5 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pembakaran Pembakaran bisa didefinisikan sebagai reaksi secara kimiawi yang berlangsung dengan cepat antara oksigen dengan unsur yang mudah terbakar dari bahan bakar pada suhu dan tekanan tertentu (Yeliana, et.al, 2004). Di dalam bahan bakar secara umum hanya terdapat tiga unsur yang penting yaitu karbon, hidrogen dan belerang. Belerang biasanya hanya merupakan unsur ikutan dengan panas pembakaran yang tidak besar tetapi mempunyai peranan yang penting dalam masalah korosi dan pencemaran. 2.1.1 Jenis-Jenis Pembakaran a. Complete combustion Pada pembakaran sempurna, reaktan akan terbakar dengan oksigen, menghasilkan sejumlah produk yang terbatas. Ketika hidrokarbon yang terbakar dengan oksigen, maka hanya akan dihasilkan gas karbon dioksida dan uap air. Namun kadang kala akan dihasilkan senyawa nitrogen dioksida yang merupakan hasil teroksidasinya senyawa nitrogen di dalam udara. Pembakaran sempurna hampir tidak mungkin tercapai pada kehidupan nyata. b. Incomplete combustion Pembakaran tidak sempurna umumnya terjadi ketika tidak tersedianya oksigen dalam jumlah yang cukup untuk membakar bahan bakar sehingga dihasilkannya karbon dioksida dan air. Pembakaran yang tidak sempurna menghasilkan zat-zat seperti karbon dioksida, karbon monoksida, uap air dan karbon. Pembakaran yang tidak sempurna sangat sering terjadi, walaupun tidak diinginkan, karena karbon monoksida merupakan zat yang sangat berbahaya bagi manusia. Kualitas pembakaran dapat ditingkatkan dengan perancangan media pembakaran yang lebih baik dan optimisasi proses.
6 c. Smouldering combustion Smouldering merupakan bentuk pembakaran yang lambat, bertemperatur rendah, dan tidak berapi, yang dipertahankan oleh panas ketika oksigen menyerang permukaan dari bahan bakar pada fasa yang terkondensasi. Pembakaran ini dapat dikategorikan sebagai pembakaran yang tidak sempurna. Contoh pembakaran ini adalah inisiasi kebakaran yang dikarenakan rokok, dan sisa kebakaran hutan yang masih menghasilkan hawa panas. d. Rapid combustion Rapid combustion merupakan pembakaran yang melibatkan energi dalam jumlah yang banyak dan menghasilkan pula energi cahaya dalam jumlah yang besar. Jika dihasilkan volume gas yang besar dalam pembakaran ini dapat mengakibatkan peningkatan tekanan yang signifikan, sehingga terjadi ledakan. e. Turbulent combustion Pembakaran yang menghasilkan api yang turbulen sangat banyak digunakan untuk aplikasi industri, misalnya mesin berbahan bakar bensin, turbin gas, dll, karena turbulensi membantu proses pencampuran antara bahan bakar dan pengoksida. 2.2 Definisi Bahan Bakar Bahan bakar (fuel) merupakan suatu bahan (material) yang di konsumsi untuk menghasilkan energi (Yeliana, et.al, 2004). Bahan bakar didefinisikan sebagai senyawa kimia, terutama tersusun atas karbon dan atau hydrogen, yang bila direaksikan dengan oksigen pada tekanan dan suhu tertentu akan menghasilkan produk berupa gas dan sejumlah energi panas. Bahan bakar diklasifikasikan menurut kondisi fisiknya yaitu bahan bakar padat, cair, dan gas. 2.2.1 Solar Solar adalah hasil dari pemanasan minyak bumi antara 250-340 C, dan merupakan bahan bakar mesin diesel. Solar tidak dapat menguap pada suhu tersebut dan bagian minyak bumi lainnya akan terbawa ke atas untuk diolah kembali.
