FENOMENA FLAME LIFT-UP PADA PEMBAKARAN PREMIXED GAS PROPANA DISERTASI

UNIVERSITAS INDONESIA

FENOMENA FLAME LIFT-UP PADA PEMBAKARAN PREMIXED GAS PROPANA

DISERTASI

COKORDA PRAPTI MAHANDARI 0606037525

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM PASCA SARJANA TEKNIK MESIN DEPOK JULI 2010

Fenomena flame ..., Cokorde Prapti mahandari, FT UI, 2010

UNIVERSITAS INDONESIA

FENOMENA FLAME LIFT-UP PADA PEMBAKARAN PREMIXED GAS PROPANA

DISERTASI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor

COKORDA PRAPTI MAHANDARI 0606037525

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM PASCA SARJANA TEKNIK MESIN KEKHUSUSAN KONVERSI ENERGI DEPOK JULI 2010 ii


iii


iv


KATA PENGANTAR/UCAPAN TERIMA KASIH

Puji Syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan rahmatnya saya dapat menyelesaikan disertasi ini. Penulisan disertasi dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Doktor Teknik Mesin pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Saya menyadari bahwa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan disertasi ini telah saya terima sehingga disertasi ini bisa terwujud. Oleh karena itu saya menyampaikan banyak terima kasih kepada : 1.

Prof. Dr. Ir. I Made Kartika Dhiputra, Dipl.-Ing, selaku promotor yang telah memberikan topik Flame lift-up, fenomena pembakaran yang telah lama ditemukan oleh beliau untuk saya teliti serta menyediakan waktu, tenaga, pikiran dan kesabaran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan disertasi ini.

2.

Prof. Dr. Ir. H. Bambang Sugiarto, M.Eng, selaku ko-promotor yang telah menyediakan waktu disela-sela kesibukan sebagai Dekan FT- UI.

3.

Prof. Ir. Yulianto S. Nugroho, MSc., PhD, selaku ko-promotor atas masukannya yang sangat berguna.

4.

Anggota Tim Penguji Prof Dr. Ir. Raldi Artono Koestoer, DEA, Prof Dr. Ir. Tubagus Ahmad Fauzi Soelaiman MSME, Dr. Ir. Adi Suryosatyo, MEng atas saran-sarannya.

5.

Dr. Ir. Harinaldi., MEng selaku Kepala Departemen Teknik Mesin, anggota Tim Penguji, atas pinjaman wet gas meter-nya, saran

serta

koreksian yang sangat teliti. 6.

Prof Dr. Ir. Nandy Setiadi Djaya Putra selaku anggota Tim Penguji juga atas bantuannya berupa jurnal-jurnal internasional, Dr.-rer.nat. Ir. Yuswan Muharam, MT atas pinjaman CD Chemkin, Dr. Ir. Ganjar Kiswanto, MEng, atas monitoring dan info disertasinya serta seluruh keluarga besar Departemen Teknik Mesin atas segala bantuannya.

7.

DRPM UI atas bantuan Hibah Program S3 Kontrak No 242F/DRPMUI/N1.4/2008 v


8.

Yayasan Pendidikan Gunadarma, Rektor Universitas Gunadarma Prof. Dr. E.S. Margianti, SE., MM dan Pembantu Rektor II Universitas Gunadarma Prof. Suryadi Harmanto, SSi, MM atas ijin dan bantuan dananya sehingga memungkinkan saya menempuh jenjang pendidikan S3.

9.

Dr. Asep Juarna SSi, MKom dan keluarga, Trini Saptariani SKom, MM, serta seluruh keluarga besar Universitas Gunadarma yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu atas dukungan dan doanya.

10.

PT PLN PJB Suralaya dan PT PJB Paiton atas pinjaman alatnya

11.

Zheng Chen, PhD dari Princeton University, Rosyida Permatasari dari UTM, Arjun K.C dari Halifax Kanada dan Gede Shantika dari TU Eindhoven Belanda atas kiriman jurnalnya.

