Panjang Nyala Api pada Fenomena Flame Lift-up Pembakaran Propana Menggunakan Bunsen Burner

Style Template

Panjang Nyala Api pada Fenomena Flame Lift-up Pembakaran Propana Menggunakan Bunsen Burner No. Baris 5

Style Template 10

Heading Abstract Abstract

Keywords

Body Text First Indent

Heading 1

15

20

25

30

35

40

45

I Made Kartika Dhiputra, Cokorda Prapti Mahandari Flame & Combustion Research Group, Laboratorium Termodinamika Departemen Teknik Mesin F T Universitas Indonesia Kampus Baru Depok 16424 Telp.: 021-7270032, Fax.021-7270033 E-mail: [email protected], [email protected] Diterima __________; diterima terkoreksi __________; disetujui __________ Received __________; correction received__________; approved __________

Abstract Flame lift-up phenomenon was initially examined on premix combustion using bunsen burner incorporated with a ring. Ring in this case operated as flame holder. Research on employment of ring stabilizer resulted in the changes of flame height. Therefore in this paper, measurement of flame height was conducted on propane flame lift-up phenomenon. The flame height was measured using a steel ruler and also based on images that captured by a camera. Two different materials of ring, stainless steel and ceramic were investigated. Positions of ring from the tube burner were varied on four positions. It was found that material of ring and position of ring influenced flame height of flame lift-up. On the same position of the ring, ceramic ring gives higher flame height. Positions of ring for these two materials of ring give a totally different impact on flame height. For ceramic ring, higher position of the ring from the exit tube burner decreases flame height slightly. However for stainless steel ring, flame height increases proportionally to the increasing ring position. Keywords: flame lift-up, flame height, ring, premix combustion. Kerusakan pada dinding burner umumnya terjadi karena timbulnya jelagajelaga dan titik-titik api akibat kurang stabilnya bentuk api atau lidah api yang terlalu panjang. Hal ini dapat mengakibatkan retak pada titik api tersebut, bahkan dapat menyebabkan lubang. Kondisi ini harus dihindari karena sangat merugikan baik dari aspek pembakaran maupun dari aspek penggunaan bahan bakar. Untuk mengatasi hal tersebut, dibutuhkan pemahaman mengenai karakteristik nyala api seperti laju nyala, daerah kestabilan nyala, komposisi gas buang, temperatur gas buang, pengaturan laju aliran udara sekunder, beban pembakaran dan proses pembakaran secara umum serta khususnya panjang nyala api yang dihasilkan. Panjang nyala api pada fenomena flame lift-up pada penelitian ini diteliti secara eksperimental. Fenomena lift-up dapat ditemukan pada pembakaran premix menggunakan bunsen burner yang dipasang ring pada jarak tertentu dari ujung burnernya seperti tampak pada

50

Gambar 1. Nyala api setelah lift-up

1

Title Author

Author Address

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

E-mail: [email protected], [email protected] Website: www.me.its.ac.id/Data/jurnal.html, jurnalme.bravehost.com

Gambar 1 [1]. Nyala api yang awalnya menempel diujung burner akan melompat ke ring pada kondisi laju aliran udara dinaikkan sampai nilai tertentu. Penelitian tentang fenomena nyala api lift-up diawali dengan kajian awal secara eksperimental untuk mengidentifikasi munculnya fenomena tersebut dari aspek perbandingan udara dan bahan bakarnya. Fenomena lift-up terjadi pada perbandingan udara dan bahan bakar atau Air Fuel Ratio (AFR) diatas AFR blow off. Jika dibandingkan dengan campuran udara dan bahan bakar stoikiometrik, maka fenomena lift-up terjadi pada pembakaran yang sangat kurus atau lean combustion. Interval AFR liftup untuk ring dari stainless steel adalah sekitar 32 sampai dengan 43 sedangkan interval AFR blow off adalah sekitar 45 sampai dengan 51 tergantung pada posisi ring dari ujung burner. Fenomena flame lift-up muncul seperti lifted flame namun dengan penghalang yang ditempatkan pada daerah reaksi serta pada campuran yang kurus. Timbulnya fenomena ini memperluas daerah kestabilan nyala api karena kondisi campuran udara dan bahan bakar yang semestinya telah blow off dapat tetap dipertahankan sampai nilai AFR yang lebih tinggi dari AFR blow off. Dari aspek panjang nyala api lift-up, penelitian yang telah dilakukan adalah pengaruh AFR dan posisi ring dari ujung burner terhadap panjang nyala dengan menggunakan ring dari stainless steel [2]. Sebagian besar penelitian tentang panjang nyala api adalah untuk mengidentifikasi bilangan tanpa dimensi yang paling berpengaruh terhadap panjang nyala api. bilangan Froude, bilangan Richardson, perbandingan momentum, perbandingan temperatur adalah kelompok bilangan tanpa dimensi yang digunakan pada penentuan panjang nyala api difusi [3-7]. Perbedaan persamaan panjang nyala api yang diperoleh sebagian besar disebabkan oleh perbedaan metode pengukurannya. Kalghatgi [5] menggunakan kamera dengan kecepatan 1/30 detik dan tiga kali pengambilan gambar untuk menghitung panjang nyala rata-ratanya. Sugawa dan Sakai [6] mengukur panjang nyala api menggunakan kamera video dan rata-rata panjang nyala dari sembilan pengambilan gambar. Faktor lain yang mempengaruhi

