JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit 2011 to user

perpustakaan.uns.ac.id

digilib.uns.ac.id

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH KETEBALAN (DEPTH) DARI TIP NOZZLE DAN TEKANAN UDARA PADA TIPE AIR-ASSISTED NOZZLE UNTUK SISTEM ATOMISASI CAMPURAN BATUBARA SERBUK-AIR (COAL-WATER MIXTURE (CWM))

SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Oleh : DIAN PERMANA NIM. I1406522

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit to user 2011


digilib.uns.ac.id

HALAMAN PENGESAHAN STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH KETEBALAN (DEPTH) DARI TIP NOZZLE DAN TEKANAN UDARA PADA TIPE AIR-ASSISTED NOZZLE UNTUK SISTEM ATOMISASI CAMPURAN BATUBARA SERBUK-AIR (COAL-WATER MIXTURE (CWM))

Disusun oleh

Dian Permana NIM. I1406522

Dosen Pembimbing I

Dosen Pembimbing II

Budi Santoso, ST, MT NIP. 19701105 200003 1 001

*) Syamsul Hadi, ST, MT NIP. 19710615 199802 1 002

Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Rabu tanggal 27 April 2011 1. Wibowo, ST, MT NIP. 19690425 199802 1 001

………………………

2. Wibawa Endra J, ST, MT NIP. 19700911 200003 1 001

………………………

3. Eko Prasetya B, ST, MT NIP. 19710926 199903 1 002

………………………

Mengetahui, Ketua Jurusan Teknik Mesin

Koordinator Tugas Akhir

Dody Ariawan, ST, MT Wahyu Purwo Raharjo, ST, MT NIP. 19730804 199903 1 003commit to user NIP. 19720229 200012 1 001 *). Sedang melanjutkan studi S3.

iii


digilib.uns.ac.id

TERIMA KASIHKU Mama Dewi Witarni yang tercinta, tangis dan kerja kerasmu adalah penyulut api semangatku. Terima kasih untuk kasih sayang dan doa yang Mama panjatkan hari demi hari untuk putera Mama ini, Papa Sudirman yang tercinta, jerih payah dan pengorbananmu akan jadi hal yang takkan sanggup terbalaskan, Mba Nina “Snow White” dan De Ayu “Cinderrella” yang tersayang, tiada terkira banyaknya bantuan dan motivasi yang kalian berikan untuk memompa semangatku dalam menyelesaikan studi ini, Keluarga Bapak Bambang Paryono, BE. (Ibu Sri Puji Astuti, SH., Mas Yonas Dedi Prasetyo dan De Anggun Paramitaningrum) yang sangat saya sayangi dan saya hormati, terima kasih atas bimbingan dan bantuannya selama ini, Pak Budi Santoso, ST, MT., terima kasih banyak atas kesabarannya dan kebijaksanaannya untuk memberi bimbingan dan nasehat kepada kami, Maruto (Lab. Material), Arifin (Lab. Produksi), Hendri (Lab.Pengecoran), Ibu Trisni (Lab. Fisika dan Mekanika Tanah Fak.Pertanian) atas ijin lab dan bantuan serta semangatnya, Anak-anak mesin semua yang kenalku dan kukenal ; Anjar, Sony, Udin, Ardhy, Rizal, Didik, Prian, Hery, Bayu, Hengky, Dany, Vischa, Nur, Wahyudi, Agus, Dipo, Akbar, Iqbal, Faisal, Dedy, Hafiz, Wisnu, Bambang, Sarjito, Zaini, Ary, Mulyantara, Maryanto, Ali, Faisal, Ady, Rendra, dan lainnya yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

commit to user

iv


digilib.uns.ac.id

M O T T O Jadikanlah sabar dan sholat sebagai penolongmu. Dan sesungguhnya yang demikian itu sungguh berat, kecuali bagi orang-orang yang khusyu’ (QS. Al Baqarah 45). Sesungguhnya Allah tidak merobah keadaan sesuatu kaum sehingga mereka merobah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri (QS. Ar Ra’d 11). Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, maka apabila kamu telah selesai (dari suatu urusan), kerjakanlah dengan sungguh-sungguh (urusan ) yang lain, dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu berharap (QS. Alam Nasyrah 5-8).

..........................................................................................................................

Καρψα ινι κυπερσεµβαηκαν κεπαδα: ¾ Αλλαη ΣΩΤ ψανγ τελαη λιµπαηκαν ραηµατ δ αν ηιδψαηΝψα ¾ Μαµα δαν Παπα τερχιντα ¾ Κακακ δαν Αδικκυ τερσαψανγ ¾ Κελυαργα Βεσαρ Τεκνικ Μεσιν ΥΝΣ

commit to user

v


digilib.uns.ac.id

Studi Eksperimental Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan Udara pada Tipe Air-Assisted Nozzle untuk Sistem Atomisasi Campuran Batubara Serbuk-Air (Coal-Water Mixture (CWM)) Dian Permana ABSTRAK Tujuan dari studi eksperimental sistem atomisasi campuran batubara serbuk-air (coal-water mixture (CWM)) ini adalah untuk meneliti, menganalisa dan membahas pengaruh ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan udara terhadap hasil atomisasi CWM dengan menggunakan air-assisted nozzle untuk pengujian dingin. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah campuran batubara serbuk berukuran 112,5 µm (mesh 150) dan air tawar ditambah dengan sedikit aditif. Komposisi campuran dalam % massa terdiri dari, batubara serbuk 40% dan air tawar 60% dengan tambahan aditif CMC (Carboxyl Methyl Cellulose) sebesar 3% dari berat batubara. Atomiser (nozzle) yang digunakan yaitu tipe air-assisted dengan 3 variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle, yaitu 1,5mm; 3mm dan 4,5mm. Pengujian atomisasi CWM dilakukan pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan dengan variasi tekanan udara 2 bar; 2,4 bar dan 2,8 bar. Hasil penelitian menunjukkan bahwa menentukan komposisi CWM yang optimum memiliki pengaruh yang kuat didalam atomisasi CWM. Dari penelitian ini dapat diketahui bahwa pada tekanan udara 2 bar dan tekanan CWM konstan, penggunaan nozzle dengan ketebalan tip nozzle 1,5 mm menghasilkan debit udara sebesar 0.000611 m3/s dan debit CWM sebesar 0.0000248 m3/s sedangkan pada ketebalan tip nozzle 4,5 mm menghasilkan debit udara sebesar 0.000617 m3/s dan debit CWM sebesar 0.0000323 m3/s. Dan kenaikan tekanan udara pada tiap variasi ketebalan tip nozzle menghasilkan nilai debit udara dan debit CWM yang semakin meningkat, sehingga rasio udara/CWM juga meningkat, dengan demikian gaya aerodinamik yang bekerja semakin besar. Dengan variasi tekanan udara yang paling besar (2,8 bar) dan ketebalan tip nozzle yang paling besar (4,5 mm) adalah paling besar nilai ALR-nya yaitu 0.051 dengan sudut semprotan 30.620. Dengan meningkatnya nilai ALR maka atomisasi yang terbentuk semakin banyak, ini berarti droplet halus yang terbentuk juga semakin banyak, dengan kata lain SMD semakin kecil sehingga kualitas atomisasi meningkat. Pada saat udara dan CWM yang mengalir di ujung nozzle (tip nozzle) kurang dituntun, pencampuran antara udara dan CWM menjadi lemah. Ini menyebabkan ligament yang terbentuk kurang mampu disebarkan. Namun ketika udara dan CWM lebih dituntun, pencampurannya menjadi lebih kuat, sehingga ligament yang dihasilkan dapat lebih tersebar dan atomisasi CWM menjadi lebih baik. Dan dari penelitian ini dapat diketahui juga bahwa tekanan udara dapat memperbaiki kualitas atomisasi. Kata kunci: Coal-Water Mixture (CWM), droplet, atomisasi, batubara, air-assisted nozzle, ketebalan (depth), Carboxyl Methyl Cellulose (CMC).

commit to user

vi


digilib.uns.ac.id

Experimental Study of Influence from The Depths of Tip Nozzle and Air Pressures Used Air-Assisted Nozzle for Atomization System of Coal Water Mixture (CWM) Dian Permana ABSTRACT The aim of the experimental study of atomization system for coal-water mixture (CWM) is to research, analyze and discussed the effects from the depths of the tip nozzle and air pressures toward atomization results of CWM that used air-assisted nozzle for cold testing. The Materials used in this study is a mixture of coal powder size 112.5 µm (mesh 150) and fresh water added with some additives. The composition of the mixture in% mass consists of, coal powder 40% and 60% fresh water with the addition of additives CMC (Carboxyl Methyl Cellulose) at 3% of the weight of coal. Atomiser (nozzle) were used that type of water-assisted with 3 variations in thickness (depth) of the nozzle tip, which is 1.5 mm, 3mm and 4.5 mm. Tests conducted on the atomization CWM with CWM constant pressure 2.8 bar and with variations in air pressure 2 bar, 2.4 bar and 2.8 bar. The results showed that determining the optimum composition of CWM has a strong influence in the atomization CWM. From this research it is known that the air pressure of 2 bar and constant pressure of CWM, the use of nozzles with a thickness of 1.5 mm nozzle tip produces air flow of 0.000611 m3 / s and debit CWM registration 0.0000248 m3 / s while the thickness of the nozzle tip 4.5 mm produces air flow of 0.000617 m3 / s and debit CWM registration 0.0000323 m3 / s. And an increase in air pressure at each nozzle tip thickness variation produces air flow value and debit CWM increasing, so the ratio of air / CWM also increased, thereby increasing aerodynamic forces that worked great. By variation of the greatest air pressure (2.8 bar) and the thickness of the greatest tip nozzles (4.5 mm) is the largest value of its ALR-0051 is 30 620 with a spray angle. With the increasing value of ALR, the atomization is formed more and more, this means fine droplets that form are also more and more, in other words the smaller the SMD so that the quality of atomization increases. At CWM flowing air and at the end of the nozzle (nozzle tip) is less guided, mixing between air and CWM become weak. This causes the ligament that forms less able to spread. But when air and guided CWM more, mixing becomes stronger, so that the ligaments which can produce more scattered and atomization of CWM for the better. And from this research may also note that the air pressure to improve the quality of atomization. Keywords: Coal-Water Mixture (CWM), droplets, atomization, coal powder, air assisted nozzle, Carboxyl Methyl Cellulose (CMC)

commit to user vii


digilib.uns.ac.id

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT karena berkat rahmat, hidayah dan bimbingan-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Studi Eksperimental Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan Udara pada Tipe Air Assisted Nozzle untuk Sistem Atomisasi Campuran Batubara Serbuk-Air (Coal Water Mixture (CWM)”. Adapun tujuan penulisan skripsi ini adalah untuk memenuhi sebagian persyaratan guna mencapai gelar sarjana teknik di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Penulis menyampaikan terima kasih yang sangat mendalam kepada semua pihak yang telah berpartisipasi dalam penelitian dan penulisan skripsi ini, khususnya kepada: 1. Bapak Budi Santoso, ST, MT selaku pembimbing I dan Bapak Syamsul Hadi, ST, MT selaku pembimbing II yang dengan sabar dan penuh pengertian telah memberikan banyak bantuan dalam penelitian dan penulisan skripsi ini. 2. Bapak Dody Ariawan, ST, MT selaku pembimbing akademik dan Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS. 3. Bapak Wibowo, ST, MT, Bapak Wibawa Endra Juwana, ST, MT dan Bapak Eko Prasetya Budiana, ST, MT selaku dosen penguji. 4. Bapak Ir. Mukahar, MSCE. selaku Dekan Fakultas Teknik UNS. 5. Bapak Heru Sukanto, ST, MT, Bapak Ir. Wijang Wisnu R, MT, Bapak Bambang K, ST, MT, selaku dosen yang banyak membantu saya selama mengikuti kuliah di Teknik Mesin UNS dan penyelesaian skripsi ini. 6. Dosen-dosen Teknik Mesin FT UNS yang telah membuka wacana keilmuan penulis. 7. Mas Arifin di Lab. Produksi, Mas Hendri di Lab. Pengecoran Fakultas Teknik dan Ibu Trisni di Lab. Fisika Tanah Fakultas Pertanian UNS yang telah membantu penulis dalam pengambilan data dan pengujian spesimen. 8. Mama dan Papa tercinta serta Kakak dan Adikku tersayang yang selalu mendoakan dan mendukungku. commit to user

viii


digilib.uns.ac.id

9. Teman-teman kost rahmawati; Anjar, Sony, Sapetina, Fredi, Ardhi, Rizzal, Danang, Gandhi, Yudha, Rudi, Dean, dan Hari. 10. Teman-teman Teknik Mesin UNS semua angkatan (Anjar, Udin, Gunawan, Fendi, Agus, Ahmad, Sony, Didik, Prian, Hery, Bayu, Hengky, Dany, Vischa, Nur, Wahyudi, Dipo, Akbar, Iqbal, Faisal, Tedy, Dedy, Hafiz, Wisnu, Bambang, Sarjito, Zaini, Ary, Mulyantara, Maryanto, Ali, Ady, Rendra, Maruto dan lainnya yang tidak dapat disebutkan satu persatu). Penulis menyadari, bahwa dalam skripsi ini masih terdapat banyak kekurangan. Oleh karena itu, bila ada saran, koreksi dan kritik demi kesempurnaan skripsi ini, akan penulis terima dengan ikhlas dan dengan ucapan terima kasih. Dengan segala keterbatasan yang ada, penulis berharap skripsi ini dapat digunakan sebagaimana mestinya.