12.

Seluruh anggota grup riset Flame and Combustion, Bu Catur, Pak Eko, Pak Hamdan, Pak Tomo, Pak Cahyo, Pak Dimitri, Amri, Taufiq, Rahmat, Aye, dan lain lain atas kerjasamanya.

13.

Suamiku Nyoman Darma Adi dan anak-anakku Dika, Devinda dan Oni, keluarga besar Puri Kaleran Bangli dan keluarga di Lampung atas dukungan dan doanya.

Semoga Tuhan Yang Maha Esa memberikan balasan dan perlindungan kepada semua pihak yang telah membantu saya. Saya menyadari bahwa disertasi ini belum sempurna namun saya berharap semoga disertasi ini bermanfaat bagi pengembangan ilmu khususnya teknik pembakaran.

Depok, Agustus 2010 Cokorda Prapti Mahandari

vi


vii


DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ................................................................................. LEMBAR PENGESAHAN ..................................................................... KATA PENGANTAR .............................................................................. LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ................. ABSTRAK ................................................................................................ DAFTAR ISI ............................................................................................ DAFTAR GAMBAR ............................................................................... DAFTAR TABEL ................................................................................... DAFTAR ISTILAH/SIMBOL ................................................................. DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................

i iv v vii viii x xii xvi xvii ix

1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ................................................................................. 1.2 Masalah Penelitian ......................................................................... 1.3 Tujuan Penelitian ........................................................................... 1.4 Batasan Penelitian .......................................................................... 1.5 Metode Penelitian .......................................................................... 1.6 Sistematika Penelitian ...................................................................

1 3 4 5 5 7

2. TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................... 2.1 Pembakaran .................................................................................. 2.2 Klasifikasi Nyala ......................................................................... 2.3 Struktur Nyala Api Laminer ........................................................... 2.4 Data base Nyala Api Premix Turbulen ......................................... 2.5 Teori dan Pemodelan Pembakaran ................................................ 2.6 Stabilitas Nyala ............................................................................ 2.7 Panjang Nyala Api ........................................................................ 2.8 Simulasi dengan Perangkat Lunak ............................................... 3. METODE PENELITIAN ................................................................ 3.1 Peralatan Penelitian ....................................................................... 3.2 Penyetaraan Flowmeter dan Termokopel .................................... 3.3 Metode Pengambilan Data ............................................................. 3.4 Simulasi dengan Perangkat Lunak ................................................ 3.5 Kajian Teoritis Fenomena Flame Lift-up, Kestabilan Nyala dan Panjang Nyala ..............................

8 8 9 11 15 18 24 31 32 36 37 39 42 46 51

4. FENOMENA FLAME LIFT-UP ....................................................... 4.1 Kajian Eksperimental ................................................................... 4.2 Analisa Laju Kehilangan Kalor pada Fenomena Flame Lift-up ... 4.3 Hasil Simulasi dengan Pendekatan Eddy Dissipation Rate

54 54 78 91

5. KESTABILAN NYALA API SETELAH LIFT-UP ........................ 5.1 Kestabilan Nyala Lift-up ............................................................... 5.2 Kajian Teoritis Fenomena Blow off pada Nyala Lift-up ..............

97 97 106

x


Universitas Indonesia

6. PANJANG NYALA API PADA FENOMENA FLAME LIFT-UP 6.1 Kajian Eksperimental Panjang Nyala Api Lift-up ...................... 6.2 Korelasi Panjang Nyala Api Lift-up .............................................. 6.3 Kajian Teoritis Panjang Nyala Api Lift-up ..................................

111 111 122 124

7. KESIMPULAN ...................................................................................

134

DAFTAR ACUAN ...................................................................................