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

perbedaan hasil pengukuran adalah faktor ketahanan retina mata pengamat. Salah satu metode untuk mengatasi hal ini adalah metode yang ditawarkan oleh Hawthorne dkk[7] adalah konsep panjang nyala api kimiawi. Panjang nyala api kimiawi adalah jarak sampai ujung api dimana fraksi mole bahan bakar mencapai 0,0005 pada sumbu nyala api. Sonju dan Hustad [8] mengembangkan persamaan matematis menggunakan bilangan Froude, Fr, untuk menentukan panjang nyala api difusi seperti persamaan 1 L (1) = 27Fr 1 / 5 do dimana L adalah panjang nyala api, do adalah diameter burner. Persamaan panjang nyala api difusi ini diperoleh dari hasil penelitian pembakaran propana dan juga pembakaran metana dengan panjang nyala api yang mencapai hampir 8 meter. Sedangkan penelitian tentang panjang nyala api premix masih agak jarang, salah satunya adalah yang dilakukan oleh Rokke [9]. Mengacu pada persamaan dari Sonju dan Hustad persamaan matematis untuk menentukan panjang nyala api premix diusulkan oleh Rokke menggunakan bilangan tanpa dimensi fraksi massa bahan bakar dan bilangan Froude seperti persamaan 2 L (2) = 33Y f2 / 5 Fr 1 / 5 do dimana Yf adalah fraksi massa bahan bakar. Penelitian oleh Rokke menggunakan propana dengan fraksi massa propana antara 0,15 sampai 1,0. Persamaan ini berlaku pada pada bilangan Froude, Fr ≤104 Semua persamaan tersebut menunjukkan bahwa faktor stabilitas internal dari pembakaran mempunyai pengaruh yang dominan terhadap panjang nyala api. Selain itu diffusivitas thermal yang berhubungan dengan laju reaksi juga berperan terhadap panjang nyala api dan kecepatan nyala. Pada fenomena flame lift-up, panjang nyala api diteliti berdasarkan perubahan posisi ring dan diameter dalam ring serta material ring. Posisi ring telah terbukti mempengaruhi stabilitas nyala api flame lift-up [1]. Perubahan diameter dalam ring yang mempengaruhi luasan hambatan terhadap medan aliran juga terbukti mempengaruhi panjang nyala [10].

E-mail: [email protected], [email protected] Website: www.me.its.ac.id/Data/jurnal.html, jurnalme.bravehost.com

5

10

15

20

25

30

65

Sedangkan faktor diffusivitas thermal terhadap stabilitas nyala api lift-up yang dinyatakan dalam AFR saat lift-up telah diteliti berdasarkan penggunaan material ring yang berbeda [11]. Fenomena lift-up tidak hanya dipengaruhi oleh medan aliran campuran gas dan bahan bakar. Karena dengan geometri ring dan burner yang sama namun perbedaan material ring saja telah menurunkan laju aliran udara yang dibutuhkan untuk terjadinya fenomena lift-up. Dari aspek material bahwa keramik yang merupakan bahan inert memiliki kapasitas panas konduksi yang jauh lebih rendah jika dibandingkan dengan stainless steel maka temperatur ring diduga mempengaruhi timbulnya fenomena nyala api lift-up. Temperatur ring mempengaruhi diffusivitas thermal dari campuran udara dan bahan bakar yang selanjutnya mempengaruhi kecepatan nyala. Diprediksi bahwa lift-up terjadi pada keseimbangan momentum akibat laju campuran bahan bakar dan udara dengan laju pembakaran. Pada ring keramik temperatur ring lebih rendah sehingga laju pembakaran juga lebih rendah maka tercapai keseimbangan momentum pada laju campuran bahan bakar dan udara yang lebih rendah dus AFR yang lebih rendah Pada penelitian ini faktor diffusivitas thermal akan diteliti lebih lanjut pengaruhnya terhadap panjang nyala api lift-up.

