BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Bahan Bakar
Bahan Bakar adalah istilah populer media untuk menyalakan api. Bahan bakar dapat bersifat alami (ditemukan langsung dari alam), tetapi juga bersifat buatan diolah dengan teknologi maju, (Ismun, 1993).
Sepanjang sejarah, berbagai jenis bahan telah digunakan sebagai bahan bakar (bergantung pada ketersediaannya di suatu wilayah). Beberapa jenis bahan bakar yang kita gunakan: batu bara, minyak mentah, gas alam, propane, ethanol, methanol, biomassa (Walker, 2008)
2.2. Biomassa
Biomassa adalah bahan organik yang dihasilkan melalui fotosintesis, baik berupa produk maupun buangan. Contoh biomassa antara lain adalah tanaman, pepohonan, rumput, limbah pertanian, limbah hutan, tinja, dan kotoran ternak. Selain digunakan untuk tujuan primer serat, bahan pangan, pakan ternak, minyak nabati, bahan bangunan, dan sebagianya. Biomassa juga digunakan sebagai sumber energi (bahan bakar), yang digunakan adalah bahan bakar biomassa yang bernilai ekonomis rendah atau merupakan limbah yang diambil produk primernya, (Pari dan Hartoyo, 1983).
Energi biomassa dapat menjadi sumber energi alternatif pengganti bahan bakar fosil (minyak bumi karena beberapa sifat yang menguntungkan yaitu, dapat dimanfaatkan secara lestari karena sifatnya yang dapat diperbaharui, relatif tidak mengandung unsur sulfur sehingga tidak menyebabkan polusi udara dan juga dapat meningkatkan efisiensi pemanfaatan sumber daya hutan dan pertanian (Widardo dan Suryanta, 1995).
Potensi biomassa di Indonesia dapat di lihat pada Tabel 2.1 Tabel 2. 1 Potensi Biomasa di Indonesia
Sumber Energi Produksi (106 ton/tahun) Energi (109kkal/tahun)
kayu 25.00 100.0
Sekam padi 7.55 27.0
Tongkol jagung 1.52 6.8
Tempurung kelapa 1.25 5.1
Potensi Total 35.32 138.9
Sumber: The Potential Of Biomass Redidues As Energy Sources In Indonesia (Dewi Siagian, 1992)
2.3. Tempurung Kelapa
Tempurung kelapa merupakan bagian buah kelapa yang berfungsi secara biologis adalah pelindung inti buah dan terletak dibagian sebelah dalam sabut, dengan ketebalan berkisar antara 3-6 mm. Tempurung kelapa ini dikatagorikan sebagai kayu keras, tetapi mempunyai kadar lignin yang lebih tinggi dan kadar selulosa yang lebih rendah dengan kadar air sekitar 6-9% (dihitung berdasarkan berat kering) dan terutama tersusun dari lignin, selulosa dan hemiselulosa (Tilman,1981).
Berdasarkan data pengujian yang dilakukan di Tekmira didapatkan nilai kalor dari tempurung kelapa yaitu sebesar 4548 cal/g.
Sedangkan karakteristik dari tempurung kelapa dapat di lihat dari Tabel 2.2 Tabel 2. 2 Karakteristik Tempurung Kelapa
Parameter Persentase (%)
Kadar air 7,8
Kadar abu 0,4
Kadar material yang
menguap (Volatile matter) 73,0
Karbon (fixed carbon) 18,80
Sumber: http//www.pdii.lipi.go.id
Tempurung kelapa ini yang akan penulis jadikan sebagai bahan bakar dalam pengujian tugas akhir, karena selain mempunyai nilai ekonomis yang rendah/ harga terjangkau dibandingkan dengan harga minyak tanah. Keberadaan tempurung kelapa pun sangat mudah didapatkan. Tempurung kelapa diperlihatkan pada Gambar 2.1
Gambar 2. 1 Tempurung Kelapa
2.4. Minyak Goreng
Minyak goreng adalah minyak yang berasal dari lemak tumbuhan atau hewan, yang dimurnikan dan berbentuk cair dalam suhu kamar dan minyak goreng berfungsi sebagai penghantar panas. Berdasarkan Tabel 2.3. dapat dilihat karakteristik dari minyak goreng
Tabel 2. 3 Karakteristik Minyak Goreng
Parameter Nilai Satuan
Viskositas Minyak 3,98 (Ns/m2)
Massa Jenis 950 Kg/m3
Cp 2,43 kJ/kg
Titik didih 200 °C
Sumber : (Sutiah,dkk dan Sumardji, 2008)
2.5. Tungku