136

LAMPIRAN

xi



DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Gambar 1.2 Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8

Nyala api sebelum dan setelah lift-up. Diagram alir penelitian fenomena flame lift-up Struktur nyala api dengan satu langkah asimptotik Kecepatan pembakaran vs equivalens ratio Sketsa vektor kecepatan pembakaran laminar Ilustrasi charateristic thickness Nyala api stasioner isotropis turbulen Nyala api stasioner dengan shear turbulen Daerah pembagian nyala turbulen Perbandingan kecepatan antara simulasi dan eksperimen pada nyala flicker

3 6 11 12 13 14 16 17 20 21

Gambar 2.9 Gambar 2.10

22 23

Gambar 3.13 Gambar 3.14 Gambar 3.15 Gambar 3.16

Stretch rate pembakaran propana dan udara Bilangan Karlovitz 1-D untuk nyala campuran propana dan udara Variasi bilangan Karlovitz Lokal berdasarkan ketebalan nyala campuran propana dan udara Diagram stabilitas flashback, lift-off, dan yellow tipping untuk bahan bakar gas industri Perbandingan ketinggian lift-off antara kondisi gravitasi normal dan tanpa gravitasi Residual flame mendekati blow-off Photo percobaan ring stabilizer Distribusi kecepatan kondisi aliran dingin dan pembakaran Diagram alir langkah eksperimental Ring AISI 304 variasi diameter dalam Penyetaraan rotameter dengan wet gas meter Grafik penyetaraan laju aliran propana Grafik penyetaraan laju aliran udara Grafik penyetaraan temperatur T1 Grafik penyetaraan temperatur T2 Skema penelitian menggunakan Infra Red Thermograph Skema pengukuran temperatur nyala menggunakan termokopel Citra pengukuran temperatur ujung burner Citra pengukuran temperatur dan panjang nyala Tampilan data hasil pengukuran dengan Thermograph InfraView Tampilan grid Tampilan aktivasi model pengaruh viskositas Tampilan jenis reaksi yang dipilih Jendela utama aplikasi Aurora

Gambar 3.17

Tampilan output dalam bentuk grafik

Gambar 2.11 Gambar 2.12 Gambar 2.13 Gambar 2.14 Gambar 2.15 Gambar 2.16 Gambar 3.1. Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Gambar 3.9 Gambar 3.10 Gambar 3.11 Gambar 3.12

23 24 26 27 28 36 38 40 40 41 41 42 43 43 44 45 46 47 47 48 50 50

xii



Gambar 4.1 Gambar 4.2. Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Gambar 4.10 Gambar 4.11 Gambar 4.12 Gambar 4.13 Gambar 4.14 Gambar 4.15 Gambar 4.16 Gambar 4.17 Gambar 4.18 Gambar 4.19 Gambar 4.20 Gambar 4.21 Gambar 4.22 Gambar 4.23 Gambar 4.24 Gambar 4.25 Gambar 4.26 Gambar 4.27 Gambar 4.28 Gambar 4.29 Gambar 4.30 Gambar 4.31 Gambar 4.32

Nyala yang menempel pada ring bagian bawah Nyala arah radial ring Penurunan konsentrasi bahan bakar Kontur tekanan pada ring Di=10 mm dan xr=10mm Daerah resirkulasi di atas bluffbody Grafik AFR saat lift-up pada ring stainless steel Grafik AFR saat lift-up untuk ring dari keramik dan stainless steel Rasio equivalens saat lift-up Kontur kecepatan aliran pada simulasi pembakaran premixed Kontur kecepatan aliran pada simulasi aliran dingin Grafik temperatur ujung burner Grafik temperatur ujung burner sebelum dan setelah lift-up Tampilan temperatur maksimum nyala pada kondisi adiabatis Tampilan temperatur nyala pada kondisi terjadi kerugian kalor Temperatur maksimum nyala api Grafik temperatur maksimum nyala api variasi diameter dalam ring Skema bentuk nyala Bunsen Skema model matematis pendekatan kerucut nyala Bunsen Rasio equivalens terhadap jarak lifted dan temperatur ujung burner Laju kehilangan panas pada nyala Bunsen Skema model matematis analisa fenomena lift-up Bilangan Damkohler pada simulasi pembakaran premixed Tampilan hasil simulasi turbulen kinetik reaksi Temperatur maksimum nyala pada ring dari baja Temperatur nyala pada ring keramik Temperatur ring pada ring stainless steel Temperatur ring pada ring keramik Tampilan hasil simulasi temperatur ring setelah lift-up Wake yang terbentuk di atas ring dan di bawah ring Kontur kecepatan pada simulasi pembakaran premixed Kontur kecepatan pada posisi ring 10 mm dan diameter dalam ring 7 mm Kontur kecepatan pada posisi ring 10 mm dan diameter dalam ring 10 mm