3

METODE 35

40

45

50

55

60

Penelitian fenomena flame lift-up dilakukan di Laboratorium Termodinamika Departemen Teknik Mesin UI dengan menggunakan alat Flame Propagation Stability Unit yang merupakan alat pengatur udara dan bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan adalah gas propana sedangkan burnernya adalah tabung atau barell dengan diameter dalam 14 mm dan tinggi 38 cm dilengkapi dengan alat pengatur ketinggian ring. Pengukuran panjang nyala dilakukan dengan pengambilan gambar dengan kamera dan dengan menggunakan mistar. Hasil pengukuran panjang nyala adalah panjang rata rata dari tiga kali hasil pengambilan gambar yang dibandingkan juga dengan hasil pengukuran dengan mistar. Skema dari alat percobaan ditampilkan pada Gambar 2. Percobaan dilakukan dengan menjaga agar laju aliran gas tetap kemudian mengatur laju aliran udara sampai fenomena nyala api lift-up muncul. Saat terjadinya fenomena api lift-up maka dilakukan pengukuran laju aliran udara dan tinggi nyala. Percobaan kemudian dilakukan pada 4 variasi ketinggian ring dari ujung burner yakni 10 mm, 20 mm, 30 mm, dan 40 mm di atas burner masing-masing pada 6 laju aliran gas sesuai skala di rotameter yakni skala 0,5 cm, 1 cm, 1,5 cm, 2 cm, 2,5 cm dan 3 cm. Ring yang digunakan dua jenis yakni

Gambar 2. Skema percobaan pengukuran panjang nyala api lift-up

4

5

10

E-mail: [email protected], [email protected] Website: www.me.its.ac.id/Data/jurnal.html, jurnalme.bravehost.com

dari stainless steel AISI 304 dan dari ring keramik. Dimensi kedua ring sama yakni diameter luar 30 mm dan diameter dalam 10 mm. Hasil percobaan dengan ring dari stainless steel telah dianalisa pada penelitian sebelumnya [13]. Untuk itu pada penelitian ini akan ditampilkan grafik yang sama dengan penelitian sebelumnya namun ditambahkan hasil dari percobaan menggunakan ring keramik agar dapat lebih mudah dibandingkan. Perbandingan laju udara terhadap bahan bakar atau AFR ditentukan dengan persamaan berikut,

AFR =

15

m& a , m& f

(3)

NKB A

HASIL DAN PEMBAHASAN 25

30

35

m& a = laju massa udara (kg/dt) m& f = laju massa bahan bakar (kg/dt). Beban pembakaran atau Burning Load dihitung dengan menggunakan persamaan, 20

BL =

BL

45

m& f x NKB A

= Burning Load (kW/m2 )

(4)

= Nilai Kalor Bawah (kJ/kg) = luas penampang burner (m2).

40

Hasil pengukuran AFR saat lift-up ditampilkan pada Gambar 3. Grafik garis adalah untuk ring stainless steel dan grafik garis putus-putus adalah untuk ring keramik. AFR stoikiometri dari propana berada pada kisaran 24,8 [12] sehingga dari grafik tampak bahwa fenomena nyala api lift-up terjadi pada pembakaran yang kurus atau miskin bahan bakar. Meskipun demikian jika dibandingkan antara ring dari stainless steel dan keramik ternyata fenomena flame lift-up tidak selalu terjadi pada kondisi AFR diatas AFR blow off tanpa ring. Untuk ring stainless steel ternyata ring memang berfungsi sebagai ring penstabil nyala karena fenomena terjadi pada AFR diatas AFR blow-off. Tidak demikian halnya dengan ring dari keramik. Interval AFR lift-up untuk ring dari keramik adalah sekitar 27 sampai dengan 33 sedangkan interval AFR blow off adalah sekitar 31 s/d 36 tergantung pada posisi

