## PENENTUAN LOKASI SENSOR TEMPERATUR PADA TANGKI BAHAN BAKU PILOT PLANT BIODIESEL KUALITAS TINGGI KAPASITAS 1 TON/HARI
Kristianto Adi Widiatmoko 1 , Adi Prismantoko 1* , Fairuz Milkiy Kuswa 1 , Adinda Prawitasari 1 , Maharani Dewi Solikhah 1 ,  Agus Kismanto 1
1 Balai Teknologi Bahan Bakar dan Rekayasa Disain, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi, 15314

## ABSTRAK
Perkembangan biodiesel di Indonesia didorong oleh beberapa faktor pendukung seperti pemanfaatan biodiesel sebagai  salah  satu  cara  dalam  mengatasi  permasalahan  tekanan  impor  BBM  dan  meningkatkan  ketahanan energi. Implementasi penggunaan biodiesel ini mengalami kendala yang salah satunya adalah kualitas mutu dari biodiesel dan harga yang kurang bersaing dengan minyak solar. Oleh sebab itu diperlukan teknologi produksi biodiesel kualitas tinggi dengan menggunakan teknologi tanpa katalis yang beroperasi pada suhu tinggi. Salah satu peralatan yang penting dalam pilot plant biodiesel adalah tangka bahan baku. Deteksi suhu dalam tangki tersebut penting untuk keberhasilan proses. Penempatan sensor suhu yang tepat diperlukan untuk pembacaan suhu yang akurat. Salah satu cara dalam menentukan titik lokasi sensor suhu adalah dengan memperhatikan persebaran panas pada tangki pilot plant biodiesel. Proses dalam menentukan lokasi sensor termperatur pada tangki ini dimulai dengan pembuatan model pada perangkat lunak Energi2D. Kemudian menambah titik-titik lokasi yang mungkin akan dipasang sensor temperatur merata pada bagian tangki. Perambatan panas dimulai dari  titik  elemen  pemanas.  Pada  mulanya  elemen  pemanas  akan  memanaskan  lingkungan  sekitar  pemanas terlebih dahulu dan kemudian menyebar ke arah atas. Dari keenam lokasi sensor suhu ini, lokasi sensor 5 dan sensor 6 adalah lokasi yang sesuai karena temperatur fluida pada lokasi ini memiliki karakteristik paling cepat dalam mencapai kesetimbangan temperatur. Jadi apabila dalam tangki tersebut terdapat aliran pemasukan dan pengeluaran fluida yang tetap, maka lokasi sensor 5 dan sensor 6 yang paling sesuai. Berbeda apabila fluida didalam tangki tidak berganti, maka lokasi sensor nomor 3 dan nomor 4 menjadi yang sesuai karena temperatur pada lokasi ini menunjukkan rata-rata temperatur dari keseluruhan tangki.
Kata kunci :  penempatan sensor; temperatur; transfer panas; tangki;

## ABSTRACT
The development of biodiesel in Indonesia is driven by several supporting factors such as the use of biodiesel as a way to overcome the problem of fuel import pressures and  increase energy security. Implementation of the use of biodiesel is experiencing problems, one of which is the quality of biodiesel and prices that are less competitive with diesel oil. Therefore a  high  quality  biodiesel  production  technology  is  needed  by  using  a  catalyst-free  technology  that  operates  at  high temperatures. One of the important equipment in biodiesel pilot plant is the raw material. Detection of the temperature in the  tank  is  important  for  the  success  of  the  process.  The  right  temperature  sensor  placement  is  required  for  accurate temperature readings. One way to determine the location of a temperature sensor is to pay attention to the heat distribution in the biodiesel pilot plant tank. The process of determining the location of the temperature sensor in this tank begins with the modeling of the Energi2D software. Then add locations where the temperature sensor might be installed evenly on the tank. Heat propagation starts from the point of the heating element. At first the heating element will heat the environment around the heater first and then spread towards the top. Of the six locations of temperature sensors, sensor locations 5 and sensor 6 are suitable locations because the temperature of the fluid at this location has the most rapid characteristics in achieving temperature equilibrium. So if in the tank there is a steady flow of fluid intake and discharge, the location of sensor 5 and sensor 6 is the most appropriate. It is different if the fluid in the tank does not change, the location of sensors number 3 and number 4 becomes appropriate because the temperature at this location shows the average temperature of the entire tank.