Surakarta, April 2011

Penulis

commit to user

ix


digilib.uns.ac.id

DAFTAR ISI

Halaman HALAMAN JUDUL ..................................................................................... i SURAT PENUGASAN ................................................................................. ii HALAMAN PENGESAHAN....................................................................... iii HALAMAN PENGHARGAAN................................................................... iv MOTTO ......................................................................................................... v ABSTRAK ..................................................................................................... vi KATA PENGANTAR................................................................................... viii DAFTAR ISI.................................................................................................. x DAFTAR TABEL ......................................................................................... xii DAFTAR GAMBAR..................................................................................... xiii DAFTAR NOTASI DAN SIMBOL ............................................................. xiv DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. xv BAB I. PENDAHULUAN............................................................................. 1.1 Latar Belakang Masalah ............................................................... 1.2 Perumusan Masalah...................................................................... 1.3 Batasan Masalah........................................................................... 1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian..................................................... 1.4 Sistematika Penulisan...................................................................

1 1 2 3 3 4

BAB II. DASAR TEORI............................................................................... 2.1 Tinjauan Pustaka ......................................................................... 2.2 Atomisasi (Pengabutan)............................................................... 2.2.1 Proses Atomisasi ............................................................... 2.2.2 Karakteristik Atomisasi .................................................... A. Droplets....................................................................... B. Debit Udara dan CWM ............................................... C. Air/Liquid Raatio ........................................................ D. Diameter Rata-Rata Sauter (Sauter Mean Diameter) . E. Sudut Atomisasi .......................................................... 2.3 Campuran Batubara-Air (Coal-Water Mixture/ CWM) .............. 2.3.1 Teknologi Pencampuran CWM ........................................ 2.3.2 Stabilitas CWM................................................................. 2.4 Atomiser/ Alat Pengabut (Nozzle) ...............................................

5 5 6 6 7 7 8 8 9 10 11 11 13 13

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN .................................................. 3.1 Studi Eksperimental..................................................................... 3.1.1 Waktu dan Tempat Penelitian ........................................... 3.1.2 Diagram Alir Penelitian.................................................... 3.1.3 Skema Instalasi Peralatan Studi Eksperimental................ 3.1.4 Bahan dan Peralatan Penelitian ........................................ 3.2 Tahap Pengujian Stabilitas CWM .............................................. commit to user CWM yang Optimum .... 3.2.1 Proses Menentukan Komposisi

16 16 16 16 18 18 24 24

x


digilib.uns.ac.id

3.2.2 Proses Pembuatan Serbuk Batubara ukuran 112,5 µm (mesh 150) ........................................................................ 3.2.3 Proses Pencampuran Batubara Serbuk-Air ...................... 3.3 Tahap Pembuatan dan Perakitan AlatStudi Eksperimental ......... 3.3.1 Proses Pengabutan (Atomisasi) CWM.............................. 3.3.2 Proses Visualisasi Pengabutan (Atomisasi) CWM ........... 3.4 Perhitungan Analitik.................................................................... BAB IV. DATA DAN ANALISA ................................................................. 4.1 Data Hasil Studi Eksperimental.................................................... 4.1.1 Parameter dan Kondisi Operasi Pengujian .......................... 4.1.2 Perhitungan Debit Udara dan Debit CWM ......................... 4.1.3 Perhitungan Air-Liquid Ratio (ALR) .................................. 4.1.4 Perhitungan Diameeter Rata-rata Sauter (Sauter Mean Diameter /SMD).................................................................. 4.1.5 Visualisasi Atomisasi (Pengabutan) CWM ......................... 4.2 Analisa Data ................................................................................. 4.2.1 Stabilitas Campuran Batubara Serbuk-Ait (Coal-Water Mixture/ CWM) .................................................................. 4.2.2 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan Udara Terhadap Nilai Debit Udara dan Debit CWM ......... 4.2.3 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan Udara Terhadap Nilai Air-Liquid Ratio (ALR) .................. 4.3.4 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan Udara Terhadap Nilai Sauter (Sauter Mean Diameter /SMD) ................................................................................ 4.2.5 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan Udara Terhadap Karakteristik Atomisasin (pengabutan) CWM...................................................................................

25 25 26 28 29 29 30 30 30 31 35 38 39 41 41 42 44 44 47

BAB V. PENUTUP........................................................................................ 5.1 Kesimpulan................................................................................... 5.2 Saran .............................................................................................

49 49 50

DAFTAR PUSTAKA....................................................................................

51

commit to user

xi


digilib.uns.ac.id

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 2.1 Perbandingan % Berat Partikel Batubara dengan Liquid ............... 12 Tabel 4.1 Parameter dan Kondisi Operasi Pengujian .....................................

30

Tabel 4.2 Data Hasil Kalibrasi Flow meter Udara .........................................

32

Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Debit Udara .......................................................

33

Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Debit CWM.......................................................

35

Tabel 4.5 Hasil Perhitungan Laju Aliran Massa Udara ..................................

35

Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Laju Aliran Massa CWM ..................................

36

Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR).....................................

37

Tabel 4.8 Hasil Perhitungan Sauter Mean Diameter (SMD)..........................

39

Tabel 4.9 Visualisasi Pengaruh Tekanan Udara dan Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle Terhadap Hasil Atomisasi ............................................

commit to user

xii

40


digilib.uns.ac.id

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1 Tahapan Berurutan didalam Pemecahan yang Ideal dari Suatu Lembaran Cairan (Dombrowski & Johns, 1963) ........................

7

Gambar 2.2 Sudut Pengabutan (Atomisasi)....................................................

11

Gambar 2.3 Skema Variasi Desain dari Atomiser Dua Fluida Tipe Internal Mixing (Liu Huimin, 2000) .....................................................................

14

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian.......... ....................................................

17

Gambar 3.2 Rancangan Alat Studi Eksperimental Sistem Atomisasi CWM dengan Air-Assisted Nozzle .....................................................................

18

Gambar 3.3 Serbuk Batubara ..........................................................................

19

Gambar 3.4 Skema Sistem Air-Assisted Nozzle..............................................

19

Gambar 3.5 Kompresor Udara.......... ..............................................................

20

Gambar 3.6 Pressure Regulator .....................................................................

20

Gambar 3.7 Tangki CWM ..............................................................................

21

Gambar 3.8 Katup Aliran CWM.....................................................................

21

Gambar 3.9 Orifice meter.......... .....................................................................

23

Gambar 3.10 Pressure Gauge.........................................................................

23

Gambar 3.11 Flow meter Tipe SCFM ............................................................

24

Gambar 3.12 Kalibrasi Flow meter Udara ......................................................

27

Gambar 3.13 Kalibrasi Debit Aliran CWM.......... ..........................................

28

Gambar 4.1 Stabilitas Komposisi CWM dengan berbagai Prosentase Kandungan CMC (%) dari Berat Batubara ..................................................

42

Gambar 4.2 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Debit Udara (m3/s) ..................

43

3

Gambar 4.3 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Debit CWM (m /s)..................

43

Gambar 4.4 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Air/Liquid Ratio (ALR) ..........

44

Gambar 4.5 Grafik Tekanan Udara (bar) vs SMD........................................

45

Gambar 4.6 Grafik Laju Aliran Massa Udara vs SMD.................................

45

Gambar 4.7 Grafik Laju Aliran Massa CWM vs SMD ................................

46

Gambar 4.8 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Sudut Atomisasi (derajat) .......

47

commit to user

xiii


digilib.uns.ac.id

DAFTAR NOTASI DAN SIMBOL CWM

= Coal-Water Mixture

CWF

= Coal-Water Fuel

CWS

= Coal-Water Slurry

COM

= Coal-Oil Mixture

BBM

= Bahan Bakar Minyak

BBP

= Bahan Bakar Padat

BBA

= Bahan Bakar Alternatif

CMC

= Carboxyl Methyl Cellulose

Q

= Debit Aliran, (m3/s)

V

= Kecepatan Rata-rata Udara, (m/s)

A

= Luas Penampang Pipa, (m2)

t

= Waktu, (s)

ALR

= Air-Liquid Ratio

m& A

= Laju Aliran Massa Udara, (kg/s)

m& L

= Laju Aliran Massa Cairan/ Liquid (CWM), (kg/s)

ρA

= Massa Jenis (Densitas) Udara, (kg/m3)

ρL

= Massa Jenis (Densitas) Cairan/ Liquid (CWM), (kg/m3)

SMD

= Sauter Mean Diameter, (m)

UA

= Air Velocity, (m/s)

σ

= Surface Tension, (N/m)

µL

= Lliquid Viscosity, (Kg/m.s)

d0

= Outer Diameter of Pressure Nozzle, (m)

Tudara

= Temperatur Udara, (K)

R

= Konstanta Gas Ideal, (KJ/Kg.K)

D

= Diameter Saluran Udara, (m)

SCFM

= Standard Cubic Feet per Minutes, (ft3/min)

∆h

= Beda Ketinggian Manometer, (mm)

commit to user

xiv


digilib.uns.ac.id

DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Visualisasi Uji Stabilitas Coal-Water Mixture (CWM) dengan Komposisi Batubara, Air dan Aditif CMC (dalam % massa)..... Lampiran 2 Dimensi Air-Assisted Nozzle ....................................................... Lampiran 3 Parameter dan Kondisi Operasi Pengujian .................................. Lampiran 4 Visualisasi Hasil Atomisasi CWM.............................................. Lampiran 5 Grafik Kalibrasi Orifice...............................................................

commit to user

xv

54 56 60 61 62

1 digilib.uns.ac.id


BAB I PENDAHULUAN 1.1

Latar Belakang Masalah Indonesia termasuk salah satu negara yang kaya akan sumberdaya energi

dalam bentuk batubara. Sebagai sumberdaya energi, batubara memiliki nilai strategis dan potensial untuk memenuhi sebagian besar kebutuhan energi dalam negeri. Sumberdaya batubara di Indonesia diperkirakan sebesar 36 milyar ton, tersebar di Sumatra (di Aceh 4,70%; di Sumatra Tengah 11,40%; di Sumatra Selatan 51,73%), di Kalimantan (di Kalimantan Selatan 9,99%; di Kalimantan Timur 14,62%; di Kalimantan Barat 5,83%; di Kalimantan Tengah 1,20%), sisanya terdapat di pulau Jawa, Sulawesi dan Irian Jaya (Soejoko dan Abdurrochman, 1993). Keunggulan bahan bakar minyak (BBM) terletak pada wujudnya yang cair, sehingga mudah dalam penanganannya. Penyimpanan, transportasi dan secara teknik pengabutan/ atomisasi tidak menjadi kendala, serta hasil pembakaran

tidak

menyebabkan

padatan

yang

mempermasalahkan

pembuangan/penanganan limbahnya. Penggunaan bahan bakar padat (BBP) seperti batubara sangat tidak efisien dibanding ke unggulan tersebut. Tidak mengherankan sampai saat ini bahan bakar padat hanya menjadi bahan bakar alternatif (BBA). Kendala transportasi karena tidak bisa mengalir dan penanganan teknis maupun sisa pembakaran padat menjadi prioritas masalah. Disamping itu, cadangan BBM didunia yang semakin menipis dan semakin mahal, sedangkan BBP batubara masih mempunyai prospek berupa jumlah cadangan yang cukup besar. Mau tidak mau harus mengganti BBM dengan bahan bakar alternatif, maka ini merupakan pilihan tepat untuk melakukan penelitian BBP batubara dengan meniadakan kendala-kendalanya. Salah satu cara untuk membuat BBP menjadi BBM atau bahan bakar cair (liquid fuel) adalah dengan pemakaian batubara sebagai bahan bakar utama. Prosesnya adalah mencampur batubara serbuk dan air sebelum proses pembakaran. Campuran ini menghasilkan bahan bakar lumpur (slurry) yang commit to user

