bab ii landasan teori

 2.1
BAB II
LANDASAN TEORI
Biomassa
Biomassa
adalah bahan organik yang dihasilkan melalui proses 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
pembuatan serat primer, bahan pangan, pakan ternak, minyak nabati, bahan bangunan, dan
sebagainya. Biomassa juga digunakan sebagai sumber energi (bahan bakar), yang digunakan
adalah bahan bakar biomassa yang nilai ekonomisnya rendah atau merupakan limbah setelah
diambil
produk primernya (Pari dan Hartoyo, 1983).
Energi biomassa dapat menjadi sumber energi alternatif pengganti bahan bakar fosil
(minyak bumi) karena beberapa sifatnya 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).
Tabel 2. 1 Potensi Biomassa di Indonesia
Sumber Energi
Kayu
Sekam padi
Tongkol jagung
Tempurung kelapa
Potensi total
Produksi
106 ton/tahun
25.00
7.55
1.52
1.25
35.32
Enegi
109 kkal/tahun
100.0
27.0
6.8
5.1
138.9
Sumber: The Potential Of Biomass Redidues As Energi Source In Indonesia
(Dewi dan Siagian, 1992)
2.2
Minyak Goreng
Minyak goreng adalah minyak nabati yang telah dimurnikan dan dapat digunakan
sebagai bahan pangan. Proses pemurnian minyak goreng meliputi degumming, netralisasi,
dan deodorasi. Minyak goreng biasanya digunakan sebagai media penggoreng bahan pangan,
penambah cita rasa, ataupun shortening yang membentuk tekstur pada pembuatan roti.
Minyak merupakan trigliserida yang tersusun atas tiga unit asam lemak, berwujud cair pada
Laporan Tugas Akhir
Jurusan Teknik Konversi Energi
5
suhu kamar (25°C) dan lebih banyak mengandung asam lemak tidak jenuh sehingga mudah
mengalami oksidasi.
Minyak yang berbentuk padat biasa disebut dengan lemak.
Faktor-faktor yang dapat mempercepat kerusakan minyak selama proses pemanasan
diantaranya adalah kontak minyak dengan udara, pemanasan yang berlebihan pada minyak,
kontak minyak dengan logam dari alat pemanas, dan adanya kandungan air,protein, lemak,
hidrokarbon, dan bahan lain dari bahan pangan yang digoreng. Pada suhu tinggi air akan
menghidrolisa
gliserida-gliserida minyak menjadi gliserol dan asam lemak bebas. Gliserol
selanjutnya akan terpecah menjadi akrolein.
Kerusakan minyak karena pemanasan akan menghasilkan dua macam senyawa yaitu
komponen non volatile yang tetap terdapat dalam minyak dan dapat diserap oleh bahan
pangan yang digoreng dan komponen volatile yang dapat keluar bersama uap pada saat
dipanaskan.
Komponen non volatile terbentuk dari asam lemak tak jenuh yang terdapat dalam
molekul trigliserida. Pembentukan dan akumulasi dari senyawa ini akan menimbulkan
perubahan fisik minyak, seperti peningkatan kekentalan, warna dan buih, juga terhadap sifat
kimia minyak seperti peningkatan asam lemak bebas, bilangan karbonil, kandungan hidroksil,
bilangan penyabunan, dan penurunan derajat ketidak jenuahan. (Andreas, 2009)
Tabel 2. 2 Spesifikasi Minyak Goreng
No
Sifat Fisik
Minyak goreng
1.
Titik Didih (°C)
175
2.
Viskositas pada 40°C (cSt)
4,9
3.
Bilangan Sentan
49
4.
Titik beku (°C)
3,3
5.
Sulfur Content (%m/m)
6.
Clorofic value (kJ/kg)
7.
Massa jenis pasa 15°C (kg/L)
0,93
8.
Kapasitas panas pada 20°C (kJ/kg °C)
2,44
385,42
Pada tungku biomassa ini, minyak goreng berfungsi sebagai penyerap panas yang
membawa panas pembakaran dari ruang bakar ke tungku masak. Titik didih minyak goreng
adalah sebesar 330°F atau 175°C, tergantung jenis minyak gorengnya (minyak kelapa, sawit,
zaitun, canola, bunga matahari, lemak, dll). Panas yang diserap oleh minyak goreng ini yang
Laporan Tugas Akhir
Jurusan Teknik Konversi Energi
6
kemuadian akan
dipindahkan ke panci, sehingga diharapkan mampu memanaskan air sampai
100 °C.
2.3
Jenis-jenis Tungku
Tungku
secara luas dibagi menjadi dua jenis berdasarkan metoda pembangkitan
panasnya.
