SIMULASI CFD PADA PEMBAKARAN PROXIMED BERBAHAN BAKAR LPG. Taufiq Hidayat Teknik Mesin. UNU Surakarta

Transkripsi

1 SIMULASI CFD PADA PEMBAKARAN PROXIMED BERBAHAN BAKAR Taufiq Hidayat Teknik Mesin. UNU Surakarta ABSTRAK Proses pembakaran adalah sebuah perubahan energi (hukum thermodinamika I dan II), proses pembakaran membutuhkan suplaian bahan bakar dan udara. Ketersediaan bahan bakar yang berasal dari fosil semakin lama semakin menipis sehingga perlu dilakukan solusi bahan bakar jenis lain dan salah satunya adalah dan kandungan dalam yang akan di teliti adalah propana dan butana. Untuk menyelesaikan program ini maka digunakan simulasi dengan mempergunakan CFD dan komposisi propana dan butana yang ditetapkan dibuat berbeda yaitu komposisi propana dan butana 50% serta propana 75% butana 25% dengan pengaruh tekanan 2 bar dan 4 bar. Hasil dari simulasi adalah: Simulasi CFD dengan bantuan software Fluent sangat berguna untuk menjelaskan detail fenomena pembakaran premixed dengan komposisi kandungan propana dan butana yang berbedabaik proses pembakaran maupun komposisi gas hasil pembakaran. Temperatur yang tinggi terjadi pada komposisi propana 50% dan butana 50% dan diikuti dengan peningkatan tekanan pada ruang bakar. Gas hasil pembakaran kandungan, butana 50% kadar CO2 pada tekanan 4 bar sebesar , H2O: Peningkatan kadar CO2 dan H2O pada komposisi bahan bakar bisa diperbaiki kualitas gas buang dengan pengkondisian peningkatan tekanan, pada komposisi bahan bakar yang sama. Kata Kunci:, Kadar Propana dan Butana, Pembakaran PENDAHULUAN Saat ini Bahan Bakar Gas atau Compressed Natural Gas (CNG) merupakan bahan bakar alternatif yang sedang dikembangkan untuk menggantikan bahan bakar cair seperti solar dan bensin. Hal ini disebabkan semakin menipisnya persediaan bahan bakar cair tersebut dan polusi yang ditimbulkan oleh bahan bakar tersebut. Emisi gas buang mengakibatkan pemanasan global, yang salah satu dampaknya adalah perubahan iklim seperti yang terasa saat ini. Selain CNG, ada juga metanol, etanol, dan (liquefied petroleum gas) dengan kelebihan dan kekurangan masing-masing. Walaupun begitu keempat jenis bahan bakar tersebut diakui sebagai bahan bakar yang bersih karena memiliki emisi gas buang yang rendah. Selain itu gas alam tidak bersifat korosif dan tidak beracun, sehingga tidak mengakibatkan kontaminasi dengan air tanah. Supaya dapat menggunakan BBG, kendaraan berbahan bakar bensin memerlukan seperangkat peralatan tambahan yang disebut kit konversi (conversion kit) yang terdiri dari tabung BBG, katup manual, pipa tekanan tinggi, manometer, dan saklar pilih, katup otomatis, penurun tekanan (pressure regulator), katup pengisian BBG (filling valve), pencampur gas dan udara (mixer) serta katup otomatis untuk bensin. Sistem pengaturan laju aliran dan langkah penurunan tekanan pada penurun tekanan akan sangat menentukan prestasi motor tersebut. Dari beberapa kajian yang pernah dilakukan terhadap karakteristik stabilitas dan prestasi kit konversi di LMBSP ITB Bandung[7,8,9], menunjukan bahwa kit konversi yang diimpor oleh beberapa penjual (vendor) di Indonesia masih memerlukan beberapa perbaikan. Beberapa penelitian yang telah diadakan untuk mencari penyebabnya[10,11], menyimpulkan bahwa masalah utama dari gangguan ini adalah ketidakstabilan dan respon transien yang kurang baik dari satu atau lebih mekanisme pegas-massa yang terdiri dari restriksi katup, pegas, diafragma, saluran orifis, dan ruang dari penurun tekanan. Mekanisme tersebut diharapkan untuk memungkinkan penurun tekanan menghantarkan secara baik sejumlah gas yang dibutuhkan oleh kendaraan bermotor, pada saat yang tepat, meskipun tekanan gas di dalam tangki berkurang selama pengoperasian kendaraan. Kesetimbangan antara gaya aerodinamis yang dihasilkan oleh aliran gas yang dimampatkan melalui penurun