Keywords : sensor placement; temperature; heat transfer; tank;
* Adi Prismantoko Email: adi.prismantoko@bppt.go.id
Diterima 20 Januari 2020; Penerimaan hasil revisi 20 Februari 2020; Disetujui 20 Februari 2020 Tersedia online Maret 2020 AME (Aplikasi Mekanika dan Energi): Jurnal Ilmiah Teknik Mesin © 2020
Volume 6 Nomor 1 Maret 2020 pp 8-12 Website: http://ejournal.uika-bogor.ac.id/index.php/ame/index

## 1. PENDAHULUAN
Perkembangan biodiesel di Indonesia didorong oleh beberapa faktor pendukung seperti pemanfaatan biodiesel  sebagai  salah  satu  cara  dalam  mengatasi permasalahan tekanan impor BBM dan meningkatkan  ketahanan  energi  (Dharmawan  et  al. 2016;  Dutu  2016).  Selain  itu  biodiesel  merupakan salah  satu  solusi  dalam  mengatasi  penurunan  harga komoditas  pertanian  yang  merupakan  bahan  baku pembuatan  biodiesel  sehingga  dapat  meningkatkan perekonomian  masyarakat  dan  daerah  (Nuva  et  al, 2019). Pemerintah Indonesia mewajibkan penggunaan biodiesel sebesar 30% pada tahun 2020 untuk  sektor  transportasi.  Hal  ini  ditandai  dengan dikeluarkannya  Peraturan  Menteri  ESDM  no.  12 tahun 2015 (ESDM, 2015). Implementasi penggunaan  biodiesel  ini  mengalami  kendala  yang salah satunya adalah kualitas mutu dari biodiesel dan harga  yang  kurang  bersaing  dengan  minyak  solar. Oleh  sebab  itu  diperlukan  teknologi  produksi biodiesel  kualitas  tinggi  dengan  menggunakan teknologi tanpa katalis.
Salah satu peralatan yang terdapat di dalam plant biodiesel  ini  adalah  reaktor  yang  berfungsi  untuk mereaksikan  CPO  dan  Methanol  sehingga  menjadi biodiesel.  Dalam  proses  ini diperlukan suhu  hingga 280 o C (Manuale, 2011).
Penelitian  mengenai  perhitungan  pemilihan lokasi  sensor  suhu  telah  banyak  dilakukan  oleh penelitian-penelitian sebelumnya. Penelitian mengenai perhitungan penempatan sensor suhu pada faktor  bentuk  seluler  yang  tipis  telah  dilakukan (Biber, 2015).  Selain itu penelitian tentang peletakan sensor  suhu  untuk  mendeteksi  gangguan  pada  jalur pipa juga telah diteliti sebelumnya (Mathew, 2015). Dari penelitian-penelitian ini, dapat diketahui bahwa kalkulasi untuk menentukan lokasi sensor suhu sangat tergantung  pada  obyek  yang  akan  dibaca temperaturnya.
Penelitian  mengenai  penentuan  lokasi  sensor pada  sebuah  tangki  belum  pernah  dilakukan sebelumnya. Oleh karena itu, dalam makalah ini akan dibahas mengenai cara menentukan titik lokasi sensor suhu dengan memperhatikan persebaran panas pada tangki pilot plant biodiesel kualitas tinggi kapasitas 1 ton/hari.

