BAB III METODE PENELITIAN 3.1 PERALATAN PENELITIAN 3.1.1 Peralatan Utama Peralatan utama dalam penelitian ini terdiri dari : 1. Bunsen Burner Flame Propagation and Stability Unit P.A Hilton LTD C551. Dilengkapi dengan flowmeter penunjuk aliran udara dan gas dalam satuan cm (centimetre) dan dapat dibaca langsung untuk pengambilan data. Alat ini dilengkapi dengan fan motor AC, sekering pengaman 2 A, 220 V, serta flowmeter udara dan gas yang berkapasitas 0-30 cm. Gambar 3.1 Gambar skema peralatan penelitian Bunsen Burner Flame Propagation and Stability Unit P.A Hilton LTD C551 yang telah dimodifikasi.
2. Jet Holder/nosel sebagai tempat pembakaran dengan memiliki diameter dalam diujungnya sebesar 2 mm. Gambar. 3.2. Gambar penampang nosel 3. Termokopel tipe K Termokopel yang digunakan dengan memiliki rentang suhu dari -200 o C hingga 1200 o C, terdiri dari material Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)[4]. Termokopel ini dibuat dengan ketebalan 0,2 mm di ujung tempat pengukuran. Kemudian untuk menampilkan hasil pengukuran menggunakan alat multimeter. 4. Termograph Termograph yang digunakan memiliki seri NEC versi 4.7. Range pengukuran yang digunakan berada pada temperatur 200 o C 2000 o C. 5. Barrel dengan diameter dalam sebesar 25 mm disambungkan dengan ruang aliran udara dengan didalamnya terdapat pipa tembaga dengan diameter luar 10 mm dan diameter dalam 5 mm yang ujung atasnya disambung dengan nosel.
6. Gas Propana Bahan bakar yang digunakan untuk percobaan ini, yaitu gas propana Hycool HCR-22. 7. Penggaris Percobaan ini menggunakan penggaris yang tahan panas dengan ketinggian sebesar 100 cm. 3.1.2 Peralatan pendukung Peralatan pendukung untuk melakukan penelitian ini adalah 1. Pressure regulator alat pengatur tekanan gas yang masuk ke dalam rotameter dan dibatasi sebesar 2,5 bar. 2. Pressure Regulator dan Rotameter untuk udara dibatasi hingga 30 bar. 3. Pemantik api gas sistem magnet 4. Termokopel adjuster 5. Saluran pembuangan sisa hasil pembakaran 6. Kamera digital untuk pengambilan gambar fenomena nyala api. 7. Hygrometer untuk mengetahui tekanan, temperatur dan kelembaban relatif ruangan. 3.2 PENYESUAIAN SKALA ROTAMETER Rotameter yang terdapat pada unit P.A. hilton memiliki skala baca dalam cm yang dapat dibaca langsung dalam percobaan, tetapi dalam pengolahan data, ukuran dalam cm tersebut harus dikonversikan terlebih dahulu menjadi satuan kapasitas aliran dalam 3 m. s Alat yang digunakan untuk penyesuaian skala flowmeter atau rotameter ini yaitu Type-WE Wet gas Meter. Alat ini memiliki temperatur maksimum 60 0 C dan tekanan maksimum 1000 mmh 2 O. Wet Gas Meter ini memiliki volume 5 L, jadi jika jarum besar melakukan satu putaran maka telah mengalirkan 5 L cairan pengisi. Laju aliran gas yang diukur dapat diketahui dengan mencatat waktu tempuh aliran gas tersebut dalam melakukan satu putaran atau sebesar 5 L.
