Panjang Nyala Api pada Fenomena Flame Lift-up Pembakaran Propana Menggunakan Bunsen Burner

Transkripsi

1 Style Template Style Template Heading Abstract Abstract Keywords Body Text First Indent Heading 1 No. Baris 5 10 Panjang Nyala Api pada Fenomena Flame Lit-up Pembakaran Propana Menggunakan Bunsen Burner I Made Kartika Dhiputra, Cokorda Prapti Mahandari Flame & Combustion Research Group, Laboratorium Termodinamika Departemen Teknik Mesin F T Universitas Indonesia Kampus Baru Depok Telp.: , Fax dhiputra_made@yahoo.com, pmahandari@yahoo.com Diterima ; diterima terkoreksi ; disetujui Received ; correction received ; approved Abstract Flame lit-up phenomenon was initially examined on premix combustion using bunsen burner 15 incorporated with a ring. Ring in this case operated as lame holder. Research on employment o ring stabilizer resulted in the changes o lame height. Thereore in this paper, measurement o lame height was conducted on propane lame lit-up phenomenon. The lame height was measured using a steel ruler and also based on images that captured by a camera. Two dierent materials o ring, stainless steel and ceramic were investigated. Positions o ring rom the tube burner were 20 varied on our positions. It was ound that material o ring and position o ring inluenced lame height o lame lit-up. On the same position o the ring, ceramic ring gives higher lame height. Positions o ring or these two materials o ring give a totally dierent impact on lame height. For ceramic ring, higher position o the ring rom the exit tube burner decreases lame height slightly. However or stainless steel ring, lame height increases proportionally to the increasing ring 25 position. Keywords: lame lit-up, lame height, ring, premix combustion. Kerusakan pada dinding burner umumnya terjadi karena timbulnya jelagajelaga dan titik-titik api akibat kurang stabilnya 30 bentuk api atau lidah api yang terlalu panjang. Hal ini dapat mengakibatkan retak pada titik api tersebut, bahkan dapat menyebabkan lubang. Kondisi ini harus dihindari karena sangat merugikan baik dari aspek pembakaran maupun dari aspek penggunaan bahan bakar. Untuk mengatasi hal tersebut, dibutuhkan pemahaman mengenai karakteristik nyala api seperti laju nyala, daerah kestabilan nyala, komposisi gas buang, temperatur gas buang, pengaturan laju aliran udara sekunder, beban pembakaran dan proses pembakaran secara umum serta khususnya panjang nyala api yang dihasilkan. Panjang nyala api pada enomena lame lit-up pada penelitian ini diteliti secara eksperimental. Fenomena lit-up dapat ditemukan pada pembakaran premix menggunakan bunsen burner yang dipasang ring pada jarak tertentu dari ujung burnernya seperti tampak pada Gambar 1. Nyala api setelah lit-up Title Author Author Address 1

2 2 Gambar 1 [1]. Nyala api yang awalnya menempel diujung burner akan melompat ke ring pada kondisi laju aliran udara dinaikkan sampai nilai tertentu. Penelitian tentang 5 enomena nyala api lit-up diawali dengan kajian awal secara eksperimental untuk mengidentiikasi munculnya enomena tersebut dari aspek perbandingan udara dan bahan bakarnya. Fenomena lit-up terjadi pada 10 perbandingan udara dan bahan bakar atau Air Fuel Ratio (AFR) diatas AFR blow o. Jika dibandingkan dengan campuran udara dan bahan bakar stoikiometrik, maka enomena lit-up terjadi pada pembakaran yang sangat 15 kurus atau lean combustion. Interval AFR litup untuk ring dari stainless steel adalah sekitar 32 sampai dengan 43 sedangkan interval AFR blow o adalah sekitar sampai dengan 51 tergantung pada posisi ring dari ujung burner. 