2 tekanan dan gaya mekanik dari pegas dan diafragma yang menggerakkan restriksi katup agar terbuka pada saat yang tepat secara baik untuk menghantarkan sejumlah gas yang diperlukan kendaraan bermotor, merupakan salah satu parameter utama yang ikut menentukan kondisi baik tidaknya suatu penurun tekanan. Bahan Bakar Gas atau BBG merupakan gas alam yang telah dimampatkan. Secara umum lebih dari 80% komponen gas bumi yang dipakai sebagai BBG merupakan gas metana, 10%-15% gas etana, dan sisanya adalah gas karbon dioksida, dan gas-gas lain. Susunan BBG yang dipakai di Jakarta 93% terdiri dari gas metana, 3,2% gas etana, dan 3,8% sisanya adalah gas nitrogen, propana, dan karbon dioksida [6]. Komposisi gas alam tersebut berbeda-beda antara satu sumber dengan sumber lainnya. Bahan bakar gas dapat dikelompokkan ke dalam dua bagian utama yaitu gas alam (natural gas) dan gas buatan (manufactured gas). Gas alam umumnya berada di tempat yang sama dengan endapan minyak dan batubara. Sedangkan gas buatan diproduksi dari kayu, tanah gambut, batubara, minyak, dan sebagainya. Komponen mampu bakar dari gas adalah metana, karbondioksida, dan hidrogen dalam jumlah yang bervariasi. Karakteristik dari gas sangat tergantung pada komponen yang ada dalam gas tersebut. Keunggulan BBG sebagai bahan bakar untuk kendaraan antara lain : - Ramah lingkungan karena polusi yang disebabkan oleh BBG relatif lebih rendah dibandingkan BBM. Tingkat pengurangan emisi tertentu untuk kendaraan BBG jika dibandingkan dengan bensin adalah [5]: CO, 60% 80% NOx, 50% 80% CO2, sekitar 30% Reaktifitas penghasil ozon, 80% 90%. Sedangkan pengurangan emisi dari penggunaan gas pada mesin diesel umumnya berada pada rentang berikut ini[5]: CO, 70% 90% NOx, 80%-90% Bahan partikel (PM10), 90% 95% - Aman karena BBG memiliki berat jenis yang lebih ringan daripada udara sehingga bila terjadi kebocoran maka BBG segera membumbung ke udara dan sulit bagi BBG untuk membentuk campuran mampu terbakar di udara. - Lebih hemat dalam pemakaian minyak pelumas dan busi. - Bahan Bakar Gas memiliki nilai oktan yang lebih tinggi daripada bensin sehingga mengurangi kemungkinan terjadinya detonasi. - Murah karena BBG dijual dalam satuan liter setara premium harganya 40% 50% dari premium. - Diproduksi di dalam negeri Namun walaupun BBG memiliki banyak keuntungan sebagai bahan bakar bagi kendaraan tetapi terdapat kendala yaitu penyimpanan bahan bakar gas tersebut. Terdapat dua kemungkinan penyimpanan gas alam yang digunakan sebagai bahan bakar untuk kendaraan yaitu : - CNG (compressed natural gas) dimana gas disimpan di dalam silinder bertekanan tinggi hingga mencapai 200 bar. Penyimpanan CNG memerlukan volume yang lebih besar, namun memerlukan peralatan tambahan yang relatif lebih rendah. - LNG (liquefied natural gas) dimana gas metana menjadi cair pada temperatur C pada tekanan 1 bar. Tetapi untuk LNG dibutuhkan sejumlah energi yang cukup besar untuk mencairkan gas dan pengisian ulang yang lebih sulit dibandingkan dengan CNG. TINJAUAN PUSTAKA Azeman Mustafa, dkk, (...), Computational Studies Of Fuel And Air Mixing Characteristics Of A Low Pressure Domestic Gas Appliance, menerangkan