerja Alat Pembakar Sampah (Incinerator) Tipe Batch Untuk Perkotaan Dilengkapi dengan Pemanas Air

Nama : Adia Nuraga Galih Pradipta

NIM : F14070020

Menyetujui, Pembimbing,

(Ir. Sri Endah Agustina, M.S) NIP 19590801 198203 2 003

Mengetahui: Ketua Departemen,

(Dr. Ir. Desrial, M.Eng.) NIP 19661201 199103 1 004

Tanggal Lulus :

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI

Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul “Desain dan Uji Kinerja Alat Pembakar Sampah (Incinerator) Tipe Batch Untuk Perkotaan Dilengkapi dengan Pemanas Air” adalah hasil karya saya sendiri dengan arahan Dosen Pembimbing Akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada perguruan tinggi manapun. 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.

Bogor, Agustus 2011 Yang membuat pernyataan

Adia Nuraga Galih Pradipta F14070020

BIODATA PENULIS

Adia Nuraga Galih Pradipta, lahir pada 6 Desember 1988 di Klaten dari ayah Helman bin Suparlan dan ibu Sri Harini Endang S., sebagai putra pertama dari dua bersaudara. Penulis menamatkan SMA pada tahun 2007 di SMA Negeri 1 Gresik.

Kemudian melanjutkan sekolah sarjana di Institut Pertanian Bogor pada tahun 2007 melalui jalur USMI (Undangan Seleksi Masuk Institut Pertanian Bogor) dengan memilih program studi Teknik Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian. Selama mengikuti perkuliahan penulis aktif dalam berbagai kegiatan organisasi diantaranya adalah menjadi ketua Imajatim Foundation dan KML Foundation, selain itu penulis juga aktif di Badan Pengawas Himateta (Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian), Imatetani (Ikatan Mahasiswa Teknik Pertanian Indonesia), BEM Fateta, Himasurya (Himpunan Mahasiswa Surabaya), dan Imajatim (Ikatan Mahasiswa Jawa Timur). Pada tahun 2009 penulis meraih prestasi pada ajang PKM (program kreatifitas mahasiswa) dengan didanainya proposal penulis dalam bidang kewirausahaan. Selain itu pada tahun 2009-2010 penulis meraih beasiswa Djarum Bakti Pendidikan.

Penulis melaksanakan praktek lapangan pada tahun 2010 di IBEKA (institut bisnis dan ekonomi kerakyatan), di daerah Subang dan Sukabumi dengan judul “Mempelajari Aspek Keteknikan Pertanian dalam Implementasi Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Studi Kasus PLTMH Cinta Mekar, Subang”.

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan atas kehadirat Allah SWT atas berkat, rahmat, dan karunia-Nya sehingga penulis mampu menyelesaikan skripsi yang berjudul “Desain dan Uji Kinerja Alat Pembakar Sampah (Incinerator) Tipe Batch Untuk Perkotaan Dilengkapi dengan Pemanas Air”

dengan baik. Penelitian ini dilakukan sejak Maret sampai Juli 2011.

Dalam penulisan dan penyusunan skripsi ini, penulis tidak dapat menyelesaikannya tanpa bantuan, arahan, dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Ir. Sri Endah Agustina, M.S. selaku dosen pembimbing atas bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada penulis.

2. Bapak Dr. Ir. Leopold O Nelwan, M.Si. dan Ir. Agus Sutejo, M.Si. selaku dosen penguji yang telah memberikan saran, kritik, serta arahan kepada penulis dalam melakukan penulisan skripsi.

3. Ayahanda Suparlan, Ibunda Sri Harini Endang S, serta adik tercinta Loita Datu Nindita, atas segala doa, motivasi, dan kasih sayangnya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

4. Bapak Harto (Teknisi Lab. EEP), Mas Fimnan dan Mas Darma (Staff Departemen Teknik Pertanian) yang telah banyak memberikan bantuan dan saran kepada penulis selama penelitian.

5. Teman-teman Mayor Teknik Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem angkatan 2007 (TEP 44), khususnya : Mudho, Teguh, Yan, Tika, Dhias, Ayung, Irfan, Waqif, Afni, Spetri, dan Wendi yang telah membantu dan memberikan saran kepada penulis selama penelitian dan penulisan skripsi.

6. Djarum Beasiswa Plus dan KML Foundation, yang telah memberikan bantuan selama masa perkuliahan.

7. Teman-teman Ensemble, Beswan Djarum, Himasurya, Imajatim, yang telah memberikan arti sebuah kebersamaan dan kekeluargaan.

8. Teman-teman BP Himateta, Bem Fateta, Imajatim Foundation dan KML Foundation, yang telah memberikan arti kepedulian dan tanggung jawab

Penulis menyadari dalam penulisan skripsi ini masih terdapat kekurangan dan masih jauh dari kesempurnaan, dikarenakan keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari semua pihak untuk penyempurnaan dan perbaikan skripsi ini.

Penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua.

Bogor, Agustus 2011

Adia Nuraga Galih Pradipta

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... viii

DAFTAR ISI ... ix

DAFTAR GAMBAR... x

DAFTAR TABEL... xi

DAFTAR LAMPIRAN... xii

DAFTAR NOTASI... xiii

I. PENDAHULUAN... 1

A. LATAR BELAKANG... 1

B. TUJUAN... 3

II. TINJAUAN PUSTAKA... 4

A. SAMPAH... 4

B. ALAT PEMBAKAR SAMPAH... 4

C. PEMBAKARAN BIOMASSA... 6

D. SISTEM PINDAH PANAS... 8

III. METODE PENELITIAN... 11

A. TAHAPAN PENELITIAN... 11

B. PERANCANGAN ALAT PEMBAKAR SAMPAH (INCINERATOR)... 11

C. UJI UNJUK KERJA ALAT PEMBAKAR SAMPAH (INCINERATOR)... 15

D. TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN... 17

E. ALAT DAN BAHAN PENELITIAN... 17

IV. HASIL PERANCANGAN... 19

V. HASIL UJI UNJUK KERJA... 21

A. KAPASITAS ALAT PEMBAKAR SAMPAH (INCINERATOR)... 21

B. KESEMPURNAAN PEMBAKARAN... 22

C. LAJU PEMBAKARAN... 22

D. KUALITAS ASAP HASIL PEMBAKARAN... 24

E. SUHU AIR HASIL PEMANASAN... 25

F. PEMANFAATAN ENERGI PADA RUANG PENGENDAPAN ZAT PADAT 26 G. ANALISIS HASIL UJI UNJUK KERJA... 27

VI. SIMPULAN DAN SARAN... 27

A. SIMPULAN... 29

B. SARAN... 29

DAFTAR PUSTAKA... 30

LAMPIRAN... 31

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Pengelolaan Sampah Perkotaan di Bantar Gebang ... 1

Gambar 2. Pembakaran Sampah Terbuka... 1

Gambar 3. Diagram Alir Pengelolaan Sampah... 2

Gambar 4. Incinerator Tipe Batch... 5

Gambar 5. Incinerator Tipe Kontinyu... 5

Gambar 6. Bagan Alir Penelitian... 11

Gambar 7. Titik Pengukuran... 16

Gambar 8. Alat Pembakar Sampah Hasil Perancangan... 19

Gambar 9. Dinding Samping... 19

Gambar 10. Konstruksi Pipa Pemanas Air... 20

Gambar 11. Ruang Pengendap Zat Padat Asap... 20

Gambar 12. Perbandingan Berat Sampah yang Digunakan Dalam Pengujian... 21

Gambar 13. Grafik Laju Pembakaran Sampah... 23

Gambar 14. Asap hasil Pembakaran... 24

Gambar 15. Perubahan Suhu Air... 26

Gambar 16. Hasil Pengarangan Batok Kelapa... 27

Gambar 17. Jumlah Arang Batok kelapa yang Dihasilkan... 27

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Komposisi sampah di kota Jakarta, Bandung, dan Surabaya... 4

Tabel 2. Rancangan fungsional alat pembakar sampah... 12

Tabel 3. Titik pengambilan data... 17

Tabel 4. Kapasitas alat pembakar sampah... 21

Tabel 5. Nilai tertinggi sebaran suhu ruang pembakaran dan dinding ruang pembakaran... 22

