3
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 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 eleman dasar tersebut telah habis, maka api akan padam, atau reaksi pembakaran tidak dapat dilanjutkan dengan baik. Ketiga elemen dasar yang dapat mebangkitkan api tersebut digambarkan di dalam sebuah segitiga, yang sangat umum dikenal sebagai segitiga api. Berikut ini disajikan gambar segitiga api pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Segitiga Api
4
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. 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 ikatan-ikatan 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, 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.
2.2 Nyala Api (Flame) Dalam bidang teknik pembakaran terdapat berbagai macam kategori nyala, dan sebagian diantaranya belum sepenuhnya terdefenisikan. Tapi pada dasarnya nyala itu dapat dikelompokkan menjadi dua kategori nyala berdasarkan metode pencampuran dari reaktan, yaitu nyala api premixed dan nyala api difusi.
5
2.2.1 Nyala Api Premixed Pada pembakaran premixed, bahan bakar dan oksidan secara sempurna dicampur terlebih dahulu sebelum pengapian (ignation). Pengapian diperlukan untuk memberikan sejumlah energi dalam bentuk yang sesuai, sehingga dapat menilai suatu proses pembakaran. Selanjutnya akan terjadi penjalaran (propagation) ke campuran, sebagai suatu nyala (flame). Energi minimum yang diperlukan untuk melakukan pengapian suatu campuran bahan bakar dan udara, yang dapat terbakar disebut sebagai Minimum Ignation Energy (MIE). Laju pembakaran pada premixed plame pada umumnya tinggi, ditentukan oleh kinetika kimiawi dari proses oksidasi (chemical kinetics of oxydation). Nyala api premixed dengan sepenuhnya jarang digunakan karena alasan keselamatan. Bunsen burner, kompor gas, mesin otto, dan mesin turbin gas merupakan beberapa contoh aplikasi dari nyala api premixed. 2.2.2 Nyala Difusi Pada pembakaran diffusion flame, bahan bakar dan oksigen (udara) pada awalnya terpisah. Pembakaran akan berlangsung pada daerah dimana bahan bakar dan udara kemudian bercampur. Aliran bahan bakar yang keluar dari ujung nosel akan bercampur dengan udara secara difusi. Jika diberi pengapian campuran ini akan terbakar bila konsentrasi bahan bakar dan udara terdapat dalam jangkauan batas nyala. Pemunculan dari nyala nyala akan tergantung pada sifat dari bahan bakar dan kecepatan pancaran bahan bakar terhadap udara disekitarnya. Laju pencampuran bahan bakar dengan udara lebih rendah dari laju reaksi kimia. Nyala difusi pada suatu pembakaran cenderung mengalami pergerakan nyala lebih lama dan menghasilkan asap lebih banyak daripada nyala premixed. Nyala difusi dapat berupa nyala laminar (Laminar Flame) atau nyala turbulen (Turbulen Flame).
2.3 Pembakaran Pembakaran dapat didefinisikan sebagai reaksi secara kimia yang berlangsung secara cepat antara oksigen dengan unsur yang mudah terbakar dari bahan bakar pada suhu dan tekanan tertentu. (Yeliana, et al, 2004) Syarat terjadinya proses pembakaran pada bahan bakar adalah adanya bahan bakar, adanya udara (oksigen), dan adanya titik nyala sebagai pemicu pembakaran.
6
Ada bermacam-macam jenis pembakaran yang dapat dijelaskan seperti berikut ini : 1. 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. 2. 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. 3. 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 fase 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. 4. 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.
7
5. 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. 6. Slow Combustion Pembakaran yang terjadi pada temperatur yang rendah. Contoh pembakaran ini adalah respirasi seluler.
2.4 Atomisai (Pengabutan) Cairan Proses pembuatan butiran cairan di dalam fase gas disebut dengan atomisasi. Tujuan atomisasi adalah meningkatkan luas permukaan cairan dengan cara memecahkan butiran cairan menjadi banyak butiran kecil. Proses atomisasi dimulai dengan mendorong cairan melalui sebuah nozzle. Energi potensial cairan (diukur sebagai tekanan cairan untuk nozzle hidrolik atau tekanan udara dan cairan untuk nozzle pneumatik) dengan bantuan geometri nozzle 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 nozzle 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.