## 2. PEMODELAN TERMAL

## 2.1 Pemodelan Matematis
Persebaran  panas  di  dalam  suatu  media  dapat diakibatkan  melalui  beberapa  cara.  Salah  satu  cara
adalah  melalui  konduksi.  Konduksi  panas  untuk media  yang  heterogen  dapat  diketahui  dengan menggunakan Persamaan 1:
𝝆𝒄  [ 𝝏𝑻 𝝏𝒕 ⋅  𝛁 ⋅ (𝒗 𝑻)] =  𝛁 ⋅ [𝒌𝛁𝑻] + 𝒒 (1)
dimana 𝑻(𝒙, 𝒚, 𝒛) adalah  distribusi  temperatur, 𝒌 adalah  konduktifitas  termal, 𝒄 adalah  kapasitas panas, 𝝆 adalah kerapatan, 𝒗 adalah kecepatan fluida, dan 𝒒(𝒙, 𝒚, 𝒛) adalah panas yang dikeluarkan.
Persamaan  1  adalah  persamaan  diskrit  untuk domain ruang dan waktu melalui perbedaan hingga domain waktu (FDTD). Metode FDTD yang implisit dipergunakan  untuk  dapat  menghasilkan  komputasi numeris yang lebih stabil.
𝜌 𝑖.𝑗.𝑘 𝑐 𝑖.𝑗.𝑘 = [ 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘 𝑛+1 − 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘 𝑛 ∆𝑡 + 𝑢 𝑖+1.𝑗.𝑘 𝑛+1 𝑇 𝑖+1.𝑗.𝑘 𝑛+1 − 𝑢 𝑖−1.𝑗.𝑘 𝑛+1 𝑇 𝑖−1.𝑗.𝑘 𝑛+1 2∆𝑥 + 𝑣 𝑖.𝑗+1.𝑘 𝑛+1 𝑇 𝑖.𝑗+1.𝑘 𝑛+1 − 𝑣 𝑖.𝑗−1.𝑘 𝑛+1 𝑇 𝑖.𝑗−1.𝑘 𝑛+1 2∆𝑦 + 𝑤 𝑖.𝑗.𝑘 𝑛+1 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘+1 𝑛+1 − 𝑤 𝑖.𝑗.𝑘−1 𝑛+1 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘−1 𝑛+1 2∆𝑧 ] = 𝟏 ∆𝒙 [𝒌 𝒊+ 𝟏 𝟐𝒋.𝒌 𝑇 𝑖+1.𝑗.𝑘 𝑛+1 − 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘 𝑛+1 ∆𝑥 − 𝒌 𝒊− 𝟏 𝟐𝒋.𝒌 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘 𝑛+1 − 𝑇 𝑖−1.𝑗.𝑘 𝑛+1 ∆𝑥 ] + 𝟏 ∆𝒚 [𝒌 𝒊.𝒋+ 𝟏 𝟐.𝒌 𝑇 𝑖.𝑗+1.𝑘 𝑛+1 − 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘 𝑛+1 ∆𝑦 − 𝒌 𝒊.𝒋− 𝟏 𝟐.𝒌 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘 𝑛+1 − 𝑇 𝑖.𝑗−1.𝑘 𝑛+1 ∆𝑦 ] + 𝟏 ∆𝒛 [𝒌 𝒊.𝒋.𝒌+ 𝟏 𝟐 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘+1 𝑛+1 − 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘 𝑛+1 ∆𝑧 − 𝒌 𝒊.𝒋.𝒌− 𝟏 𝟐 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘 𝑛+1 − 𝑇 𝑖.𝑗.𝑘−1 𝑛+1 ∆𝑧 ] (2)
Dimana 𝑴, 𝑵, 𝒅𝒂𝒏 𝑳 menggambarkan volume kubus di arah 𝒊, 𝒋, 𝒌 , ∆𝒙, ∆𝒚, ∆𝒛 menggambarkan  panjang  kubus pada arah yang sama, ∆𝒕 adalah beda waktu.