1

2 digilib.uns.ac.id


mempunyai sifat seperti bahan bakar cair disebut juga Coal-Water Mixture (CWM). Permasalahan yang timbul pada bahan bakar CWM adalah sulit dialirkan/ditransportasikan

dan

kendala

pada

proses

atomisasi,

karena

mengandung partikel padat batubara yang dapat mengendap selama proses penyimpanan atau persiapan CWM. Hal ini mengharuskan penambahan suatu bahan aditif dalam bahan bakar CWM yang berfungsi sebagai stabilizer bahan bakar CWM tersebut agar dapat ditransportasikan dan dilakukan pengabutan/ atomisasi. CWM dikatakan stabil apabila dalam selang waktu tertentu butiran batubara masih tetap terdispersi dan tidak mengendap. Kestabilan diperlukan selama penyimpanan, pengangkutan sampai saat pembakaran. Kestabilan dapat diperpanjang dengan penambahan aditif dan proses hidrothermal (khusus untuk batubara peringkat rendah). Perlakuan terhadap bahan bakar cair sebelum dilakukan proses pembakaran diruang bakar yaitu berupa proses pengabutan/atomisasi. Atomisasi CWM sebelum proses pembakaran memiliki peranan penting, karena menentukan proses pembakaran CWM itu sendiri. Pada proses atomisasi ini, sejumlah volume liquid CWM akan diubah menjadi butiran-butiran halus (droplets) CWM yang membentuk spray dalam jumlah besar oleh atomiser/ alat pengabut (nozzle). Oleh karena itu, penelitian ini diajukan sebagai harapan untuk dapat dijadikan sebagai salah satu alternatif untuk menghasilkan suatu rancangan sistem studi eksperimental untuk meneliti karakteristik pengabutan/atomisasi dengan menggunakan bahan bakar CWM, dimana keberadaan rancangan ini diharapkan dapat dikembangkan menjadi sistem pembakaran di industri-industri yang masih menggunakan bahan bakar minyak bumi. 1.2 Perumusan Masalah Perumusan masalah dalam penelitian ini yaitu “Bagaimanakah pengaruh ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan udara atmosfir pada air-assisted nozzle untuk sistem atomisasi CWM supaya dapat menghasilkan pengabutan/ atomisasi yang baik?” commit to user

3 digilib.uns.ac.id


1.3

Batasan Masalah Batasan masalah yang bertujuan untuk memberikan arah penelitian dan

mengurangi kompleksitas permasalahan adalah sebagai berikut: 1. Pengujian pengabutan/ atomisasi (uji dingin) dilakukan pada berbagai variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle (1,5 mm; 3 mm dan 4,5 mm), dan variasi tekanan udara (2 bar; 2,4 bar dan 2,8 bar) dengan tekanan CWM konstan 2,8 bar. 2. Jenis atomiser (nozzle) yang digunakan adalah tipe air-assisted nozzle satu lubang (single hole) dengan diameter lubang nozzle 1,5 mm. 3. Pengamatan visualisasi karakteristik pengabutan/atomisasi CWM dilakukan dari tampak samping saluran keluar tip nozzle. 4. Pengujian atomisasi/pengabutan CWM dilakukan kedalam ruang atmosfir sehingga tekanan dan temperatur ambient adalah tekanan dan temperatur kamar. 5. Komposisi CWM optimum yang digunakan dalam penelitian ini dalam % massa terdiri dari, batubara serbuk 40% dengan ukuran 112,5 µm (mesh 150), air tawar 60% dan penambahan aditif CMC (Carboxyl Methyl Cellulose) sebesar 3% dari berat batubara. 1.4

Tujuan dan Manfaat Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu: 1. Mengetahui stabilitas komposisi CWM yang optimum. 2. Mengetahui pengaruh berbagai variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan variasi tekanan udara dengan tekanan CWM konstan, terhadap nilai debit udara dan debit CWM. 3. Mengetahui pengaruh berbagai variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan variasi tekanan udara dengan tekanan CWM konstan, terhadap rasio udara-CWM (Air-Liquid Ratio (ALR)). 4. Mengetahui pengaruh berbagai variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan variasi tekanan udara dengan tekanan CWM konstan, terhadap ukuran diameter rata-rata Sauter/ SMD (sauter mean diameter) dari droplet-droplet.

commit to user

4 digilib.uns.ac.id


5. Mengetahui pengaruh berbagai variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan variasi tekanan udara dengan tekanan CWM konstan, terhadap karakteristik atomisasi dan sudut atomisasi CWM. Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut: 1. Mengetahui proses merubah bahan bakar padat (batubara) menjadi cair (CWM). 2. Menambah pengetahuan tentang proses kerja dari sistem atomisasi CWM. 3. Menghasilkan suatu sistem atomisasi CWM, dimana keberadaan sistem atomisasi CWM ini diharapkan dapat menjadi acuan untuk studi eksperimental sistem atomisasi lainnya. 1.5

Sistematika Penulisan Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

BAB I

: Pendahuluan,

menjelaskan

tentang

latar

belakang

masalah,

perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, serta sistematika penulisan. BAB II

: Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan atomisasi, campuran batubara-air (coal-water mixture/ CWM),serta atomiser atau alat pengabut (nozzle).

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat

dan

pelaksanaan

penelitian,

pembuatan

alat

studi

eksperimental dan proses pengambilan data. BAB IV : Data dan Analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data hasil pengujian serta analisa hasil perhitungan. BAB V

: Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.

commit to user

5 digilib.uns.ac.id


BAB II DASAR TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Menurut O’Callaghan (1993), dengan laju konsumsi bahan bakar seperti tahun 1987 maka kandungan minyak di dunia ini akan habis pada tahun 2028, sedangkan kandungan barubara akan habis pada tahun 2259. berdasarkan data tersebut, maka sangatlah beralasan untuk menjadikan bahan bakar batubara sebagai sumber energi alternatif menggantikan bahan bakar minyak bumi. Perkembangan dunia pada umumnya dan bangsa indonesia pada khususnya dihadapkan pada keadaan dimana terdapat tuntutan untuk melaksanakan penghematan pemakaian energi. Keterbatasan cadangan minyak bumi dan kelangkaannya untuk masa mendatang, menjadi suatu dorongan untuk mencari cara menghemat pemakaian minyak bumi tersebut atau mencari sumber energi alternatif untuk menggantikan pemakaian dari minyak bumi. Peningkatan kegiatan industri di indonesia, mengakibatkan bertambahnya kebutuhan akan bahan bakar. Semula hampir semua industri mengandalkan minyak bumi dan turunannya sebagai bahan bakar. Persediaan minyak bumi yang kurang seimbang dengan keperluan industri, disamping harga minyak bumi yang selalu berubah dan menjadi lebih mahal, mendorong para pengusaha industri mulai berpikir untuk melakukan diversifikasi bahan bakar ke batubara. Batubara yang berbentuk padat akan menimbulkan kesulitan apabila diangkut, lebih-lebih apabila akan dialirkan melalui pipa. Berkaitan dengan hal tersebut, para ilmuwan berpikir untuk mengubah batubara yang semula padat untuk dicairkan sehingga akan lebih mudah dalam penggunaan dan pengangkutannya. Beberapa penelitian yang telah dilakukan dan telah didapatkan teknologi pencairan batubara yang menghasilkan antara lain Coal-Oil Mixture (COM) atau Coal-Water Fuel (CWF), (Gadjah Mada University Press, 2005). Adnan (2001) melakukan studi eksperimental tinjauan mekanika fluida dan proses atomisasi dari campuran batubara-air (Coal-Water Mixture/ CWM) dengan menggunakan single hole nozzle dengan sistem air-assisted nozzle. commit to user

5


6 digilib.uns.ac.id

Hasil menyebutkan bahwa tekanan udara dan mekanisme pencampuran memiliki pengaruh yang kuat di dalam atomisasi CWM. Pada pencampuran udara dan CWM yang lemah, ligament-ligament yang dihasilkan kurang tersebar sedangkan ketika pencampuran udara dan CWM semakin kuat maka ligament-ligament yang dihasilkan menjadi lebih tersebar. Selain itu besarnya gaya aerodinamik yang besarnya dinyatakan dalam rasio udara/CWM dapat menentukan sudut semprotan. Pribadi (2001) melakukan studi eksperimental tinjauan mekanika fluida dan proses atomisasi dari CWM dengan menggunakan multy holes nozzle dan pressurized swirl nozzle. Hasil menyebutkan bahwa kenaikan sudut swirl (semakin kecil jari-jari swirl) berdampak negatif terhadap atomisasi, yaitu dihasilkan sudut spray yang sempit dan penetrasi yang panjang. Kenaikan sudut tip nozzle mengakibatkan penurunan kestabilan alir CWM dalam nozzzle, CWM mudah terseparasi sehingga penyumbatan lebih cepat terjadi. Kenaikan tekanan kerja nozzle dapat memperbaiki kualitas atomisasi yaitu dengan dihasilkannya ukuran droplet yang halus. Atomisasi CWM terbaik yang memungkinkan dalam pressurized swirl nozzle pada sudut swirl nozzle 0°, sudut tip nozzle 140° dan tekanan inlet 5 bar. 2.2 Atomisasi (Pengabutan) Perlakuan terhadap bahan bakar cair sebelum dilakukan proses pembakaran di ruang bakar adalah berupa proses atomisasi. Atomisasi merupakan suatu proses disintegrasi cairan menjadi droplet-droplet kecil yang membentuk spray di atmosfir gas, yang menghasilkan suatu luasan penyebaran partikel, dengan membuat kecepatan relatif yang tinggi antara liquid dengan udara sekitar. Proses atomisasi dimaksudkan untuk memperbesar rasio penyebaran permukaan partikel terhadap massa, dan memperbesar kemungkinan terjadinya penguapan sehingga pembakaran lebih mudah terjadi (Liu Huimin, 2000). 2.2.1.

Proses Atomisasi Ada dua metoda yang dapat dipakai dalam proses atomisasi, yaitu dengan

cara melepaskan fluida yang berkecepatan tinggi ke dalam aliran udara atau gas berkecepatan rendah dan dengan cara melepaskan fluida berkecepatan rendah ke commit totinggi. user Proses disintegrasi cairan dapat dalam aliran udara atau gas berkecepatan

7 digilib.uns.ac.id


dipengaruhi oleh desain nozzle, profil kecepatan awal, air jet, electro-static field, sifat non-newtonian rheology serta ketidakstabilan lainnya. 2.2.2. Karakteristik Atomisasi A. Droplets Dombrowski & Johns (1963) telah menguraikan tentang disintegrasi dari lembaran cairan pada pressure-swirl atomizers. Mekanisme ini diperkenalkan secara skematis pada Gambar 2.1 dibawah ini.

Gambar 2.1 Tahapan Berurutan didalam Pemecahan yang Ideal dari Suatu Lembaran Cairan (Dombrowski & Johns, 1963). Ketika cairan mulai keluar dari ujung atomiser, ketebalan dari lembaran cairan berkurang dan lembaran tersebut menjadi tidak stabil. Gelombang terbentuk didalam dan luar permukaan dari lembaran cairan. Perbedaan antara percepatan dari lembaran dan udara sekitar atau gas menyebabkan suatu gesekan yang akan memperkuat bentuk gelombang dari lembaran cairan itu. Gelombang meningkat pada lembaran sampai mencapai suatu kekuatan kritis. Fragmen dari lembaran, sesuai dengan separuh dari panjang gelombang ombak pada kekuatan kritis,akan mulai terpecah. Fragmen ini berkontraksi dengan tegangan permukaan ke dalam ikatan sendi (ligament), yang sesudah itu terhancurkan (disintegrasi) ke dalam tetesan (drops). B. Debit Udara dan CWM Dengan menggunakan orifice meter, debit yang mengalir didalam saluran pipa dapat ditentukan (Modul Praktikum FDM - Lab. Konversi Energi T.Mesin UNS, 2007). Untuk mencari nilai debit udara, secara matematik dapat dituliskan dengan persamaan:

Qudara = Vudara.A...…………….....…………………………………......(2.1) Dimana:

Qudara = debit aliran udara, (m3/s) Vudara

= kecepatan rata-rata udara, (m/s) commit to user

8 digilib.uns.ac.id


= luas penampang pipa, (m2)

A

Sedangkan untuk mencari nilai debit CWM (m3/s), dapat dihitung dengan hasil eksperimen yang disebut kalibrasi yaitu: Q CWM =

V ………….……………………………………………….....(2.2 t

) Dimana:

QCWM = debit aliran CWM, (m3/s) V

= volume CWM yang tertampung pada gelas ukur, (m3)

t

= waktu, (s)

C. Air/Liquid Ratio Variabel yang penting pada hasil pengabutan (atomisasi) yang menggunakan bantuan udara adalah rasio udara/liquid (Air/Liquid Ratio(ALR)). Rasio udara/liquid dapat dicari dengan rumus (Liu Huimin, 2000):

ALR =

m& A .............................................................................................(2.3) m& L

Dimana:

ALR = Air/Liquid Ratio m&

A

= laju aliran massa udara, (kg/s) = laju aliran massa cairan/ liquid (CWM), (kg/s)

m& L

Untuk laju aliran massa udara ( m&

A

), dapat dihitung dari persamaan:

m& A = ρ A .V A . A ........................................................................................(2.4)

Dimana: m&

A

= laju aliran massa udara, (kg/s)

ρA

= massa jenis (densitas) udara, (kg/m3)

VA

= kecepatan rata-rata udara, (m/s)

A

= luas penampang saluran, (m2)

Sedangkan laju aliran massa cairan ( m& L ), dapat dihitung dengan hasil eksperimen yang disebut kalibrasi yaitu: commit to user


9 digilib.uns.ac.id

& L = ρCWM ⋅ QCWM..................................................................................(2.5 m ) Dimana: m& L

= laju aliran massa cairan (CWM), (kg/s)

ρCWM

= massa jenis (densitas) CWM, (kg/m3)