62 63 64 65 65 66 67 67 69 76 76 77 77 79 79 81 82 82 84 85 87 87 88 88 89 90 90 91 92

xiii



Gambar 4.33 Gambar 4.34 Gambar 4.35 Gambar 4.36 Gambar 4.37 Gambar 4.38 Gambar 4.39 Gambar 4.40 Gambar 4.41 Gambar 5.1 Gambar 5.2 Gambar 5.3 Gambar 5.4 Gambar 5.5 Gambar 5.6 Gambar 5.7 Gambar 5.8 Gambar 5.9 Gambar 5.10 Gambar 5.11 Gambar 5.12 Gambar 6.1 Gambar 6.2 Gambar 6.3 Gambar 6.4 Gambar 6.5 Gambar 6.6

Kontur kecepatan pada posisi ring 10 mm dan diameter dalam ring 14 mm Kontur kecepatan pada posisi ring 30 mm dan diameter dalam ring 7 mm Kontur kecepatan pada posisi ring 30 mm dan diameter dalam ring 10 mm Kontur kecepatan pada posisi ring 30 mm dan diameter dalam ring 14 mm Kontur temperatur maksimum nyala pada Di= 7 mm Kontur temperatur maksimum nyala pada Di= 10 mm Kontur temperatur maksimum nyala pada Di= 14 mm Kontur k Kontur ε Grafik kestabilan nyala gas propana Burning Load saat lift-up Kontur fraksi massa C3H8 pada simulasi aliran dingin Grafik AFR saat blow off dan lift-up pada ring Di=7 mm Grafik AFR saat blow off dan Lift-up pada ring Di=10 mm Grafik AFR saat blow off dan Lift-up pada ring Di=14 mm Grafik AFR saat lift-up pada ring diameter dalam 10 mm Daerah kestabilan nyala api lift-up pada ring keramik Di=10 mm Tampilan grafik residence time pada Di=10 mm dan x=10 mm Tampilan grafik residence time pada Di=10 mm dan x=20 mm Tampilan grafik residence time pada Di=10 mm dan x=30 mm Tampilan grafik residence time pada Di=10 mm dan x=40 mm Pengaruh Burning Load pada variasi diameter dalam ring Pengaruh Burning Load pada variasi posisi ring Grafik AFR saat lift-up pada variasi diameter dalam ring Pengaruh posisi ring pada variasi laju aliran bahan bakar Pengaruh diameter dalam ring pada variasi laju aliran bahan bakar Perbandingan grafik panjang nyala ring keramik

92 93 93 94 94 95 95 96 96 97 99 100 101 102 103 104 105 107 107 108 108 115 116 117 118 119 121

xiv



Gambar 6.7 Gambar 6. 8 Gambar 6. 9 Gambar 6. 10 Gambar 6. 11 Gambar 6. 12

dan ring stainless steel Perbandingan panjang nyala api ring keramik dan ring stainless steel Sistem koordinat analisa panjang nyala setelah liftup Radius nyala pada variasi fraksi massa oksigen pada gas terbakar Panjang nyala teoritis dan eksperimental pada Di= 7mm Panjang nyala teoritis dan eksperimental pada Di= 10 mm Panjang nyala teoritis dan eksperimental pada Di= 14 mm