## 2.2 Pemodelan Termal Tangki
Untuk  dapat  menentukan  lokasi  dari  sensor temperatur  dengan  baik,  maka  diperlukan  sebuah model termal dari  tangki penyimpan bahan baku di pilot  plant biodiesel  kualitas  tinggi  kapasitas  1 ton/hari.  Model  ini  dipergunakan  untuk  simulasi kondisi  suhu  selama  proses  berlangsung.  Dalam model  ini,  dipasang  titik  pengukuran  suhu  tersebar merata  di  seluruh  model  untuk  mengamati perpindahan  panas  yang  terjadi  di  dalam  tangki. Model  yang  dipergunakan  untuk  kalkulasi  dapat dilihat pada Gambar 1.
Tangki dimodelkan secara dua dimensi dengan pandangan tampak samping. Hal ini bertujuan untuk memperoleh  pemahaman  mengenai  perpindahan
panas  pada  tangki  secara  vertikal.  Dalam  model, dinding tangki digambarkan dengan bangun persegi panjang  yang  berwarna  abu-abu.  Di  dalam  tangki tersebut terdapat elemen pemanas yang terletak pada bagian  bawah  dimodelkan  dengan  tiga  bangun persegi  panjang  berwarna  putih.  Elemen  pemanas sebenarnya adalah pipa koil dengan yang terdiri dari tiga  tingkat  dengan  fluida  pemanas  berupa  oli. Elemen pemanas terletak pada bagian bawah tangki dengan jarak titik terendah elemen pemanas dengan dasar  tangki  sebesar  150  mm.    Seluruh  permukaan bagian  luar  tangki  dilapisi  dengan  lapisan  insulasi.
Lapisan  ini  berfungsi  untuk  menahan  panas  dari dalam  tangki  terbuang  ke  lingkungan.  Lapisan insulasi memiliki ketebalan sebesar 60 mm. Lapisan insulasi  ini  digambarkan  di  model  sebagai  bangun persegi panjang dengan warna dasar hijau.
Terdapat enam sensor suhu pada model. Lokasi ke-enam sensor ini berada di atas elemen pemanas. Sensor-sensor  ini  ditempatkan  pada  bagian  pinggir tangki. Jarak sensor terhadap dinding pinggir tangki adalah sebesar 200 mm.  Posisi vertikal dari sensor- sensor tersebut adalah sebesar 20%, 40% dan 60 % dari  total  tinggi  tangki  diukur  dari  titik  atas  tangki. Posisi  dari  enam  sensor  suhu  ini  menggambarkan rencana  penempatan  sensor  pada  tangki  yang sebenarnya.
Model  serta  simulasi  perhitungan  perpindahan panas  dilakukan  dengan  menggunakan  perangkat lunak Energi2D. Parameter yang dipergunakan untuk membentuk model dapat dilihat pada Tabel 1.

## 3. METODOLOGI DALAM PENELITIAN
Proses  dalam  menentukan  lokasi  sensor termperatur  pada  tangki  bahan  baku  ini  dimulai dengan  pembuatan  model  pada  perangkat  lunak Energi2D.  Parameter  dan  perancangan  model  ini telah  dijelaskan  pada  Bab  2.  Langkah  berikutnya adalah  menambah  titik-titik  lokasi  yang  mungkin akan dipasang sensor temperatur merata pada bagian tangki.  Hal  ini  bermaksud  untuk  menguji  titik pemasangan  yang  paling  tepat  sehingga  dapat mendekati gambaran kondisi temperatur pada tangki yang sebenarnya.
