STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI POSISI PENYEMPROTAN DAN JARAK NOSEL TERHADAP WAKTU PEMADAMAN PADA SISTEM PEMADAMAN KABUT AIR

Transkripsi

1 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI POSISI PENYEMPROTAN DAN JARAK NOSEL TERHADAP WAKTU PEMADAMAN PADA SISTEM PEMADAMAN KABUT AIR Tesis untuk Memperoleh Gelar Magister pada Program Magister, Program Studi Teknik Mesin, Program Pascasarjana Universitas Udayana I Gusti Ngurah Bagus Mahendra Putra NIM PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016 ii

2 Lembar Pengesahan TESIS INI TELAH DISETUJUI PADA TANGGAL : 9 JUNI 2016 Pembimbing I, Pembimbing II, Ainul Ghurri, ST, MT, Ph.D NIP I Wayan Widhiada, ST, MT, Ph.D NIP Mengetahui Ketua Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana Direktur Program Pascasarjana Universitas Udayana Prof. Dr. Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma NIP Prof. Dr. dr. A. A. Raka Sudewi, Sp.S (K) NIP iii

3 Tesis Ini Telah Diuji Pada Tanggal 9 Juni 2016 Panitia Penguji Tesis Berdasarkan SK Rektor Universitas Udayana No : 2546/UN 14.4/HK/2016 Tanggal : 09 Juni 2016 Ketua Sekretaris : Ainul Ghurri, ST, MT, Ph.D : I Wayan Widhiada, ST, M.Sc, Ph.D Anggota : 1. Prof. Dr. Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma 2. Dr. Ir. I Ketut Gede Wirawan, MT 3. Dr. Ir. I Ketut Suarsana, MT iv

4 SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT NAMA : I GUSTI NGURAH BAGUS MAHENDRA PUTRA NIM : PROGRAM STUDI : PASCASARJANA TEKNIK MESIN UNIVERSITAS UDAYANA JUDUL TESIS : STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI POSISI PENYEMPROTAN DAN JARAK NOSEL TERHADAP WAKTU PEMADAMAN PADA SISTEM PEMADAMAN KABUT AIR Dengan ini menyatakan bahwa karya ilmiah Tesis ini bebas plagiat. Apabila dikemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sangsi sesuai Peraturan Mendiknas RI No.17 Tahun 2010 dan peraturan Perundang undangan yang berlaku. Denpasar, 9 Juni 2016 Yang menyatakan I Gusti Ngurah Bagus Mahendra Putra v