Tungku pembakaran yang menggunakan bahan bakar, dan tungku listrik yang
menggunakan listrik. Tungku pembakaran dapat digolongkan menjadi beberapa bagian
seperti ditunjukkan dalam Tabel 2.3, jenis bahan bakar yang digunakan, cara pengisian bahan
baku, cara perpindahan panasnya dan cara pemanfaatan kembali limbah panasnya. Tetapi,
dalam prakteknya
tidak mungkin menggunakan penggolongan ini sebab tungku dapat
menggunakan
berbagai jenis bahan bakar, cara pengisian bahan ke tungku yang berbeda, dll.
Tungku yang paling umum digunakanakan dijelaskan dalam bagian berikutnya.
Tabel 2. 3 Klasifikasi Tungku
Metode Klasifikasi
Jenis dan contoh
Dibakar dengan minyak
Dibakar dengan gas
Dibakar dengan batubara
Dibakar dengan biomassa
Berselang (intermittent) / batch
Jenis bahan bakar yang digunakan
Berkala
 Penempataan
 Penggulungan ulang/ re-rolling (batch/pusher)
 Pot
Cara pengisian bahan bakar
Cara perpindahan panas
Cara pemanfaatan kembali limbah panas
Kontinyu
 Pusher
 Balok berjalan
 Perapian berjalan
 Tungku bogie dengan sirkulasi ulang kontinyu
 Tungku perapian berputar/rotary hearth
furnace
Radiasi (tempat perapian terbuka)
Konveksi (pemanasan melalui media)
Rekuperatif
Regenerative
Sumber: (Ibnu Hajar, 2007)
Laporan Tugas Akhir
Jurusan Teknik Konversi Energi
7
2.4
Komponen
Sistem
Tungku biomassa merupakan suatu alat yang dapat menghasilkan panas, panas
tersebut dapat disalurkan pada peralatan lain yang memerlukannya dan berbahan bakar
biomassa padat. Bahan bakar biomassa adalah semua yang berasal dari kayu bakar, tumbung tumbuhan, daun-daunan,
limbah pertanian, limbah rumah tangga, sampak organik dan lain-
lain.
Bagian-bagian dari tungku biomassa adalah sebagai berikut.
A. Ruang Bakar
Ruang bakar merupakan tempat terjadinya bahan bakar
B. Saluran Udara Primer
udara primer adalah tempat saluran udara yang dipasok dari bawah kisi dan
Saluran
berkontak langsung dengan bahan bakar, berfungsi untuk membakar komponen
biomassa.
C. Penyangga Biomassa (Kisi)
Penyangga biomassa berfungsi untuk menyangga biomassa yang akan dibakar di
dalam ruang bakar.
D. Ruang Abu Biomassa
Ruang abu biomassa berfungsi untuk menampung abu biomassa hasil proses
pembakaran.
E. 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.
F. Pipa Pengalir Minyak
Pipa ini berisi minyak yang akan dialirkan dari ruang bakar ke penampungan minyak.
G. Tungku Masak
Tungku Masak / penampungan minyak berfungsi untuk menyangga panci atau
penggorengan untuk memasak. Tungku ini dilengkapi dengan isolasi dari pasir untuk
menahan panas.
Laporan Tugas Akhir
Jurusan Teknik Konversi Energi
8
2.5
Komponen
Tungku Masak
Tungku masak merupakan bagian dari sistem tungku biomasa. Adapun bagian-bagian
dari tungku masak tersebut adalah sebagai berikut.
A. Pipa Pengalir Minyak
Pipa ini berfungsi sebagai media untuk mengalirkan minyak panas yang berasal dari
ruang bakar.
B. Panci Air
Panci ini digunakan sebagai tempat untuk memanaskan air. Panci ini akan dicelupkan
ke dalam penampungan minyak panas.
C. Penampungan
Minyak
Tempat ini yang akan menampung minyak hasil pemanasan di ruang bakar.
Penampungan ini yang akan dijadikan sebagai tempat untuk menyimpan panci air.
D. Isolasi Pasir
Pasir ini diletakkan mengelilingi seluruh bagian luar dari penampungan minyak untuk
mengurangi rugi-rugi pada tungku masak.
E. Kaki Tungku Masak
Digunakan sebagai penyangga tungku minyak.
2.6
Karakteristik Tungku
Pada umumnya panas yang mengalir pada tungku adalah panas yang berasal dari api
hasil pembakaran bahan bakar di ruang bakar. Namun, pada Tungku Masak ini api tidak
bersentuhan langsung dengan peralatan pemanas air. Panas yang berasal dari ruang bakar ini
akan dialirkan menggunakan pipa tembaga berisi cairan minyak. Pipa tembaga akan dililitkan
diatas ruang bakar, lilitan pipa ini kemudian dihubungkan ke penampungan minyak (tungku
minyak). Suhu minyak yang berada di penampungan ini diharapkan mampu melebihi 175 °C,
tetapi tidak seluruh panas minyak di penampungan ini mampu diserap sempurna oleh air, ada
sebagian panas yang terbuang melalui udara, dinding isolasi, dan dinding luar (losses). Jadi,
panas minyak ini tidak seluruhnya dapat dimanfaatkan untuk melakukan aktivitas
pembebanan (memanaskan air). Gambar 2.1 merupakan losses yang terjadi pada proses
pemanasan air.