Komputasi dinamika fluida (CFD) simulasi telah dilakukan untuk mempelajari karakteristik bahan bakar dan udara pencampuran suatu alat tekanan gas rendah dalam negeri. Tiga enis liquefied petroleum gas (), yaitu propana murni, butana murni dan campuran (dengan berat) propana 30% dan 70% butana, disimulasikan pada tekanan bahan bakar 300 mm WG. Hasil CFD menunjukkan bahwa untuk pasokan bahan bakar yang sama tekanan dan ukuran orifice gas, laju aliran massa bahan bakar dibuang ke burner. Namun, dibandingkan dengan butana dan campuran, bahan bakar propana kecepatan debit adalah yang tertinggi karena berat jenis yang terendah. Hal ini kmudian menghasilkan nilai tekanan paling negatif statis pada tabung burner tenggorokan pencampuran dan karenanya memungkinkan terbesar jumlah udara utama yang akan diinduksi ke sebuah alat. Jumlah udara primer yang dibutuhkan untuk memulai pembakaran oleh propana, campuran dan bahan bakar butane diperkirakan adalah sekitar

3 72%, 61% dan 54% dari stoikiometri persyaratan, masing-masing. Kazimierz Lejda, Artur Jaworski, (2007), dengan judul: Start Of Liquid Sequential Injection Influence On The Selected Useful And Ecological Parameters Of SI Engine, dapat disimpulkan dari hasil penelitiannya bahwapada mesin yang berbahan bakar dengan sisatem injeksi yang disemprotkan di manipold pada proses pembentukan campuran udara-bahan bakar tergantung pada awal injeksi bahan bakar kondisi ini akan mempengaruhi dari mesin tersebut P.Vijayabalan, (2009), dalam penelitiannya dengan judul: Performance, Emission and Combustion of Diesel Dual Fuel Engine using Glow Plug hasil dari penelitiannya adalah Sebuah mesin diesel silinder tunggal berpendingin udara vertikal telah dimodifikasi untuk menggunakan dalam mode dual fuel untuk mempelajari kinerja, emisi, dan karakteristik pembakaran. Bahan bakar utama, petroleum gas cair (), dicampur dengan udara, kompresi, dan dinyalakan oleh semprot pilot kecil diesel. mesin bahan bakar Dual menunjukkan penurunan oksida Nitrogen dan asap dalam rentang seluruh beban. Namun, mengalami masalah efisiensi break termal menurun dan hidrokarbon tinggi dan emisi karbon monoksida, terutama pada beban rendah karena pengapian miskin. R.R. Saraf, dkk., (2009), melakukan penelitian dengan judul: Comparative Emission Analysis of Gasoline/ Automotive Bifuel Engine, hasil dari penelitiannya ini menyajikan uji emisi yang dilakukan untuk skala perkotaan dan luar perkotaan. Total waktu untuk dalam kota dan luar kota detik. Mesin dijalankan dalam bahan bakar dengan menggunakan sistem konversi. Emisi diuji sesuai prosedur standar dan kemudian dibandingkan. Dikoreksi emisi dihitung dengan membaca ambien dikurangi dari sampel. Emisi CO berada di 111,3 ppm of 38.9 untuk jangkauan. HC emisi berada di kisaran 18,2-62,6 ppm. Emisi NOx adalah 08-3,9 ppm dan emisi CO2 6719, ppm. Mandloi R. K., dkk., (2010), dalam penelitiannya dengan judul: Long Term Continuous Use Of Auto- Causes Thermal Pitting In Automotive S. I. Engine Parts, dapat disimpulkan Hasil pembakaran tidak terpengaruh dengan kontaminasi minyak, keawetan dari komponenen mesin akan lebih awet, misal ring piston, bantalan dibandingkan dengan bensin. oktan tinggi juga meminimalkan keausan dan terjadinya ketukan mesin. Di sisi lain hasil pembakarannya juga menyebabkan pitting pada permukaan Engine Cylinder Block, Head, Valve, Valve batang & meningkatkan clearance di Valve. Syed Yousufuddin, dkk., (2008) dalam penelitiannya dengan judul: Performance and Emission