7 Umumnya, solar mengandung belerang dengan kadar yang cukup tinggi. Kualitas minyak solar dinyatakan dengan bilangan setana. Angka setana adalah tolak ukur kemudahan menyala atau terbakarnya suatu bahan bakar di dalam mesin diesel. 2.3 Api Api sering disebut sebagai zat keempat, karena tidak dapat dikategorikan ke dalam kelompok zat padat, zat cair maupun zat gas. Api disebut memiliki bentuk plasma. Plasma adalah bentuk gas yang mana sebagian dari partikel diionisasi. Seperti halnya gas, plasma tidak memiliki bentuk yang tetap maupun volume yang tetap, kecuali jika dikurung dalam suatu wadah yang tetap. Segitiga api mengilustrasikan hubungan antara tiga elemen dasar yang diperlukan untuk membangkitkan api. Tiga eleman dasar yang dibutuhkan untuk membangkitkan api adalah senyawa oksigen, bahan bakar yang dapat terbakar dan mengandung energi, serta sumber api atau sumber panas. Jika salah satu dari ketiga elemen dasar tersebut telah habis, maka api akan padam atau reaksi pembakaran tidak dapat dilanjutkan dengan baik. Ketiga elemen dasar yang dapat membangkitkan api tersebut digambarkan di dalam sebuah segitiga, yang sangat umum dikenal sebagai segitiga api. Berikut ini akan disajikan gambar segitiga api. Gambar 2.1 Segitiga Api
8 Heat atau ignition adalah Sumber api atau sumber panas, pada awalnya disediakan atau didapatkan dari sumber di luar sistem pembakaran, misalnya dari korek api, kilat ketika hujan, percikan listrik, dan sumber-sumber api lainnya yang memiliki panas dalam jumlah yang cukup untuk memulai penyalaan. Panas yang didapatkan dari luar sistem tersebut akan mulai memutuskan ikatan kimia di dalam bahan bakar, yang pada umumnya merupakan senyawa organik. Pemutusan awal ikatan kimia di dalam bahan bakar merupakan reaksi yang eksoterm atau menghasilkan energi panas. Energi panas yang dihasilkan dari pemutusan awal tersebut akan digunakan sebagai energi untuk pemanasan ikatan kimia berikutnya di dalam bahan bakar. Api menyala ketika panas yang dihasilkan dari pemutusan ikatan kimia di dalam bahan bakar dapat digunakan seterusnya untuk memutuskan ikatanikatan kimia lain di dalam bahan bakar. Oleh karena itu, sumber panas hanya merupakan inisiator terbentuknya api. Setelah proses penyalaan api, sumber panas tidak lagi dibutuhkan, melainkan api dari reaksi pembakaran akan menghasilkan panas yang dapat digunakan oleh manusia untuk menunjang proses-proses yang akan dilakukan. Bahan bakar pada umumnya berupa senyawa organik. Senyawa organik merupakan senyawa yang mengandung unsur-unsur berupa karbon (C), hidrogen (H) dan oksigen (O). Reaksi oksidasi terhadap senyawa organik pada umumnya merupakan reaksi pemutusan rantai ikatan pada senyawa organik. Pemutusan ikatan pada rantai senyawa organik pada umumnya menghasilkan panas. Pada proses pembakaran, oksigen yang berperan sebagai oksidator akan bergabung dan mengikat unsur-unsur C dan H yang putus akibat energi panas dari proses pembakaran. Api akan padam jika salah satu dari ketiga elemen dasar tidak lagi tersedia. Prinsip segitiga api ini banyak digunakan sebagai prinsip dasar untuk menyalakan atau memadamkan api. 2.4 Tipe Nyala Api Gambar 2.2 menunjukkan tipe nyala api yang berbeda dari sebuah combustor atau burner. Perbedaan tersebut disebabkan oleh semprotan bahan bakar dan suplai oksigen atau udara yang berbeda. Pada gambar no 1 paling kiri kondisi campuran kaya bahan bakar tanpa proses pencampuran awal udara-bahan bakar yang memadai,
