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

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 4^th 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 300^oC. 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.