Tungku atau kompor adalah alat masak yang menghasilkan panas tinggi. Biasanya kompor ditemukan di dapur dan bahan bakarnya dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu cair, padat, dan gas. Pada dasarnya jenis kompor banyak digunakan oleh masyarakat adalah kompor minyak tanah dan kompor gas. Kompor dapat dibagi menjadi beberapa jenis berdasarkan bahan bakarnya, yaitu sebagai berikut:
1. Kompor minyak tanah 2. Kompor gas
3. Kompor Listrik 4. Tungku Tenaga Surya 5. Tungku kayu dan arang 6. Tungku serbuk gergaji 7. Kompor briket
Tungku biomassa dapat diklasifikasikan berdasarkan bahan bakar yang digunakan, secara rinci diperlihatkan pada tabel 2.4
Tabel 2. 4 Klasifikasi Tungku
Metode Klasifikasi Jenis dan contoh
Jenis bahan bakar yang digunakan Dibakar dengan minyak Dibakar dengan gas
Dibakar dengan batubara Dibakar dengan biomassa
Cara pengisian bahan bakar
Berselang (intermittent) / batch
Berkala
Penempataan
Penggulungan ulang/ re-rolling
(batch/pusher) Pot Kontinyu Pusher Balok berjalan Perapian berjalan
Tungku bogie dengan sirkulasi ulang
kontinyu
Tungku perapian berputar/rotary hearth furnace
Cara perpindahan panas Radiasi (tempat perapian terbuka) Konveksi (pemanasan melalui media) Cara pemanfaatan kembali limbah
panas
Rekuperatif Regenerative Sumber: (Ibnu Hajar, 2004)
2.6. Tungku Biomassa
Tungku biomassa merupakan suatu alat yang dapat menghasilkan panas, panas tersebut dapat disalurkan ke peralatan lain dan berbahan bakar biomassa padat. Bahan bakar biomassa adalah semua bahan bakar yang berasal dari kayu bakar, tumbuh-tumbuhan, daun-daunan, limbah pertanian, limbah rumah tangga, sampah organik dan lain-lain. Bagian-bagian dari tungku biomassa antara lain:
1. Ruang Bakar
Ruang bakar merupakan tempat berlangsungnya pembakaran, tempat memindahkan panas dari hasil pembakaran, ruang bakar yang bagus apabila bisa memindahkan hasil perpindahan panas dengan sempurna.
2. Saluran Udara Primer
Saluran udara primer adalah tempat saluran udara yang dipasok dari bawah kisi dan berkontak langsung dengan bahan bakar, berfungsi untuk mendukung proses terjadinya pembakaran komponen biomassa.
3. Penyangga Biomassa (Kisi)
Penyangga biomassa berfungsi untuk menyangga biomassa yang akan dibakar di dalam ruang bakar.
4. Penyangga Wajan
Penyangga wajan berfungsi untuk menyangga wajan atau penggorengan untuk memasak.
5. Ruang Abu Biomassa
Ruang abu biomassa berfungsi untuk menampung abu biomassa hasil proses pembakaran.
6. Aliran Udara Sekunder
Aliran udara sekunder adalah saluran udara yang dipasok di atas unggun bahan bakar, berfungsi untuk membakar komponen-komponen zat terbang untuk penyempurnaan bahan bakar.
Secara garis besar, kontruksi dari tungku terbagi menjadi dua bagian yaitu ruang atas dan ruang bawah. Ruang bagian atas berfungsi sebagai tempat pembakaran sementara ruang bagian bawah berfungsi sebagai tempat pembuangan abu hasil pembakaran dan merupakan saluran udara. Kedua ruangan tersebut dipisahkan oleh kisi.
2.7. Teori Pembakaran
Pembakaran adalah suatu runutan reaksi kimia antara bahan bakar dan oksigen, disertai dengan produksi panas dan terkadang disertai cahaya dalam bentuk pendar atau api. Pembakaran akan terjadi apabila ada bahan bakar, ada udara, dan ada panas yang tinggi. Secara ideal, hasil utama dari pembakaran yaitu senyawa karbondioksida (CO2), uap air dan sejumlah energi panas. Secara umum reaksi pembakaran sempurna dapat diuraikan sebagai berikut: CxHy + 2O2 CO2 + 2H2O + kalor
Agar terjadi pembakaran sempurna ada beberapa syarat yang harus dipenuhi, yaitu komposisi yang sesuai antara bahan bakar dengan udara, temperatur pembakaran yang lebih tinggi dari titik nyala bahan bakar, waktu pembakaran harus tepat, dan kerapatan yang cukup dalam menyebarkan api. Pada kenyataanyan, setiap pembakaran tidak pernah sempurna.
