Penentuan Temperatur Optimal Pembakaran Boiler untuk Karbonisasi Hidrotermal Sampah Organik Melalui Model Semi-Analitik Perpindahan Panas

Dian Purwitasari Dewanti, Albert Sulaiman

Abstract


ABSTRACT

Boiler is the one of the importance main equipment in the hydrothermal carbonization process. Steam produced from boiler is used to hydrothermal carbonization of organic waste in the reactor. This steam is produced due to the thermal displacement resulting from fuel combustion. The effectiveness of thermal displacement affects the amount of the fuel consumed and the air emissions produced by the combustion process. The study of the thermal transfer in a water tube typed boiler through Rayleigh-Benard convection semi-analytic modeling was carried out in this study. The boiler is modeled as a cylinder of two-dimensions with degrees of freedom of radius and height of the cylinder. Semi-analytic solutions are obtained by applying the Galerkin method where ordinary nonlinear differential equation systems are solved using the 4th order Runge-Kutta method. The results show that the amplitude that is function of the stream and thermal dispersion will oscillate sharply at the start of the heating process and then periodically oscillate with small variability as quasi patterns. Simulation shows that the rolling condition starts with a large rolling radius and then shrinks that is followed by uniformly distributed rolling and thermal spread throughout the boiler. The simulation results show the optimal temperature is around 300 oC. At this temperature, steam meets the conditions needed during the hydrothermal carbonization process of organic waste and fuel consumption can be adjusted to reduce air emissions resulting from combustion.

Key words: boiler, convective, heat transfer, hydrothermal carbonization, Rayleigh-Benard.

ABSTRAK

Boiler atau ketel uap merupakan salah satu peralatan utama yang sangat penting pada proses karbonisasi hidrotermal. Uap air (steam) yang dihasilkan dari boiler dibutuhkan untuk proses karbonisasi hidrotermal sampah organik dalam reaktor. Produksi uap disebabkan oleh perpindahan panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar. Efektifitas perpindahan panas mempengaruhi jumlah bahan bakar yang dibutuhkan dan emisi udara yang dihasilkan oleh proses pembakaran tersebut. Kajian perpindahan panas dalam boiler bertipe water tube melalui pemodelan semi analitik konveksi Rayleigh-Benard dilakukan dalam penelitian ini. Boiler dimodelkan sebagai silinder dua dimensi dengan derajat kebebasan jari jari dan tinggi silinder. Solusi semi analitik diperoleh dengan menerapkan metode Galerkin dimana sistem persamaan diferensial biasa nonlinier model dipecahkan menggunaan metode Runge-Kutta orde 4. Hasilnya menunjukkan bahwa amplitude yang merupakan fungsi aliran (stream) dan dispersi panas akan berosilasi secara tajam pada awal waktu proses pemanasan dan kemudian secara periodik berosilasi dengan variabilitas yang kecil mengikuti pola kuasi. Simulasi menunjukkan bahwa kondisi rolling dimulai dengan jari jari rolling yang besar dan kemudian mengempis yang diikuti dengan tersebar meratanya rolling dan panas secara seragam di seluruh boiler. Hasil simulasi menunjukkan suhu optimal adalah sekitar 300oC. Pada suhu tersebut, steam memenuhi kondisi yang dibutuhkan selama proses karbonisasi hidrotermal sampah organik dan konsumsi bahan bakar bisa diatur untuk mengurangi emisi udara yang dihasilkan dari pembakaran.

Kata kunci: boiler, karbonisasi hidrotermal, konvektif, perpindahan panas, Rayleigh-Benard.


Full Text:

PDF

References


Hakim, L. & Subekti, P. (2015). Rancang bangun ketel uap mini dengan pendekatan standar SNI berbahan bakar cangkakng sawit untuk kebutuhan pabrik tahu kapasitas 200 kg kedelai/hari. Jurnal APTEK Vol. 7 No. 1 Januari 2015. P.2

Basso, D., Weiss-Hortala, E., Patuzzi, F., Castello, D., Baratieri, M., & Fiori, L. (2015). Hydrothermal carbonization of off-specification compost: A byproduct of the organic municipal solid waste treatment. Bioresource technology, 182, 217-224.

Winanti, W. S., & Prayudi, T. (2006). Perhitungan Efisiensi Boiler pada Industri Industri Tepung Terigu. Jurnal Teknik Lingkungan, ISSN, 58-65.

Soedjono, D. M., Sasetiyanto, J., Noor, D. Z., & Hapsari, H. R. F. (2017). Analisis Perhitungan Dan Perencanaan Water Tube Boiler Berbahan Bakar LPG Pada Industri Kecil Tahu Di Mojokerto. Prosiding SENATEK 2015, 1(A), 68-76.

Bindar, Y., Abdulkadir, M., (2014). Kriteria Boiler Ramah Lingkungan. Kementerian Lingkungan Hidup.

Aliyah, F. D. (2010). Perhitungan Perpindahan Panas Final Superheater pada Boiler dalam Sistem Pembangkit Daya 200 MW di PLTU PT. PJB UP Gresik.

Tosun, I. (2002). Modeling in Transport Phenomena. Elsevier, Amsterdam. 606pp.

Menon, R. (2002). Heat Transfer in Boiler. Palm Oil Engineering Bulletin. Kuala Lumpur. pp.21-22

Chen, J.C. (1966). Correlation for Boiling heat Transfer to Saturated Fluids in Convective Flow. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 5(3), pp 322-329.

Chandrasekhar, S.A. (1961). Hydrodynamics and Hydromagnatic Instability. Dover Publication, New York, 652 pp.

Gu,G., C, An., & J, Su. (2017). Integral Transform solution of Natural Convection in a Cylinder Cavity with Uniform Internal Heat Generation. International Joirnal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow, 28, 0961-0986.

Qomaruddin & Sikki, M.I. (2016). Analisis Kebutuhan Bahan Bakar Terhadap Perubahan Tekanan Uap. Jurnal Imiah Teknik Mesin, Vol. 4, No.2 Agustus 2016 Universitas Islam 45 Bekasi.

Bimantoro, E.P. (2016). Pengaturan Konsumsi Bahan Bakar Pada Virtual Plant Boiler PLTU Menggunakan Kontroler Linear Quadratic Regulator. Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS).

Jin. L. Xu., Y. Zheng ., Y. Wang., X. Yang., C. Yu., X Xie., Z. Zao. (2017). An actual thermal efficiency expression for heat engines: Effect of heat transfer roadmaps, International Journal of Heat and Mass Transfer, 113,  556-568.

Zhai, Y., Peng, C., Xu, B., Wang, T., Li, C., Zeng, G., & Zhu, Y. (2017). Hydrothermal carbonisation of sewage sludge for char production with different waste biomass: Effects of reaction temperature and energy recycling. Energy, 127, 167-174.




DOI: http://dx.doi.org/10.29122/jtl.v20i2.3484

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.