QCWM = debit aliran CWM, (m3/s) Pada umumnya dengan menaikkan rasio udara/liquid dan atau menaikkan gaya dinamik dapat mengurangi ukuran rata-rata dari droplet. Beberapa penelitian merekomendasikan batasan proses pengoperasian untuk ALR mulai dari 0.1 sampai dengan 10, atau 2 sampai dengan kurang dari 5. Fraser, menyarankan batas atas dari ALR yaitu 1.5. Karena apabila dibawah dari batas ALR kualitas dari atomisasi akan memburuk, dan apabila diatas dari batas ALR akan menyebabkan pemborosan energi udara sehingga efisiensi atomisasi akan turun. D. Diameter Rata-rata Sauter (Sauter Mean Diameter) Hitron Rony (1998) merancang dan membuat alat pengabut/atomizer dengan tipe Triple-Concentric Atomizer (TCA). Prototipe ini akan digunakan untuk menguji kemampuan dari TCA yang akan menghasilkan percikan yang sangat bagus seperti medical nebulizers. Test persiapan dari kemampuannya dengan air yang datar telah dilakukan. Test pengabutan/atomisasi dari suatu yang mengandung solusi tentang air polymer telah dilakukan menggunakan TCA yang ada. Tes ini menunjukkan adanya perubahan yang kecil didalam Sauter Mean Diameter (SMD) sebagai konsentrasi polymer atau bobot molekular yang ditingkatkan sampai molekul polymer menjadi sangat terjalin. Untuk memudahkan perhitungan laju penguapan dan untuk membandingkan kualitas atomisasi dari bermacam-macam semprotan digunakan istilah diameter rata-rata yang definisinya bervariasi sesuai dengan penggunaannya. Sauter Mean Diameter (SMD) adalah salah satu yang paling banyak digunakan yang didefinisikan sebagai diameter sebuah droplet dimana perbandingan volume dan luas permukaannya sama dengan perbandingan volume dan luas permukaan commit to userSMD dapat dipengaruhi tegangan seluruh droplet di dalam semprotan. Besarnya

10 digilib.uns.ac.id


permukaan cairan, rapat massa cairan dan udara, perbandingan laju alir massa cairan dan udara, viskositas cairan serta kecepatan udara. Bambang (2003) melakukan penelitian studi umur droplet pada pembakaran batubara serbuk-air dengan sistem air-assisted spray nozzle dan lintasan udara aksial-tangensial. Di dalam nozzle ini, bahan bakar mengalir melalui sejumlah radially drilled, plain, circular holes, tempat dimana bahan bakar muncul dalam bentuk pancaran-pancaran yang terputus-putus yang memasuki suatu swirling airstream. Bambang menggunakan persamaan berikut untuk hubungan ukuran droplet.

0,19 ⎛ σ ⎞ ⎜ ⎟ SMD = U A ⎜⎝ ρ L .ρ A ⎟⎠

0,35

⎛ m& L ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ & m A ⎠ ⎝

0, 25

⎛ µ 2 .d ⎞ + 0,127⎜⎜ L 0 ⎟⎟ ⎝ ρ L .σ ⎠

0, 5

⎛ m& L ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ ...............(2.6) & m A ⎠ ⎝

Dimana: SMD: Sauter Mean Diameter (m), UA: air velocity (m/s), σ : surface tension (N/m), ρ L : liquid density (kg/m3), ρ A : air density (kg/m3), m& L : Liquid mass flow rate (kg/s), m&

A

:air mass flow rate (kg/s), µ L : liquid

viscosity (Kg/m.s), d0: orifice diameter (m). E. Sudut Atomisasi Sudut relatif antara pengabutan (atomisasi) bahan bakar dengan ujung bahan (metal) nozzle adalah faktor penting yang mempengaruhi sudut atomisasi. Sudut atomisasi impingement (tumbukan) dapat bervariasi hasilnya yaitu antara 150 sampai 800, tergantung dari bahan (metal) nozzle dan gas atomisasi yang digunakan. Untuk sebuah nozzle yang berbentuk gelang yang pusatnya searah dengan arus bahan nozzle, pengabutan yang terlalu tipis/kurus (sudut atomisasi impingement yang besar) dapat menyebabkan semburan (spray) yang melebar dan tekanan balik yang besar terhadap arus dari bahan tersebut. Sebaliknya lubang gas yang terlalu curam (sudut atomisasi impingement yang kecil) dapat menyebabkaan jarak yang besar antara pengabutan (atomisasi) bahan bakar dengan ujung bahan (metal) nozzle, sehingga menimbulkan pergolakan dan efisiensi gas menjadi menurun. Gambar 2.2 memperlihatkan contoh bentuk sudut pengabutan (atomisasi). commit to user Gambar 2.2 Sudut Pengabutan (Atomisasi)



2.3 Campuran Batubara-Air (Coal-Water Mixture/ CWM) Campuran batubara-air yang dikenal dengan CWM (Coal-Water Mixture) adalah jenis bahan bakar cair yang didapat melalui pencampuran serbuk batubara dan air dengan komposisi tertentu, serta dengan penambahan sedikit aditif yang berfungsi sebagai stabilizer. CWM diharapkan mampu mempunyai sifat seperti bahan bakar cair sehingga dalam penggunaannya, dapat berperan sebagai bahan bakar alternatif menggantikan bahan bakar minyak sebagai bahan bakar cair. 2.3.1 Teknologi Pencampuran CWM Salah satu sumber bahan bakar alternatif yang murah dan tersedia keberadaannya dalam jumlah besar adalah batubara. Namun penggunaannya dalam bentuk aslinya sebagai bahan bakar masih menyisakan beberapa masalah diantaranya sulit dinyalakan, sulit dikendalikan dan memberikan asap. Untuk mengatasi hal tersebut para peneliti telah mengembangkan teknologi pengubahan batubara ke bentuk bahan bakar yang menyenangkan. Diantara teknologi tersebut adalah sebagai berikut: 1.

Pengubahan batubara menjadi bahan bakar gas (teknologi gasifications)

2.

Pengubahan batubara menjadi bahan bakar cair (teknologi liquifactions)

3.

Pembentukan suspensi/campuran batubara-air (teknologi coal-water fuel)

4.

Pengubahan batubara menjadi bahan bakar padat tak berasap (teknologi briquette) Dari keempat teknologi pengubahan batubara menjadi bahan bakar yang

menyenangkan diatas, yang sesuai untuk dilakukan penelitian terhadap atomisasi batubara serbuk-air yaitu teknologi pembentukan suspensi/campuran batubara-air (teknologi coal-water fuel). Teknologi coal-water fuel adalah teknologi pembuatan campuran homogen serbuk batubara-air dengan cara mengaduk campuran pada kecepatan tinggi (sekitar 6000 rpm) sampai terbentuk suatu suspensi/campuran yang stabil. Campuran terdiri dari 60 sampai 78 % serbuk batubara dan sisanya air dengan ukuran serbuk minimal 75 mikron. Bahan bakar jenis ini dapat menggantikan commit to user



fungsi minyak tanah sebagai bahan bakar cair untuk keperluan rumah tangga. (Pasymi, ST.MT., 2005). Shankapal (1995) telah melakukan penelitian pencampuran batu bara dengan Light Diesel Oil (LDO), Furnace Oil (FO) dan air yang menghasilkan campuran bahan bakar dalam bentuk slurry yang memiliki karakteristik seperti bahan bakar minyak yang mampu mengalir dan teratomisasi pada atomiser. Rasio pencampuran untuk tiap bahan bakar akan berbeda-beda tergantung pada jenis pelarut yang digunakan. Rasio campuran ditunjukkan pada tabel 2.1 berikut: Tabel 2.1 Perbandingan % Berat Partikel Batubara dengan Liquid (Shankapal, 1995). No.

Slurry Types

Solid Fuel ( % wt )

Liquid ( % wt )

1.

Coal + LDO

40

60

2.

Coal + FO

20

80

3.

Coal + Water

50

50

4.

Pulveri Coconut Shell + LDO

40

60

5.

Pulveri Coconut Shell + water

40

60

(Komarudin dan Umar, 1992) melakukan pencampuran batu bara dengan air (Coal-Water Mixture, CWM) dengan batu bara dari Bukit Asam. Proses pengkajiannya difokuskan pada sifat kehomogenan campuran, sifat alir dan proses pembakarannya. Uji kehomogenan campuran meliputi pemilihan jenis aditif, pengaruh jumlah aditif terhadap CWM dan pengaruh konsentrasi batu bara dalam CWM. Pemilihan jenis aditif menghasilkan CMC (Carboxyl Methyl Cellulose) mempunyai sifat kehomogenan yang baik. Sifat alir menghasilkan ukuran partikel yang semakin kecil memberikan sifat alir yang lebih baik, sedangkan untuk proses pembakaran yang dihasilkan adalah kurang stabil dan tidak kontinyu. 2.3.2

Stabilitas CWM Sastrawinata, T. (1999) melakukan penelitian stabilitas Coal-Water

Mixture (CWM) yang dibuat dari batubara bituminous dan lignite berukuran 200 commit to user 55% batubara, aditif terdiri dari mesh. Untuk batubara lignite, CWM mencapai



dari CMC (Carboxyl Methyl Cellulose), toxaphan, molase dan starch dimana jumlahnya tidak lebih dari 0,3% stabil lebih dari 9 minggu. CWM batubara subbituminous ditambahkan beberapa aditif kimia yang tidak mahal yang dibuat dari 72 gram steac, 3 ml triam, dan 0,5 ml glin dimana mempunyai sifat sebagai dispersant, stabilizer dan penurun viskositas. Aditif-aditif ini dicampur dengan batu bara dan air untuk menghasilkan 1 liter CWM. Konsentrasi padatan mencapai 60% dengan penanganan yang baik (good handling) dan kemampuan penyimpanan. (Nurtono, 2001) melakukan penelitian untuk mendapatkan harga optimum dari konsentrasi solid, ukuran partikel dan jenis dan prosentase aditif dalam stabilitas dan konsentrasi solid, ukuran partikel dan jenis dan prosentase aditif dalam stabilitas dan rheology CWM. Hasil yang didapatkan adalah rheology dari CWM mengikuti sifat-sifat fluida non-newtonian, ukuran partikel memberikan pengaruh yang optimum dalam rheology dan stabilitas, pengaruh konsentrasi aditif dan solid signifikan terhadap rheology dan stabilitas, serta kondisi optimum dari CWM adalah ukuran partikel 33,67 mm, konsentrasi solid = 50 % wt, Triton X 100 = 0,09 % wt dari solid, CMC = 0,037 % wt dari solid. 2.4 Atomiser/ Alat Pengabut (Nozzle) Atomiser/ alat pengabut dengan sistem air-assisted nozzle digunakan untuk mempercepat cairan (liquid) membentuk lapisan film atau pancaran liquid yang kemudian pecah membentuk ligament-ligament yang akhirnya menjadi dropletdroplet dan membentuk spray. Pada sistem ini energi kinetik aliran udara dari kompresor bertekanan tinggi digunakan untuk membantu memperkuat atomisasi. Di sini udara berkecepatan tinggi dikenakan pada aliran bahan bakar CWM yang kecepatannya relatif rendah, baik secara internal maupun secara eksternal. Di samping air-assisted nozzle juga dikenal airblast nozzle dimana kedua nozzle ini memiliki prinsip kerja yang sama, yaitu sama-sama menggunakan energi kinetik udara untuk memecah pancaran cairan menjadi droplet-droplet. Perbedaan utama kedua sistem ini terletak pada kecepatan udara dan jumlah udara yang digunakan. Pada air-assisted nozzle, dimana udara disupplay dari kompresor atau tabung bertekanan tinggi, sangat commitpenting to user untuk menjadi debit udara tetap



tinggi. Akan tetapi karena tidak ada batasan khusus untuk tekanan udara, kecepatan udara dapat dibuat sangat tinggi. Dengan demikian air-assisted nozzle, dikarakteristikkan dengan penggunaan udara dalam jumlah relatif kecil namun dengan kecepatan yang sangat tinggi. Sedangkan pada air blast nozzle, jumlah udara yang lebih besar diperlukan untuk mencapai atomisasi yang baik. Namun udara ini tidak terbuang percuma, yaitu setelah mengatomisasi bahan bakar, udara ini akan mengalir ke dalam daerah dimana udara dipakai untuk pembakaran utama. Untuk lebih jelas mengenai desain dari atomiser dua fluida untuk tipe internal mixing dapat dilihat pada Gambar 2.3 dibawah ini. Gambar 2.3 Skema Variasi Desain dari Atomiser Dua Fluida Tipe Internal Mixing (Liu Huimin, 2000). Tipe internal mixing sangat cocok digunakan untuk bahan bakar yang memiliki viskositas tinggi, dan atomisasi yang baik dapat dicapai sampai aliran bahan bakar mendekati nol. Pada tipe external mixing relatif lebih aman karena bahan bakar lebih sulit masuk kesaluran udara namun penggunaan udara di sini kurang efisien sehingga membutuhkan tenaga lebih besar. Adnan (2001) melakukan studi eksperimental tinjauan mekanika fluida dan proses atomisasi dari CWM dengan menggunakan single hole nozzle dengan sistem air-assisted nozzle. Hasil menyebutkan bahwa tekanan udara dan mekanisme pencampuran memiliki pengaruh yang kuat di dalam atomisasi CWM. Pada pencampuran udara dan CWM yang lemah, ligament-ligament yang dihasilkan kurang tersebar sedangkan ketika pencampuran udara dan CWM semakin kuat maka ligament-ligament yang dihasilkan menjadi lebih tersebar. Selain itu besarnya gaya aerodinamik yang besarnya dinyatakan dalam rasio udara/CWM dapat menentukan sudut semprotan. Hitron Rony (1998) merancang dan membuat alat pengabut/atomizer dengan tipe Triple-Concentric Atomizer (TCA). Prototipe ini akan digunakan untuk menguji kemampuan dari TCA yang akan menghasilkan percikan yang sangat bagus seperti medical nebulizers. Test persiapan dari kemampuannya dengan air yang datar telah dilakukan. Test pengabutan/atomisasi dari suatu yang mengandung solusi tentang air polymer dilakukan menggunakan TCA yang committelah to user