Kondisi  awal  ditentukan  pada  tahapan  ini. Kondisi awal yang diperlukan pada tahap ini adalah suhu  bahan  baku  yaitu  sebesar  30 o C  yang  sama dengan  suhu  lingkungan.  Selain  itu  suhu  pemanas ditetapkan konstan sebesar 250 o C. Pada perhitungan ini gradasi kenaikkan suhu pemanas diabaikan untuk mempermudah  proses  simulasi.    Simulasi  dapat dilakukan  setelah  tahapan-tahapan  ini  dilakukan. Selama simulasi diamati mengenai kondisi suhu pada titik-titik  lokasi  sensor.  Tahap  terakhir  adalah menyeleksi titik lokasi sensor mana yang paling tepat untuk  menggambarkan  kondisi  Flowchart  urutan penelitian dapat dilihat pada Gambar 2.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Perambatan  panas  dimulai  dari  titik  elemen pemanas.  Pada  mulanya  elemen  pemanas  akan memanaskan  lingkungan  sekitar  pemanas  terlebih dahulu dan kemudian menyebar ke arah atas. Cairan yang  berada  didekat  elemen  pemanas  akan memanaskan  dinding  tangki  didekatnya.  Karena material dinding tangki mempunyai sifat yang mudah menghantarkan panas, maka dinding tangki ini akan mentransfer  panas  ke cairan yang  terletak  jauh  dari elemen pemanas. Titik cairan yang berada paling atas pada  tangki  adalah  titik  yang  terakhir  yang dipengaruhi oleh elemen pemanas yang lokasinya ada
Gambar 1. Model Tangki Penyimpanan Bahan Baku Tabel 1. Parameter Model Parameter Nilai Dimensi Tangki  0.9 x 1.5 m Tebal insulasi 50 mm Konduktifitas termal tangki 16.2 W/m o C Konduktifitas termal insulasi 0.07 W/m o C Spesifikasi termal fluida 5.26 J/kg o C Konduktifitas fluida 0.712 W/m o C
pada bagian bawah. Sebaran panas pada tangki dapat dilihat pada Gambar 3.
Grafik respon panas pada titik sensor suhu yang dipasang pada model dapat dilihat pada Gambar  4. Dari grafik diatas, sensor nomor 6 dan sensor nomor 5 memiliki grafik peningkatan suhu terhadap waktu yang hampir sama. Kenaikan suhu pada kedua sensor ini  berimpit,  karena  jarak  kedua  sensor  dengan pemanas sama. Sensor nomor 5 dan sensor nomor 6 memiliki  laju  pemanasan  yang  paling  tinggi dibandingkan dengan sensor-sensor lainnya.
Hal ini dikarenakan sensor nomor 5 dan 6 adalah sensor  yang  berjarak  paling  dekat  dengan  elemen pemanas. Lokasi yang lain adalah sensor 4 dan sensor 3. Kedua sensor ini terletak di atas sensor 5 dan sensor 6  sehingga  jarak  kedua  sensor  ini  terhadap  elemen pemanas lebih jauh jika dibandingkan jarak elemen pemanas ke sensor 5 dan sensor 6. Grafik peningkatan suhu terhadap waktu dari kedua sensor 3 dan sensor 4 ini berada dibawah grafik suhu terhadap waktu sensor 5 dan sensor 6. Hal ini berarti waktu yang diperlukan untuk  memanaskan  bahan  pada  kedua  lokasi  ini menjadi  lebih  lama.  Lokasi  sensor  1  dan  sensor  2 adalah  pada  sisi  atas  tangki.  Kedua  sensor  ini memiliki  jarak  yang  terjauh  apabila  dibandingkan dengan jarak sensor-sensor yang lain dengan elemen pemanas.  Oleh  karena  itu  wajar  apabila  grafik perubahan  temperatur  terhadap  waktu  dari  kedua sensor ini berada pada bagian paling bawah. Hal ini menandakan lokasi ini memiliki waktu terlama dalam peningkatan suhu.