5 UCAPAN TERIMA KASIH Pertama-tama perkenankanlah penulis memanjatkan puji syukur ke hadapan Ida Sang Hyang Widhi Wasa/ Tuhan Yang Maha Esa, karena hanya atas asung wara nugraha-nya/kurnia-nya, thesis ini dapat diselesaikan. Pada kesempatan ini perkenankanlah penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ainul Ghurri, ST, MT, Ph.D, pembimbing I yang dengan penuh perhatian telah memberikan dorongan, semangat, bimbingan, dan saran selama penulis mengikuti program magister, khususnya dalam penyelesaian thesis ini. Terima kasih sebesar-besarnya pula penulis sampaikan kepada I Wayan Widhiada, ST, M.Sc, Ph.D, Pembimbing II yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan saran kepada penulis. Ucapan yang sama juga ditujukan kepada Rektor Universitas Udayana Prof. Dr. Dr. Ketut Suastika, Sp.PD KEMD atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada penulis untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Magister di Universitas Udayana. Ucapan terima kasih ini juga ditujukan kepada Direktur Program Pascasarjana Universitas Udayana yang dijabat oleh Prof. Dr. dr. A.A. Raka Sudewi, Sp.S (K) atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk menjadi mahasiswa Program Magister pada Program Pascasarjana Universitas Udayana. Tidak lupa penulis ucapkan terima kasih kepada Prof. Dr. Ir. Ngakan Putu Suardana, Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana atas ijin yang diberikan kepada penulis untuk mengikuti pendidikan program Magister. Pada kesempatan ini, penulis juga menyampaikan rasa terima kasih kepadar Prof. Dr. Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma, selaku Ketua Jurusan Program Pascasarjana Teknik Mesin. Ucapan terima kasih penulis sampaikan pula kepada para penguji thesis, yaitu Prof. Dr. Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma, Dr. Ir. I Ketut Gede Wirawan, MT., Dr. Ir. I Ketut Suarsana, MT., yang telah memberikan masukan, saran, sanggahan, dan koreksi sehingga thesis ini dapat terwujud seperti ini. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang tulus disertai penghargaan kepada seluruh guru-guru yang telah membimbing penulis, mulai dari sekolah dasar sampai perguruan tinggi. Juga penulis ucapkan terima kasih kepada Ayah dan Ibu yang telah mengasuh dan membesarkan penulis, memberikan dasar-dasar berpikir logik dan suasana demokratis sehingga tercipta lahan yang baik untuk berkembangnya kreativitas. Akhirnya penulis sampaikan terima kasih kepada istri tercinta Yunita Siswanti, serta anak-anak Gus Satria, Gek Indi, dan Gus Tristan tersayang, yang dengan penuh pengorbanan telah memberikan kepada penulis kesempatan untuk lebih berkonsentrasi menyelesaikan thesis ini. Semoga Ida Sang Hyang Widhi Wasa/ Tuhan Yang Mahaesa selalu melimpahkan rahmat-nya kepada semua pihak yang telah membantu pelaksanaan dan penyelesaian thesis ini, serta kepada penulis sekeluarga. vi

6 ABSTRAK STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI POSISI PENYEMPROTAN DAN JARAK NOSEL TERHADAP WAKTU PEMADAMAN PADA SISTEM PEMADAMAN KABUT AIR Dewasa ini sistem pemadaman api berbasis air yang lebih hemat dalam konsumsinya telah dikembangkan. Para peneliti dari berbagai negara sudah mulai membuat sebuah sistem pemadaman berbasis kabut air untuk menggantikan sistem pemadam konvensional. Sistem ini memiliki keuntungan karena lebih hemat air dan efektif dalam mengurangi energi panas yang merupakan salah satu unsur penting dalam suatu reaksi pembakaran. Penggunaan sistem pemadaman kabut air sangat tergantung pada posisi api, posisi nosel dan distribusi semprotan. Jarak dan posisi semprotan dari kabut air akan mempengaruhi cakupan dan momentum spray untuk menembus api. Penelitian ini menguji model pemadaman menggunakan kabut air yang dihasilkan dari sebuah tabung pressure vessel berkapasitas 20 liter yang diberikan tekanan kerja 4 bar. Api dihasilkan dari bahan bakar alkohol dalam wadah cawan berdiameter 7 cm dan tinggi 5 cm. Variasi jarak semprotan nosel dilakukan pada jarak 20 cm, 25 cm, dan 30 cm dan variasi posisi penyemprotan dari arah atas dan samping api. Visual kabut air yang dihasilkan, dianalisa dengan menggunakan program Image J untuk memastikan ukuran butiran di bawah 1 mm (1000 µm). Hasil yang diperoleh memperlihatkan bahwa kabut air yang dihasilkan cukup efektif untuk memadamkan api. Waktu pemadaman sangat dipengaruhi oleh panjang semprotan, ukuran diameter droplet kabut air dan besarnya sudut semprotan kabut air. Jarak semprotan nosel akan mempengaruhi luas cakupan semprotan dan kekuatan penetrasi kabut air ke dalam permukaan api. Cakupan semprotan kabut air yang efektif menutupi sistem kebakaran akan mampu membuat waktu pemadaman menjadi lebih cepat. Posisi semprotan dari atas dan dengan jarak 20 cm menghasilkan cakupan penyemprotan kabut air yang efektif untuk menutupi sistem kebakaran dari pengaruh luar. Waktu pemadaman yang singkat akan mengurangi konsumsi air yang digunakan untuk memadamkan api. Hasil pengujian dengan sistem pemadaman berbasis kabut air akan lebih efektif apabila dilakukan dengan jarak yang lebih dekat dengan sumber api dan dengan posisi penyemprotan dari arah atas sumber api. Kata Kunci : kabut air, image J, jarak semprotan, posisi semprotan, waktu pemadaman, konsumsi air vii