Laporan Tugas Akhir
Jurusan Teknik Konversi Energi
9
Panas Masuk
TUNGKU MASAK
Panas Panci
Panas yang diserap Udara
Panas yang diserap isolasi
Panas yang diserap dinding
permukaan
Gambar 2. 1 Kehilangan Panas pada Tungku Masak
Kehilangan panas dalam tungku tersebut meliputi (BEE, 2005 and US DOE, 2004):

Panas yang diserap dinding tungku/permukaan, juga disebut kehilangan
melalui dinding: sementara suhu dibagiandalam tungku cukup tinggi, panas
dihantarkan melalui atap, lantai dan dinding dan dipancarkan ke udara luar begitu
mencapai kulit atau permukaan tungku.

Panas yang diserap isolasi, bila tungku mulai dinyalakan maka struktur dan
isolasitungku juga dipanaskan, dan panas ini hanya akan meninggalkan struktur
lagi jika tungku dimatikan. Oleh karena itu kehilangan panas jenis ini akan
meningkat dengan jumlahwaktu tungku dihidup-matikan.

Panas yang diserap udara, pada saat proses pemanasan minyak akan ada panas
yang terbuang melalui udara dengan radiasi.
2.7
Proses Perpindahan Panas
Dari ilmu termodinamika, energi bisa berpindah dengan adanya interaksi antara
system dengan lingkungan. Interaksi ini disebut kerja dan panas. Namun, termodinamika
tidak memberikan informasi seperti apa proses dan berapa lama waktu yang dibutuhkan
Laporan Tugas Akhir
Jurusan Teknik Konversi Energi
10
untuk menyelesaikan
proses tersebut. Dalam ilmu perpindahan panas hal tersebut dapat
diketahui. Perpindahan
panas merupakan perpindahan energi yang terjadi karena adanya
perbedaan suhu di antara benda atau material. (J.P. Holman, 1991)
2.6.1 Perpindahan Panas Secara Konduksi
Perpindahan panas secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor
mengalir dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah dalam satu medium(padat, cair
atau gas) atau antara medieum-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung
(Sri Wuryanti, 2010)
Gambar 2. 2 Perpindahan Panas Secara Konduksi
Secara umum laju aliran kalor secara konduksi dapat dihitung dengan rumus sebagai
berikut:
…………………………………………………………………… (2.1)
qk
= nilai kalor yang dipindahkan (Watt)
k
= konduktivitas termal bahan (W/m°C)
A
= luas penampang (m2)
dT/dx = gradient suhu pada penampang (laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam
aliran panas)
2.6.2 Perpindahan Panas Secara Konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses perpindahan energi dengan kerja
gabungan dari konduksi kalor, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi
Laporan Tugas Akhir
Jurusan Teknik Konversi Energi
11
dangat penting
sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan
cair atau gas.
Perpindahan kalor secara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya di atas
suhu fluida di sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, kalor akan mengalir
dengan cara konduksi dari permukaan ke partiket-partikel fluida yang berbatasan. Energi
yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam partikel tersebut. Kedua, partikel-partikel tersebut akan bergerak ke daerah suhu yang
partikel fluida
lebih
rendah dimana partikel tersebut akan bercampur dengan partikel-partikel fluida lain.