Characteristics of -Fuelled Variable Compression Ratio SI Engine, dapat disimpulkan dari hasil penelitiannya sebagai bahan bakar dalam bentuk propana Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa mesin mengalami peningkatan tenaga dan torsi dalam kondisi beban tinggi. Konversi dari mesin dengan sebagai bahan bakar menunjukkan penurunan rata-rata CO dan HC emisi gas buang dibandingkan dengan bahan bakar asli. METODE PENELITIAN Pembakaran yang dipergunakan adalah pembakaran premixed, dengan bahan bakar. Komposisi yang dipakai adalah 50%Propana (C3H8), 50% Butana (C4H10), 75% Propana (C3H8), 25% Butana (C4H10). Pada lambda 1 dengan variasi tekanan 2 dan 4 bar. Simulasdi yang dipergunakan adalah simulasi software CFD (Computational Fluid Dynamics) : Fluent 2D. Komposisi bahan bakar dianggap dalam dalam fasa yang homogen. Pembakaran dianggap secara adiabatic yang dilakukan dengan menggunakan metode PDF (probability density function), metode ini diambil karena untuk mengakurasi mixture antara propanol dan butanol berdasar dari fungsi massa jenis bahan bakar pada proses dan hasil pembakaran. Simulasi ini akan didasarkan pada beberapa pemodelan diantaranya : 1. Kesetimbangan aliran fluida (massa dan momentum) turbulen dimana dan adalah komponen kecepatan fluktuatif dalam arah, dan adalah tekanan dan massa jenis dari campuran (mixture), dan adalah viskositas. Dengan Enthalpi Total (H) : 2. Pemodelan turbulensi Pemodelan turbulensi yang digunakan dalam simulasi ini adalah Reynold Stress Model (RSM) : k Ɛ, meskipun model ini terdapat banyak kekurangan apabila diterapkan pada pemodelan turbulensi yang kompleks, tetapi

4 masih cukup akurat untuk dimodelkan pada simulasi pembakaran ini, juga model k Ɛ tidak membutuhkan kemampuan komputasi yang tinggi. dimana adalah viskositas fluida dengan : ; dan adalah energi kinetic (turbulen); adalah disipasi rata-rata dari ; adalah konstanta emperik. Sehingga dari persamaan diatas didapatkan transport adalah : dan transport adalah : Penyelesaian penelitian ini dengan mempergunakan beberapa kaidah yang mendasari proses pembakaran di ruang bakar. 3. Persamaan energi 4. Pemodelan Radiasi Pada simulasi pembakaran ini, pemodelan radisi digunakan, karena temperatur operasional preses dan hasil pembakaran diatas 400 o K. Dan model radiasi P-1 dipilih Persamaan Numerik: Radiasi untuk permukaan pada ruang luar : untuk permukaan pada ruang dalam berdasar faktor kemudahan aplikasi, kompatibilitas serta efisiensi penggunaan perangkat komputasi, secara umum persamaan matematisnya adalah : dimana dan adalah radiasi dari temperatur gas (pembakaran), adalah koefisien penyerapan gas, sehingga besar perpindahan panas radiasinya adalah : (4) dengan adalah Energi panas radiasi, dan adalah konstanta Stefen-Boltzman. 5. Pemodelan pencampuran bahan bakar (mixture) dan AFR Variasi bahan bakar yang digunakan dalam simulasi ini (reaksi stoichiometri) adalah : 2C 3 H 8 + C 4 H N 2 10CO H N 2 Besaran nilai rasio ekuivalen (5) (λ) = 1, sehingga perbandingan kebutuhan udara untuk pembakaran bahan bakar : AFR Akt = ARF (6) Stoik λ = AFR Aktual AFR Stiokiomet ri AFR = Berat Molekul Udara Berat Molekul Bahan bakar Sehingga nilai AFR untuk masing-masing variasi bahan bakar adalah : Bahan Bakar Nilai AFR 15,8 (7) 6. Rancangan Model Reaktor/Burner Parameter aliran serta geometri dan dimensi burner/reaktor : (8) 1. Bahan bakar masuk kedalam burner dengan variasi tekanan (9) 1 dan 2 bar; 2. Kondisi batas temperatur dinding diambil 600 o K dan K (10) 3. Reaksi Pembakaran menggunakan metode PDF (probability density function) 4. Aliran udara dikondisikan supaya memenuhi kebutuhan AFR pada pembakaran bahan bakar yang divariasikan. 5. Inlet udara dibuat dua laluan atas bawah, sedangkan laluan BBM (11) dibuat satu dan terletak ditengah. 6. Konstruksi dibuat dua ruang (pencampur dan pembakar) 7. Profil dan dimensi burner seperti terlihat pada gambar (satuan dalam: (12) mm) udara