2.4.1 Tegangan permukaan Tegangan permukaan cenderung untuk menstabilkan cairan, mencegah cairan menjadi butiran-butiran yang lebih kecil. Cairan dengan ketegangan permukaan yang lebih tinggi cenderung memiliki ukuran rata-rata tetesan yang lebih besar pada atomisasi.
8
2.4.2 Viskositas Viskositas fluida memiliki pengaruh yang sama pada ukuran butiran droplet seperti pada tegangan permukaan. Viskositas menyebabkan fluida melawan gravitasi, cenderung untuk mencegah pemecahan cairan dan mengarah ke ukuran droplet yang rata-rata lebih besar. Gambar 2.2 menunjukkan hubungan antara viskositas dan ukuran droplet ketika atomisasi terjadi.
Gambar 2.2. Hubungan antara viskositas dan ukuran droplet (sumber : Mada Hunter Pardede, http://fateta.ipb.ac.id/index.php/View-document/66-MADAHUNTER-PARDEDE-F14060138.pdf)
2.4.3 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. 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).
9
Mekanisme atomisasi dilihat dari fluida kerja dapat dibagi atas atomisasi hidrolik dan pneumatik. 1. Atomisasi Hidrolik Pada atomisasi hidrolik, atomisasi terjadi karena tekanan cairan atau gaya gravitasi pada cairan yang keluar pada mulut nozzle dan pecah pada waktu jet berbentuk lembaran. 2. 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, nozzle pneumatik dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu jenis pencampuran dalam dan pencampuran luar. 2.5 Kompor Pembakar Jenazah Rancangan kompor pada dasarnya digolongkan menjadi 2 tipe, yaitu kompor minyak sumbu (wick burner) dan kompor bertekanan (pressure burner). Secara umum, kompor bertekanan menghasilkan power output dan efisiensi pembakaran yang lebih tinggi, sehingga bahan bakar yang digunakan lebih kecil untuk setiap satuan berat bahan yang dimasak. Pada kompor pembakar jenazah menggunakan jenis kompor tekan dengan bahan bakar minyak tanah. Prinsip kerja komporpembakar jenazah adalah mengubah bahan bakar dari fase cair menjadi fase gas dan membakarnya dengan nyala api sehingga menyala dan menghasilkan energi panas.Kompor pembakar jenazah memiliki beberapa bagian seperti: 1. Tangki bahan bakar Berfungsi sebagai tempat penyimpanan bahan bakar 2. Selang bahan bakar Berfungsi sebagai penyalur bahan bakar ke kompor. Gambar tangki bahan bakar dan selang bahan bakar dapat dilihat pada gambar 2.3
10
Gambar 2.3 : Tangki Bahan-bakar dan selang Kompor Pembakar Jenazah (sumber : Dokumentasi Pribadi, 2013)
3. Kompor Berfungsi sebagai tempat terjadinya pembakaran bahan bakar. Pada kompor terdapat bagian yang disebut dengan pipa burner dan nosel. Pipa burner berfungsi mengubah bahan bakar cair menjadi fase gas. Nozzle berfungsi sebagai tempat keluarnya bahan bakar yang akan menghasilkan nyala api. Gambar kompor dapat dilihat pada gambar 2.4 :
Gambar 2.4 : Kompor Pembakar Jenazah (sumber : Dokumentasi Pribadi, 2013)
4. Kompresor Berfungsi memampatkan bahan bakar pada tangki bahan bakar sehingga bahan bakar dapat mengalir munuju kompor
11
2.6 Burner Nyala api itu salah satunya terbentuk berdasarkan dari jenis atau tipe burner yang digunakan pada saat pengujian, contohnya pada nyala api premixed turbulent. Pada nyala api ini terdapat berbagai jenis atau bentuk nyala api yang berdasarkan dari burner yang digunakan pada saat pengujian. Ini membuktikan bahwa pada proses teknik pembakaran itu banyak berbagai jenis nyala api, yang berdasarkan berbagai kondisi. Sehingga memungkinkan, masih banyak jenis nyala api yang belum dapat dilakukan pengujian. 2.6.1 Burner berdasarkan metode penguapan bahan bakar Adapun beberapa metode yang di gunakan untuk menguapkan bahan bakar adalah sebagai berikut: 1. 