(J.P. Holman 1991)
Gambar 2. 3 Perpindahan Panas Secara Konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi dapat dikelompokkan menurut gerakan alirannya,
yaitu konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Apabila
gerakan fluida tersebut terjadi sebagai akibat dari perbedaan densitas (kerapatan) yang
disebabakan oleh gradient suhu maka disebut konveksi bebas atau konveksi alamiah (natural
convection). Bila gerakan fluida tersebut disebabkan oleh penggunaan alat dari luar, seperti
pompa atau kipas, maka prosesnya disebut konveksi paksa. Laju perpindahan panas antara
suatu permukaan plat dan suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan:
……………………………………………………………………..(2.2)
qc = nilai kalor yang dipindahkan (Watt)
h = koefisien perpindahan panas
T1 = temperatur fluida dingin (°C)
A = luas daerah perpindahan panas (m2)
T2 = temperatur fluida dingin (°C)
Laporan Tugas Akhir
Jurusan Teknik Konversi Energi
12
2.6.3 Perpindahan
Panas Secara Radiasi
Perpindahan panas radiasi adalah perpindahan panas yang melibatkan gelombang
elektromagnetik dalam proses perpindahannya di antara dua buah benda yang mempunyai
temperatur yang berbeda. Semua banda memiliki kemampuan untuk memancarkan energi
dengan menggunakan
gelombang elektromagnetik. Semua benda yang mempunya temperatur
di
atas temperatur absolut bis terjadi perpindahan panas bentuk ini. Radiasi tidak memerlukan
media seperti udara atau logam dalam perpindahan panasnya. Intensitas flux dari perpindahan
ini sangat tergantung kepada temperatur benda atau material dan sifat permukaan dari benda
tersebut. (J.P. Holman 1991)
…….………………………………………………………………. (2.3)
qr = nilai kalor yang dipindahkan (Watt)
𝛔 = konstanta Stefan Boltzman (5,669.10-8 W/m2K )
A = luas permukaan penerimaan radiasi (m2)
T4 = temperatur lingkungan (Kelvin)
2.6.4 Perpindahan Panas Menyeluruh
Perpindahan panas menyeluruh adalah penjumlahan dari seluruh perpindahan panas
yang meliputi perpindahan panas konveksi, konduksi, dan radiasi. Untuk plat datar jika
diambil salah satu bagian kecil dari daerah pertukaran panas yang terkena lingkungan
konveksi maka analogi listriknya dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut. (J.P. Holman, 1991)
T
1
T
1
Tw1
Tw0
T
0
Tw1
Tw0
………………… (2.4)
T
0
Gambar 2. 4 Perpindahan Panas Menyeluruh
pada Permukaan
Laporan Tugas Akhir
Jurusan Teknik Konversi Energi
13
2.8
Boilling Test
Water
Water boiling test merupakan salah satu metode untuk mengetahui efisiensi dari suatu
tungku. Water boiling test ini merupakan metode pengujian yang relatif singkat dan
sederhana dalam prosedur standar memasak. Metode ini adalah metode sementara yang
digunakan untuk
penelitian terhadap tungku/kompor. Metode ini diciptakan oleh VITA
(Volunters
In Technical Assistance) dan dipakai untuk dapat membandingkan suatu kinerja
dari sebuah tungku menurut perbedaan kondisi operasi.
Water boiling test menggunakan air untuk simulasi memasak. Metode ini memiliki
dua tahap percobaan, yaitu tahap tahap high power (daya tinggi atau pendidihan) dan tahap
Low Power (daya rendah atau penguapan). High Power merupakan tahap pemanasan air dari
temperatur
lingkungan menuju temperatur maksimum dalam waktu secepat-cepatnya.
Sedangkan Low Power merupakan pengujian daya reduksi untuk level atau tingkat terendah
untuk menjaga kondisi air 3°C di bawah temperatur pendidihan.
2.9
Perhitungan Kinerja Tungku
Efisiensi tungku meningkat bila persentase panas yang dipindahkan ke stok atau
beban dibagiandalam tungku meningkat. Semakin baik efisiensi tungku maka semakin baik
kinerja tungku tersebut. Kinerja tungku dapat dilihat darikonsumsi bahan bakar, laju bahan
bakar tungku, panas yang diserap oleh air, energi bahan bakar yang dihasilkan, efisiensi
thermal tungku dan losses yang dihasilkan oleh tungku.
a) Panas yang dilepas oleh minyak (Qm)
Panas yang dilepas oleh minyak untuk pemanasan air sampai suhu 175oC dapat
diketahui dengan menggunakan persamaan berikut ini.
m minyak =
= Massa jenis minyak (Kg/m3)
= volume air (m3)
∆T = suhu akhir – suhu awal (oC)
t
= Waktu yang digunakan pada saat pengujian (s)
Laporan Tugas Akhir
Jurusan Teknik Konversi Energi
14
yang diserap oleh air (Qa)
b) Panas
o
Panas
yang diserap oleh air untuk pemanasan sampai suhu 100 C adalah:
m air =
= Massa jenis air (Kg/m3)
= volume air awal (m3)
= suhu akhir – suhu awal (o C)
t
= Waktu yang digunakan saat pengujian (s)
c) Efisiensi
Efisiensi yaitu perbandingan antara energi yang diserap oleh air dan yang dilepas
minyak. Effisiensi dapat diketahui dengan menggunakan persamaan berikut ini.
η
= efisiensi (%)
Qa
= jumlah panas yang diserap oleh air (kJ/s)
Qm
= jumlah panas yang dilepas oleh minyak (kJ/s)
Laporan Tugas Akhir
Jurusan Teknik Konversi Energi
15