Pengembangan Tungku Pengering Tipe Tangga Berbahan Bakar Biomassa Menggunakan Computational Fluid Dynamic (CFD)

Abstract

Tungku pengering merupakan salah satu sumber panas yang digunakan untuk alat pengering. Tungku pengering digunakan karena dapat menggunakan bahan bakar yang berasal dari limbah pertanian tersebut, seperti jagung pipil dengan bonggolnya dan bahan bakar lainnya. Setiap bahan bakar memiliki karakteristik pembakaran yang berbeda, sehingga membutuhkan tungku yang spesifik. Salah satu cara untuk menganalisis performa tungku agar mendapat performa terbaiknya dengan menggunakan CFD. Tujuan penelitian ini untuk menganalisis performa tungku pengering tipe tangga dengan simulasi CFD menggunakan model pembakaran non-premixed dan membuat desain pengembangan tungku dengan simulasi berbagai variasi operasi. Penelitian ini mencakup tahap pengujian dan simulasi. Pengujian dilakukan untuk mendapatkan data suhu sebagai data validasi simulasi. Tungku yang digunakan berdimensi lebih kecil dari yang digunakan pada penelitian sebelumnya. Beberapa data untuk pengujian digunakan sebagai masukan simulasi seperti laju alir bahan, densitas bahan dan kecepatan udara. Pengujian dilakukan dengan tungku berdimensi 30 x 15 x 50 cm, dengan diameter screw conveyor, masukan udara dan outlet tungku sebesar 7.62, 3.8, dan 9 cm. Berdasarkan pengujian didapat rata – rata bulk density bonggol jagung, laju alir bahan dan kecepatan udara sebesar 151.6 g L-1, 4.07 kg jam-1 dan 7.5 m s-1. Rata – rata suhu keluaran didapat 646 ⁰C, dan pada dua titik di ruang pembakaran sebesar 711 ⁰C dan 581 ⁰C. Simulasi untuk validasi diawali dengan membandingkan tiga model turbulensi k-ε pada tungku desain I, yaitu k-ε standar, k-ε RNG, dan k-ε realizable. Dari ketiga model turbulensi didapat rata –rata akurasi tertinggi untuk suhu menggunakan model k-ε standar dengan rata – rata akurasi 89%, 83% untuk keluaran, 86 dan 98% untuk bagian dalam tungku. Berdasarkan model tersebut, dilakukan simulasi perbaikan desain tungku (tungku desain II) yaitu pengubahan perubahan posisi screw conveyor, penambahan pemasukan udara di depan pemasukan bahan dan sekat antara bagian jatuh bahan bakar dan ruang pembakaran. Berdasarkan hasil simulasi tungku desain II mampu menyelesaikan permasalahan pada tungku desain I dan mendapatkan peningkatan nilai panas dan efisiensi sistem sebesar 11.7%, dengan kondisi operasi yang sama.

The dryer furnace is one of the heat sources used for dryer. The dryer furnace is chosen because the fuel can be utilized from the agricultural waste, such as corn with cobs and other fuels. Each fuel has different combustion characteristics and requires a specific furnace. One method to analyze the performance and get the best of it, is through CFD. The objectives of this study were to analyze the performance of the ladder type dryer furnace using CFD simulation with non-premixed combustion models and make furnace design improvement by simulating operating variations. This research includes test performance and simulation of a furnace. The test was performed to obtain temperature data as data validation. Dimensions of the furnace were smaller than in previous research. Some test data were used as input of simulation, such as material flow rate, material bulk density and air velocity. The furnace dimension was 30 x 15 x 50 cm, with diameter of screw conveyor, air inlet and furnace outlet was 7.62, 3.8, and 9 cm. Based on the test performance data, the average bulk density of corncobs, corncob flow rate and air velocity was 151.6 g L-1, 4.07 kg h-1 and 7.5 m s-1. The average outlet temperature was 646 ⁰C and two temperature measurements point in the combustion chamber was 711 ⁰C and 581 ⁰C. The simulation for validation began by comparing the three models of k-ε turbulence using furnace design I, i.e. k-ε standard, k-ε RNG, and k-ε realizable. From the three turbulence model, the highest average accuracy obtained using standard k-ε turbulence model with average accuracy 89%, 83% for the output, 86 and 98% in the inside of the furnace. Based on the model, improvement of furnace design (furnace design II) was conducted, by changed the screw conveyor position, add secondary air intake in front of the screw conveyor and add separation between the feeder area and combustion chamber. Based on the simulation results, the furnace design II was able to solve the problems in furnace design I and got an increase of heat value and system efficiency of 11.7%, with the same operating conditions.