9 menghasilkan yellow sooty diffusion flame. Secara bertahap ke arah kanan proses penyemprotan bahan bakar dan pencampuran udara-bahan bakar lebih baik, menghasilkan campuran miskin bahan bakar yang sudah tercampur sempurna dengan udara (fully pre-mixed) menghasilkan pembakaran dan nyala api yang jauh lebih baik dan tanpa soot (jelaga, karbon halus sisa pembakaran tidak sempurna). Gambar 2.2 Nyala Api Dari Burner (sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/flame) Diffusion flame adalah nyala api yang dihasilkan oleh diffusion combustion, yaitu reaksi bahan bakar dan oksigen yang tanpa pencampuran awal yang baik. Pada spray combustion, ini bisa disebabkan oleh butiran-butiran droplet bahan bakar hasil semburan/semprotan/injeksi yang terlalu besar, menghasilkan pembakaran yang terjadi pada sisi luar butiran bahan bakar menuju ke dalam yang berlangsung secara lambat. Pre-mixed flame adalah nyala api yang dihasilkan oleh reaksi bahan bakar dan oksigen yang telah mengalami pencampuran awal yang baik. Sebuah nyala api umumnya merupakan campuran antara diffusion dan pre-mixed flame karena ada bagian tertentu nyala api dimana udara dan bahan bakar tercampur dengan baik dan pada bagian lain tercampur secara tidak memadai. Studi baik berupa analisis teoritis maupun eksperimental mengenai kompor pembakaran jenazah untuk ngaben belum ditemukan, sehingga penelitian ini dimulai
10 dari prinsip-prinsip dasar dalam pembakaran, yang nantinya akan diaplikasikan dalam konteks kompor pembakaran jenazah. Studi awal dengan pengamatan pada kompor pembakaran jenazah nyala api terlihat seperti dalam gambar no 2 mengindikasikan bahwa nyala api didominasi oleh diffusion flame. Dan fakta bahwa kompor pembakaran jenazah umumnya menggunakan bahan bakar solar, hal ini semakin memperkuat indikasi tersebut karena bahan bakar solar membutuhkan tekanan injeksi (penyemprotan) yang tinggi untuk menghasilkan karakteristik semprotan bahan bakar yang menghasilkan ukuran droplet yang halus agar menghasilkan pembakaran yang efisien. Karakteristik geometri semprotan (spray) bahan bakar ditunjukkan dalam Gambar 2.3. Karakteristik ini penting untuk dipahami agar sesuai dengan tujuan penggunaan sistem pembakaran. Tahapan atomisasi bahan bakar cair direpresentasikan dalam Gambar 2.4, dimana semakin tinggi tekanan injeksi maka butiran droplet yang dihasilkan semakin halus dan dalam konteks pembakaran akan menghasilkan pembakaran yang lebih baik karena droplet bahan bakar bisa bercampur dengan baik dengan udara sebelum terbakar. Gambar 2.3 Karakteristik semprotan (Sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/flame)
11 Gambar 2.4 Tahapan Atomisasi bahan bakar cair (Sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/flame) 2.5 Atomasi (Pengabutan) Cairan Proses pembuatan butiran cairan di dalam fase gas disebut dengan atomisasi (Mada Hunter Pardede, 2012). Tujuan atomisasi adalah meningkatkan luas permukaan cairan dengan cara memecahkan butiran cairan menjadi banyak butiran kecil. Proses atomisasi dimulai dengan mendorong cairan melalui sebuah nozzel. Energi potensial cairan (diukur sebagai tekanan cairan untuk nozzel hidrolik atau tekanan udara dan cairan untuk nozzel