20 Fenomena lame lit-up muncul seperti lited lame namun dengan penghalang yang ditempatkan pada daerah reaksi serta pada campuran yang kurus. Timbulnya enomena ini memperluas daerah kestabilan nyala api karena 25 kondisi campuran udara dan bahan bakar yang semestinya telah blow o dapat tetap dipertahankan sampai nilai AFR yang lebih tinggi dari AFR blow o. Dari aspek panjang nyala api lit-up, 30 penelitian yang telah dilakukan adalah pengaruh AFR dan posisi ring dari ujung burner terhadap panjang nyala dengan menggunakan ring dari stainless steel [2]. Sebagian besar penelitian tentang panjang nyala api adalah untuk mengidentiikasi bilangan tanpa dimensi yang paling berpengaruh terhadap panjang nyala api. bilangan Froude, bilangan Richardson, perbandingan momentum, perbandingan temperatur adalah kelompok bilangan tanpa dimensi yang digunakan pada penentuan panjang nyala api diusi [3-7]. Perbedaan persamaan panjang nyala api yang diperoleh sebagian besar disebabkan oleh perbedaan metode pengukurannya. Kalghatgi [5] menggunakan kamera dengan kecepatan 1/30 detik dan tiga kali pengambilan gambar untuk menghitung panjang nyala rata-ratanya. Sugawa dan Sakai [6] mengukur panjang nyala api menggunakan kamera video dan rata-rata panjang nyala dari sembilan pengambilan gambar. Faktor lain yang mempengaruhi perbedaan hasil pengukuran adalah aktor ketahanan retina mata pengamat. Salah satu metode untuk mengatasi hal ini adalah metode yang ditawarkan oleh Hawthorne dkk[7] adalah konsep panjang nyala api kimiawi. Panjang nyala api kimiawi adalah jarak sampai ujung api dimana raksi mole bahan bakar mencapai 0,0005 pada sumbu nyala api. Sonju dan Hustad [8] mengembangkan persamaan matematis menggunakan bilangan Froude, Fr, untuk menentukan panjang nyala api diusi seperti persamaan 1 L 1/ 5 = 27Fr (1) do dimana L adalah panjang nyala api, d o adalah diameter burner. Persamaan panjang nyala api diusi ini diperoleh dari hasil penelitian pembakaran propana dan juga pembakaran metana dengan panjang nyala api yang mencapai hampir 8 meter. Sedangkan penelitian tentang panjang nyala api premix masih agak jarang, salah satunya adalah yang dilakukan oleh Rokke [9]. Mengacu pada persamaan dari Sonju dan Hustad persamaan matematis untuk menentukan panjang nyala api premix diusulkan oleh Rokke menggunakan bilangan tanpa dimensi raksi massa bahan bakar dan bilangan Froude seperti persamaan 2 L d dimana Y adalah raksi massa bahan bakar. Penelitian oleh Rokke menggunakan propana dengan raksi massa propana antara 0,15 sampai 1,0. Persamaan ini berlaku pada pada 2 / 5 1/ 5 = 33Y Fr (2) o bilangan Froude, Fr 10 4 Semua persamaan tersebut menunjukkan bahwa aktor stabilitas internal dari pembakaran mempunyai pengaruh yang dominan terhadap panjang nyala api. Selain itu diusivitas thermal yang berhubungan dengan laju reaksi juga berperan terhadap panjang nyala api dan kecepatan nyala. Pada enomena lame lit-up, panjang nyala api diteliti berdasarkan perubahan posisi ring dan diameter dalam ring serta material ring. Posisi ring telah terbukti mempengaruhi stabilitas nyala api lame lit-up [1]. Perubahan diameter dalam ring yang mempengaruhi luasan hambatan terhadap medan aliran juga terbukti mempengaruhi panjang nyala [10].