Tabel 6. Data hasil pengujian alat pembakar sampah... 23

Tabel 7. Nilai Suhu tertinggi cerobong dan hasil pengamatan kualitas asap... 24

Tabel 8. Nilai tertinggi dari suhu pipa, suhu air masuk dan suhu air hasil pemanasan... 25

Tabel 9. Nilai suhu tertinggi di ruang pengendapan zat padat dan jumlah arang yang dihasilkan... 26

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Gambar Teknik Alat Pembakar Sampah... 31

Lampiran 2. Sebaran Suhu Percobaan I... 33

Lampiran 3. Sebaran Suhu Percobaan II... 35

Lampiran 4. Sebaran Suhu Percobaan III... 37

Lampiran 5. Sebaran Suhu Percobaan IV... 39

Lampiran 6. Perhitungan Kecepatan Udara... 40

Lampiran 7. Perhitungan Konveksi Sistem Pindah Panas ... 41

Lampiran 8. Simulasi Desain Pipa Pindah Panas... 41

DAFTAR NOTASI

(Ti –To) = Perbedaan pipa luar dan pipa dalam (^oK) (Ts - T∞) = Perbedaan suhu dinding dengan suhu fluida (^oK) ̇ = Laju massa bahan bakar (kg/s)

A = Luas permukaan dinding (m²) Bbt = Laju pembakaran (kg /jam)

C = Kandungan karbon dalam bahan bakar (%) D = Diameter Pipa (m)

h = koefisien pindah panas konveksi (Watt/m² K) H` = Kandungan hidrogen dalam bahan bakar (%) Hc = Tinggi cerobong (m)

hd = Tekanan udara dalam ruang pembakaran (mm.air) k = Konduktivitas panas (Watt/mK)

L = Panjang pipa (m) m = Bobot bahan bakar (kg) Nkl = Nilai kalor bahan bakar (J/kg) q = Energi panas (Watt)

Q = Debit udara perancangan (m³/detik)

Qc = Debit gas hasil pembakaran pada cerobong (m³/detik) Qud = Debit udara (m³/jam)

ri = Jari-jari dalam pipa (m) sro = Jari-jari luar pipa (m) St = Bilangan Stanton

t = Waktu pembakaran (kg/jam).

T1 = Suhu diluar cerobong (^oK) T2 = Suhu didalam cerobong (^oK) T∞ = Suhu pemanasan bahan (K) Tf = Suhu rata-rata (K)

TG = Suhu absolut gas (^oK) Ti = Suhu fluida saat masuk (K) To = Suhu fluida saat keluar (K) V = Kecepatan gas (m/detik)

Wmin = Kebutuhan udara minimum (m³/kg bahan bakar) εG = Emisivitas gas

σ = Tetapan Boltzman (95.672 X 10^-8 Watt/m² K⁴)

1 I. PENDAHULUAN

A

.

LATAR BELAKANG

Beberapa kota besar merupakan penyumbang potensial penimbunan sampah. Karena selama ini masih banyak kota-kota yang belum menerapkan sisitem pengelolaan sampah yang baik. Hal tersebut menjadi permasalahan karena sampah perkotaan umumnya menimbulkan timbunan karena memiliki volume yang cukup besar.

Gambar 1. Pengelolaan sampah perkotaan di Bantar Gebang (ainurrizki.wordpress.com) Banyak pandangan yang meyebutkan bahwa pengelolaan sampah merepotkan. Namun hal tersebut dapat menjadi masalah serius di dalam perkotaan ketika timbunan sampah tersebut tidak segera terangkut menuju TPA. Sampah perumahan terdiri atas sampah organik, plastik (plastik keras, plastik lunak), kertas (HVS, boncos, kardus), tekstil, kaca/gelas, kaleng, styrofoam, kayu, logam, dan campuran. Menurut Bank Dunia (1999), sampah perkotaan meemiliki komponen sampah yang paling banyak adalah sampah organik 70.2% dan 29.8% sampah anorganik.

Pemanfaatan sampah dapat dilakukan dengan beberapa cara disesuaikan dengan jenis sampah yang ada. Untuk sampah organik dapat dimanfaatkan untuk kompos, biogas, dan pupuk cair. Sedangkan sampah an organik seperti plastik, kaleng dan kaca dapat di daur ulang untuk keperluan lain. Namun juga terdapat sampah-sampah yang harus dimusnahkan. Sampah-sampah tersebut yaitu, sampah medis yang mengandung bakteri atau virus, serta sampah-sampah kemasan yang bersifat toxic (beracun).

Pemusnahan sampah-sampah tersebut dapat dilakukan dengan pembakaran.

Gambar 2. Pembakaran sampah terbuka (www.kompas.com)

2

Proses pembakaran sampah pada ruang terbuka (pekarangan rumah atau kebun ) dapat menyebabkan pembakaran tidak terkontrol dan gangguan lingkungan sekitar. Hal tersebut dilakukan oleh masyarakat pada umumnya karena merasa terganggu dengan timbunan sampah. Karena timbunan sampah tersebut juga mengganggu masyarakat dengan bau dan memakan tempat yang cukup besar.

Salah satu solusi dalam penanganan sampah berupa pembakaran adalah menggunakan alat atau instalasi pembakar sampah (incinerator). Penggunaan alat pembakar sampah (incinerator) selain dapat mengurangi dampak negatif proses pembakaran (asap,asap, bau, radiasi panas), juga akan membuka kemnungkinan upaya pemanfaatan energi panas hasil pembakaran sampah tersebut. Suhu yang dihasilkan pada proses pembakaran dalam incinerator dapat mencapai 815-1095^oC, berpotensi dimanfaatkan untuk sterilisasi alat-alat kesehatan di rumah sakit, air hangat untuk mandi atau kebutuhan lainya, serta proses pengeringan atau pemanasan bahan. Incinerator yang telah beredar di masyarakat masih dalam kapasitas yang besar sehingga masih memerlukan tempat penampungan yang besar sehingga masih cukup mengganggu masyarakat sekitar. Karena hal tersebut menyebabkan masyarakat membakar sampah secara bebas yang menyebabkan gangguan di masyarakat. Sehingga diharapkan dengan adanya incinerator dengan kapasitas yang kecil permasalahan tersebut dapat teratasi.

Gambar 3. Diagram alir Pengelolaan Sampah (Murarka,1987) Sanitary Landfill

Incinerator Sumber Timbulan

Sampah Swakelola / Prakarsa

Masyarakat

Proses Pemisahan

Proses Pemilahan

Sampah Anorganik Sampah Organik

Tak Layak Daur Ulang

Layak Daur Ulang

Layak Kompos Tak Layak

Kompos

Residu

Abu Pilihan Campuran

3

B.

TUJUAN

Tujuan penelitian ini adalah ;

1. Merancang alat pembakar sampah (incinerator) sebagai pembakar sampah yang baik dan dilengkapi dengan sistem pemanfaatan panas yang dihasilkan.

2. Menguji unjuk kerja alat pembakar sampah (incinerator) yang telah dirancang tersebut.

4 II. TINJAUAN PUSTAKA

A. SAMPAH

Sampah adalah sisa-sisa atau residu yang dihasilkan dari suatu kegiatan atau aktivitas . kegiatan yang menghasilkan sampah adalah bisnis, rumah tangga pertanian dan pertambangan (Murarka, 1987). Sampah teridri atas sampah dalam bentuk padatan, cairan dan gas.

Tabel 1. Komposisi Sampah di kota Jakarta, Bandung, dan Surabaya

NO. JENIS SAMPAH PRESENTASE

1 Organik 70.2%

2 Kertas 10.9%

3 Kaca 1.70 %

4 Plastik 8.7%

5 Logam 1.80%

7 Lain-lain 6.2%

Sumber: Bank Dunia 1999

Mnurut Kementerian Lingkungan Hidup (2004), setiap harinya sampah yang dihasilkan setiap orang rata-rata sebesar 2.39 liter/kapita/hari. Dengan demikian jika dalam rukun tetangga terdapat 20 rumah dengan masing-masing rumah terdapat 4-5 orang maka setiap rukun tetangga tersebut sudah menghasilkan 239 liter sampah padatan.