7 ABSTRACT EXPERIMENTAL STUDY ON EFFECT OF VARIATION SPRAYING POSITION AND DISTANCE NOZZLE FOR TIME OF EXTINCTION AT WATER MIST SUPPRESSION SYSTEM Water-based fire extinguishing system was developed for more efficient in their consumption. Researchers from different countries have already started to develop water mist systems for replace the conventional sistem. This system is having an advantage because more efficient and effective in reducing the heat energy. Water mist suppression system is highly dependent on the position of the fire, the position of the nozzle and spray distribution. Distance and position spray of water mist will affect the scope and momentum to penetrate the fire. The water mist is generated by a tube pressure vessel with a capacity of 20 liters and given working pressure of 4 bar. Fire is resulting from alcohol in a container with diameter of 7 cm and a height of 5 cm. Variation of distance spray nozzle is carried out at 20 cm, 25 cm and 30 cm and variation of spraying position from above and beside the fire. Visual of water mist analize by Image J to ensure droplet diameter below 1 mm (1000 µm). The results of the test showed that water mist produced quite effective to extinguish the fire. Exthinguishing time is very influence by spray distance, droplet diameter, and spray coverage of water mist. Distance of spray nozzle affects scope and power of penetration water mist into the surface fire. Spray coverage of water mist that effective covering fire system will make exthinguishing time more faster. Suppression position from above and at a distance of 20 cm resulted spray coverage of water mist that effective covering fire system from outside influence. The faster exthinguishing time will reduce water consumption that use for suppressed fire. Results of testing with water mist suppression system will be more effective if it is done at a short distance to the fire source and the position of spraying from above the fire source. Keywords: water mist, Image J, spray distance, spray position, suppression time, water consumption viii