3.2.1 Langkah-langkah persiapan alat Pemasangan Letakkan alat pada tempat yang rata dan bebas dari getaran. Kemudian putar baut pengatur level sampai tabung level menunjukkan bahwa alat terletak pada bidang horizontal. Pengaturan liquid level 1. Pengisian cairan Lepaskan tutup liquid inlet di kanan atas alat (bagian depan). Masukkan cairan sampai liquid level mencapai sekitar 2 mm di atas garis penunjuk level gauge atau setting needle point. 2. Pengeringan Blower Pipe Lepaskan tutup blower pipe drain, dan periksa jika ada cairan yang tersisa. Cairan yang tersisa akan menyebabkan alat tidak bisa bekerja. Jika cairan tersisa di dalam blower pipe, maka keringkan blower pipe dan kencangkan tutupnya. 3. Idling Kencangkan tutup liquid inlet. Atur inlet rubber tube, dan diamkan alat sehingga jarum besar membuat 20-30 putaran. Setelah idling selesai, biarkan bagian dalam alat berada di bawah tekanan atmosfer dengan mencopot inlet dan outlet rubber tube. Keluarkan cairan dengan perlahan melalui level control knob pada sisi kanan panel alat, sampai liquid level sejajar dengan garis penunjuk level gauge atau setting needle point seperti pada gambar. Pengetesan kebocoran Hubungkan dan kencangkan inlet dan outlet rubber tube ke alat. Tutup kencang bagian luar. Berikan tekanan (pada batas pengukuran manometer) pada alat melalui inlet. Tutup rapat bagian dalam. Periksa kebocoran dengan membaca manometer.
Pengukuran Hubungkan inlet dan outlet tube sesuai kebutuhan untuk pengukuran. Biarkan gas diukur mengalir melalui meteran sampai jarum besar membuat kirakira 20 putaran. Udara yang tertinggal dalam meteran alat dan pipa akan digantikan oleh gas tersebut. Saat gas dan cairan berbeda jauh temperaturnya, diamkan meteran alat sampai mencapai temperatur yang sama. Setelah langkahlangkah tersebut selesai, meteran alat siap untuk pengukuran. Pengoperasian tekanan dan temperatur Meteran harus dioperasikan pada tekanan kisaran manometer, meskipun meteran dibuat untuk menahan tekanan sampai 0,15 kg/cm 3 (1500 mm H 2 O). Temperatur operasi sebesar 50 0 C atau di bawahnya. Ketika gas yang diukur tidak lebih dari 0 0 C atau gas yang tingkat kelarutan dengan airnya tinggi, gunakan cairan paraffin, electrospark machining oil atau trifluorine-contained polymers dibandingkan dengan air. Gas yang dapat diukur Casing meteran alat (tipe standar) terbuat dari galvanized iron sheet yang dilapisi dengan cat epoxy. Tabung dan machined parts terbuat dari kuningan (BsBM2) dan dibentuk dengan metode brazing. Packing terbuat dari karet sintetis (nitrile rubber). Dengan mempertimbangkan material-material yang disebutkan, gas-gas yang dapat mempengaruhi material tersebut tidak dapat diukur. Meteran digunakan untuk pengukuran gas kota, gas alam, gas naphtan, gas hidrokarbon jenuh, karbondioksida, gas nitrogen, gas hidrogen, udara, helium atau inert gas lainnya. Gas aktif seperti gas amonia dan gas acetylene membutuhkan meteran khusus. Pengeringan Untuk mengeringkan meteran, lepaskan tutup saluran pembuangan dan balikkan meteran sampai cairan di dalam tabung keluar. Pastikan meteran kering seluruhnya.
3.2.2 Langkah-langkah penyesuaian skala rotameter Penyesuaian Gas Propana 1. Menyambungkan selang gas Propana pada gas inlet pada meteran. 2. Menyambungkan aliran gas yang keluar ke burner agar terbakar sehingga tidak tersebar kemana-mana. 3. Mengatur laju aliran gas pada posisi rotameter 1 cm sehingga jarum meteran mulai berputar. 4. Menentukan satu titik acuan sebagai start pada skala meteran. 5. Mencatat waktu yang diperlukan jarum meteran dari titik awal hingga kembali lagi ke titik awal tersebut. 6. Mengulangi langkah 2 sampai 4 untuk laju aliran gas dari 1 cm hingga terjadi blow off. (1 cm hingga 15 cm). Gambar 3.3 Gambar Prosedur Kalibrasi Rotameter Penyesuaian Udara 1. Menyambungkan selang udara pada gas inlet pada meteran. 2. Mengatur laju aliran gas pada posisi rotameter 2 cm sehingga jarum meteran mulai berputar. 3. Menentukan satu titik acuan sebagai start pada skala meteran.