Sampah padatan sering menjadi masalah bagi beberapa kota besar di Indonesia. Dalam penanganan sampah tersebut kota-kota besar tersebut melakukan pengumpulan dan membuang sampah di daerah pinggiran kota. Penanganan sampah di kota besar meliputi kegiatan pengumpulan, pengangkutan dan pembuangan akhir. Namun di beberapa daerah sampah juga dibakar secara langsung.

Penanganan sampah menurut Pitchel (2005) yaitu dengan cara penimbunan (sanitary land filling), pembakaran (incineration), dan daur ulang (recycling).

B. ALAT PEMBAKAR SAMPAH

Incinerator adalah alat yang digunakan untuk proses pembakaran sampah baik dalam bentuk padatan, cairan atau gas. Alat ini berfungsi untuk merubah bentuk sampah menjadi ukuran yang lebih kecil. Perubahan ukuran tersebut dapat mencapai 50-90% dari volume sebelumnya. Selain itu alat pembakar sampah di beberapa negara juga dijadikan sebagai pembangkit listrik dengan memanfaatkan energi yang berasal dari pembakaran sampah tersebut dikonversikan menjadi energi listrik.

Alat pembakar sampah (incinerator) terdiri dari 2 tipe berdasarkan metode pembakarannya yaitu, tipe kontinyu dan tipe batch. Pada alat pembakar sampah tipe kontiyu sampah diamsukkan terus menerus dan bergerak secara kontinyu dengan melewati proses pembakaran dan pembuangan sisa pembakaran. Sedangkan pada tipe batch, sampah dimasukkan hingga mencapai kapasitas dari alat pembakar tersebut dan akan mengalami proses pembakaran hingga didapat sisa pembakaran dalam satu waktu.

5

Gambar 4. Incinerator tipe batch. (www.ec.gc.ca)

Gambar 5. Incinerator tipe kontinyu (http://www.e-steamboilers.com)

Pemanfaatan panas alat pembakar sampah sebagai pemanas air sebelumnya telah dilakukan oleh Budiman (2001), dengan menggunakan pipa penukar panas sepanjang 3 m.

Pada alat pembakar panas itu menghasilkan panas yang dapat digunakan untuk keperluan rumah tangga. Alat pembakar sampah yang dirancang Budiman (2001) juga dilengkapi

6

dengan ruang pengendapan zat padat. Namun ruangan tersebut belum dimanfaatkan untuk meningkatkan effisiensi thermal sistem incinerator. Memiliki fungsi untuk membakar sampah sehingga syarat-syarat incinerator adalah mampu membakar sampah secara sempurna dan habis serta tidak meminimalisir dampak negatif untuk lingkungan sekitar.

Alat pembakar sampah (incinerator) dalam pengoperasiannya pembakaran yang berlangsung dapat menghasilkan temperatur sebesar 815^oC hingga 1095^oC (Pichtel, 2005).

Dalam merancang incinerator hal-hal yang perlu dipertimbangkan adalah jumlah udara yang diperlukan dalam pembakaran, sistem pembakaran awal, jumlah sampah yang akan dibakar, serta bagaimana pengelolaan asap yang dihasilkan oleh pembakaran agar tidak mencemari lingkungan.

C. PEMBAKARAN BIOMASSA

Pembakaran adalah proses beraksinya bahan bakar (biomassa, minyak, dll.) dengan oksigen atau dengan istilah lain disebut oksidasi. Pada reaksi pembakaran terjadi 2 jenis pambakaran, yaitu pembakaran sempurna dan pembakaran habis. Pembakaran habis merupakan reaksi pembakaran yang terjadi hingga seluruh bahan bakar mengalami proses pembakaran. Sedangkan pembakaran sempurna terjadi ketika jika semua karbon beraksi dengan oksigen sehingga karbon yang mengalami proses oksidasi akan menjadi CO2. 1. Jumlah Udara Pembakaran

Pembakaran secara sempurna dipengaruhi oleh jumlah udara yang dibutuhkan untuk proses pembakaran di incinerator. Jumlah udara yang dibutuhkan dapat didekati dengan melalui perbandingan kebutuhan udara dan bahan dalam reaksi pembakaran biomassa dan melalui pendekatan kandungan karbon dan hidrogen dalam bahan bakar.

Menurut Pichtel (2005) reaksi pembakaran biomassa secara umum adalah sebagai berikut:

CaHbOcNd + (a+b/4-(c-d)/2 O2 aCO2 +b/2H2O + dNO...(1) Menurut Perry dan Chilton (1973) kebutuhan oksigen untuk proses pembakaran dipengaruhi oleh presentase kandungan karbon dan hidrogen dalam bahan bakar.

Volume O2 yang dibutuhkan untuk pembakaran 1 kg karbon adalah 1.96 m³ sedangkan O2 yang dibutuhkan untuk membakar 1 kg hidrogen adalah 5.85 m³ (Perry dan Chilton, 1973)

Dalam pembakaran, oksigen biasanya didapat dari udara bebas. Oksigen yang terkandung di dalam udara adalah 21 % dari total udara bebas. Kebutuhan udara minimum untuk proses pembakaran dapat dihitung melalui persamaan berikut:

(( ) ( )) ( ) Wmin = Kebutuhan udara minimum (m³/kg bahan bakar)

C = Kandungan karbon dalam bahan bakar (%) H` = Kandungan hidrogen dalam bahan bakar (%)

Laju pembakaran (Bbt) dapat dihitung melalui perbandingan bobot bahan bakar yang akan dibakar (m) dengan waktu pembakaran (t).

Bbt = m/t ... (3) Bbt = Laju pembakaran (kg /jam)

m = Bobot bahan bakar (kg) t = Waktu pembakaran (kg/jam).

Debit udara yang yang dibutuhkan untuk pembakaran dapat dihitung dengan mengalikan jumlah kebutuhan udara minimum dengan laju pembakaran.

Qud = Wmin X Bbt ... (4)

7

Qud = Debit udara (m³/jam)

Wmin = Kebutuhan udara minimum (m³/kg bahan bakar) Bbt = Laju pembakaran (kg/jam)

Menurut Abdullah et al. (1998) debit udara pada proses perancangan untuk pembakaran perlu ditambahkan kelebihan udara sebesar 40% dari total debit udara yang dibutuhkan secara teoritis.

Q = Qud (1+40%) ...(5) Q = Debit udara perancangan (m³/detik)

Dalam pembakaran sampah dalam alat pembakar sampah adalah jumlah oksigen yang harus masuk ke dalam ruang pembakaran. Karena hal tersebut akan mampengaruhi kesempurnaan pembakaran. Selain itu permulaan pembakaran juga harus diperhatikan baik jenis dan panass yang dibutuhkan untuk memulai pembakaran.

2. Panas Pembakaran

Energi panas yang dihasilkan oleh suatu proses pembakaran dapat diduga besarnya melalaui beberapa pendekatan diantaranya melalui pendekatan pancaran panas dari hasil pembakaran dan pendekatan nilai kalor yang dikandung oleh bahan bakar per massa bahan bakar.

a. Pendekatan jumlah energi panas pembakaran berdasarkan pancaran gas hasil pembakaran didekati melalui sifat radiasi gas yang menyerap. Menurut McCabe et. al. (1999) gas-gas yang dihasilkan dalam proses pembakaran memiliki kemampuan untuk memancarkan atau meyerap panas. Besarnya energi yqng dipancarkan atau diserap tersebut dapat dicari melalui persamaan berikut:

( ) q = Energi panas (Watt)

σ = Tetapan Boltzman (95.672 X 10^-8 Watt/m^2oK⁴) TG = Suhu absolut gas (^oK)

εG = Emisivitas gas

A = Luas permukaan yang menyerap panas (m²)

b. Pendekatan energi panas yang dihasilkan oleh suatu proses pembakaran adalah melalui nilai kalor yang dikandung oleh bahan bakar. Besarnya energi panas hasil pembakaran tersebut dapat dicari melalui persamaan berikut:

̇ ... (7) ̇ = laju massa bahan bakar (kg/s)

Nkl = Nilai kalor bahan bakar (J/kg)

Energi panas yang dihasilkan pada alat pembakar sampah ini dapat dimanfaatkan untuk menaikkan suhu air dengan mengunakan alat pemindah panas. Pada penelitian ini digunakan pipa besi sebagai alat penukar panasnya.