8 RINGKASAN Kota Denpasar sebagaimana tipikal kota besar lainnya mempunyai potensi rawan bencana kebakaran. Pada Tahun 2013, dari 106 kejadian kebakaran yang terjadi, air PDAM yang digunakan untuk memadamkan api mencapai liter. Dewasa ini telah dikembangkan sistem pemadaman api berbasis kabut air yang lebih hemat dalam konsumsinya. Sistem ini memiliki keuntungan karena lebih hemat air dan efektif dalam mengurangi energi panas yang merupakan salah satu unsur dalam segitiga api. Untuk menguji keefektifan sistem pemadaman berbasis kabut air dilakukan pengujian dengan menggunakan sebuah tabung berkapasitas 20 liter yang difungsikan sebagai sebuah pressure vessel dan nosel kabut air dengan diameter orifice 0.3 mm sebagai outlet keluaran kabut air. Tekanan kerja yang diberikan pada pressure vessel adalah 4 Bar. Api yang dipadamkan dihasilkan dari bahan bakar cair (alkohol) yang ditampung dalam wadah berdiameter 7 cm dan tinggi 5 cm (kebakaran bertipe pool fire). Distribusi temperatur pada api diukur dengan tiga termokopel bertipe K. Sebelum dilakukan pemadaman api, terlebih dahulu droplet air yang dihasilkan oleh sistem dianalisa dengan menggunakan kamera Canon EOS 60D dan program Image J. Analisa ini dilakukan untuk memastikan bahwa ukuran droplet air yang dihasilkan oleh sistem kabut air pada pengujian memenuhi kriteria untuk disebut sebagai kabut (mist) berukuran dibawah 1 mm (1000 µm). Apabila droplet yang dihasilkan sudah memenuhi kreteria kabut air, kemudian dilakukan pengujian pemadaman api dengan variasi jarak semprotan 20 cm, 25 cm, dan 30 cm dan posisi penyemprotan dari atas dan samping api. Parameter yang. diukur dalam pengujian adalah masing masing temperatur pada termokopel, waktu yang diperlukan untuk pemadaman, dan volume air yang digunakan untuk pemadaman Data yang di dapat dari pengamatan kamera pada penelitian adalah visual api dari waktu ke waktu, sudut semprotan (Ɵ), jumlah butiran (n) dan distribusi ukuran diameter dari butiran / droplet (D) yang terjadi pada kabut air. Untuk dapat menemukan nilai nilai dari karakter semprotan tersebut di atas, data mentah yang didapat dari visual kamera diolah dengan menggunakan program Image J. Dari data pengujian didapat hasil karakteristik pool fire yang terjadi pada kebakaran alkohol. Data karakteristik pool fire yang diperoleh antara lain : laju pembakaran bahan bakar (ṁ ), laju produksi kalor (HRR), tinggi nyala api (Hf) dan waktu nyala api (t b ). Hasil perhitungan secara teoritis akan dijadikan sebagai acuan pembanding dengan hasil yang didapat dalam pengujian. Data pengujian lain yang didapat berupa distribusi temperatur pada saat api menyala. Waktu yang diperlukan untuk memadamkan api dengan tiga variasi perlakuan jarak semprotan dan dua variasi posisi penyemprotan dicatat untuk mendapatkan data awal buat menganalisa. Hasil pengujian yang didapat adalah semakin jauh jarak nosel (jarak semprot), semakin lama waktu yang dibutuhkan sistem pemadam kabut air untuk memadamkan api. Pemadaman api dengan metode penyemprotan kabut air pada jarak 30 cm dari atas (vertikal) ataupun dari arah samping (horisontal) memerlukan waktu yang paling lama dibandingkan dengan jarak penyemprota n ix

9 25 cm dan 20 cm. Penyemprotan dengan jarak 30 cm dari atas memerlukan waktu 1932 detik (32,2 menit) sedangkan penyemprotan dari arah samping memerlukan waktu 2046 detik (34,1 menit). Sedangkan pada penyemprotan dari jarak 25 cm memerlukan waktu pemadaman yang lebih singkat, dimana dari posisi atas waktu pemadamannya 1450 detik (24,16 menit) dan dari posisi samping 1570 detik (26,17 menit). Waktu pemadaman tercepat terjadi saat jarak nosel 20 cm, dimana penyemprotan dari atas memerlukan waktu pemadaman 810 detik (13,5 menit) dan dari arah samping 830 detik (14 menit). Jarak semprotan nosel mempengaruhi luas cakupan spray dan kekuatan penetrasi kabut air ke dalam permukaan api. Kabut air yang disemprotkan akan membentuk pola kerucut sampai batas tertentu dan setelah itu akan mengalami perlambatan dan akan jatuh bebas tanpa pengaruh tekanan nosel lagi. Semakin jauh jarak semprotan juga mengakibatkan faktor eksternal seperti kecepatan angin ikut mempengaruhi sebaran kabut air. Posisi penyemprotan dari arah atas memerlukan waktu pemadaman yang lebih cepat dibandingkan dengan dari posisi samping. Semprotan kabut air dari arah atas menghasilkan cakupan kabut air (spray coverage) yang cukup besar untuk menutupi seluruh permukaan api. Cakupan semprotan yang besar akan lebih efektif untuk memadamkan api diatas permukaan pool fire. Sedangkan semprotan kabut air dari arah samping menghasilkan cakupan kabut air yang tidak cukup efektif untuk menutupi seluruh permukaan api. Ini disebabkan karena kabut air yang disemprotkan tetap memiliki momentum yang cukup untuk menembus api dan mencapai permukaan bahan bakar. Sedangkan volume air yang digunakan untuk memadamkan api dari jarak semprotan nosel 30 cm (posisi atas) memerlukan rata-rata air 3,76 liter sedangkan dari posisi samping 3,97 liter. Pada jarak 25 cm air yang terpakai adalah 3,03 liter (posisi atas) dan 3,43 liter (posisi samping). Sedangkan dari jarak 20 cm hanya memerlukan air sebanyak 2,47 liter (posisi atas) dan 2,67 liter untuk posisi samping. Makin jauh jarak nosel ke api, waktu yang dibutuhkan untuk memadamkannya juga menjadi makin lama. Semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk memadamkan api, semakin banyak air yang dipakai sistem. Dengan melihat hasil pengujian tersebut dengan kondisi parameter sesuai dengan kondisi pengujian, sistem pemadaman berbasis kabut air akan lebih efektif apabila dilakukan dengan jarak yang lebih dekat dengan sumber api. Posisi penyemprotan yang lebih maksimal adalah penyemprotan dari arah atas sumber api. x