Pembakaran tidak sempurna atau tidak ideal adalah pembakaran yang menghasilkan senyawa karbon monoksida (CO), nitrogenoksida (NOx), dan sulfuroksida (SOx). Senyawa-senyawa yang terbentuk pada pembakaran tidak sempurna tergantung dari jenis bahan bakar yang digunakan. Senyawa-senyawa yang terbentuk dari pembakaran tidak sempurna umumnya berbahaya. Pembakaran tidak sempurna dapat menguntungkan apabila dimanfaatkan dengan tepat. Gasifikasi merupakan salah satu pemanfaatan dari proses pembakaran tidak sempurna.
2.8. Pembakaran pada Biomassa Padat
Bahan bakar padat yang sebagian besar terdiri dari karbon, hidrogen dan oksigen pembakarannya berlangsung sebagai berikut.
Mula-mula bahan bakar padat itu akan membentuk gas-gas (mengegas =ongassing),
pada waktu berlangsung destilasi kering, dan gas-gas tersebut akan terurai lebih lanjut menjadi CO dan H2 dan akan terbakar. Selanjutnya arang yang tertinggal (yang semua terdiri dari karbon C) akan menguap atau sublimasi terlebih dahulu, dan kemudian baru terbakar menjadi CO yang untuk selanjutnya akan dibakar menjadi CO2 bila jumlah oksigen yang tersedia mencukupinya.
Dengan demikian pada waktu membakar bahan bakar padat, dapat dibagi menjadi dua periode, yaitu:
Mengegaskan (ontgassing) bahan bakar padat tadi menjadi gas yang terdiri
dari macam-macan susunan.
Membakar lebih lanjut gas-gas yang terbentuk tadi menjadi CO dan untuk selanjutnya menjadi CO2.
Sebelum proses pembakaran berlangsung, terlebih dahulu bahan bakar dinaikan suhunya hingga suhu penyalaan. Untuk menguraikan zat-zat yang dibutuhkan sejumlah panas. Sebaliknya pada saat oksidasi akan terbentuk panas. Bilamana panas yang terbentuk telah melebihi panas yang dibutuhkan, baik untuk penguraian zat-zat maupun menaikan temperatur bahan bakar sekelilingnya hingga mencapai temperatur penyalaan maka proses
akan berlangsung lebih cepat (atau makin dipercepat), sehingga bila pembakaran telah terjadi maka bahan bakar akan terbakar terus.
2.9. Kesetimbangan Energi Pada Tungku
Bila suatu sistem diperlakukan sedemikian rupa sehingga sistem tersebut dapat melakukan kerja, maka sistem tersebut berlangsung suatu aliran proses seperti gambar 2.3. berikut ini:
Sedangkan pada gambar 2.4. merupakan kesetimbangan energi dari pemanfaatan panas biomassa dimana energi yang masuk yaitu bahan bakar dan udara akan sama dengan energi yang keluar, yaitu berupa energi gas buang, energi yang diserap oleh minyak, energi konduksi dari plat dan isolasi, dan enrgi lain-lain dalam proses pembakaran.
Gambar 2. 3 Diagram Sankey Pada Tungku
Energi output diatas dapat dijelaskan secara rinci sebagai berikut:
1. Panas gas buang: merupakan bagian dari panas yang di lepas ke lingkungan.
Kehilangan ini juga dikenal dengan kehilangan limbah gas buang.
2. Panas di dinding tungku/permukaan (konduksi), kehilangan panas dinding
tungku bisa dikatakan terjadi karena terdapat perbedaan suhu dari ruang bakar terhadap dinding luar tungku, dimana dinding luar tungku masih menyerap panas.