3. Penanganan Gas Hasil Pembakaran

Dalam proses pembakaran yang dihasilkan gas-gas buang (asap) yang memliki kandungan bahan padat. Untuk itu diperlukan penanganan agar gas buangan tersebut bersih dan tidak mencemari lingkungan. Penanganan gas tersebut dapat dilakukan dengan menambahkan cerobong dan ruangan penyaringan bahan padatan pada gas.

8

Menurut Porges dan Porges (1979) di dalam Budiman (2001) luas cerobong asap dapat didekati dengan persamaan berikut:

( ) A = Luas Lubang Cerobong (m2)

Qc = Debit gas hasil pembakaran pada cerobong (m³/detik) V = Kecepatan gas (m/detik)

Sedangkan tinggi cerobong dapat dihitung dengan persamaan berikut:

( ) ( )

hd =Tekanan udara dalam ruang pembakaran (mm.air) Hc = Tinggi cerobong (m)

T1 = Suhu diluar cerobong (^oK) T2 = Suhu didalam cerobong (^oK)

Suhu yang terjadi umumnya pada alat pembakar sampah berkisar antara 600 ^oC hingga 800^oC. Dengan suhu pembakaran seperti itu maka ruang pengendapan zat padat akan berkisar antara 400 hingga 500^oC. Dengan suhu seperti itu dapat digunakan untuk pengeringan sampah yang memiliki kadar air diatas 70% dan disalurkan ke heat exchanger yang dapat digunakan untuk memanaskan fluida yang. Beberapa alat pembakar sampah menggunakan ruang tersebut untuk membakar kembali zat padat yang masih tersisa.

D. SISTEM PINDAH PANAS

Pindah panas adalah perpindahan energi dari suatu bidang kebidang yang lain dengan disertai perubahan temperatur pada dua bidang tersebut (McCabe et al, 2005). Pindah panas dapat terjadi dengan 3 metode, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Pindah panas pada pipa yang dipanaskan secara langsung akan mengalami proses konduksi dan konveksi.

1. Konduksi

Jika dalam suatu bahan mengalir terdapat gradien suhu, maka kalor akan mengalir tanpa disertai oleh sesuatu gerakan zat. Aliran kalor tersebut disebut dengan konduksi.

(McCabe et al, 2005). Menurut Ҫengel (2003) secara umum besaran kalor dapat dalam konduksi dapat dihitung melalui persamaan berikut:

( )

Besarnya nilai dT/dr dipengaruhi bentu bidang tempat pindah panas terjadi. Untuk silinder berlubang menurut Singh (1992) dapat nilainya dapat dicari dengan persamaan berikut:

( ) ( )

Dari persamaan diatas maka besarnya kalor yang dipindahkan pada bidang silinder berlubang atau pipa adalah:

( ) ( )

9

ri = Jari-jari dalam pipa (m) ro = Jari-jari luar pipa (m) L = Panjang pipa (m)

k = konduktivitas panas (Watt/m^oK) (Ti –To) = Perbedaan pipa luar dan pipa dalam (^oK) 2. Konveksi

Bila arus partikel-partikel utama pembentuk fluida melintas suatu permukaan tertentu, seperti umpamanya, bidang batas suatu volume kendaliarus akan ikut membawa serta jumlah tertentu entalpi. Aliran entalpi tersebut disebut dengan konveksi. (McCabe et al, 2005). Menurut Ҫengel (2003) nilai kalor yang dipindahkan melalui konveksi dapat menggunakan persamaan berikut:

( ) ( ) q = kalor yang dipindahkan (Watt)

h = koefisien pindah panas konveksi (Watt/m² K) A = luas permukaan dinding (m²)

(Ts - T∞) = perbedaan suhu dinding dengan suhu fluida (^oK)

Menurut Lienhard IV dan Lienhard V (2011) konveksi dapat dibedakan menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi bebas adalah perpindahan panas yang terjadi dimana aliran fluida bergerak dengan pengaruh gravitasi tanpa pengaruh eksternal yang lain. Sedangkan konveksi paksa adalah proses pindah panas dimana fluida bergerak dengan disengaja dan diatur kecepatan dan debitnya. Berdasarkan jenis aliranya konveksi dapat dabagi menjadi dua, yaitu konveksi pada aliran laminer dan konveksi pada aliran turbulen.

Menurut Lienhard IV dan Lienhard V (2011) konveksi pada pipa dipengaruhi oleh bilangan reynold yang dapat dicari dengan persamaan berikut:

( )

Menurut Lienhard IV dan Lienhard V (2011) konveksi pada pipa dengan jenis aliran turbulen secara konveksi paksadipengaruhi NuD dan nilai St melalui persamaan berikut :

( ) Persamaan tersebut berlaku jika memenuhi syarat sebagai berikut:

a. Semua nilai dari sifat panas fluida berdasarkan suhu rata-rata

b. Nilai n = 0.3 jika fluida didinginkan, sedangkan nilai n = 0.4 jika fluida dipanaskan.

c. Nilai Re harus lebih besar dari 10⁴ d. Nilai Pr terletak antara 0.7 sampai 100 e. Perbandingan antara L dengan D lebih dari 60

Nilai koefisien pindah panas secara konveksi dapat dihitung melalui persamaan berikut:

( ) h = koefisien pindah panas secara konveksi (W/m^2oK) k = koduktivitas panas fluida (W/m^oK)

D = Diameter Pipa (m)

10

Suhu rata-rata pindah panas yang terjadi dapat dihitung dengan persamaan berikut (Purwadaria et al. 1996):

( )

( ) Tf = suhu rata-rata (^oK)

T∞ = suhu pemanasan bahan (^oK) Ti = Suhu fluida saat masuk (^oK) To = suhu fluida saat keluar (^oK)

Menurut Purwadaria et al. (1996) panjang pipa dalam suatu sistem pindah panas secara konveksi dapat didekati melalaui persamaan berikut:

(

) ( )

St = Bilangan Stanton L = Panjang pipa (m) D = Diameter pipa (m)

T∞ = Suhu pemanasan bahan (^oK) Ti = Suhu fluida masuk (^oK) To = Suhu fluida keluar (^oK)

11 III. METODE PENELITIAN

A. TAHAPAN PENELITIAN

Pada penelitian kali ini akan dilakukan perancangan dengan sistem tetap (batch) . Kemudian akan dialukan perancangan fungsional dan struktural sebelum dibuat prototipenya.

Bagan alirnya sebagai berikut:

Gambar 6. Bagan Alir Penelitian

B. PERANCANGAN ALAT PEMBAKAR SAMPAH (INCINERATOR)

Alat pembakar sampah ini harus mampu membakar secara sempurna dan habis sampah yang masuk ke dalam alat pembakar sampah. Pembakaran secara sempurna berkaitan dengan jumlah oksigen yang masuk ke dalam ruang pembakaran serta ketepatan dalam melakukan pembakaran pertama. Perancangan alat pembakar sampah diawali dengan menentukan parameter-parameter perancangan. Parameter yang harus diketahui yaitu volume ruang pembakaran, jumlah udara yang dibutuhkan dalam pembakaran, jenis sampah yang akan di bakar, serrta jumlah sampah yang akan dibakar. Prinsip kerja alat pembakar sampah ini adalah dengan menempatkan sampah pada ruang pembakaran, kemudian pembakaran awal dimulai dengan menyulut api pada potongan sampah yang mudah terbakar dan menempatkan pada kasa penyulut api. Hal tersebut dilakukan agar pembakaran merata. Kebutuhan udara selama pembakaran akan dipenuhi dengan masuknya udara melalui lubang udara yang telah disesuaikan dengan kebutuhan udara. Diharapkan pembakaran yang terjadi secara sempurna.