ada. Tes ini menunjukkan adanya perubahan yang kecil didalam Sauter Mean Diameter (SMD) sebagai konsentrasi polymer atau bobot molekular yang ditingkatkan sampai molekul polymer menjadi sangat terjalin.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Studi Eksperimental Penelitian ini dapat dikategorikan sebagai penelitian studi eksperimental yang dilakukan dengan uji laboratorium. Dalam pelaksanaan studi eksperimental atomisasi campuran batubara serbuk-air (Coal-Water Mixture / CWM) yang menggunakan air-assisted nozzle ini, secara umum dapat dibagi menjadi 3 tahap kegiatan. Ketiga tahap kegiatan penelitian ini adalah: 1. Menyelidiki stabilitas campuran batubara serbuk-air (Coal-Water Mixture/ CWM) untuk mendapatkan komposisi CWM yang optimum untuk berbagai komposisi dalam % berat untuk masing-masing campurannya yaitu terdiri dari batubara sebuk, air dan aditif CMC (Carboxyl Methyl Cellulose). 2. Membuat dan menguji alat studi eksperimental sistem atomisasi CWM dengan menggunakan air-assisted nozzle. 3. Melakukan analisa dan pembahasan hasil atomisasi CWM untuk mengetahui pengaruh berbagai variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan udara terhadap debit udara, debit CWM, nilai diameter rata-rata Sauter (Sauter Mean Diameter (SMD)), rasio udara/CWM (Air/Liquid Ratio(ALR)), dan sudut pengabutan pada atomisasi CWM dengan menggunakan air-assisted nozzle. commit to user



3.1.1 Waktu dan Tempat Penelitian a. Waktu

: 12 bulan

b. Tempat

: Lab. Proses Produksi Jurusan Teknik Mesin UNS Lab. Pengecoran dan Las Jurusan Teknik Mesin UNS Lab. Fisika Tanah Jurusan Ilmu Tanah Fak.Pertanian UNS

3.1.2

Diagram Alir Penelitian Untuk mengetahui alur penelitian yang baik secara runtut, maka dibuatlah

suatu diagram alir penelitian. Secara lebih sistematis dan terperinci ditunjukkan pada gambar diagram alir sebagai berikut: 16

MULAI

- Atomisasi kurang baik - Tidak terbentuk droplet - Atomisasi tidak stabil / tersendat-sendat

commit to- user Atomisasi baik



- Terbentuk droplet-droplet - Atomisasi stabil

KESIMPULAN

SELESAI

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian 3.1.3

Skema Instalasi Peralatan Studi Eksperimental Sebelum langkah pembuatan alat studi eksperimental dimulai, langkah

awal dalam suatu pembuatan alat adalah membuat rancangan atau perencanaan terlebih dahulu. Dibawah ini adalah rancangan yang akan dibuat yaitu alat studi eksperimental sistem atomisasi CWM dengan menggunakan air-assisted nozzle.

Ket:

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Kompressor ke tangki CWM Saluran udara ke tangki CWM Pressure regulator tangki CWM Tangki CWM Katup aliran CWM Saluran CWM Pressure gauge CWM

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

Kompressor ke nozzle Pressure regulator udara ke nozzle Orificemeter udara Saluran udara ke nozzle Pressure gauge udara Air-Assisted Nozzle Hasil uji pengabutan (atomisasi)

Gambar 3.2 Rancangan Alat Studi Eksperimental Sistem Atomisasi CWM dengan Air-Assisted Nozzle

3.1.4

Bahan dan Peralatan Penelitian Untuk dapat membuat dan menyusun rangkaian alat studi eksperimental

sistem atomisasi CWM dengan air-assisted nozzle ini, terlebih dahulu kita harus menyiapkan bahan dan alatnya, yaitu: commit to user



a) Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah campuran batubara serbuk berukuran 112,5 µm (mesh 150) dan air tawar ditambah dengan sedikit aditif. Komposisi campuran dalam % massa terdiri dari, batubara serbuk 40% dan air tawar 60% dengan tambahan aditif CMC (Carboxyl Methyl Cellulose) sebesar 3% dari berat batubara serbuk. Gambar 3.3 Serbuk Batubara (Sumber: pengamatan visual) b) Peralatan Peralatan yang diperlukan untuk studi eksperimental atomisasi CWM ini yaitu: 1. Air-Assisted Nozzle Air-assisted

nozzle

berfungsi

untuk

menghasilkan

atomisasi

dari

liquid/cairan dan mempercepat cairan (liquid) membentuk lapisan film atau pancaran liquid yang kemudian pecah membentuk ligament-ligament yang akhirnya menjadi droplet-droplet dan membentuk spray. Pada studi eksperimental ini menggunakan air-assisted nozzle dengan tipe internal mixing untuk mengatomisasi campuran batubara serbuk-air (CWM) dengan viskositas tinggi dan dapat menghasilkan droplet-droplet yang halus. Gambar 3.4 Skema Sistem Air-Assisted Nozzle (Sumber: lampiran) 2. Kompresor Udara Kompresor udara berfungsi untuk menghasilkan udara bertekanan dan sebagai tempat menyimpan udara bertekanan. Pada studi eksperimental ini kompresor digunakan untuk mengalirkan udara bertekanan yang menuju tangki CWM dan mengalirkan udara bertekanan yang menuju air-assisted nozzle untuk dikabutkan (diatomisasi) secara bersama-sama. Gambar 3.5 Kompresor Udara (Sumber: pengamatan visual) 3. Pressure Regulator

commit to user



Pressure regulator berfungsi untuk mengatur aliran udara bertekanan yang berasal dari kompresor dan untuk mengetahui besarnya tekanan udara yang akan dialirkan dari kompressor. Pada studi eksperimental ini menggunakan dua buah pressure regulator yang dipasang untuk dapat mengetahui besarnya tekanan udara yang akan dialirkan menuju ke tangki CWM dan yang satunya untuk dapat mengetahui besarnya tekanan udara yang akan dialirkan menuju ke air-assisted nozzle. Yang kemudian akan dialirkan secara bersama-sama untuk dapat menghasilkan pengabutan/atomisasi CWM yang melewati air-assisted nozzle. Gambar 3.6 Pressure Regulator (Sumber: www.google.com) 4. Tangki CWM Tangki CWM berfungsi sebagai tempat untuk menampung CWM sementara sebelum dialirkan menuju ke air-assisted nozzle, yang terlebih dahulu akan dinaikkan tekanannya dengan cara mengalirkan udara bertekanan pada tangki CWM. Pada studi eksperimental ini menggunakan tangki CWM yang dirancang sedemikian rupa sehingga dapat menampung CWM dan dapat dibuka untuk memasukkan CWM untuk dilakukan pengabutan/ atomisasi, tetapi masih tetap tertutup rapat atau tidak bocor pada saat ditutup untuk ditekan dengan udara bertekanan dan akan dapat dialirkan menuju ke air-assisted nozzle. Gambar 3.7 Tangki CWM (Sumber: pengamatan visual) 5. Katup Aliran CWM Katup aliran CWM berfungsi untuk mengatur debit aliran CWM dari tangki CWM yang akan menuju ke air-assisted nozzle untuk dikabutkan atau diatomisasi. Pada studi eksperimental ini katup aliran CWM yang digunakan berupa katup putar, sehingga dapat digunakan untuk membuka dan menutup debit aliran CWM yang akan digunakan untuk meneliti pengaruh debit aliran CWM terhadap hasil atomisasi CWM.

6. Orifice meter

Gambar 3.8 Katup Aliran (Sumber: www.google.com) commit to user



Orifice meter berfungsi untuk mengukur atau mengetahui beda ketinggian (∆h) yang disebabkan oleh kecepatan aliran udara yang melewati lubang orifice pada saluran udara dari kompresor yang menuju ke nozzle. Pada studi eksperimental ini, menggunakan orifice meter yang menggunakan fluida air pada pipa manometer untuk mengetahui beda ketinggian (∆h) yang terjadi pada saluran udara. Gambar 3.9 Orifice meter (Sumber: pengamatan visual) 7. Pressure Gauge Pressure gauge berfungsi untuk mengetahui atau menunjukkan besarnya tekanan yang terdapat pada saluran. Pada studi eksperimental ini menggunakan dua buah pressure gauge, yaitu pressure gauge yang dipasang pada saluran CWM dan pada saluran udara untuk dapat mengetahui tekanan yang terdapat pada masing-masing saluran.

Gambar 3.10 Pressure Gauge (Sumber: pengamatan visual) 8. Flowmeter Tipe SCFM (Standard Cubic Feet per Minute) Flowmeter digunakan untuk mengukur debit udara pada saluran udara dari kompressor yang menuju ke air-assisted nozzle.

Gambar 3.11 Flowmeter Tipe SCFM (Sumber: www.google.com) 9. Kamera Kamera digunakan untuk mengambil gambar atau foto hasil pengabutan (atomisasi) dari CWM pada air-assisted nozzle. Oleh karena itu, pada studi eksperimental ini membutuhkan kamera jenis high speed kamera, karena untuk penelitian ini diperlukan sebuah kamera digital yang memiliki pengambilan gambar atau foto yang baik. 10. Stopwatch

commit to user



Stopwatch digunakan untuk mencatat waktu pada saat menghitung debit aliran CWM. 11. Gelas ukur Gelas ukur digunakan untuk menampung cairan CWM dan menghitung volumenya pada saat melakukan kalibrasi debit aliran CWM.

3.2 Tahap Pengujian Stabilitas CWM Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kemampuan coal-water mixture (CWM) dalam mengatasi proses pengendapan, dimana hal ini diperlukan dalam proses transportasi dan penyimpanan. Diharapkan CWM dapat stabil, tidak menggumpal dan tidak mengendap dalam jangka waktu lama. Komposisi coalwater mixture adalah campuran batubara serbuk, air tawar dan tambahan sedikit bahan aditif yang berfungsi sebagai stabiliser. Bahan aditif yang digunakan adalah larutan CMC (Carboxyl Methyl Cellulose). Digunakan larutan aditif CMC sebagai stabiliser karena selain harganya murah dan mudah didapat, CMC juga biasa digunakan sebagai stabiliser pada biomass-oil slurry (Benter, 1997). 3.2.1

Proses Menentukan Komposisi CWM yang Optimum Komposisi coal-water mixture (CWM) yang optimum diperlukan untuk

membentuk campuran yang mendekati homogen, agar tidak terjadi proses pengendapan jika tidak diaduk dan dapat disimpan dalam waktu lama. Maka, dibuatlah CWM dengan komposisi (% massa) campuran batubara serbuk 40%, air tawar 60% dan variasi untuk penambahan aditif CMC sebesar 1%, 2%, 3% dan 4% dari berat batubara serbuk, adapun variasi komposisinya adalah sebagai berikut: a. Komposisi 1, yaitu 40% batubara serbuk, 60% air tawar dan penambahan aditif CMC sebesar 1% dari berat batubara. b. Komposisi 2, yaitu 40% batubara serbuk, 60% air tawar dan penambahan aditif CMC sebesar 2% dari berat batubara. commit to user



c. Komposisi 3, yaitu 40% batubara serbuk, 60% air tawar dan penambahan aditif CMC sebesar 3% dari berat batubara. d. Komposisi 4, yaitu 40% batubara serbuk, 60% air tawar dan penambahan aditif CMC sebesar 4% dari berat batubara. Masing-masing variasi komposisi untuk pengujian stabilitas CWM dicampur dan disiapkan dalam gelas ukur 250 ml. Jumlah % massa campuran CWM untuk setiap sampel adalah 1,5 kg atau kurang lebih 200 ml, dengan % massa batubara dibuat tetap 40% dan begitu juga air tawar dibuat tetap yaitu 60%. Jumlah komposisi campuran CWM ini cukup untuk mengevaluasi stabilitas CWM. Selama penyelidikan stabilitas, temperatur dari sampel tidak dikontrol. Jumlah hari sampai campuran CWM tidak stabil, jika terbentuk lapisan minyak dibagian atas dengan tebal >1 mm, terbentuk lapisan pasta pada bagian bawah dengan tebal >1 mm atau terbentuknya lapisan endapan partikel pada bagian bawah dengan tebal >1 mm (Benter, 1997). Dari pengujian ini diharapkan didapatkan campuran CWM yang mempunyai nilai kestabilan optimum. 3.2.2

Proses Pembuatan Serbuk Batubara ukuran 112,5 µm (mesh 150) Dalam pembuatan serbuk batubara dengan ukuran 112,5 µm (mesh 150)

ini, dilaksanakan di Laboratorium Fisika Tanah Jurusan Ilmu Tanah Fakultas Pertanian Universitas Sebelas Maret (UNS). Adapun langkah-langkah dalam proses pembuatan serbuk batubara ini yaitu: 1. Batubara yang masih berupa bijih dihaluskan terlebih dahulu menggunakan alat crashing, kemudian hasil batubara serbuk ditampung dalam suatu wadah. 2. Hasil batubara yang sudah dihaluskan tadi kemudian disaring atau diayak menggunakan saringan standard ASTM ukuran 112,5 µm (mesh 150) yang ditempatkan pada alat pengayak. 3. Sehingga didapatkan serbuk batubara 112,5 µm (mesh 150), kemudian serbuk batubara yang sudah halus ini disimpan dalam suatu wadah. 3.2.3

Proses Pencampuran Batubara Serbuk-Air Komposisi campuran: - Batubara

= 40 % berat campuran

- Air = 60 % berat campuran commit to user



- Aditif CMC = 3 % berat batubara Pencampuran dilakukan dengan menggunakan pengaduk campuran yang dipasang pada mesin bor. Cara pengadukan adalah batubara dan air dicampur terlebih dahulu didalam suatu ember dan diaduk sampai rata, sedangkan aditif CMC ditambahkan sedikit demi sedikit setiap 3-5 menit pengadukan. Total proses pengadukan dilakukan selama ±60 menit.