3. Panas yang diserap minyak : yaitu energi panas yang diserap oleh minyak.
PROSES INPUT OUTPUT udara + bahan bakar E gb Qm Qr losis lain
Gambar 2. 2 Aliran Proses Suatu Sistem
4. Panas lainnya : terdapat beberapa cara lain dimana panas hilang dari tungku,
walaupun menentukan jumlah tersebut sulit diukur. Beberapa panas lain diantaranya adalah:
o Kehilangan panas tersimpan: bila tungku mulai dinyalakan maka struktur dan
isolasi tungku juga mengalami pemanasan, dan panas tersebut tersimpan lama di dalam isolasi.
o Kehilangan dari pembakaran yang tidak sempurna o Kehilangan panas yang dibawa abu sisa pembakaran.
2.10. Perhitungan Kesetimbangan Energi
Pembagian panas yang dihasilkan dari ruang bakar panas ini dibagi bagi ke dalam beberapa bagian diantaranya panas yang dihasilkan dari gas buang, panas yang di serap oleh dinding luar tungku, panas yang diserap oleh minyak, dan kehilangan panas lain lain.
INPUT = OUTPUT Energi Input
Energi input berasal dari bahan bakar, perhitungan energi bahan bakar yaitu sebagai berikut :
a) Massa bahan bakar (Mbb)
Massa bahan bakar digunakan untuk mengetahui berapa banyak bahan bakar yang diperlukan selama tungku digunakan untuk memanaskan minyak sampai mencapai titik didihnya yaitu sebesar 190C (selama proses pengujian). Massa bahan bakar dapat diketahui dengan persamaan 2.1 berikut:
Dimana:
Mbb = Mbb 0 – Mbb 1 (Kg)... (2.1) Dimana:
Mbb0 = Massa bahan bakar awal
Mbb1 = Masa bahan bakar setelah pembakaran
b) Energi bahan bakar (Ebb)
Energi bahan bakar adalah jumlah energi kalor yang tersedia akibat proses pembakaran bahan bakar setiap satuan waktu. Energi bahan bakar dapat diketahui dengan menggunakan persamaan 2.2 berikut ini.
………...………(2.2) Dimana :
Nbb = Nilai kalor bahan bakar (kJ/Kg) Kbb = Konsumsi Bahan Bakar (Kg)
1. Panas gas buang
Perhitungan energi gas buang dapat menggunakan rumus 2.3 dibawah :
... (2.3) Sumber: (Maridjo,1995)
Dimana:
Tgb2 = Temperatur gas buang sebelum diserap air (°C) Tgb1 = Temperatur gas buang setelah diserap air (°C) T gb = Temperatur saluran gas buang (°C)
Tia = Temperatur air sebelum pemanasan oleh gas buang (°C) Toa = Temperatur air setelah dipanaskan oleh gas buang (°C)
2. Panas Konduksi
Panas konduksi Yaitu energi kalor yang tersimpan di dinding, dan isolasi selama proses pembakaran berlangsung. Proses Konduksi dapat di lihat pada gambar 2.5
Pada gambar 2.5 ini merupakan bagian dari tungku, dimana r1 adalah jai-jari ruang bakar sampai dinding dalam ruang bakar, r2 adalah jari-jari dari ruang bakar
r2 r3 r1 r4 Gambar 2. 4 Konduksi
tungku sampai ke dinding luar ruang bakar, r3 adalah jari-jari dari ruang bakar samapai menuju dinding dalam luar tungku, dan r4 adalah jari jari dari ruang bakar sampai ke dinding luar tungku luar.
Untuk menghitung energi konduksi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus 2.4 dibawah ini:
... (2.4) Sumber: (Sri Wuryanti, 2010)
Dimana:
T1 = temperatur ruang bakar (°C)
T4 = temperatur dinding luar tungku (°C) KA,KB = konduktifitas plat besi (W/mK)
r1 = jari-jari ruang bakar ke dinding ruang bakar dalam (m) r2 =jari-jari ruang bakar ke dinding ruang bakar luar (m) r3 = jari-jari ruang bakar ke isolasi (m)
r4 = jari jari ruang bakar ke dinding luar tungku (m)
3. Panas yang diserap minyak goreng
Panas yang dihasilkan dari bahan bakar yang diserap minyak goreng, dapat menggunakan rumus 2.5 dibawah ini:
(kJ) ………...(2.5) Dimana :
m minyak =
= Massa jenis minyak (Kg/m3)
= volume minyak awal (m3) T = T akhir – T awal (oC)
4. Losis lain (kJ)
Losis lain = E bahan bakar – (Egb – Qm - Qr ) (kJ) ... (2.6)