pneumatik) dengan bantuan geometri nozzel menyebabkan cairan diubah menjadi bongkahan-bongkahan kecil. Bongkahan ini selanjutnya pecah menjadi pecahan yang sangat kecil yang biasanya disebut dengan butir (drop), butiran (droplet), atau partikel cairan. Setiap semburan (spray) menghasilkan suatu rentang besar butir, rentang ini dinyatakan sebagai distribusi besar butir (drop size distribution). Distribusi besar butiran ini tergantung pada jenis nozzel dan sangat bervariasi untuk setiap jenisnya. Faktor-faktor lain yang mempengaruhi besar butir adalah sifat-sifat fisik cairan, dan kondisi operasi. Ada berbagai faktor yang mempengaruhi ukuran dari butiran (droplet). Diantara faktor-faktor tersebut adalah sifat-sifat cairan, seperti tegangan permukaan, viskositas, dan kerapatan. 2.5.1 Tegangan permukaan Tegangan permukaan cenderung untuk menstabilkan cairan, mencegah cairan menjadi butiran-butiran yang lebih kecil. Cairan dengan ketegangan permukaan yang
12 lebih tinggi cenderung memiliki ukuran rata-rata tetesan yang lebih besar pada atomisasi. 2.5.2 Viskositas Viskositas fluida memiliki pengaruh yang sama pada ukuran butiran droplet seperti pada tegangan permukaan. Viskositas menyebabkan fluida melawan agitasi, cenderung untuk mencegah pemecahan cairan dan mengarah ke ukuran droplet yang rata-rata lebih besar. Gambar 2.5 menunjukkan hubungan antara viskositas dan ukuran droplet ketika atomisasi terjadi. Gambar 2.5 Hubungan antara viskositas dan ukuran droplet (sumber : Mada Hunter Pardede, http://fateta.ipb.ac.id/index.php/view-document/66-mada- HUNTER-PARDEDE-F14060138.pdf) 2.5.3 Densitas Densitas menyebabkan cairan mempertahankan akselerasi. Densitas serupa dengan sifat-sifat baik tegangan permukaan dan viskositas, lebih tinggi cenderung menghasilkan ukuran tetesan yang rata-rata lebih besar.
13 Pada proses pembuatan butiran cairan di dalam fase gas, dalam hal ini densitas gas jauh lebih kecil dari densitas cairan. Sehingga mekanisme formasi butiran jauh berbeda untuk perbedaan densitas yang rendah, terutama pada kecepatan tinggi. Pengabutan banyak digunakan untuk keperluan-keperluan pengabutan bahan bakar, pembuatan produk berbentuk granular (bongkahan), operasi perpindahan massa, dan pelapisan permukaan (pengecatan, dan lain-lain). Mekanisme atomisasi dilihat dari fluida kerja dapat dibagi atas atomisasi hidrolik dan pneumatik. a. Atomisasi hidrolik Pada atomisasi hidrolik, atomisasi terjadi karena tekanan cairan atau gaya gravitasi pada cairan yang keluar pada mulut nozzel dan pecah pada waktu jet berbentuk lembaran. b. Atomisasi pneumatik Pada atomisasi pneumatik, atomisasi terjadi sebagai akibat saling aksi antara cairan dengan udara yang berkecepatan tinggi. Gaya gesek antara cairan dengan udara menyebabkan terdisintegrasinya cairan menjadi butiran. Jika ditinjau proses pencampuran dengan udara dengan cairan, nozzel pneumatik dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu jenis pencampuran dalam dan pencampuran luar. 2.6 Burner Dengan Bahan Bakar Cair Didalam pembakaran dari bahan bakar cair, diperlukan suatu proses penguapan atau proses atomisasi bahan bakar. Hal ini diperlukan untuk mendapatkan percampuran yang baik dengan udara pembakaran. Minyak bakar distilat bisa terbakar dengan api yang biru jika secara sempurna bahan bakar ini diuapkan dan tercampur merata (homogenous) dengan udara sebelum terbakar. Burner yang digunakan untuk membakar bahan bakar dalam bentuk uap atau bentuk atom-atom (spray-droplet) sebelum terbakar berbeda konstruksi dasarnya, yaitu vaporizing burner dan atomizing burner. - Vaporizing Burner Burner jenis ini menggunakan panas dari api untuk menguapkan bahan bakar secara terus menerus. Prinsip penguapan ini dipakai pada kompor lidah api