3.3 Tahap Pembuatan dan Perakitan Alat Studi Eksperimental Dalam pembuatan dan perakitan alat studi eksperimental ini dilaksanakan di Laboratorium Proses Produksi, Jurusan Teknik Mesin Fakutas Mesin Universitas Sebelas Maret (UNS). Adapun langkah-langkah pembuatan dan perakitan alat studi eksperimental ini adalah sebagai berikut: 1. Mempersiapkan alat dan bahan yang akan digunakan. 2. Membuat tangki CWM yang didesain sedemikian rupa sehingga dapat digunakan untuk memasukkan dan menampung CWM sementara untuk kemudian ditekan oleh udara dari kompresor sehingga tekanan CWM menjadi naik, sebelum akhirnya akan dialirkan menuju ke nozzle untuk dikabutkan. 3. Membuat air-assisted nozzle dengan dimensi dan ukuran yang presisi, sehingga

dapat

digunakan

untuk

mengalirkan

dan

mengabutkan

(mengatomisasi) CWM dengan aliran CWM pada tengah saluran nozzle yang diarahkan (assist) dengan aliran udara bertekanan pada sisi luar saluran CWM sehingga dapat menghasilkan pengabutan (atomisasi). 4. Merangakai saluran-saluran pemipaan untuk aliran CWM dan aliran udara. 5. Melakukan kalibrasi untuk mencari debit udara. Langkah kalibrasi flow meter udara: 1) Memasang flow meter tipe SCFM (Standard Cubic Feet per Minute) pada saluran pipa antara pressure regulator dengan orifice meter udara. 2) Menghidupkan kompresor yang menyuplai udara bertekanan yang menuju ke nozzle (atomiser). commit to user



3) Mengatur bukaan katup pressure regulator udara pada posisi tertentu untuk menentukan nilai debit udara (ft3/min) pada skala flow meter tipe SCFM mulai dari skala yang paling kecil. 4) Mengukur beda ketinggian (∆h) air pada manometer yang terhubung pada saluran orifice meter udara. 5) Mengulangi pengujian beberapa kali untuk skala flow meter tipe SCFM dari skala yang paling kecil sampai skala yang paling besar. 6) Menghitung laju aliran massa udara (kg/s), berdasarkan densitas udara (kg/m3) dikalikan dengan debit udara yang sudah dikonversi ke satuan metrik (m3/s) untuk tiap variasi tekanan udara. 7) Membuat grafik beda ketinggian (∆h) fungsi debit udara (Q). Adapun skema instalasi alat untuk kalibrasi flow meter udara yaitu seperti dibawah ini: Gambar 3.12 Kalibrasi Flow meter Udara 6. Melakukan kalibrasi untuk mencari debit CWM. Langkah kalibrasi debit aliran CWM: 1) Memasukkan CWM kedalam tangki bertekanan. 2) Menghidupkan kompressor yang menyuplai udara bertekanan yang menuju ke tangki CWM. 3) Mengatur bukaan katup pressure regulator CWM pada tekanan konstan 2,8 bar. 4) Membuka katup aliran CWM dan menampung aliran CWM yang keluar pada gelas ukur, pada saat CWM mulai tertampung pada gelas ukur hidupkan stopwatch. 5) Menutup katup aliran CWM dari tangki setelah volume (m3) dari CWM mencapai 0,002 m3, bersamaan dengan itu matikan stopwatch dan catat waktunya (s). 6) Menghitung debit aliran CWM (m3/s), berdasarkan volume CWM yang tertampung pada gelas ukur (m3) dibagi dengan waktu (s). commit to user



7) Menghitung laju aliran massa CWM (kg/s), berdasarkan densitas CWM (kg/m3) dikalikan dengan debit CWM (m3/s) untuk tiap variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dengan tekanan CWM konstan 2,8 bar. 8) Mengulangi pengujian beberapa kali untuk tiap variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle yang berbeda. Adapun skema instalasi alat untuk kalibrasi debit aliran CWM yaitu seperti dibawah ini: Gambar 3.13 Kalibrasi debit aliran CWM 7. Menghubungkan semua sambungan-sambungan pada saluran CWM dan saluran udara dan memeriksa terhadap kerapatan pada tiap sambungan sehingga tidak terjadi kebocoran pada saluran sistem atomisasi CWM. 8. Membersihkan dan merapikan sambungan serta memberi nama pada tiap komponen pada alat studi eksperimental atomisasi CWM ini. 3.3.1 Proses Pengabutan (Atomisasi) CWM Adapun langkah-langkah dalam proses atomisasi CWM ini adalah sebagai berikut: 1. Merangkai peralatan studi eksperimental seperti pada Gambar 3.2. 2. Memasukkan bahan bakar CWM yang sudah diaduk seperti dalam proses 3.2.3, kedalam tangki CWM. 3. Membuka aliran udara bertekanan dari kompresor yang menuju ke tangki CWM untuk menaikkan tekanan CWM. 4. Menyetel tekanan udara pada pressure regulator CWM sesuai yang kita inginkan yaitu diset supaya tekanan CWM konstan sebesar 2,8 bar. 5. Membuka katup aliran CWM sehingga CWM yang bertekanan akan mengalir menuju ke air-assisted nozzle. 6. Membuka katup aliran udara bertekanan dari kompresor yang menuju ke airassisted nozzle. 7. Menyetel tekanan udara pada pressure regulator udara pada posisi tertentu yaitu diset dengan variasi pengujian mulai dari 2 bar; 2,4 bar sampai 2,8 bar. commit to user



8. Mengukur beda ketinggian (∆h) air pada pipa manometer yang terhubung pada saluran orifice meter udara untuk mencari debit udara dari grafik hasil kalibrasi hubungan antara beda ketinggian (∆h) fungsi debit udara (Q). 9. Mengukur debit CWM berdasarkan hasil kalibrasi untuk mencari debit aliran CWM. 10. Mencatat data-data untuk analisa dan perhitungan, untuk mencari besarnya nilai laju aliran massa udara dan CWM, air-liquid ratio (ALR), dan diameter rata-rata Sauter (SMD). 11. Melakukan pengamatan dan mengambil foto dari karakteristik hasil visualisasi pengabutan (atomisasi) CWM. 12. Mengulangi langkah 1 sampai dengan 11 diatas untuk variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle (1,5 mm; 3 mm dan 4,5 mm). 3.3.2 Proses Visualisasi Pengabutan (Atomisasi) CWM. Proses visualisasi pengabutan (atomisasi) untuk mengamati karakteristik semprotan CWM diambil dari samping nozzle (pengabut) dengan menggunakan kamera digital dengan kualitas gambar yang baik. 3.4 Perhitungan Analitik Perhitungan analitik diawali dengan penyusunan alur perhitungan, penentuan parameter dan kondisi operasi pengujian, pengujian data-data untuk perhitungan, tahapan perhitungan dan hasil perhitungan. Alur perhitungannya yaitu sebagai berikut: 1. Stabilitas Campuran Batubara Serbuk-Air (Coal-Water Mixture/CWM). 2. Perhitungan debit udara dan debit CWM. 3. Perhitungan air-liquid ratio (ALR). 4. Perhitungan diameter rata-rata Sauter (Sauter Mean Diameter/ SMD). 5. Visualisasi atomisasi (pengabutan) CWM. BAB IV DATA DAN ANALISA 4.1 Data Hasil Studi Eksperimental commit to user



Supaya analisis yang akan dilakukan dapat berlangsung dengan runtut, maka data hasil studi eksperimental disajikan secara berurutan mulai dari parameter dan kondisi operasi pengujian, perhitungan debit udara dan debit CWM, perhitungan air-liquid ratio (ALR), perhitungan diameter rata-rata Sauter (Sauter Mean Diameter/ SMD) dan visualisasi atomisasi (pengabutan) CWM. 4.1.1

Parameter dan Kondisi Operasi Pengujian Sebelum melakukan penelitian hal penting yang perlu diperhatikan yaitu

mencatat atau menentukan parameter dan kondisi operasi pengujian terlebih dahulu, untuk memudahkan dalam melakukan perhitungan dan analisa. Dalam penelitian ini parameter dan kondisi operasi pengujian yang digunakan yaitu dapat dilihat pada tabel 4.1 dibawah ini. Tabel 4.1 Parameter dan Kondisi Operasi Pengujian No. 1.

Keterangan

Notasi

Nilai

Satuan

a. Coal (batubara serbuk)

40

%

b. Water (air tawar)

60

%

3% Coal

%

112.5

µm

Komposisi campuran CWM:

c. CMC 2. 3.

Diameter coal Variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle

D

1.5 L

3

mm

4.5 2

4.

Variasi tekanan udara

Pudara

2.4

bar

2.8 5. 6.

Tekanan CWM konstan Outer Diameter of Pressure Nozzle

7.

Temperatur udara

8.

Konstanta gas ideal

9.

PCWM

2.8

bar

d0

0.002

m

Tudara

306

K

0.287

KJ/kg.K

0.0589

N/m

R30 σ user Tegangan Permukaan CWMcommit to



10.

Viskositas CWM

11.

Densitas udara pada: Tekanan udara 2 bar Tekanan udara 2,4 bar Tekanan udara 2,8 bar

12. 13. 14.

4.1.2

Densitas CWM Diameter saluran udara dan CWM Luas penampang saluran udara dan CWM

µL

0.0000169

Kg/m.s

ρUdara ρUdara ρUdara ρCWM

2.28

kg/m3

2.73

kg/m3

3.19

kg/m3

1200

kg/m3

D

0.012

m

AUdara

0.00011304

m2

Perhitungan Debit Udara dan Debit CWM

A. Pengolahan Data Hasil Kalibrasi Flow meter Udara Setelah menentukan dan mencatat parameter dan kondisi operasi pengujian, maka langkah selanjutnya yaitu melakukan pengolahan data hasil kalibrasi flow meter udara. Dengan mencatat data-data seperti debit SCFM yang kemudian dikonversikan ke satuan SI (Standard International) dan perbedaan ketinggian pada manometer untuk selanjutnya data-data tersebut akan dibuat grafik persamaan garis untuk menentukan debit udara tiap-tiap variasinya. Data hasil kalibrasi flow meter udara dapat dilihat pada tabel 4.2 dibawah ini.

Tabel 4.2 Data Hasil Kalibrasi Flow meter Udara Pembacaan

CF

10 12

0.2576 0.2576

P*CF

Debit (m3/s)

∆h (mm)

1 2.576 1.21556E-03 8.85 to user 12.35 3.0912commit 1.45867E-03

2 8.95 12.5

∆h (mm) Rata-rata 89 124.25



14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576 0.2576

3.6064 4.1216 4.6368 5.152 5.6672 6.1824 6.6976 7.2128 7.728 8.2432 8.7584 9.2736 9.7888 10.304 10.8192 11.3344 11.8496 12.3648 12.88

1.70178E-03 1.94489E-03 2.18801E-03 2.43112E-03 2.67423E-03 2.91734E-03 3.16045E-03 3.40356E-03 3.64668E-03 3.88979E-03 4.13290E-03 4.37601E-03 4.61912E-03 4.86223E-03 5.10535E-03 5.34846E-03 5.59157E-03 5.83468E-03 6.07779E-03

16.25 19.9 23.5 27.65 30.6 34.3 38.15 41.7 46.1 49.2 52.8 58 59.9 64.25 67.15 69.5 72.25 76.95 79.9

16.2 19.4 23.55 27.3 30.25 34.4 37.5 42.15 45.6 49.4 52.75 57.2 60.15 63.1 67.25 69.6 72.9 76.35 79

162.25 196.5 235.25 274.75 304.25 343.5 378.25 419.25 458.5 493 527.75 576 600.25 636.75 672 695.5 725.75 766.5 794.5

B. Perhitungan Debit Udara Untuk memperoleh harga debit udara untuk tiap-tiap variasinya dapat dicari melalui persamaan garis pada grafik kalibrasi flow meter udara antara beda ketinggian (hU) fungsi debit udara (QU) dengan pendekatan linear, yang diketahui dari data hasil kalibrasi flow meter udara diatas, yaitu:

QU = 6.79E-06 hU + 5.81E-04 Dengan mengetahui harga beda ketinggian air, hU (mm) maka harga debit udara, QU (m3/s) dapat diketahui. Contoh perhitungan debit udara: 1. Dari hasil pengukuran orifice meter pada aliran udara untuk nozzle dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2 bar diketahui beda ketinggian air (hU) pada manometer sebesar 4,5 mm, maka:

QU = 6.79E-06 hU + 5.81E-04 QU = 0.000611555 m3/s QU = 6.11 x 10-4 commit to user



2. Dari hasil pengukuran orifice meter pada aliran udara untuk nozzle dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2,4 bar diketahui beda ketinggian air (hU) pada manometer sebesar 5,1 mm, maka:

QU = 6.79E-06 hU + 5.81E-04 QU = 0.000615629 m3/s QU = 6.15 x 10-4 Untuk perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan udara yang lainnya dilakukan sama seperti contoh diatas, sehingga dapat diketahui nilai-nilai debit udara untuk tiap variasi. Adapun data hasil perhitungan debit udara untuk tiap variasinya dapat dilihat pada tabel 4.3 dibawah ini. Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Debit Udara No.