10 DAFTAR ISI Halaman SAMPUL DALAM... i LEMBAR PERSETUJUAN... iii PENETAPAN PANITIA PENGUJI... iv SURAT PERNYATAAN... v UCAPAN TERIMAKASIH... vi ABSTRAK.... vii ABSTRACT... viii RINGKASAN... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR TABEL... xiv DAFTAR GAMBAR... xv DAFTAR ARTI SIMBOL... xvii DAFTAR ARTI SINGKATAN... xviii DAFTAR LAMPIRAN... xix BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Batasan Masalah... 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Api dan Proses Pembakaran Pool Fire Laju Pelepasan Massa Pembakaran dan Produksi Kalor Pool Fire Waktu Nyala Api Tinggi Nyala Api xi

11 2.3 Sistem Kabut Air (Water Mist System) Pengertian Sistem Kabut Air Mekanisme Pemadaman dari Sistem Kabut Air Nosel dan Sistem Injeksi Jenis Nosel Berdasarkan Mekanisme Kerjanya Nosel Single Fluid Nosel Twin Fluid Dasar Dasar dari Spray Pembuatan Spray Droplet dan Distribusi Ukuran Droplet Pemadaman Api pada Pool Fire Interaksi Kabut Air dengan Pool Fire dan Karakteristik Api Interaksi antara Kabut Air dengan Api Interaksi antara Kabut Air dengan Bahan Bakar Panas Momentum Kabut Air Mekanisme Transport Penelitian penelitian sebelumnya BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS Kerangka Berpikir Konsep Hipotesis BAB IV METODE PENELITIAN Rancangan Penelitian Spesifikasi Pressure Vessel Spesifikasi Nosel Spesifikasi Kamera Spesifikasi Termokopel Ruang Lingkup Penelitian Variabel Penelitian Variabel Bebas Variabel Terikat xii

12 4.3.3 Variabel Terkontrol Bahan dan Instrumen Penelitian Prosedur Penelitian Analisis Data BAB V DATA PENELITIAN Karakteristik Pool Fire Laju Pembakaran Bahan Bakar dan Laju Produksi Kalor Tinggi Nyala Api Waktu Nyala Api Pengujian Karakteristik Water Mist Pengolahan Data Data sudut semprotan kabut air Data distribusi butiran (droplet) Data Hasil Pemadaman Api Data distribusi temperatur api Data volume air untuk pemadaman api BAB VI PEMBAHASAN Analisa Pengaruh Variasi Jarak Semprotan Nosel Sistem Kabut Air Analisa Pengaruh Variasi Posisi Penyemprotan Sistem Kabut Air Analisa Performa Pemadaman Jenis Pool Fire dengan Memakai Sistem Kabut Air BAB VII KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiii

13 DAFTAR TABEL Halaman 2.1. Pool burning thermochemical dan Empirical Constant untuk berbagai jenis bahan bakar organik Data distribusi butiran semprotan kabut air dari atas Data distribusi butiran semprotan kabut air dari arah samping Perbandingan waktu pemadaman dilihat dari variasi jarak semprotan dan posisi nosel Volume air yang dihabiskan untuk pemadaman api xiv

14 DAFTAR GAMBAR Halaman 2.1. Elemen segitiga api Proses perubahan bahan bakar padat menjadi uap Presentasi skematik dari permukaan yang terbakar Klasifikasi dari semprotan air berdasarkan ukuran distribusi droplet Jenis nosel single fluid Jenis nosel twin fluid nosel Skema ilustrasi nosel untuk pemadam kebakaran Pembentukan droplet air Model Pool fire sederhana Kecepatan terminal untuk partikel sferis terisolasi di udara stasioner Pressure Vessel Nosel single fluid Camera Casio Exillim ZR Camera Canon DSLR EOS 60 D Termokopel type K Skema instalasi pengujian Flowchat penelitian Visual nyala api pool fire Visual kabut air yang disemprotkan sistem dari arah atas Visual kabut air yang disemprotkan sistem dari arah samping Pengukuran sudut semprotan kabut air penyemprotan dari atas Pengukuran sudut semprotan kabut air penyemprotan dari samping Hasil olah data kabut air semprotan atas dengan menggunakan program Image J Hasil olah data kabut air semprotan samping dengan menggunakan program Image J Visual api saat pemadaman pada posisi jarak nosel 20 cm di atas api Visual api saat pemadaman pada posisi jarak nosel 25 cm di atas api Visual api saat pemadaman pada posisi jarak nosel 30 cm di atas api xv

15 5.11 Visual api saat pemadaman pada posisi jarak nosel 20 cm di samping kanan api Visual api saat pemadaman pada posisi jarak nosel 25 cm di samping kanan api Visual api saat pemadaman pada posisi jarak nosel 30 cm di samping kanan api Perbandingan visual api antara penyemprotan atas dengan penyemprotan samping saat pemadaman pada posisi jarak nosel 30 cm Grafik hubungan waktu pemadaman terhadap temperatur pada jarak Penyemprotan nosel 30 cm dari atas Grafik hubungan antara jarak nosel terhadap waktu pemadaman Hubungan antara jarak nosel dengan volume air yang dihabiskan untuk pemadaman xvi

16 DAFTAR ARTI SIMBOL % : persentase 0 : derajat cm : centi meter D : diameter butiran m : meter ṁ : laju pembakaran Q F : heat flux supplai dari api Q L : panas yang hilang LV : panas yang dibutuhkan untuk menghasilkan material combustible q : laju pelepasan panas h c : effective heat of combustion ṁ : asymptotic mass burning rate Kβ : empirical constant A : luas permukaan H : hidrogen k : konstanta α : sudut ρ : density l : panjang d : diameter Δ : perubahan kondisi : sudut semprotan ν : kecepatan µm : mikrometer xvii

17 DAFTAR ARTI SINGKATAN BPBD : Badan Penanggulangan Bencana Daerah PDAM : Perusahaan Daerah Air Minum APAR : Alat Pemadam Api Ringan NFPA : National Fire Protection Association API : American petroleum institute HRR : Heat Release Rate HS : High Speed HD : High Definition PVC : Polymer Vinyl Chloride xviii

18 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1 Distribusi temperatur posisi penyemprotan atas Lampiran 2 Distribusi temperatur posisi penyemprotan samping Lampiran 3 Foto -foto penelitian Lampiran 4 Image J Kabut atas Lampiran 5 Image J Kabut atas Lampiran 6 Image J Kabut atas Lampiran 7 Image J Kabut samping Lampiran 8 Image J Kabut samping Lampiran 9 Image J Kabut samping xix