B.1. PENDEKATAN RANCANGAN

Instalasi alat pembakar sampah (incinerator) yang dirancang merupakan salah satu sistem pengelolaan sampah perkotaan terutama di parkantoran dalam hal ini dikhususkan pada Fateta IPB. Sampah perkantoran berupa sampah padat yang terdiri dari, kertas, daun kering, kayu, sisa makanan, plastik dan lain-lain. Proses

Penentuan parameter perancangan

Perancangan fungsional dan struktural

Pembuatan Alat

Penentuan parameter pengujian

Pengujian unjuk kerja alat

Analisa hasil unjuk kerja dan rekomendasi

Selesai

12

pembakaran yang diharapkan merupakan proses pembakaran sempurna dan pembakaran habis.

Alat yang dirancang diharapkan mempunyai banyak keuntungan yaitu, konstruksinya sederhana sehingga tidak terlalu sulit dalam membuatnya. Bahan konstruksinya mudah didapat sehingga penggantian komponen yang rusak atau aus lebih mudah dilakukan. Bentuk dan ukuran tidak memerlukan ruangan yang besar.

Biaya relatif ringan dan meminimalisir dampak terhadap lingkungan.

Pembakaran yang berlangsung dalam alat pembakar sampah (incinerator) menghasilkan panas yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif.

Untuk memanfaatkan panas tersebut maka dirancang alat penukar panas. Sistem ini dimanfaatkan untuk memanaskan air yang dialirkan melalui pipa. Sistem penukar panas yang terjadi adalah konduksi pada permukaan pipa dan konveksi paksa yang terjadi di aliran air dalam pipa.

B.2. RANCANGAN FUNGSIONAL

Alat pembakar sampah (icinerator) yang akan dirancang adalah alat pembakar sampah tipe batch. Dalam merancang incinerator hal-hal yang perlu dipertimbangkan adalah jumlah udara yang diperlukan dalam pembakaran, sistem pembakaran awal, jumlah sampah yang akan dibakar, serta bagaimana pengelolaan asap yang dihasilkan oleh pembakaran agar tidak mencemari lingkungan. Pada prinsipnya model alat pembakar sampah yang dirancang dapat dibagi menjadi 6 bagian yaitu, ruang pembakaran, kasa penyulut api, cerobong asap, lubang udara, sistem penukar panas, ruang pengendapan zat padat dan selang air masuk serta selang air keluar.

Tabel 2. Rancangan Fungsional Alat Pembakar Sampah

No Nama Bagian Fungsi

1 Ruang Pembakaran Tempat terjadinya pembakaran yang dilengkapi dengan sistem pemasukan dan pengeluaran hasil pembakaran. Pemasukan melalui bagian atas pembakaran dan pengeluaran melalaui bagian bawah ruang pembakaran

2 Kasa Penyulut Api Tempat penyulutan api pertama agar terjadi pembakaran sempurna

3 Cerobong Asap Tempat pengeluaran asap selama proses pembakaran berlangsung. Dirancang terpisah dari ruang pembakaran agar tidak mengganggu pemasukan sampah dan bahan padat yang terbawa asap dapat diendapkan terlebih dahulu

4 Lubang Udara Sebagai tempat masuknya udara yang dibutuhkan dalam pembakaran. Lubang udara terletak di bagian bawah ruang pembakaran dan terletak di dinding ruang pembakaran.

5 Sistem Penukar

Panas Sistem pemanfaatan energi panas yang dihasilkan.

Dalam desain ini menggunakan pipa yang dapat menerima panas melalui konduksi dan meneruskan ke aliran air dalam pipa melalui konveksi paksa.

6 Ruang Pengendapan Zat Padat Asap

Ruang pengendapan zat padat asap ini berfungsi untuk membuat asap mengalami siklonisasi sehingga zat-zat padat asap mengalami pengendapan di ruang ini.

Ruangan ini juga dilengkapi dengan pinti masukan dan pintu keluaran yang dapat digunakan untuk memanfaatkan panas yang ada pada ruangan ini.

13

B.3. RANCANGAN STRUKTURAL

Pembakar sampah (incinerator yang akan dirancang memiliki 6 bagian yaitu, ruang pembakaran, kasa penyulut api, cerobong asap, lubang udara, sistem penukar panas, dan ruang pengendapan zat padat.

B.3.1. Ruang Pembakaran

Sampah yang dihasilkan oleh Rukun Tetangga dalamperumahan perkotaan selama sehari sejumlah 239 liter. Dengan asumsi setiap kapita menghasilkan sampah sebesar 2.39 liter/ hari dan terdapat 20 rumah dalam satu RT dimana masing-masing rumah terdapat 4-5 orang, maka volume ruang pembakaran yang dibutuhkan sebesar:

Dari hasil tersebut maka ukuran ruang pembakaran adalah 70 x 70 x 60 cm.

Dinding ruang pembakaran tersebut dibuat dengan menggunakan plat esier dengan ketebalan 2 mm agar ketika ruang pembakaran tersebut dipenuhi oleh sampah bentuk ruang pembakaran tidak mengalami perubahan. Sedangkan bagian lantai diunakan plat esier dengan ketebalan 5 cm agar tidak mudah terkikis selama proses pembakaran.

B.3.2. Kasa Penyulut Api

Kasa penyulut api ini digunakan sebagai tempat peyulutan api pertama sehingga diharapkan pembakaran dapat terjadi dengan sempurna. Kasa penyulut api berdiameter 100 mm dan tinggi 500 mm. Hal tersebut diharapkan dapat menyebabkan pembakaran sempurna yang merata di setiap bagian dari ruang pembakaran. Kasa yang digunakan adalah kasa baja agar tidak mudah rusak pada suhu tinggi selama pembakaran. Kasa pembakaran ini berbentuk tabung dan diletakkan di tengah-tengah ruang pembakaran aga pembakaran awal yang terjadi merata sehingga menyebabkan pembakaran selanjutnya dapat menyebar ke segala arah.

.

B.33. Cerobong Asap

Cerobong asap sebagai tempat pengeluaran asap ini terpisah dari bagian ruang pembakaran. Selain itu juga terdapat sekat pemisah antara bagian ruang pembakaran dan cerobong asap hal tersebut dimaksudkan agar terjadi pengendapan material- material berat yang terkandung dalam asap. Cerobong asap ini dirancang dengan diameter 150 mm dan tinggi 1800 mm. Cerobong asap dibuat dengan menggunakan plat seng dengan ketebalan 1.5 mm. Hal tersebut dilakukan agar asap yang keluar tidak mengganggu lingkungan sekitar.

B.3.4. Lubang Udara

Lubang udara sebagai tempat masuknya oksigen yang dibutuhkan selama pembakaran memiliki peran sentral untuk menghasilkan pembakaran yang sempurna. Lubang udara ini dapat didekati dengan kebutuhan udara selama pembakaran yang dihitung dengan jumlah C sebesar 15-30% dan H sebesar 2-5 % (Pichtel, 2005)

(( ) ( ))

(( ) ( )) ⁄

14

Laju pembakaran (Bbt) dapat dihitung melalui perbandingan bobot bakar yang akan dibakar (m) dengan waktu pembakaran (t).

Diasumsikan massa jenis sampah sebesar 100kg/m³, Maka bobot sampah akan bernilai 25 kg

kg/jam

Debit udara yang yang dibutuhkan untuk pembakaran dapat dihitung dengan mengalikan jumlah kebutuhan udara minimum dengan laju pembakaran.

⁄ ⁄

Menurut Abdullah et al. (1998) debit udara pada proses perancangan untuk pembakaran perlu ditambahkan kelebihan udara sebesar 40% dari total debit udara yang dibutuhkan secara teoritis.

( ) ( ) ⁄ Dengan perhitungan pada Lampiran 6. kecepatan udara sebesar 1.105 m/detik maka dibutuhkan luasan lubang sebesar:

Lubang udara didesain dengan satu jenis lubang dengan diameter lubang sebesar 0.02 m maka dalam incinerator yang akan di desain memiliki lubang sebanyak 21 buah. Lubang terletak di bagian bawah dan dinding ruang pembakaran. Jumlah lubang yang berada di bawah ruang pembakaran sebanyak 9 buah dan terdapat 4 buah lubang di dinding depan dan 6 buah di masing-masing dinding samping.

Lubang udara tersebut diletakkan di berbagai sisi dikarenakan agar udara yang mengandung oksigen dapat masuk dari segala arah sehingga menyebabkan pembakaran yang merata dan sempurna.