Variasi Tekanan Udara Dan Ketebalan (Depth) Tip nozzle

∆h (mm)

Debit Udara (m3/s).(10-4)

1

2 BAR, 1.5 mm

4.5

6.11

2

2.4 BAR, 1.5 mm

4.8

6.15

3

2.8 BAR, 1.5 mm

5.3

6.21

4

2 BAR, 3 mm

5.1

6.13

5

2.4 BAR, 3 mm

5.7

6.19

6

2.8 BAR, 3 mm

6.7

6.25

7

2 BAR, 4.5 mm

5.9

6.17

8

2.4 BAR 4.5 mm

6.5

6.26

9

2.8 BAR, 4.5 mm

7.6

6.33

C. Perhitungan Debit CWM commit to user



Untuk memperoleh harga debit CWM untuk tiap-tiap variasinya dapat dicari dengan hasil eksperimen yang disebut kalibrasi dengan menggunakan persamaan 2.2, yaitu: Q CWM =

V t

Dengan menghitung volume CWM yang tertampung pada gelas ukur (m3) dibagi dengan waktu (s), maka debit aliran CWM (m3/s) dapat diketahui. Contoh perhitungan debit CWM: 1. Dari hasil eksperimen pada aliran CWM untuk nozzle dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2 bar diketahui volume tertampung pada gelas ukur 0.002 (m3) dan waktu 80.62 (s), maka: Q CWM =

V t

QU = 0.0000248 m3/s 2. Dari hasil eksperimen pada aliran CWM untuk nozzle dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2,4 bar diketahui volume tertampung pada gelas ukur 0.002 (m3) dan waktu 80.30 (s), maka: Q CWM =

V t

QU = 0.0000249 m3/s Untuk perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan udara yang lainnya dilakukan sama seperti contoh diatas, sehingga dapat diketahui nilai-nilai debit CWM untuk tiap variasi. Adapun data hasil perhitungan debit CWM untuk tiap variasinya dapat dilihat pada tabel 4.5 dibawah ini. Tabel 4.4 Hasil Perhitungan commit to user Debit CWM



No.


Volume Gelas Ukur (m3)

Waktu (s)

Debit CWM (m3/s).(10-4)

1

2 BAR, 1.5 mm

0.002

80.62

0.248

2

2.4 BAR, 1.5 mm

0.002

80.30

0.249

3

2.8 BAR, 1.5 mm

0.002

79.74

0.251

4

2 BAR, 3 mm

0.002

74.14

0.270

5

2.4 BAR, 3 mm

0.002

73.59

0.272

6

2.8 BAR, 3 mm

0.002

73.10

0.274

7

2 BAR, 4.5 mm

0.002

61.86

0.323

8

2.4 BAR 4.5 mm

0.002

61.08

0.327

9

2.8 BAR, 4.5 mm

0.002

60.88

0.329

4.1.3

Perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR)

A. Perhitungan Laju Aliran Massa Udara Untuk menghitung laju aliran massa udara ( m&

A

) dengan menggunakan

persamaan 2.4, yaitu: m& A = ρ A .V A . A Adapun data hasil perhitungan laju aliran massa udara untuk tiap variasinya dapat dilihat pada tabel 4.4 dibawah ini. Tabel 4.5 Hasil Perhitungan Laju Aliran Massa Udara No.


Densitas Udara (kg/m3)

1 2 BAR, 1.5 mm 2.28 2 2.4 BAR, 1.5 mm 2.73 3 2.8 BAR, 1.5 mm 3.19 4 2 BAR, 3 mm 2.28 5 2.4 BAR, 3 mm 2.73 6 2.8 BAR, 3 mm 3.19 7 2 BAR, 4.5 mm 2.28 8 2.4 BAR 4.5 mm 2.73 9 2.8 BAR, 4.5 mm 3.19 commit to B. Perhitungan Laju Aliran Massa CWM user

Debit Udara (m3/s).(10-4)

Laju Aliran Massa Udara (kg/s).(10-2)

6.11 6.15 6.21 6.13 6.19 6.25 6.17 6.26 6.33

0.1393 0.1679 0.1981 0.1398 0.1690 0.1994 0.1407 0.1709 0.2019



Untuk menghitung laju aliran massa CWM ( m&

A

) dengan menggunakan

persamaan 2.4, yaitu: m& A = ρ A .V A . A Adapun data hasil perhitungan laju aliran massa udara untuk tiap variasinya dapat dilihat pada tabel 4.6 dibawah ini. Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Laju Aliran Massa CWM No.

1 2 3 4 5 6 7 8 9


Densitas Debit CWM CWM (m3/s).(10-4) (kg/m3)

2 BAR, 1.5 mm 2.4 BAR, 1.5 mm 2.8 BAR, 1.5 mm 2 BAR, 3 mm 2.4 BAR, 3 mm 2.8 BAR, 3 mm 2 BAR, 4.5 mm 2.4 BAR 4.5 mm 2.8 BAR, 4.5 mm

1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200

Laju Aliran Massa CWM (kg/s).(10-2)

0.248 0.249 0.251 0.270 0.272 0.274 0.323 0.327 0.329

2.98 3.0 3.01 3.24 3.26 3.29 3.88 3.92 3.95

C. Perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR) Untuk menghitung rasio udara/liquid (Air/Liquid Ratio (ALR)) dengan menggunakan persamaan 2.3, yaitu:

ALR =

m& A m& L

Dengan menghitung laju aliran massa udara (m3/s) dibagi dengan laju aliran massa CWM (kg/s), maka rasio udara/liquid (Air/Liquid Ratio (ALR)) dapat diketahui. Contoh perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR): 1. Dari hasil perhitungan pada aliran udara dan aliran CWM untuk nozzle dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2 bar diketahui laju aliran massa udara 0.001393 (kg/s) dan laju aliran massa CWM 0.02988 (kg/s), maka: commit to user



ALR =

m& A m& L

ALR = 0.04674497 2. Dari hasil perhitungan pada aliran udara dan aliran CWM untuk nozzle dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2 bar diketahui laju aliran massa udara 0.001679 (kg/s) dan laju aliran massa CWM 0.03 (kg/s), maka:

ALR =

m& A m& L

ALR = 0.05596667 Untuk perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan udara yang lainnya dilakukan sama seperti contoh diatas, sehingga dapat diketahui nilai-nilai Air/Liquid Ratio (ALR) untuk tiap variasi. Adapun data hasil perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR) untuk tiap variasinya dapat dilihat pada tabel 4.7 dibawah ini. Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR) Variasi Tekanan Udara Laju Aliran No. Dan Ketebalan (Depth) Massa Udara (kg/s).(10-2) Tip nozzle 1 2 3 4 5 6 7 8 9


0.1393 0.1679 0.1981 0.1398 0.1690 0.1994 0.1407 0.1709 0.2019 commit to user

Laju Aliran Massa CWM (kg/s).(10-2)

Air/Liquid Ratio (ALR)

2.98 3.0 3.01 3.24 3.26 3.29 3.88 3.92 3.95

0.046 0.056 0.065 0.043 0.051 0.060 0.036 0.044 0.051



4.1.4 Perhitungan Diameter Rata-rata Sauter (Sauter Mean Diameter/SMD) A. Perhitungan Sauter Mean Diameter (SMD) Untuk menghitung nilai Sauter Mean Diameter

(SMD) dengan

menggunakan persamaan 2.6, yaitu:

0,19 ⎛ σ ⎞ ⎜ ⎟ SMD = U A ⎜⎝ ρ L .ρ A ⎟⎠

0,35

⎛ m& L ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎝ m& A ⎠

0, 25

⎛ µ 2 .d ⎞ + 0,127⎜⎜ L 0 ⎟⎟ ⎝ ρ L .σ ⎠

0, 5

⎛ m& L ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎝ m& A ⎠

Dengan menghitung ukuran droplet rata-rata menggunakan persamaan empiris SMD diatas (Bambang, 2003), maka nilai Sauter Mean Diameter (SMD) (µm) dapat diketahui. Contoh perhitungan Sauter Mean Diameter (SMD): 1. Dari hasil perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2 bar diketahui UA= 5.4 m/s,

σ = 0.0589 kg/m2,

3

ρ L = 1200 kg/m ,

ρUdara= 2.28 kg/m3,

µL =

0.0000169 kg/m.s, m& L = 0.001393 kg/s, m& A = 0.0298 kg/s dan d0 = 0.0015 m, maka:

0,19 ⎛ σ ⎞ ⎜ ⎟ SMD = U A ⎜⎝ ρ L .ρ A ⎟⎠

0, 35

⎛ m& L ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎝ m& A ⎠

0, 25

⎛ µ 2 .d ⎞ + 0,127⎜⎜ L 0 ⎟⎟ ⎝ ρ L .σ ⎠

0,5

⎛ m& L ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎝ m& A ⎠

SMD = 0.004586 m 2. Dari hasil perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2.4 bar diketahui UA= 5.44 m/s,

σ = 0.0589 kg/m2,

3

ρ L = 1200 kg/m ,

ρUdara=

2.73

kg/m3, µ L = 0.0000169 kg/m.s, m& L = 0.001679 kg/s, m& A = 0.03 kg/s dan d0 = 0.0015 m, maka:

0,19 ⎛ σ ⎞ ⎜ ⎟ SMD = U A ⎜⎝ ρ L .ρ A ⎟⎠

0,35

⎛ m& L ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎝ m& A ⎠

0, 25

⎛ µ L2 .d 0 ⎞ ⎟⎟ + 0,127⎜⎜ ⎝ ρ L .σ ⎠

SMD = 0.004707 m commit to user

0, 5

⎛ m& L ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎝ m& A ⎠



Untuk perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan udara yang lainnya dilakukan sama seperti contoh diatas, sehingga dapat diketahui nilai-nilai Sauter Mean Diameter (SMD) untuk tiap variasi. Adapun data hasil perhitungan Sauter Mean Diameter

(SMD)

untuk tiap

variasinya dapat dilihat pada tabel 4.8 dibawah ini.

Tabel 4.8 Hasil Perhitungan Sauter Mean Diameter (SMD) Outer Variasi Tekanan Udara Dan Ketebalan No. (Depth) Tip nozzle

Diameter of Pressure Nozzle

Laju Laju Sauter Mean Aliran Aliran Diameter Massa Massa /SMD CWM Udara (m) -2 -2 (kg/s).(10 ) (kg/s).(10 )

(m).(10-3) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

4.1.5


1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5

0.1393 0.1679 0.1981 0.1398 0.1690 0.1994 0.1407 0.1709 0.2019

2.98 3.0 3.01 3.24 3.26 3.29 3.88 3.92 3.95

0.004586 0.004707 0.00487 0.00465 0.0048 0.004937 0.004792 0.004943 0.005081

Visualisasi Atomisasi (Pengabutan) CWM

A. Proses Visualisasi Atomisasi (Pengabutan) CWM Proses visualisasi pengabutan (atomisasi) pada studi eksperimental ini yang dilakukan untuk mengamati karakteristik semprotan CWM diambil dari samping nozzle (pengabut) dengan menggunakan kamera digital dengan kualitas gambar yang baik. Adapun visualisasi pengabutan (atomisasi) CWM untuk tiap variasinya dapat dilihat pada tabel 4.9 dibawah ini.commit to user



Tabel 4.9 Visualisasi Pengaruh Tekanan Udara dan Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle terhadap Hasil Atomisasi. Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dengan Tekanan CWM Konstan 2,8 Bar 1,5 mm 3 mm 4,5 mm

Tekanan Udara

2 bar

2,4 bar

2,8 bar

Deskripsi: • dengan ketebalan tip Deskripsi: • Atomisasi masih nozzle paling kecil belum baik (1.5 mm) adalah • Butiran-butiran paling buruk droplet masih besar. atomisasinya. 0 • Sudut atomisasi 15.1 • Sudut atomisasi 18.720

Deskripsi: • Atomisasi masih belum baik • Butiran-butiran droplet masih beasr.. • Sudut atomisasi 20.480