5 5 40 R. Bakar Gambar 1. Domain reaksi pembakaran (Burner) HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil penggunaan CFD untuk mengkondisikan AFR aktual agar didapat λ yang diharapkan didapat: BBM (P B 50% ( P 75%; B 25% AFR stoic h λ AFR aktual V bbm Tabel 1. Perhitungan dasar-dasar besaran λ B:50%) Turbulensi (m 2 /s 2 ) 75% ; B:50%) B: 25%) V udara 20 m/s 20 m/s 75% ; B: 25%) 2 Bar 4 Bar 2 Bar 4 Bar Tabel 2. Turbulent Hasil Simulasi Profil turbulance seperti nampak pada gambar 2. diatas menunjukan perbedaan dimana pada sisi bawah untuk tekanan 4bar terjadi warna kuning (541m 2 /s 2 ) dan hijau (451m 2 /s 2 ) terjadi gradien yang cukup jelas.diruang pencampuran mempunyai nilai yang sama yaitu m 2 /s 2 pada mulut nosel terjadi turbulensi meningkat dibandingkan diruang pencampuran sebesar 45.1 m 2 /s 2 hal ini disebabkan oleh perubahan dimensi di nosel sebesar 3 mm. Turbulensi sama-sama terjadi pada sisi bawah, sedangkan puncak besaran turbulansi terletak di bagian bawah keluaran sebesar warna merah (856 m 2 /s 2 ). Namun demikian countur pola semprotan bahan bakar yang terbaik pada komposisi propana 75% dan butana 25% (balance). Besaran dari turbulence terjadi pada dengan prosesntase 50% Propana, 50% butana. λ Temperatur ( 0 K) 75% ; B:50% B: ) 25%) 75% ; B: 25%) B:50% 2 Bar 4 Bar 2 Bar 4 Bar Tabel 3. Temperatur Hasil Simulasi Temperatur diruang pencampuran dan disisi atas ruang bakar sebesar 300 o K sedangkan gradiasi temperatur dari sisi tengah ke bawah dengan perubahan dari biru hijau (791 o K), kuning (2260 o K) dan orenge (2510 o K) sementara warna merah (2750 o K) terjadi disisi mulut ruang bakar. Bentuk gradiasi sebaran suhu akibat pembakaran ini disebabkan oleh velocyti pemasukan udara yang diambil 20 m/s sehingga pola semburan api yang tidak fokus ditengah.

6 Suhu tertinggi terjadi dioutput pembakar hal ini disebabkan suplaian bantuan udara dari udara bebas lebih besar. Pada komposisi 75% Propana butana 25% temperatur membesar ditengah ruang bakar dan suhu tinggi ditengah dan mulut menuju ruang bakar. Sedangkan besaran temperatur tertinggi terjadi di pada tekanan 2 Bar ( K). Semakin naik tekanan berbanding lurus dengan temperatur pada komposisi bahan yang sama. Tinggi dari temperatur akan menyebabkan besaran energi yang dihasilkan juga akan meningkat. λ B:50% B:50%) Tekanan (P) 75% ; B: 25%) 75% ; B: 25%) 2 Bar 4 Bar 2 Bar 4 Bar Tabel 4. Tekanan Hasil Simulasi Pada ruang pencampuran gradasi tekanan untuk 2 bar adalah 21000P mendekati nosel berubah 13200P ( = 7800 P), untuk tekanan 4bar tekanan yang ada diruang pencampuran adalah 43000P dan bergradi sama dengan di tekanan 2 bar menjadi P ( = 10300). (terjadi pola penurunan yang sama) Pada ruang bakar terjadi persamaan profil sebaran tekanan hanya besaran pada 2 bar= P 4 bar= P 1500 P. Tetapi puncak tekanan terjadi pada (P B 50%) sebesar P. Naiknya temperatur diikuti tekanan. Peningkatan hasil pembakaran yang baik adalah adanya jumlah mass friction yang terjadi diruang bakar yang paling kecil adalah milik komposisi P 