Gambar 3. Grafik AFR saat lift-up pada ring diameter dalam 10 mm

5

5

10

15

20

25

ring keramik dari ujung burner. Fenomena liftup pada ring keramik terjadi pada AFR dibawah AFR blow-off tanpa ring meskipun masih pada kisaran diatas AFR stoikiometrik. Hasil pengukuran panjang nyala api liftup ditampilkan pada Gambar 4. Panjang total nyala api lift-up diukur dari ujung burner sampai ujung lidah api. Sedangkan panjang nyala api lift-up diukur dari permukaan ring bagian atas sampai ujung lidah api. Terlihat bahwa grafik panjang nyala api lift-up denganmenggunakan ring keramik yang ditampilkan dengan grafik garis putus-putus berada di atas grafik panjang nyala api lift-up dengan menggunakan ring stainless steel. Hal ini sesuai dengan penurunan nilai AFR-nya pada Gambar 3 dan sesuai pula dengan persamaan panjang nyala api premix yang diusulkan oleh Rokke [9]. Persamaan Rokke menunjukkan korelasi antara panjang nyala yang sebanding dengan fraksi massa bahan bakar. Semakin turun nilai AFR berarti fraksi massa bahan bakar semakin tinggi sehingga panjang nyala api juga meningkat. Hal ini membuat grafik pada Gambar 3 dan grafik pada Gambar 4 berkebalikan. Pada Gambar 3 terlihat bahwa menggunakan ring dari keramik maka AFR untuk terjadinya lift-up lebih

30

35

40

45

50

55

rendah jika dibandingkan dengan menggunakan ring dari stainless steel. Semakin rendah AFR berarti fraksi massa bahan bakar semakin tinggi. Fraksi bahan bakar yang tinggi sesuai dengan persamaan Rokke akan meningkatkan panjang nyala api. Hal yang sama terjadi pada penggunaan ring dari stainlees steel yakni peningkatan AFR atau penurunan fraksi massa bahan bakar akan menurunkan panjang nyala api lift-up. Kecepatan nyala sangat tergantung pada laju aliran campuran bahan bakar dan udara sesuai dengan rumus pendekatan kecepatan nyala laminer oleh Sharma & Mohan [14]. Pada luas penampang burner yang sama maka kecepatan campuran udara dan bahan bakar hanya dipengaruhi oleh laju aliran volumetris campuran udara dan bahan bakar yang sebanding dengan perbandingan campuran udara dan bahan bakar. Dengan demikian nilai AFR dapat dikorelasikan dengan kecepatan nyala. Berdasarkan grafik pada Gambar 3 dan Gambar 4 maka terlihat jelas bahwa AFR yang lebih rendah pada ring keramik atau kecepatan pembakaran yang lebih rendah akan meningkatkan panjang nyala api. Hal sebaliknya terjadi pada ring dari stainless steel

Gambar 4. Grafik Panjang Nyala Api Lift-up

6

5

10

15

20

25

55

E-mail: [email protected], [email protected] Website: www.me.its.ac.id/Data/jurnal.html, jurnalme.bravehost.com

Perbedaan yang cukup mencolok antara ring dari keramik dan ring dari stainless steel adalah panjang nyala pada posisi ring 30 mm yang pada ring stainless steel terdapat kenaikan panjang nyala, pada grafik ring keramik tidak terjadi. Hal ini lebih jelas terlihat pada grafik panjang nyala dengan posisi ring pada Gambar 5. Pada posisi ketinggian 30 mm justru pada grafik ring keramik terlihat sedikit penurunan panjang nyala. Kondisi ini terjadi diduga karena posisi 30 mm adalah posisi yang sangat dekat dengan ujung nyala luminous. Ujung nyala luminous pada pembakaran premix memiliki temperatur yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan nyala dekat ujung burner. Hal lain yang diduga mempengaruhinya adalah kapasitas panas material yang amat berbeda. Stainless steel cenderung melepaskan energi panas dan pada lokasi ujung nyala luminous yang temperaturnya tinggi, maka laju panas yang dilepaskan berkurang karena perbedaan temperatur keduanya yang berkurang. Hal ini membuat kecepatan nyala berkurang sehingga panjang nyala menjadi bertambah secara signifikan. Sedangkan lokasi ujung nyala luminous

30

35

40

juga dipengaruhi oleh tinggi kerucut nyala luminous yang dipengaruhi oleh rasio equivalen. Semakin tinggi rasio equivalens ataupun laju aliran massa bahan bakar maka kerucut nyala luminous juga makin tinggi [15]. Sebaliknya pada ring keramik yang menyerap energi panas pembakaran karena kondisinya yang lebih rendah dari temperatur nyala disekitarnya. Hal ini membuat kecepatan nyala jauh lebih kecil dibandingkan dengan penggunaan ring stainless steel. Hal ini juga didukung oleh penelitian dengan menggunakan burner keramik yang ternyata karakteristiknya seperti burner berpendingin air [16]. KESIMPULAN

45

50

Panjang nyala api lift-up sebanding dengan fraksi massa bahan bakar atau berbanding terbalik dengan AFR saat lift-up. Dibandingkan dengan ring stainless steel, penggunaan ring keramik sebagai ’flame hold atau pemegang nyala pada fenomena flame liftup menaikkan panjang nyala setelah lift-up. Hal ini terjadi karena sifat keramik yang cenderung tidak terbakar sehingga terjadi penyerapan panas pembakaran.