14 (blow torch) terlihat pada Gambar 2.6, kompor tipe pot, lampu minyak tanah dan Iain-lain. Cara kerja kompor lidah api tersebut adalah dengan memanaskan minyak bakar yang dialirkan ke koil pipa pemanas. Panas didapat dari radiasi lidah api yang diselubungi oleh koil. Uap bahan bakar yang terbentuk kemudian disemprotkan oleh nozzle dengan tekanan yang sama dengan tekanan minyak cair. Setelah keluar dari nozzle, uap bahan bakar akan bercampur dengan udara dan terbakar membentuk lidah api (flame). Lidah api akan berwarna kuning, dan apabila suhu uap bahan bakar terlalu tinggi maka akan terbentuk nyala api biru yang mempunyai sifat tidak stabil. Gambar 2.6 Kompor Lidah Api (Blow Torch) (sumber : Tjokrowisastro dan Widodo, Teknik Pembakaran Dasar dan Bahan Bakar, 1990) Vaporizing burner dibuat dengan kapasitas 30-40 l/jam dengan tekanan bahan bakar 0,5-3,5 kg/cm 2. Bahan bakar yang digunakan adalah minyak tanah (kerosine), naphta, bahan bakar minyak no.l, bensin dan Iain-lain. Khusus untuk bahan bakar minyak no.l tidak bisa digunakan pada vaporizing burner tipe tekan karena adanya deposit karbon yang berlebihan pada pipa pemanas. - Atomizing oil Burner Pada atomizing oil burner bahan bakar diatomisasikan dalam bentuk spray droplet dengan tekanan 7-20 kg/cm 2 atau diatomisasi oleh udara/uap dengan tekanan 0,1-15 kg/cm 2. Tenaga dan jumlah udara/uap yang diperlukan terdapat pada tabel 2.1. Udara pembakaran dimasukkan ke dalam tungku bersama-sama dengan bahan bakar.
15 Tabel : 2.1 Kebutuhan Power, fluida untuk atomizing burner Media Atomisasi Per cc / s (0,951gal/h minyak) Power, KW Fluida Udara tek. rendah 6,9 kpa 0,071 4,5-6,7 dm 3 /s Udara tek.tinggi 0,52 MP a 0,284 1,1-1,4 dm 3 /s Uap 0,851 0,85-3,5 kg Mekanis 0,0227 - Rotary-Cup burner 0,0355 - Suatu peralatan yang berbentuk vane atau sekat biasanya dipasang untuk memperoleh percampuran yang lebih baik antara bahan bakar dan udara. Untuk menghindari adanya lidah api yang menumbuk pada dinding tungku maupun maupun komponen lainnya perlu diperhatikan juga mengenai peralatan pemasukan udara, bentuk semprotan dan Iain-lain. Apabila terdapat lidah api yang menumbuk, maka akan menyebabkan adanya jelaga atau deposite karbon keras dan atau gerusan pada dinding tungku bakar. Untuk membuat nyala api stabil, kecuali untuk tungku bakar kecil, semprotan bahan bakar minyak dan udara biasanya dimasukkan kedalam tungku bakar dengan melalui suatu penyala. Volume ruang bakar/tungku bakar harus disesuaikan untuk menyediakan waktu bagi kesempurnaan pembakaran. Kecepatan pembebasan panas dari peralatan pembakaran ini tergantung pada sifat bahan bakar, konsentrasi udara lebih, udara bahan bakar dan tingkat asap yang diijinkan. Dari cara atomisasinya maka atomizing oil burner dapat dibedakan menjadi 4 jenis. a. Steam air atomizing burner b. Mechanical/oil pressure atomizing burner c. Centrifuging /rotary cup atomizing burner d. High-intensitas burner.