B.3.5 SISTEM PINDAH PANAS

Pada rancangan alat pembakar sampah (incinerator) sistem pindah panas digunakan konveksi dan radiasi. Sistem pindah panas yang digunakan tanpa melalui fluida lain atau secara langsung. Pada rancangan kali ini digunakan untuk debit aliran sebesar 5 liter/ menit. Dengan kecepatan air dalam pipa sebesar 0.658 m/detik dengan diameter pipa sebesar 1.27 cm. Dengan suhu pemanasan pipa sebesar 100^oC, suhu air awal sebesar 27^oC dan suhu air hasil pemanasan yang diinginkan sebesar 40^oC maka dalam mendesain panjang pipa didekati dengan:

1. Suhu rata-rata

( )

( )

2. Bilangan Reynold

Melalui nilai suhu rata-rata, ddapatkan nilai v = 0.43385 X 10^-6 m²/detik dan nilai Pr adalah 2.6865 (Heldman dan Singh, 2009), bilangan Reynold dapat diketahui dengan:

3. Nilai Stanton

Nilai Stanton dapat dicari dengan persamaan berikut:

( )

15

4. Panjang Pipa

Panjang pipa dapat didekati dengan persamaan berikut:

(

) ( )

(

)

(

) Pipa penukar panas ini diletakkan pada dinding ruang pembakaran agar pipa-pipa tersebut tidak mengganggu dalam proses pemasukan sampah. Selain itu, pipa-pipa tersebut juga dapat digunakan sebagai pelapis dinding agar panas tidak keluar ke lingkungan.

B.3.6. RUANG PENGENDAPAN ZAT PADAT ASAP

Ruang pengendapan zat padat didesain dengan ukuran 70 X 20X70. Ruang pengendapan zat padat asap ini dilengkapi dengan lubang pemasukan asap, cerobong yang masuk ke dalam ruang pengendapan zat padat asap, serta pintu masukan dan pintu pengeluaran bahan untuk memanfaatkan panas yang ada.

Cerobong asap masuk ke dalam ruang pengendapan zat padat asap diharapkan dapat membuat cyclone pada asap sehingga zat padat asap tidak menuju cerobong namun mengendap pada ruangan ini.

C. UJI UNJUK KERJA ALAT PEMBAKAR SAMPAH (INCINERATOR)

Pengujian unjuk kerja alat pembakar sampah (incinerator) meliputi penentuan parameter unjuk kerja alat dan pengujian alat.

1. Penentuan Parameter Unjuk Kerja Alat Pembakar Sampah (incinerator)

Parameter-parameter unjuk kerja alat pembakar sampah yang diukur dalam unjuk kerja alat berdasarkan analisa unjuk kerja alat. Analisa unjuk kerja alat terdiri dari penyebaran suhu, laju pembakaran, kualitas asap hasil pembakaran, suhu air hasil pemanasan.

a. Penyebaran Suhu

Hasil dari pengukuran penyebaran suhu ini akan menunjukkan proses pembakaran yang terjadi berlangsung merata atau tidak. Parameter yang diukur meliputi suhu ruang pembakaran suhu pipa sistem pindah panas, suhu dinding alat, suhu cerobong, suhu air masuk dan suhu air keluar.

b. Laju Pembakaran

Parameter yang diukur dalam analisa laju pembakaran adalah bobot sampah sebagai bahan bakar dan lama pembakaran. Laju pembakaran tersebut dihitung dengan membandingkan bobot sampah (m) yang dibakar dengan waktu pembakaran (t).

( ) ( ) c. Kualitas Asap Hasil Pembakaran

Proses pembakaran berlangsung dengan baik atau mendekati sempurna ketika keberadaan asap dapat diminimalisir. Selain itu jika terdapat asap, asap tersebut menimbulkan dampak negatif yang relatif kecil. Kualitas asap pembakaran dapat dilihat dari warna asap, bau asap, dan kadar zat yang dibawa terbang . penentuan kualitas asap akan dilakukan dengan melakukan pengamatan pada proses pembakaran. Parameter yang yang diuji menurut Susanto (2001) adalah warna asap,

16

bau asap, kadar zat terbang, serta gangguan yang ditimbulkan oleh asap yang dihasilkan dari pembakaran.

d. Suhu Air Hasil Pemanasan

Suhu air hasil pemanasan digunakan untuk mengetahui effisiensi dari pinah panas yang dihasilkan pada prosess pembakaran. Parameter yang diukur adalah suhu air ketika masuk, suhu air setelah pemanasan dan suhu pipasistem pidah panas.

Parameter tersebut diukur dengan menggunakan termokopel dan recorder.

2. Pengujian Alat

Pengujian ini dilakuakan dengan melakukan proses pembakaran pada incinerator.

Proses pembakaran dilakukan percobaan sebanyak 6 kali. Data yang dicantumkan merupakan 4 data terbaik. Umpan yang digunakan berupa sampah perumahan berupa sampah kertas, plastik dan daun-daun kering. Air yang digunakan barupa air sumur dengan debit 3 l/menit.

a. Metoda Pengambilan Data

Pengambilan data dilakukan dengan menempatkan alat pengukur suhu (termokopel) pada 8 titik pengukuran yaitu di ruang pembakaran, pipa penukar panas, dinding ruang pembakaran, ruang pengendapan zat padat asap, selang air masuk, selang air keluar, cerobong asap dan lingkungan. Hal tersebut dilakukan untuk mengetahui sebaran suhu yang dihasilkan selama proses pembakaran sampah. Pada ruang pembakarn terdapat dua titik pengukuran hal tersebut dilakukan agar dapat dilihat perbandingan temperatur pada ruang pembakaran bagian atas dengan ruang pembakaran bagian bawah. Pengukuran suhu pada ruang penegdapan zat padat asap dilakukan untuk mengetahui suhu asap yang berada pada ruangan tersebut sehingga dapat terlihat temperatur ruangan tersebut untuk dapat dianalisis pemanfaatanya.

Gambar 7. TitikPengukuran 1 1 2

3 4

6 5

7

17

Tabel 3. Titik Pengambilan Data

No. Bagian Jumlah Titik Pengukuran

1 Ruang Pembakaran 2

2 Pipa Penukar Panas 1

3 Dinding Ruang

Pembakaran 1

4 Ruang Pengendapan Zat

Padat Asap 1

5 Selang Air Masuk 1

6 Selang Air Keluar 1

7 Cerobong Asap 1

8 Suhu Lingkungan 1

b. Prosedur Pengujian

1. Memasang alat ukur suhu pada alat pemanas air

2. Menimbang sampah kering yang telah disiapkan untuk dibakar

3. Mengukur kadar air sampel sampah kering yang akan dimasukkan ke dalam alat pembakar sampah dan batok kelapa yang akan di arangkan

4. Memasukkan sampah ke dalam alat pembakar sampah hingga memenuhi deluruh ruang pembakaran.

5. Memasukkan batok kelapa ke dalam ruang pengendapan zat padat asap 6. Mulai membakar sampah dengan menggunakan korek dan memasukkan ke

kasa pembakaran.

a. Pada percobaan I dan II setelah api menyala pada pagian bawah kemudianmenutup pintu alat pembakar sampah

b. Pada percobaan III dan IV setelah api menyala kemudian ditunggu hingga api merata hingga ada jilatan api keluar pintu, kemudian menutup pintu pemasukan.

7. Mengatur laju aliran air.

8. Kemudian mulai menyalakan recorder.

9. Tunggu hingga api pada ruang pembakaran mati kemudian, kemudian lihat suhu pada ruang pengendapan zat padat apabila sudah dibawah 70^oC, maka pintu pengeluaran abu sudah dapat dibuka.

D. TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN

Rancangan alat dan uji unjuk kerja alat pembakar sampah (incinerator) dilakukan di bengkel Departemen Teknik Mesin dan Biosistem dan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor.

Rancangan alat akan dilakukan pada bulan April 2011 sampai dengan bulan Mei 2011.

Sedangkan uji unjuk kerja akan dilakukan pada bulan Juli 2011 E. ALAT DAN BAHAN PENELITIAN

1. ALAT

Peralatan yang digunakan untuk membuat alat adalah peralatan perbengkelan yang menunjang modifikasi alat. Sedangkan peralatan yang digunakan dalam uji unjuk kerja alat adalah termokopel batang tipe K untuk suhu pembakaran, termokopel tipe CA dan termokopel tipe CC. Recorder tipe MV1000, timbangan, digital moisture tester, anemometer merek Kinomax dan peralatan pelengkap lainnya.