3 3 Sedangkan aktor diusivitas thermal terhadap stabilitas nyala api lit-up yang dinyatakan dalam AFR saat lit-up telah diteliti berdasarkan penggunaan material ring yang 5 berbeda [11]. Fenomena lit-up tidak hanya dipengaruhi oleh medan aliran campuran gas dan bahan bakar. Karena dengan geometri ring dan burner yang sama namun perbedaan 10 material ring saja telah menurunkan laju aliran udara yang dibutuhkan untuk terjadinya enomena lit-up. Dari aspek material bahwa keramik yang merupakan bahan inert memiliki kapasitas panas konduksi yang jauh lebih 15 rendah jika dibandingkan dengan stainless steel maka temperatur ring diduga mempengaruhi timbulnya enomena nyala api lit-up. Temperatur ring mempengaruhi diusivitas thermal dari campuran udara dan bahan bakar 20 yang selanjutnya mempengaruhi kecepatan nyala. Diprediksi bahwa lit-up terjadi pada keseimbangan momentum akibat laju campuran bahan bakar dan udara dengan laju pembakaran. Pada ring keramik temperatur 25 ring lebih rendah sehingga laju pembakaran juga lebih rendah maka tercapai keseimbangan momentum pada laju campuran bahan bakar dan udara yang lebih rendah dus AFR yang lebih rendah 30 Pada penelitian ini aktor diusivitas thermal akan diteliti lebih lanjut pengaruhnya terhadap panjang nyala api lit-up. 60 METODE Penelitian enomena lame lit-up dilakukan di Laboratorium Termodinamika Departemen Teknik Mesin UI dengan menggunakan alat Flame Propagation Stability Unit yang merupakan alat pengatur udara dan bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan adalah gas propana sedangkan burnernya adalah tabung atau barell dengan diameter dalam 14 mm dan tinggi 38 cm dilengkapi dengan alat pengatur ketinggian ring. Pengukuran panjang nyala dilakukan dengan pengambilan gambar dengan kamera dan dengan menggunakan mistar. Hasil pengukuran panjang nyala adalah panjang rata rata dari tiga kali hasil pengambilan gambar yang dibandingkan juga dengan hasil pengukuran dengan mistar. Skema dari alat percobaan ditampilkan pada Gambar 2. Percobaan dilakukan dengan menjaga agar laju aliran gas tetap kemudian mengatur laju aliran udara sampai enomena nyala api lit-up muncul. Saat terjadinya enomena api lit-up maka dilakukan pengukuran laju aliran udara dan tinggi nyala. Percobaan kemudian dilakukan pada 4 variasi ketinggian ring dari ujung burner yakni 10 mm, 20 mm, 30 mm, dan mm di atas burner masing-masing pada 6 laju aliran gas sesuai skala di rotameter yakni skala 0,5 cm, 1 cm, 1,5 cm, 2 cm, 2,5 cm dan 3 cm. Ring yang digunakan dua jenis yakni 65 Gambar 2. Skema percobaan pengukuran panjang nyala api lit-up

4 4 dari stainless steel AISI 304 dan dari ring keramik. Dimensi kedua ring sama yakni diameter luar 30 mm dan diameter dalam 10 mm. Hasil percobaan dengan ring dari stainless 5 steel telah dianalisa pada penelitian sebelumnya [13]. Untuk itu pada penelitian ini akan ditampilkan graik yang sama dengan penelitian sebelumnya namun ditambahkan hasil dari percobaan menggunakan ring 10 keramik agar dapat lebih mudah dibandingkan Perbandingan laju udara terhadap bahan bakar atau AFR ditentukan dengan persamaan berikut, a AFR =, (3) a = laju massa udara (kg/dt) = laju massa bahan bakar (kg/dt). Beban pembakaran atau Burning Load dihitung dengan menggunakan persamaan, x NKB BL = (4) A BL = Burning Load (kw/m 2 ) NKB = Nilai Kalor Bawah (kj/kg) A = luas penampang burner (m 2 ). HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran AFR saat lit-up ditampilkan pada Gambar 3. Graik garis adalah untuk ring stainless steel dan graik garis putus-putus adalah untuk ring keramik. AFR stoikiometri dari propana berada pada kisaran 24,8 [12] sehingga dari graik tampak bahwa enomena nyala api lit-up terjadi pada pembakaran yang kurus atau miskin bahan bakar. Meskipun demikian jika dibandingkan antara ring dari stainless steel dan keramik ternyata enomena lame lit-up tidak selalu terjadi pada kondisi AFR diatas AFR blow o tanpa ring. Untuk ring stainless steel ternyata ring memang berungsi sebagai ring penstabil nyala karena enomena terjadi pada AFR diatas AFR blow-o. Tidak demikian halnya dengan ring dari keramik. Interval AFR lit-up untuk ring dari keramik adalah sekitar 27 sampai dengan 33 sedangkan interval AFR blow o adalah sekitar 31 s/d 36 tergantung pada posisi Gambar 3. Graik AFR saat lit-up pada ring diameter dalam 10 mm