Gambar 5. Panjang nyala api lift-up dan posisi ring

7

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Sebaliknya pada ring stainless steel reaksi pembakaran dapat berlangsung lebih cepat karena temperatur ring yang lebih tinggi dari ring keramik. Perbedaan panjang nyala lift-up juga dipengaruhi oleh AFR saat lift-up sesuai dengan persamaan Rokke. AFR yang tinggi atau fraksi massa bahan bakar yang rendah menurunkan panjang nyala api.

DAFTAR PUSTAKA [1] Cokorda P. M & I Made K D., 2007. “Flame Lift-up on a Bunsen Burner; A Preliminary Study,” Proceedings of the 10th International Conference on Quality in Research (QIR) Engineering Center University of Indonesia, EPE-13. [2] I Made K.D., Hartono H.A.., & Cokorda P. M., 2008 “Flame Height of Propane the Propane Flame lift-up”, Proceeding of the 1st International Meeting on Advanced in Thermo-Fluid, UTM Johor, Malaysia 26 August 2008. [3] Heskestad, G., 1999, “Turbulent jet diffusion flames: consolidation of flame height data”, Combustion and Flame,; 118: 51-60. [4] Becker, H.A. & Liang D, 1978, “Visible height of vertical free turbulent diffusion flames“ Combustion and Flame 32: 115137. [5] Kalghatgi, G.T., 1984, “Lift-off heights and visible heights of vertical turbulent diffusion flames in still air,” Combust. Sci Tech 41: 17-29. [6] Sugawa, O & Sakai, K,. 1997, “Flame height and width produced by ejected propane gas fuel from a pipe”, 13th Meeting of the UJNR, NISTIR 6030, p 401-411. [7] Hawthorne WR, Weddell DS & Hottel HC. 1994, “Mixing and Combustion in Turbulent Gas Jets,” 3rd Symp. (Int.) Combust, Williams and Wilkins, Baltimore, p266-288.

50

55

60

65

70

75

80

85

[8] Sonju OK & Hustad J, 1983, “An Experimental Study of Turbulent Jet Diffusion Flames,” 9th ICODERS, Poitiers, France, , AIAA, 1984. [9] Rokke, Nils A, 1987, “A Study of Partially Premixed Unconfined Propane Flames,” Combustion and Flame 97:88106. [10] I Made K D, Sugiarto B., & Cokorda P. M., 2008d, “The Influence of Ring on Flame Height and AFR of Flame Lift-up Phenomenon; an Experimental Study”, Proceeding of International Conference of Graduate Engineering and Science, UTM Johor, Malaysia. [11] I Made K D.,, Sugiarto B., Sitinjak A. P., & Cokorda P. M., 2008 “Pengaruh Material Ring Pada Fenomena Nyala Api Lift-up”, Proceeding Seminar Nasional Teknik Mesin ITENAS Bandung, 28 Oktober, 2008. [12] Drysdale D., 1998, Introduction to Fire Dynamics, 2nd Edn, Wiley, UK. [13] I Made K. D., Hartono H. A., & Cokorda P. M., 2008, “Perubahan Panjang Nyala Api pada Fenomena “Flame Lift-up” Akibat Letak Ketinggian Posisi Ring ‘Flame-Hold’, Proceeding Seminar Nasional Teknik Mesin 3, UK Petra , Surabaya, Indonesia, 101-104. [14] Sharma, S.P., Mohan Chander, Fuels and Combustion, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi, 1984. [15] Singh, K.K., Zhang, C., Gore, J.P., Momgeu, L., & Frankel, S.H., 2005, “An Experimental Study of Partially Premixed Flame Sound”, Proc. Combustion Institute 30, , pp 1707-1715. [16] Bouma, P.H. & Goey, L.P.H. de, 1999, “Premix Combustion on Ceramic Burner”, Combustion and Flame, 119, 133-143.