2. BAHAN

Bahan yang digunakan dalam desain alat adalah plat esier tebal 2 mm, plat esier tebal 5 mm, pipa dengan diameter 0.5 inchi, plat seng ukuran 1 mm, dan besi siku.

18

Bahan yang digunakan dalam pengujian alat adalah sampah padat (rumah tangga) berupa sampah organik dan sampah anorganik. Dengan kadar air 16-20%. Sampah padat tersebut diperoleh dari rumah tangga di kampung Babakan, Darmaga, Bogor. Sedangkan air yang digunakan mengunakan air yang berasal dari fasilitas kampus IPB Darmaga.

19 IV. HASIL PERANCANGAN

Dalam hasil perancangan ini telah dihasilkan alat pembakar sampah (incinerator) dengan ukuran ruang 60 X 70 X 70 cm atau memiliki kapasitas sebesar 0.294 m³. Dinding ruang pembakaran di disain dengan mengguankan plat eser dengan ketebalaan 2 mm sedangkan bagian lantai digunakan plat eser dengan ketebalan 5 mm. Hal tersebut dilakukan dengan pertimbangan bagian lantai akan mengalami pembakaran yang memiliki suhu diatas 300 ^oC. Ruang pembakaran ini juga dilengkapi dengan pintu masukan dan pintu keluaran. Pintu masukan berada di atas untuk memudahkan dalam memasukkan bahan. Sedangkan di bagian depan bawah terdapat pintu keluaran untuk memudahkan dalam pengeluaran. Di dalam ruang pembakaran juga dilengkapi dengan kasa pembakaran. Kasa pembakaran berfungsi untuk mempercepat proses pembakaran pertama dan untuk keamanan pada pembakaran pertama.

Gambar 8. Alat Pembakar Sampah Hasil Perancangan

Gambar 9. Dinding Samping

Alat pembakar sampah yang dibuat ini juga dilengkapi dengan ruang asap dan cerobong yang masuk ke dalam ruang pengendapan zat padat asap yang berfugsi untuk juga sebagai cyclone sehingga dapat mengurangi zat-zat padat yang terdapat dalam asap sehingga membuat asap yang

20

keluar dari alat pembakar sampah tidak mengandung zat-zat padat yang dapat mengganggu kesehatan.

Tinggi total cerobong sebessar 180 cm. Hal tersebut dilakukan agar asap berada di ketinggian 200 cm sehingga tidak mengganggu aktivitas yang ada di sekitar alat pembakar sampah.

Dalam ruang asap dilakukan pemanfaatan energi panas untuk melakukan pengarangan pada batok kelapa. Hal tersebut dilakukan karena suhu pada ruang asap mencapai lebih dari 150^oC.

Sehingga pada ruang asap ini juga dilengkapi dengan pintu masukan untuk memudahkan dalam memasukkan bahan yang akan diarangkan dan pintu pengeluaran berfungsi untuk memudahkan dalam pengeluaran hasil pengarangan.

Selain itu alat pembakar sampah ini juga dilengkapi dengan pipa pemanas air. Pipa ini melewati ruang asap dan melingkar mengelilingi dinding ruang pembakaran. Pipa pemanas air ini memiliki panjang sebesar 4 m. Sehingga air hasil pemanasan dari alat pembakar sampah ini dapat dimanfaatkan untuk keperluan rumah tangga.

Gambar 10. Konstruksi Pipa Pemanas Air

Gambar 11. Ruang Pengendap Zat Padat Asap

21 V. HASIL UJI UNJUK KERJA

A. KAPASITAS ALAT PEMBAKAR SAMPAH (INCINERATOR)

Pada uji unjuk kerja dilakukan 4 percobaan untuk melihat kinerja dari alat pembakar sampah yang telah didesain. Dalam percobaan tersebut digunakan sampah rumah tangga yang berasal dari Kampung Babakan, Darmaga, Kabupaten Bogor. Sampah tersebut terdiri atas sampah plastik, kertas dan daun kering. Kapasitas dari ruang pembakaran adalah 0.294 m³. Pada seluruh percobaan dilakukan dengan mengisi penuh ruang pembakaran

Teabel 4. Jumlah, Jenis, dan Kadar Air Sampah yang Digunakan Dalam Pengujian

Massa Sampah (kg) Mayoritas Jenis Sampah Kadar Air Rata-rata (%)

Percobaan I 18.3 70 % Kertas 14.54

Percobaan II 11 70 % Plastik 15.27

Percobaan III 10.8 70 % Plastik 15.13

Percobaan IV 10.5 60 % Plastik 14.52

Dari tabel di atas dapat terlihat bahwa kapasitas dari alat pembakar sampah tersebut antara 10.5 kg hingga 18.3 kg. Keberagaman kapasitas dari alat pembakar sampah ini dikarenakan keberagaman sampah yang ada di dalam alat pembakar sampah ini. Pada percobaan pertama sampah yang diamsukkan ke dalam alat pembakar sampah sebagian besar adalah sampah kertas namun jugaa terdapat sampah yang berjenis plastik ataupun daun kering. Massa jenis kertas bernilai 847.62 kg/m³ . Dengan massa jenis seperti yang lebih besar daripada massajenis rata-rata sampah, maka dengan volume 0.297 m³ kapasitas alat pembakar lebih besar dengan desain yang ada dimana dengan kapasitas tersebut diprediksi mampu menampung 15 kg sampah.

Gambar 12. Perbandingan Berat Sampah yang Digunakan Dalam Pengujian Pada percobaan kedua dimasukkan sampah ke dalam alat pembakar sampah dengan mayoritas sampah plastik dengan kadar air rata-rata sampah sebesar 15.27%. dari percobaan kedua ini massa sampah yang dapat dimasukkan dengan jumlah volume yang sama sebesar 11 kg. Hal tersebut lebih kecil dari yang perkiraan pada proses perancangan deikarenakan massa jenis sampah plastik yang mendominasi sampah yang dimasukkan lebih kecil daripada rata-rata massa jenis sampah. Sedangkan percobaan II memiliki massa yang lebih besar dibandingkan dengan percobaan III dan IV. Hal tersebut terjadi karena kadar air pada percobaan II lebih besar dibandingkan dengan yang lain.

Pada percobaan III sampah yang dimasukkan ke dalam ruang pembakaran sebagian besar adalah sampah plastik. Dari kapasitas alat pembakar sampah tersebut didapatkan

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

1 2 3 4

Berat Sampah (kg)

Percobaan

22

jumlah sampah yang dapat diamsukkan sebesar 10.8 kg. Hal tersebut dikarenakan kadar air yang ada pada sampah yang dimasukkan hanya sebesar 15.13%.

Pada percobaan IV ini masih tetap didominasi oleh plastik namun pada percobaan IV ini juga terdapat sampah yang berjenis daun kering yang memiliki kadar air yang berkisar antara 10-12% yang cukup banyak juga sehingga kadar air rata-rata yang ada pada sampah yang dimasukkan ke dalam ruang pembakaran sebesar 14.42%. Hal tersebut mempengaruhi jumlah massa yang memenuhi ruang pembakaran sehingga hanya 10.5 kg saja yang dapat masuk dan memenuhi ruang pembakaran yang memiliki volume 0.297 m³.

Dari empat percobaan yang telah dilakukan terdapat beberapa hal yang mempengaruhi jumlah massa yang dapat memenuhi ruang pembakaran yang pertama mengenai massa jenis sampah yang mendominasi semakin besar massa jenisnya maka kapasitas alat pembakar sampah ini dapat menampung massa yang lebih banyak. Selain jenis sampah yang mendominasi hal yang mempengaruhi jumlah massa yang dapat memenuhi ruang pembakaran adalah kadar air. Hal tersebut berperan karena dengan semakin besar kadar air sampah yang masuk ke dalam ruang pembakaran maka akan semakin besar massa air yang ikut ke dalam ruang pembakaran.