5 5 ring keramik dari ujung burner. Fenomena litup pada ring keramik terjadi pada AFR dibawah AFR blow-o tanpa ring meskipun masih pada kisaran diatas AFR stoikiometrik. 5 Hasil pengukuran panjang nyala api litup ditampilkan pada Gambar 4. Panjang total nyala api lit-up diukur dari ujung burner sampai ujung lidah api. Sedangkan panjang nyala api lit-up diukur dari permukaan ring 10 bagian atas sampai ujung lidah api. Terlihat bahwa graik panjang nyala api lit-up denganmenggunakan ring keramik yang ditampilkan dengan graik garis putus-putus berada di atas graik panjang nyala api lit-up 15 dengan menggunakan ring stainless steel. Hal ini sesuai dengan penurunan nilai AFR-nya pada Gambar 3 dan sesuai pula dengan persamaan panjang nyala api premix yang diusulkan oleh Rokke [9]. Persamaan Rokke 20 menunjukkan korelasi antara panjang nyala yang sebanding dengan raksi massa bahan bakar. Semakin turun nilai AFR berarti raksi massa bahan bakar semakin tinggi sehingga panjang nyala api juga meningkat. Hal ini 25 membuat graik pada Gambar 3 dan graik pada Gambar 4 berkebalikan. Pada Gambar 3 terlihat bahwa menggunakan ring dari keramik maka AFR untuk terjadinya lit-up lebih 30 rendah jika dibandingkan dengan menggunakan ring dari stainless steel. Semakin rendah AFR berarti raksi massa bahan bakar semakin tinggi. Fraksi bahan bakar yang tinggi sesuai dengan persamaan Rokke akan meningkatkan panjang nyala api. Hal yang sama terjadi pada penggunaan ring dari stainlees steel yakni peningkatan AFR atau penurunan raksi massa bahan bakar akan menurunkan panjang nyala api lit-up. Kecepatan nyala sangat tergantung pada laju aliran campuran bahan bakar dan udara sesuai dengan rumus pendekatan kecepatan nyala laminer oleh Sharma & Mohan [14]. Pada luas penampang burner yang sama maka kecepatan campuran udara dan bahan bakar hanya dipengaruhi oleh laju aliran volumetris campuran udara dan bahan bakar yang sebanding dengan perbandingan campuran udara dan bahan bakar. Dengan demikian nilai AFR dapat dikorelasikan dengan kecepatan nyala. Berdasarkan graik pada Gambar 3 dan Gambar 4 maka terlihat jelas bahwa AFR yang lebih rendah pada ring keramik atau kecepatan pembakaran yang lebih rendah akan meningkatkan panjang nyala api. Hal sebaliknya terjadi pada ring dari stainless steel Gambar 4. Graik Panjang Nyala Api Lit-up

6 6 Perbedaan yang cukup mencolok antara ring dari keramik dan ring dari stainless steel adalah panjang nyala pada posisi ring 30 mm yang pada ring stainless steel terdapat kenaikan 5 panjang nyala, pada graik ring keramik tidak terjadi. Hal ini lebih jelas terlihat pada graik panjang nyala dengan posisi ring pada Gambar 5. Pada posisi ketinggian 30 mm justru pada 10 graik ring keramik terlihat sedikit penurunan panjang nyala. Kondisi ini terjadi diduga karena posisi 30 mm adalah posisi yang sangat dekat dengan ujung nyala luminous. Ujung nyala luminous pada pembakaran 15 premix memiliki temperatur yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan nyala dekat ujung burner. Hal lain yang diduga mempengaruhinya adalah kapasitas panas material yang amat berbeda. Stainless steel 20 cenderung melepaskan energi panas dan pada lokasi ujung nyala luminous yang temperaturnya tinggi, maka laju panas yang dilepaskan berkurang karena perbedaan temperatur keduanya yang berkurang. Hal ini 25 membuat kecepatan nyala berkurang sehingga panjang nyala menjadi bertambah secara signiikan. Sedangkan