Deskripsi: • Atomisasi mulai membaik. • Butiran-butiran dropletmulai halus. • Sudut atomisasi 21.520

Deskripsi: • Sudut atomisasi mulai membesar • Atomisasi mulai membaik • Sudut atomisasi 22.320

Deskripsi: • Sudut atomisasi membesar • Butiran-butiran droplet tampak halus. • Sudut atomisasi 25.520

Deskripsi: • Butiran droplet terlihat merata. • Sudut atomisasi meningkat. • Sudut atomisasi 27.60

Deskripsi: • dengan ketebalan tip nozzle paling kecil (4.5 mm) adalah paling buruk atomisasinya. • Sudut atomisasi30.620

Deskripsi: • Butiran droplet mulai lebih halus lagi. • Sudut atomisasi meningakat. • Sudut atomisasi 23.520

4.2 Analisa Data 4.2.1

Stabilitas Campuran Batubara Serbuk-Air (Coal-Water Mixture/ CWM) Pada pengujian stabilitas campuran CWM dengan komposisi batubara

serbuk, air tawar dan aditif CMC (carboxyl methyl cellulose), dilakukan dengan kandungan prosentase (% massa) batubara dibuat tetap yaitu 40% begitu juga kandungan prosentase air tawar dibuat tetap yaitu 60% dan dibuat variasi kandungan CMC dengan prosentase (% massa) sebesar 1%, 2%, 3% dan 4 % dari jumlah prosentase berat batubara serbuk dalam campuran CWM. Emulsi dari to user slurry dikatakan tidak stabil, jikacommit terbentuk lapisan minyak dibagian atas dengan



tebal >1 mm, terbentuk lapisan pasta dibagian bawah dengan tebal >1 mm atau terbentuknya lapisan endapan partikel pada bagian bawah dengan tebal >1 mm (Benter, 1997). Setelah dilakukan pengamatan secara visual setiap harinya, didapatkan bahwa campuran CWM dengan kandungan prosentase CMC sebesar 3% dari jumlah prosentase berat batubara serbuk dalam campuran CWM stabil sampai 14 hari, setelah itu campuran CWM terlihat adanya batubara serbuk yang mengendap. Sedangkan campuran CWM dengan kandungan prosentase CMC sebesar 4% dari jumlah prosentase berat batubara serbuk dalam campuran CWM hanya stabil sampai 7 hari, setelah itu campuran CWM terlihat adanya lapisan minyak yang cukup tebal pada lapisan bagian atas. Hasil visualisasi pengamatan stabilitas CWM dapat dilihat di halaman lampiran. Dan untuk mengetahui stabilitas komposisi CWM yg optimum dengan berbagai prosentase kandungan CMC (%) dari berat batubara dapat dilihat pada Gambar 4.1 dibawah ini.

Gambar 4.1 Stabilitas Komposisi CWM dengan Berbagai Prosentase Kandungan CMC (%) dari Berat Batubara. Dari Gambar 4.1 didapatkan bahwa pada kandungan CMC sebesar 1%, 2% dan 4%, CWM hanya stabil masing-masing selama 2 hari, 5 hari dan 7 hari. Sedangkan pada kandungan CMC sebesar 3 %, CWM dapat stabil selama 14 hari. Dengan semakin sedikit kandungan CMC maka partikel batubara serbuk akan lebih cepat mengendap, dan dengan semakin besar kandungan CMC maka semakin mudah ketidakstabilan dengan terbentuknya lapisan minyak dibagian atas campuran yang cukup tebal. Dengan pertimbangan lama stabilitas dan nilai ekonomis, maka untuk komposisi CWM dengan berat batubara serbuk 40%, air tawar 60% dan dengan penambahan aditif CMC sebesar 3 % yang akan dipakai dalam studi eksperimental ini. 4.2.2 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip nozzle dan Tekanan Udara Terhadap Nilai Debit Udara dantoDebit commit user CWM



A. Pengaruh Tekanan Udara Terhadap Debit Udara Pengaruh tekanan udara (bar) terhadap debit udara (m3/s) seperti yang ditunjukkan pada grafik dibawah ini. Gambar 4.2 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Debit Udara (m3/s) Tekanan udara mempunyai pengaruh hubungan berbanding lurus dengan ukuran debit udara, ketika tekanan udara meningkat maka nilai debit udara juga akan meningkat dan ketika tekanan udara menurun maka nilai debit udara juga akan menurun. B. Pengaruh Tekanan Udara Terhadap Debit CWM Pengaruh tekanan udara (bar) terhadap debit CWM (m3/s) seperti yang ditunjukkan pada grafik dibawah ini. Gambar 4.3 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Debit CWM (m3/s) Tekanan udara mempunyai pengaruh hubungan berbanding lurus dengan ukuran debit CWM, ketika tekanan udara meningkat maka nilai debit CWM juga akan meningkat dan ketika tekanan udara menurun maka nilai debit CWM juga akan menurun. 4.2.3

Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip nozzle dan Tekanan Udara Terhadap Nilai Air/Liquid Ratio (ALR)

A. Pengaruh Tekanan Udara Terhadap Air/Liquid Ratio (ALR) Pengaruh tekanan udara terhadap air-liquid ratio (ALR) seperti yang ditunjukkan pada grafik dibawah ini.

Gambar 4.4 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Air/Liquid Ratio (ALR) Pada umumnya dengan menaikkan rasio udara/liquid dan atau menaikkan gaya dinamik dapat mengurangi ukuran rata-rata dari droplet. Beberapa penelitian merekomendasikan batasan proses pengoperasian untuk ALR mulai dari 0.1 sampai dengan 10, atau 2 sampai dengan kurang dari 5. Fraser, menyarankan batas atas dari ALR yaitu 1.5. Karena commitapabila to userdibawah dari batas ALR kualitas



dari atomisasi akan memburuk, dan apabila diatas dari batas ALR akan menyebabkan pemborosan energi udara sehingga efisiensi atomisasi akan turun. 4.2.4 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip nozzle dan Tekanan Udara Terhadap Nilai Sauter Mean Diameter (SMD) A. Pengaruh Tekanan Udara Terhadap Nilai SMD Pengaruh laju aliran massa udara terhadap ukuran droplet (SMD) seperti yang ditunjukkan pada grafik dibawah ini. Gambar 4.5 Grafik Tekanan Udara (bar) vs SMD Parameter laju aliran massa udara ini berhubungan langsung dengan ukuran droplet (SMD), semakin meningkat tekanan udara akan memperbesar ukuran droplet (SMD), dan semakin menurun tekanan udara maka ukuran droplet (SMD) juga akan mengecil. B. Pengaruh Laju Aliran Massa Udara Terhadap SMD Pengaruh laju aliran massa udara terhadap ukuran droplet (SMD) seperti yang ditunjukkan pada grafik dibawah ini.

Gambar 4.6 Grafik Laju Aliran Massa Udara vs SMD Parameter laju aliran massa udara ini berhubungan langsung dengan ukuran droplet (SMD), semakin meningkat laju aliran massa udara akan memperbesar ukuran droplet (SMD), dan semakin menurun laju aliran massa udara maka ukuran droplet (SMD) juga akan mengecil. C. Pengaruh Laju Aliran Massa CWM Terhadap SMD Pengaruh laju aliran massa CWM terhadap ukuran droplet (SMD) seperti yang ditunjukkan pada grafik dibawah ini. commit to user



Gambar 4.7 Grafik Laju Aliran Massa CWM vs SMD Parameter laju aliran massa CWM ini berhubungan langsung dengan ukuran droplet (SMD), semakin meningkat laju aliran massa CWM akan memperbesar ukuran droplet (SMD), dan semakin menurun laju aliran massa CWM maka ukuran droplet (SMD) juga akan mengecil.

4.2.5

Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip nozzle dan Tekanan Udara Terhadap Karakteristik Atomisasi (Pengabutan) CWM

A.

Pengaruh Sudut Atomisasi (Pengabutan) Terhadap Ukuran Droplet (SMD) Pengaruh tekanan udara terhadapsudut atomisasi (pengabutan) seperti

yang ditunjukkan pada grafik dibawah ini.

Gambar 4.8 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Sudut Atomisasi (derajat) Tekanan udara mempunyai pengaruh hubungan berbanding lurus dengan sudut atomisasi, ketika tekanan udara meningkat maka sudut atomisasi akan membesar dan ketika tekanan udara menurun maka sudut atomisasi akan mengecil. B. Analisa Atomisasi (Pengabutan) CWM Dari serangkaian kegiatan penelitian yang telah dilakukan, yaitu meliputi eksperimen dan perhitungan analitis dapat dilakukan analisa sebagai berikut: commit to user



1. Rancangan studi eksperimental yang telah dibuat dengan variasi tekanan udara (2, 2.4 dan 2.8 bar) dan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle (1.5; 3 dan 4.5 mm) dengan tekanan CWM yang konstan (2.8 bar), diuji untuk mengetahui pengaruh tekanan udara dan ketebalan tip nozzle terhadap hasil karakteristik atomisasi dan sudut atomisasi untuk pengujian dingin. 2. Pada nozzle dengan sudut atomisasi paling kecil (150) terlihat jelas butiranbutiran droplet masih tampak berbentuk ligament yang belum terpecah. Hal ini disebabkan karena gaya aerodinamik yang kurang bisa untuk memecah lembaran-lembaran cairan/ liquid menjadi butiran-butiran droplet halus. Sedangkan pada nozzle dengan sudut atomisasi yang paling besar (30.620) adalah yang paling baik dari pengujian ini. Terlihat adanya butiran-butiran droplet yang halus dan sudut atomisasi yang besar. Dengan tekanan udara yang mendekati dengan tekanan CWM konstan (2.8 bar) dan penggunaan ketebalan tip nozzle paling besar (4.5 mm) aliran CWM yang disemprotkan menjadi lebih terarah sehingga pencampuran udara dan CWM dalam internal mixing chamber menjadi lebih baik. 3. Secara umum visualisasi atomisasi CWM yang diambil dari arah samping semprotan ini tidak dapat menggambarkan evolusi droplet-droplet, tetapi hanya melihat perubahan ukuran droplet oleh adanya pengaruh tekanan udara dan penggunaan ketebalan (depth) dari tip nozzle yang berbeda-beda.

commit to user



BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian, pengujian dan analisa data dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Komposisi CWM yang optimum dalam penelitian ini yaitu dalam % massa terdiri dari, batubara serbuk 40% dengan ukuran 112,5 µm (mesh 150) dan air tawar 60% dengan penambahan aditif CMC (Carboxyl Methyl Cellulose) sebesar 3% dari berat batubara. 2. Pada tekanan udara yang sama, penggunaan nozzle dengan ketebalan tip nozzle dari yang paling kecil (1,5 mm) ke yang lebih besar (4,5 mm) menghasilkan debit udara dan debit CWM yang semakin besar. Dan kenaikan tekanan udara pada masing-masing ketebalan tip nozzle menghasilkan kenaikan debit udara dan juga debit CWM. 3. Dampak dari kenaikan tekanan udara pada masing-masing tip nozzle menghasilkan: a. Kenaikan debit udara dan debit CWM, sehingga rasio udara/CWM meningkat dengan demikian gaya aerodinamik yang bekerja semakin besar. b. Kenaikan rasio udara/ CWM pada nozzle, sehingga dengan ketebalan tip nozzle yang lebih besar adalah paling besar nilai ALR-nya. 4. Dengan meningkatnya nilai ALR maka atomisasi yang terbentuk semakin banyak, dan droplet halus yang terbentuk juga semakin banyak, dengan kata lain SMD semakin kecil membuat kualitas atomisasi meningkat. 5. Pada rasio udara/ CWM yang hampir sama, nozzle dengan ketebalan tip nozzle yang lebih kecil memiliki bentuk liquid containing core yang lebih pendek commit to user



dan lebih lebar terutama pada daerah didekat discharge orifice dan kenaikan rasio udara/ CWM menghasilkan pembesaran sudut semprotan.

5.2 Saran Berdasarkan proses pengujian dan hasil penelitian dapat diberikan beberapa 49 saran sebagai berikut: 1. Dari hasil penelitian dapat diketahui bahwa penggunaan tip nozzle dengan ketebalan yang paling besar (4.5 mm) dapat memperluas penyebaran ligament didalam pengabutan (atomisasi) dan dengan tekanan udara yang relatif lebih besar (2.8 bar) dapat membuat ligament-ligament didalam atomisasi menjadi semakin menyebar yang ditunjukkan dengan semakin meningkatnya gaya aerodinamik yang bekerja sehingga droplet-droplet yang terbentuk cenderung lebih kecil dan seragam ukurannya., maka disarankan untuk menggunakan ketebalan tip nozzle dan tekanan udara yang relatif lebih besar. 2. Untuk mengukur SMD pada atomisasi CWM untuk pengujian selanjutnya maka disarankan untuk menggunakan alat ukur yang lebih baik dan akurat sehingga dapat dibuat analisis yang lebih akurat tentang pengaruh desain nozzle terhadap distribusi ukuran droplet

commit to user



ambar Grafik Beda Ketinggian Manometer Air/ ∆h (mm) vs Debit Udara/ Q (m3/s)

commit to user

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit 2011 to user

Recommend Documents