B. KESEMPURNAAN PEMBAKARAN

Kesempurnaan pembakaran alat pembakar sampah (incinerator) berkaitan dengan sebaran suhu ruang pembakaran, suhu dinding, dan suhu cerobong. Pada Tabel 5 disajikan nilai tertinggi dari suhu pembakaran dan dinding suhu ruang pembakaran

Tabel 5. Nilai tertinggi sebaran suhu ruang pembakaran dan dinding ruang pembakaran Suhu Max.

Ruang Pembakaran Atas

oC

Suhu Max.

Ruang Pembakaran Bawah

oC

Suhu Max.

Dinding

oC

Percobaan I 496 625 123

Percobaan II 413 738 139

Percobaan III 672 472 242

Percobaan IV 635 748 135

Dalam pengujian alat pembakar sampah ini memiliki nilai tertinggi suhu pembakaran pada bagian bawah dan atas pada percobaan IV yaitu 635 dan 748 ^oC. Hal ini disebabkan pada percobaan IV nilai kalor komponen bahan yang mendominasi cukup besar selain itu kadar air pada bahan yang relatif kecil sehingga energi yang digunakan untuk menguapkan air juga berkurang sehingga menghasilkan suhu pembakaran yang tinggi.

Dari percobaan ini dapat dilihat bahwa jumlah lubang udara belum optimum karena suhu pembakaran belum mencapai suhu pembakaran alat pembakar sampah dimana berkisar antara 815^oC-1095^oC. Hal tersebut terjadi karena penempatan lubang udara yang kurang tepat dan di ruang pembakaran terdapat heat exchanger yang menyebabkan penurunan suhu akibat pemanfaatan panas yang ada.

Dari hasil uji unjuk kerja alat pembakar sampah, suhu dinding ruang pembakaran memiliki penyebaran suhu yang hampir sama dengan suhu pembakaran. Tetapi dengan suhu yang lebih rendah. Nilai tertinggi dari dari suhu dinding ruang pembakaran bervariasi antara 123 hingga 242^oC. Perbedaan suhu dinding ruang pembakaran dengan suhu ruang pembakaran dikarenakan berkurangnya energi yang dihasilkan dari pembakaran menuju ke sistem pindah panas dan hilang melalui ruang pengendapan zat padat.

C. LAJU PEMBAKARAN

Laju pembakaran ini diketahui dengan mengetahui jumlah bobot yang terbakar dan lama pembakaran selama pengujian alat pembakar sampah. Pada tabel dapat dilihat nilai kadar air, berat bahan, waktu pembakaran dan laju pembakaran berdasarkan data hasil pengujian alat pembakar sampah.

23

Tabel 6. Data Hasil Pengujian Alat Pembakar Sampah Massa

Sampah

(kg) Jenis Sampah Kadar Air Rata-rata Sampah (kg)

Waktu Pembakaran

(menit)

Laju Pembakaran

(kg/jam)

Percobaan I 18.3 70 % Kertas 14.54 285 3.85

Percobaan II 11 70 % Plastik 15.27 235 2.81

Percobaan III 10.8 70 % Plastik 15.13 95 6.82

Percobaan IV 10.5 60 % Plastik 14.52 95 6.63

Dari data tersebut dapat terlihat bahwa pada percobaan I dan percobaan II dimana pada percobaan tersebut tutup alat pembakar sampah langsung ditutup ketika api sudah menyala laju pembakaran yang terjadi adalah 3.85 kg/jam dengan mayoritas sampah yang di bakar dan 2.81 kg/jam ketika sampah yang dibakar mayoritas plastik. Dari kedua percobaan tersebut terjadi perbedaan dikarenakan kadar air dari sampah pada percobaan II bernilai 15.27% sedangkan pada percobaan I kadar air sampah sebesar 14.54%. Hal tersebut mempengaruhi laju pembakaran dengan semakin besar kadar air maka dalam proses pembakaran akan semakin banyak energi yang digunakan untuk menguapkan air yang terkandung dalam bahan. Selain hal tersebut yang mempengaruhi laju pembakaran adalah mudah atau tidaknya bahan terbakar. Dari hal tersebut kertas lebih mudah terbakar sehingga laju pembakaranya akan semkin besar dibandingkan dengan percobaan II yang didominasi oleh sampah plastik.

Gambar 13. Grafik Laju Pembakaran Sampah

Sedangkan pada percobaan III dan IV dimana pada percobaan tersebut tutup alat pembakar sampah ditutup ketika pembakaran sudah merata, laju pembakaran yang terjadi lebih besar. Hal tersebut terjadi karena udara yang masuk karena tutup alat pembakar sampah belum ditutup menyebabkan api mudah menyebar. Dengan penyebaran api tersebut maka sampah akan lebih cepat terbakar. Laju pembakaran yang terjadi lebih dari 2 kali lipat dibandingkan dengan percobaan II. Bantuan udara di awal menyebabkan terjadinya pembakaran yang merata sehingga memudahkan pembakaran selanjutnya. Pada percobaan III dan IV terjadi perbedaan dalam laju pembakaran yang nilainya tidak begitu jauh. Nilai kadar air pada percobaan IV sebesar 14.52% sedangkan nilai kadar air sampah pada percobaan III sebesar 15.13%. Nilai kadar air pada percobaan IV lebih kecil dibandingkan dengan kadar ir percobaan III, namun laju pembakaran percobaan III lebih besar dibandingkan dengan percobaan IV. Hal tersebut terjadi akibat perbedaan kecepatan angin yang terjadi pada percobaan III dan percobaan IV. Pada percobaan III kecepatan angin rata-rata sebesar 0.078 m/s sedangkan kecepatan angin rata-rata pada percobaan IV lebih kecil sebesar 0.076 m/s . Dengan kecepatan yang lebih besar maka kandungan oksigen yang dibutuhkan dalam pembakaran akan semakin besar sehingga semakin mempercepat pembakaran.

0 1 2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 4

kg/jam

Percobaan

24

Dari percobaan diatas dapat terlihat bahwa laju pembakaran yang terjadi pada alat pembakar sampah dipengaruhi oleh berat bahan yang dibakar, kadar air sampah, dan kecepatan angin saat pembakaran.

D. KUALITAS ASAP HASIL PEMBAKARAN

Alat pembakar sampah (incinerator) dirancang untuk mengurangi polusi yang dapat ditimbulkan oleh pembakaran sampah secara terbuka. Polusi yang dapat ditimbulkan oleh pembakaran secara terbuka adalah zat terbang dalam asap, warna, dan bau asap dapat menimbulkan gangguan terhadap lingkungan di sekitar pembakaran. Pada alat pembakar sampah ini dilengkapi dengan ruang pengendapan bahan padat . selain itu cerobong juga didisain masuk ke dalam ruang pengendapan zat padat. Hal tersebut dilakukan agar asap yang membawa partikel-partikel padat tersebut dapat berputar-putar terlebih dahulu (proses siklomisasi) sehingga partikel-partikel padat yang terbawa oleh asap dapat mengendap terlebih dahulu di ruang pengendapan zat padat. Selain itu di ruang pengendapan zat padat ini juga dimanfaatkan untuk proses pengarangan sehingga suhu yang ada di cerobong akan lebih kecil jika dibandingkan dengan suhu pada ruang pembakaran. Kualitas asap dapat diketahui melalui pengamatan yang disajikan dalam bentuk tabel di bawah ini.

Tabel 7. Suhu dan Kualitas Asap Suhu Tertinggi

Pada Cerobong

oC

Warna Asap Bau Asap Zat Terbang Pada Asap Percobaan I

253 Lebih banyak

putih daripada

hitam Bau Asap Tidak ada zat

terbang Percobaan II

210

Lebih banyak putih daripada

hitam Bau Asap Tidak ada zat

terbang Percobaan III

239

Lebih banyak putih daripada

hitam Bau Asap Tidak ada zat

terbang Percobaan IV

317 Lebih banyak

putih daripada hitam

Bau Asap Tidak ada zat terbang

Gambar 14. Asap Hasil Pembakaran

Berdasarkan data di atas dapat dilihat pada Lampiran 2. Berdasarkan data tersebut sebaran suhu cerobong hampir sama dengan sebaran suhu ruang pembakaran. Perbedaan