75% dan B 25% pada tekanan 2 Bar akan tetapi saat tekanan dinaikan menjadi 4 bar maka kualitas CO2 dan H2O dari gambar 4 dan 5 nampak jumlah CO2 dan H2O mendekati komposisi P 50%, B 50%. ass friction yang terdapat pada ruang bakar berkisar atara disemua komposisi dan tekanan dan ini berhubungan dengan gas yang dihasilkan pada ruang bakar. Semakin banyak kandungan O2 yang ada di ruang pembakaran untuk proses pembakaran maka hasil temperatur juga akan berubah artinya kadar O2 yang terpakai lebih banyak maka pembakaran akan menjadi jenis oksida, dan pembakaran yang bentuk apinya dengan temperatur yang tinggi adalah pada Propana 75% dan Butana 25% P (bar) BBM Gas hasil (%) CO2 H20 2 Prop=50% But= 50% Prop = % 4 But=25% Tabel 5. Data Hasil Gas Buang Dari data dalam tabel dapat dibaca bahwa proses pembakaran yang paling sempurna adalah pada komposisi bahan bakar propana 50% dan butana 50% pada tekanan 4 bar, peningkatan tekanan dalam proses pembakaran akan memberikan dampak peningkatan CO 2 dan hasil H 2 O sebesar adanya kandungan dalam gas sisi pembakaran menunjukan juga kualitas pembakaran. Pada komposisi 75% dan butana 25% pada peningkatan tekanan mampu menaikan prosesntase CO 2, sekaligus kandungan kadar H 2 O juga. Pembakaran yang sempurna adalah pembakaran yang menghasilkan kadar CO2 dan H2O besar dan kadar HC yang rendah dan lambda berkisar 1. Temperatur tinggi flame yang lurus terjadi pada komposisi Propana 75% dan butana 25% tetapi kandungan gas buang CO2 dan H2O justru turun. KESIMPULAN Dari simulasi dan analisis diatas dapat ditarik kesimpulan : 1. Simulasi CFD dengan bantuan software Fluent sangat berguna untuk menjelaskan detail fenomena pembakaran premixed dengan komposisi kandungan propana dan butana yang berbedabaik proses pembakaran maupun komposisi gas hasil pembakaran. 2. Temperatur yang tinggi terjadi pada komposisi propana 50% dan butana 50% dan diikuti dengan peningkatan tekanan pada ruang bakar. 3. Gas hasil pembakaran kandungan, butana 50% kadar CO2 pada tekanan 4 bar sebesar , H2O: Peningkatan kadar CO2 dan H2O pada komposisi bahan bakar bisa diperbaiki kualitas gas buang dengan pengkondisian peningkatan tekanan, pada komposisi bahan bakar yang sama.

7 DAFTAR PUSTAKA [1] Azeman Mustafa and Noor Shawal Nasri (...), Computational Studies Of Fuel And Air Mixing Characteristics Of A Low Pressure Domestic Gas Appliance, Department of Gas Engineering Faculty of Chemical and Natural Resources Engineering, Universiti Teknologi Malaysia, Johor, Malaysia, azeman@fkkksa.utm.my [2] Kazimierz Lejda, Artur Jaworski, Start Of Liquid Sequential Injection InfluenceOn The Selected Useful And Ecological Parameters Of SI Engine, TEKA Kom. Mot. Energ. Roln. OL PAN, 2007, 7, [3] P.Vijayabalan, dkk., (2009), Performance, Emission and Combustion of Diesel Dual Fuel Engine using Glow Plug. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering Volume 3, Number 2, June ISSN Pages [4] R.R. Saraf, dkk., (2009), Comparative Emission Analysis of Gasoline/ Automotive Bifuel Engine, International Journal of Civil and Environmental Engineering 1:4, 2009 [5] R. K. Mandloi, dkk. (2010), Long Term Continuous Use Of Auto- Causes Thermal Pitting In Automotive S. I. Engine Parts, International Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 2(10), 2010, [6] Syed Yousufuddin, Syed Nawazish Mehdi, (2008), Performance and Emission Characteristics of -Fuelled Variable Compression Ratio SI Engine, Turkish J. Eng. Env. Sci. 32 (2008), 7 12.c_ T UB ITAK