121 125 129 131 131 132

xv



DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5 Tabel 4.6a Tabel 4.6.b Tabel 4.7 Tabel 4.8 Tabel 4.9 Tabel 4.10 Tabel 4.11 Tabel 5.1 Tabel 5.2 Tabel 5.3 Tabel 6.1 Tabel 6.2 Tabel 6.3 Tabel 6.4 Tabel 6.5

Hasil percobaan tanpa ring Hasil Percobaan dengan ring stainless steel Di =7 mm Hasil Percobaan dengan ring stainless steel Di =10 mm Hasil Percobaan dengan ring stainless steel Di =14 mm Hasil Percobaan dengan ring keramik Di =10 mm Hasil perhitungan untuk percobaan tanpa ring Hasil pengukuran temperatur tip burner Hasil perhitungan percobaan dengan ring stainless steel Di = 7 mm Hasil perhitungan percobaan dengan ring stainless steel Di= 10 mm Hasil perhitungan percobaan dengan ring stainless steel Di =14 mm Hasil perhitungan percobaan dengan ring keramik Di =10 mm Hasil Perhitungan SL,c pada ring AISI 304 Hasil Perhitungan daerah kestabilan nyala lift-up Hasil Perhitungan daerah kestabilan nyala lift-up pada ring keramik Blow off residence time dan waktu aliran fisik Hasil perhitungan parameter panjang nyala diameter dalam ring 7 mm Hasil perhitungan parameter panjang nyala diameter dalam ring 10 m Hasil perhitungan parameter panjang nyala diameter dalam ring 14 mm Hasil perhitungan parameter panjang nyala ring keramik Di =10 mm Tabel bilangan natural komponen korelasi panjang nyala

54 55 57 59 60 61 61 64 65 66 67 86 104 106 109 112 113 114 120 124

xvi



DAFTAR ISTILAH/SIMBOL

A AFR BL C Da D Ea F FAR Fr H h HV k K Ka K L Le M .

m .

m

N n Q R Re S S T T U X Y Ze α ρ φ η µ ω ν

Luas penampang Air Fuel Ratio Burning Load Konsentrasi molar reaktan atau produk Damkohler Diameter Energi aktivasi Rasio campuran Fuel Air Ratio Bilangan Froude Tinggi nyala Enthalpi Heating Value Konstanta laju reaksi Bilangan Karlovitz Flame stretch Konduktivitas thermal Panjang nyala Bilangan Lewis Massa molal Laju massa udara Laju massa bahan bakar

m2 W/m2 mol/m3 m J/kg

m J/kg J/m3 s-1 W/m2.K m kg/s kg/s

Jumlah mol Jumlah zat yang bereaksi Laju kehilangan kalor Konstanta gas Bilangan Reynolds Kecepatan pembakaran Entropi Temperatur Waktu Kecepatan campuran Jarak ring dari ujung burber Fraksi massa Bilangan Z’eldovich Diffusivitas Massa jenis Rasio Equivalen Tebal nyala Viskositas Laju pembentukan Koefisien stoikiometri

J/s.m3 m/s J/kg.K K s m/s m m2/s kg3/m m m2/s2 kg/s xvii



Subscript A Chem. B b Bf

Udara Kimia Gas terbakar Backward Back fired

F f L LO Ig Maks O o,a o,M U Res Ref St T

Fuel Forward Laminer Lift-off Ignition Maksimum Oksigen Oksigen di udara Oksigen di campuran Gas belum terbakar Resident Referensi Stoikiometrik Turbulen

Superscript ’ ” o

Reaktan Produk Kondisi standar

xviii



DAFTAR LAMPIRAN

No Lampiran 1 2 3 4 5 6 7

Data bahan bakar Analisis perhitungan kesalahan dan perambatan kesalahan Tabel hasil perhitungan Perhitungan SL,c Perhitungan Bilangan Damkohler Tabel perhitungan untuk korelasi panjang nyala Tabel perhitungan panjang nyala teoritis

xix



FENOMENA FLAME LIFT-UP PADA PEMBAKARAN PREMIXED GAS PROPANA DISERTASI

Recommend Documents