Dari keenam lokasi sensor suhu ini dapat dipilih titik  lokasi  yang  tepat  untuk  dipasang  sensor  suhu pada tangki sebenarnya. Lokasi sensor 5 dan sensor 6 memiliki  karakteristik  paling  cepat  untuk  mencapai kesetimbangan termperatur. Dengan demikian kedua lokasi  ini  cocok  dipasang  sensor  suhu  untuk  tangki penyimpanan  bahan  baku  yang  mempunyai  fluida yang berganti. Jadi apabila di dalam tangki tersebut terdapat  aliran  pemasukan  dan  pengeluaran  fluida yang tetap, maka lokasi sensor 5 dan sensor 6 dapat menunjukkan  suhu  kesetimbanganya.  Berbeda apabila  fluida  di  dalam  tangki  tidak  berganti,  maka lokasi penempatan sensor pada nomor 3 dan nomor 4 dapat  menunjukkan  suhu  rata-rata  pada  tangki tersebut.
Gambar 2. Diagram Alir Metode Penelitian Mulai Pemodelan Termal Penambahan Sensor Pada Lokasi yang Memungkinkan Solusi Transien Respon Suhu Pada Lokasi Sensor Semua Sensor Selesai Pemilihan Lokasi yang Sesuai

## Selesai
Gambar 3. Sebaran Panas Hasil Simulasi Tangki Penyimpanan Bahan Baku
Gambar 4. Grafik Respon Panas Pada Titik Sensor Suhu

## 5. KESIMPULAN
Simulasi mengenai  persebaran  panas  di  dalam tangki penyimpanaan bahan baku untuk pembuatan biodiesel  kualitas  tinggi  telah  dilakukan  pada penelitian  ini.  Dari  hasil  simulasi  dapat  ditarik kesimpulan  bahwa  lokasi  yang  terbaik  untuk penempatan  sensor  suhu  dipengaruhi  oleh  lokasi pemanas  dan  aktifitas  di  dalam  tangki  tersebut. Apabila pemanas berada di dasar tangki dan terdapat aliran  fluida  masuk  dan  keluar  yang  konstan  maka lokasi  sensor  nomor  5  dan  nomor  6  adalah  yang sesuai.  Sedangkan  apabila  lokasi  pemanas  di  dasar tangki dan tidak terdapat aliran fluida di dalam tangki, maka  lokasi  sensor  nomor  3  dan  nomor  4  adalah lokasi yang sesuai untuk dipasang sensor suhu.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih dan apresiasi yang sebesar-besarnya  kepada  Program  Insentif  Sistem Inovasi Nasional (SINAS) Tahun 2019 RistekDikti.

## REFERENSI
Cathy  Biber,  (2015).  Sensor  Placement  for  Surface Temperature  Control  in  Thin  Mobile  Form Factors. SEMI-THERM Symposium : 31-36. Dharmawan,  Arya  Hadi,  Nuva,  Rizki  Amalia,  D.  A Sudaryanti.  (2016).  Isu  Relevan  Kebijakan Bioenergi Dalam Mendukung Ketahanan Dan Kemandirian Energi Di Indonesia: State of the Art. Bogor.
Dutu,  Richard,  (2016).  Challenges  and  Policies  in Indonesia’s Energy Sector . Energy Policy, 20 (4): 55:64.
Manuale, D.L, Mazzieri. V. M, Torres. G, Vera C. R. Yori  J.  C,  (2011).  Non-catalytic  biodiesel Process  With  Adsorption-based  Refining.
Fuel , 90 (3), 1188-1196.
Mathew Lee Hsien Loong, Mohd. Zainolarifin Mohd
Hanafi, Fatimah Sham Ismail. (2015). Thermal
Pipeline  Sensor  Placement  Model  For  Fault Detection,
Nuva,  Fauzi  A,  Dharmawan  A.  H,  Putri  E.  I.  K. (2019).  Ekonomi  Politik  Energi  Terbarukan dan  Pengembangan  Wilayah:  Persoalan Pengembangan biodiesel di Indonesia. Sodality:  Jurnal  Sosiologi  Pedesaan,  7 (2), 110:118 Peraturan Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia Nomor 12 Tahun 2015.