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 pencampuran yang baik dengan udara pembakaran. Minyak bakar distilat bisa terbakar dengan api yang biru jika secara sempurna bahan bakar ini diuapkan dan tercampur merata 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. 2. Vaporizing Burner Burner jenis ini menggunakan panas dari api untuk menguapkan bahan bakar secara terus menerus. Prinsip penguapan ini dipakai pada kompor lidah api (blow torch) terlihat pada gambar 2.5, kompor tipe pot, lampu minyak tanah dan lain-lain. Cara kerja kompor lidah api tersebut adalah dengan memanaskan minyak bakar yang dialirkan ke lilitanpipa pemanas. Panas didapat dari radiasi lidah api yang diselubungi oleh lilitan. 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 (torch).Lidah api akan berwarna kuning, dan apabila suhu uapbahan bakar terlalu tinggi maka akan terbentuk nyala api biru yang mempunyai sifat tidak stabil
12
Gambar 2.5 : Kompor Lidah Api ( Blow Torch ) (sumber : Tjokrowisastro dan Widodo, Teknik Pembakaran Dasar dan Bahan Bakar, 1990)
2.6.2 Atomizing oil Burner Pada atomizing oil burner bahan bakar diatomisasikan dalam bentuk spray droplet dengan tekanan7-20 kg/cm² atau diatomisasi oleh udara/uap dengantekanan 0,1 - 15 kg/cm2. tabel kebutuhan power, fluida untuk atomizer dapat dilihat pada tabel 2.1 sebagai berikut :
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 dm3/s
Udara tek.tinggi 0,52 MP a
0,284
1,1-1,4 dm3/s
Uap
0,851
0,85-3,5 kg
Mekanis
0,0227
-
Rotary-Cup burner
0,0355
-
Suatu peralatan yang berbentuk vane atau sekat (baffle) biasanya dipasang untuk memperoleh percampuran yang lebih baik antara bahan bakar dan udara.Untuk menghindari adanya lidah api yang menumbuk pada dinding tungku maupun komponen lainnya perlu diperhatikan juga mengenai peralatan pemasukan udara, bentuk semprotan dan lain-lain. Apabila terdapat lidah api yang menumbuk, maka akan menyebabkan adanya jelaga atau deposit 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
13
disesuaikan untuk menyediakan waktu bagi kesempurnaan pembakaran. Kecepatan pembebasan panas dari peralatan pembakaran ini tergantung pada sifat bahan bakar, konsentrasi udara lebih (excess air concentration), udara bahan bakar dan tingkat asap yang diijinkan. Dari cara atomisasinya maka atomizing oil burner dapat dibedakan menjadi 4 jenis. 1. Steam air atomizing burner 2. Mechanical/oil pressure atomizing burner 3. Centrifuging /rotary cup atomizing burner 4. High-intensitas burner.
2.7 Bahan Bakar Bahan bakar (fuel) merupakan suatu bahan (material) yang di konsumsi untuk menghasilkan energi. 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
2.8 Minyak Tanah ( Kerosene) Minyak tanah atau kerosene adalah cairan hidrokarbon yang tak berwarna dan mudah terbakar. Diperoleh dengan distilasi fraksional dari petroleum pada suhu 150-275 OC (rantai karbon dari C12 - C15 ). Minyak tanah digunakan sebagai minyak bakar ( burning oil ), minyak lampu, atau bisa juga digunakan sebagai bahan bakar jet. Nilai atau harga dari minyak tanah tergantung ari kelakuan minyak tanah sebagai bahan bakar pada test yang dilakukan dengan cara membakar dan menggunakan lampu. Pengujian yang dilakukan dengan membakar minyak tanah (burning test) minyak tanah mempunyai kecenderungan asap hitam, asap putih pada cerobong (chimney) dan membentuk jamur pada sumbu. Asap hitam (smoking) terutama disebabkan karena stuktur aromatic hydrocarbon, asap putih mungkin disebabkan karena disulfida dan pembentukan jamur diperkirakan berhubungan dengan adanya aromatic dan disulfide.