4. Mencatat waktu yang diperlukan jarum meteran dari titik tersebut sampai kembali ke titik itu lagi. 5. Mengulangi langkah 2 sampai 4 untuk laju aliran gas yang berbeda dengan increment 2 cm (4 cm, 6cm, 8cm, dst). 3.2.3 Grafik hasil penyesuaian skala rotameter o Grafik penyesuaian skala pengukuran rotameter gas propana Grafik Kalibrasi Propana 0.16 0.14 Laju Aliran propana (dm 3 /s) 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 y = 0.004x + 0.017 R 2 = 1 Gas propane 0.02 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Skala di rotameter Gambar 3.4 Grafik Penyesuaian Laju Aliran Propana Terhadap Rotameter o Grafik penyesuaian skala pengukuran rotameter udara
Grafik Kalibrasi Udara Laju Aliran Udara (dm 3 /s) 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 y = 0.0338x + 0.0838 R 2 = 0.9984 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Udara Linear (Udara) Skala rotameter (cm) Gambar 3. 5 Grafik Kalibrasi Laju Aliran Udara Terhadap Rotameter 3.3 KALIBRASI TERMOKOPEL Alat yang digunakan untuk mengukur temperatur, yaitu menggunakan Termokopel jenis K. Termokopel yang digunakan menggunakan display digital yang memudahkan untuk melihat dengan tepat hasil pengukuran. Selain itu, terdapat fitur untuk menahan hasil pengukuran yang telah muncul di layar sehingga penyusun dapat dengan tepat memantau hasil temperatur yang didapat. Oleh karena itu, untuk memastikan Termokopel yang digunakan berfungsi dengan baik maka perlu dilakukan kalibrasi agar diperoleh hasil pengukuran yang benar dan dapat dipercaya. Peralatan pendukung yang digunakan, yaitu : 1. Gelas ukur 2. Termometer standar 3. Pemanas Listrik (Heater) 4. Papan kayu sebagai alas (isolator) 3.3.1 Langkah-langkah kalibrasi Kalibrasi yang dilakukan mengikuti langkah-langkah sebagai berikut : 1. Air pada gelas ukur diukur dengan menggunakan termometer kemudian dibandingkan dengan menggunakan termokopel.
2. Pertama-tama air pada gelas ukur diber es secukupnya kemudian diukur temperaturnya. 3. Air tersebut dipanaskan hingga mendidih dengan menggunakan heater kemudian temperatur air tersebut diukur dengan menggunakan termometer dan termokopel. Selanjutnya hasilnya dibandingkan. 3.3.2 Hasil Kalibrasi Setelah melakukan proses kalibrasi maka hasil yang didapat bahwa, temperatur yang menggunakan termokopel sama dengan hasil temperatur yang menggunakan termometer standar. Kemudian ketika air tersebut mendidih, temperatur yang dicapai hingga mendekati 100 o C. Dari kalibrasi tersebut penyusun menghentikan pemanasan air hingga mencapai temperatur 98 o C. Dari hasil ini didapat grafik kalibrasinya, yaitu : Kalibrasi Termokopel Termokopel 120 100 80 60 40 20 0 y = 1.0099x + 0.3961 R 2 = 0.9991 0 20 40 60 80 100 120 Termometer standar Gambar 3.6 Gambar grafik kalibrasi termokopel 3.4 METODE PENGAMBILAN DATA Pengambilan data dilakukan dengan melalui beberapa tahap, yaitu : 1. Data yang diambil pertama kali merupakan data ketinggian lifted flame dari laju aliran volume gas propana. Pengambilan data ini dilakukan untuk mengetahui seberapa jauh ketinggian maksimal flame front yang dapat
dicapai sebelum terjadinya blow off. Hal ini diperlukan untuk dijadikan dasar pengukuran distribusi temperatur ketika tidak ada lagi perubahan ketinggian flame front walaupun laju aliran gas propana diperbesar. Setelah melalui beberapa kali percobaan diketahui bahwa ketinggian yang stabil ini terjadi pada saat sebelum api tersebut padam (blow off). Data percobaan ketinggian lifted flame dicatat pada format tabel sebagai berikut : Tabel 3.1. Tabel data percobaan ketinggian lifted flame Skala Rotameter (cm) Q f (m 3 /s) X f (mm) 2. Pengukuran distribusi temperatur dimulai dari ujung nosel hingga permukaan flame front api. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan termokopel tipe K. Proses pengukuran dengan termokopel dilakukan pada kondisi yang sama dan pada daerah pengukuran yang sama. Pengukuran dilakukan dengan selisih jarak sebesar 10 mm dan 2 mm. Hasil yang dicatat adalah pada saat nilai pengukuran stabil dan apabila terdapat nilai yang fluktuatif diambil nilai terbesar dan terkecil kemudian nilai tersebut dirata-ratakan. Selanjutnya, pengukuran temperatur dengan menggunakan termograph dilakukan dua kali pengambilan gambar. Untuk keselamatan digunakan masker dan saluran exhaust agar gas sisa pembakaran dapat keluar dari ruangan.