lokasi ujung nyala luminous 30 juga dipengaruhi oleh tinggi kerucut nyala luminous yang dipengaruhi oleh rasio equivalen. Semakin tinggi rasio equivalens ataupun laju aliran massa bahan bakar maka kerucut nyala luminous juga makin tinggi [15]. Sebaliknya pada ring keramik yang menyerap energi panas pembakaran karena kondisinya yang lebih rendah dari temperatur nyala disekitarnya. Hal ini membuat kecepatan nyala jauh lebih kecil dibandingkan dengan penggunaan ring stainless steel. Hal ini juga didukung oleh penelitian dengan menggunakan burner keramik yang ternyata karakteristiknya seperti burner berpendingin air [16]. KESIMPULAN Panjang nyala api lit-up sebanding dengan raksi massa bahan bakar atau berbanding terbalik dengan AFR saat lit-up. Dibandingkan dengan ring stainless steel, penggunaan ring keramik sebagai lame hold atau pemegang nyala pada enomena lame litup menaikkan panjang nyala setelah lit-up. Hal ini terjadi karena siat keramik yang cenderung tidak terbakar sehingga terjadi penyerapan panas pembakaran. Gambar 5. Panjang nyala api lit-up dan posisi ring

7 Sebaliknya pada ring stainless steel reaksi pembakaran dapat berlangsung lebih cepat karena temperatur ring yang lebih tinggi dari ring keramik. Perbedaan panjang nyala lit-up juga dipengaruhi oleh AFR saat lit-up sesuai dengan persamaan Rokke. AFR yang tinggi atau raksi massa bahan bakar yang rendah menurunkan panjang nyala api. DAFTAR PUSTAKA [1] Cokorda P. M & I Made K D., Flame Lit-up on a Bunsen Burner; A Preliminary Study, Proceedings o the 15 10th International Conerence on Quality in Research (QIR) Engineering Center University o Indonesia, EPE-13. [2] I Made K.D., Hartono H.A.., & Cokorda P. M., 2008 Flame Height o Propane the 20 Propane Flame lit-up, Proceeding o the 1st International Meeting on Advanced in Thermo-Fluid, UTM Johor, Malaysia 26 August [3] Heskestad, G., 1999, Turbulent jet 25 diusion lames: consolidation o lame height data, Combustion and Flame,; 118: [4] Becker, H.A. & Liang D, 1978, Visible height o vertical ree turbulent diusion 30 lames Combustion and Flame 32: [5] Kalghatgi, G.T., 1984, Lit-o heights and visible heights o vertical turbulent diusion lames in still air, Combust. Sci Tech 41: [6] Sugawa, O & Sakai, K,. 1997, Flame height and width produced by ejected propane gas uel rom a pipe, 13th Meeting o the UJNR, NISTIR 6030, p [7] Hawthorne WR, Weddell DS & Hottel HC. 1994, Mixing and Combustion in Turbulent Gas Jets, 3rd Symp. (Int.) Combust, Williams and Wilkins, Baltimore, p [8] Sonju OK & Hustad J, 1983, An Experimental Study o Turbulent Jet Diusion Flames, 9th ICODERS, Poitiers, France,, AIAA, [9] Rokke, Nils A, 1987, A Study o Partially Premixed Unconined Propane Flames, Combustion and Flame 97: [10] I Made K D, Sugiarto B., & Cokorda P. M., 2008d, The Inluence o Ring on Flame Height and AFR o Flame Lit-up Phenomenon; an Experimental Study, Proceeding o International Conerence o Graduate Engineering and Science, UTM 60 Johor, Malaysia. [11] I Made K D.,, Sugiarto B., Sitinjak A. P., & Cokorda P. M., 2008 Pengaruh Material Ring Pada Fenomena Nyala Api Lit-up, Proceeding Seminar Nasional 65 Teknik Mesin ITENAS Bandung, 28 Oktober, [12] Drysdale D., 1998, Introduction to Fire Dynamics, 2nd Edn, Wiley, UK. [13] I Made K. D., Hartono H. A., & Cokorda 70 P. M., 2008, Perubahan Panjang Nyala Api pada Fenomena Flame Lit-up Akibat Letak Ketinggian Posisi Ring Flame-Hold, Proceeding Seminar Nasional Teknik Mesin 3, UK Petra, Surabaya, Indonesia, [14] Sharma, S.P., Mohan Chander, Fuels and Combustion, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi, [15] Singh, K.K., Zhang, C., Gore, J.P., Momgeu, L., & Frankel, S.H., 2005, An Experimental Study o Partially Premixed Flame Sound, Proc. Combustion Institute 30,, pp [16] Bouma, P.H. & Goey, L.P.H. de, 1999, Premix Combustion on Ceramic Burner, Combustion and Flame, 119,