Gambar 3.7 Gambar metode pengambilan data dengan Termokopel Parameter-parameter yang diukur pada saat percobaan, yaitu : Indikator bahan bakar : cm Tekanan gas : bar Tinggi lifted flame : mm Tabel 3.2 Tabel data percobaan Jarak dari Temperatur mulut nozzle ( o C) (mm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 n
3.5 PROSEDUR PERCOBAAN 3.5.1 Persiapan Awal Peralatan Uji 1. Mempersiapkan peralatan yang akan diperlukan dalam melakukan pengujian seperti Bunsen s Burner, tabung gas propana, termokopel, termograph, pemantik api gas, penggaris, termocouple adjuster, dan kamera digital. 2. Mengatur posisi rotameter gas dan udara pada posisi nol. 3. Memastikan tidak ada kebocoran. 4. Memasang barrel, selang bahan bakar, dan selang udara. 5. Meletakkan pengaris, termokopel pada posisi yang tetap. 6. Memasang termograph dan kamera digital. 3.5.2 Pengukuran temperatur dari burner tip hingga terbentuk api: 1. Memasang termokopel, termograph dan penggaris 2. Membuka katup gas, kemudian menyalakan dengan menggunakan pemantik. 3. Mencatat tekanan gas propana. 4. Mencatat skala rotameter yang digunakan. 5. Menambah laju aliran udara secara perlahan-lahan dengan selisih skala rotameter sebesar 1 cm sampai terbentuk lifted flame hingga maksimal. 6. Mengukur distribusi temperatur dari mulut nosel hingga terbentuk api dengan selisih jarak 10 dan 2 mm. 7. Melakukan pengambilan gambar dengan termograph sebanyak dua kali dengan range temperatur 0 o C 500 o C dan 200 o C 2000 o C dengan nilai emisivitas yang digunakan sebesar 0,02. 3.5.3 Perhitungan nilai interpolasi dari massa jenis berdasarkan literatur Persamaan interpolasi : y y1 x x1 = y y x x (3.1) 2 1 2 1
ρ u C p α : Massa jenis gas propana pada temperatur unburned gas (T u ) (kg/m 3 ). : Kapasitas panas spesifik propana tekanan konstan pada temperatur unburned gas (T u ) (J/kg o C). : Thermal diffusivity (m 2 /s). 3.5.4 Perhitungan nilai bilangan Karlovitz : Persamaan Kecepatan aliran gas propana : Q f v = (3.2) A 2 Dimana : Karlovitz Number : α v S L o d q α o2 S L Ka = d q 2 v : Thermal diffusivity (m 2 /s). : Kecepatan aliran gas (m/s) : Kecepatan pembakaran laminar (m/s) : Quenching distance (m) Ka : Bilangan Karlovitz (-) (2.19) 3.5.5 Pengukuran jarak flame front : 1. Memasang kamera digital dan penggaris. 2. Mencatat jumlah bahan bakar yang digunakan. 3. Mengukur jarak flame front dengan memperjelas pembacaan dengan foto digital.