•
Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 April 2008, Surabaya, Indonesia
PERUBAHAN PANJANG NYALA API PADA FENOMENA "FLAME LIFT-UP" AKIBAT LETAK KETINGGIAN POSISI RING "FLAME-HOLD" I Made Kartika DhiputraI), Hamdan Hartono A2)., Cokorda Prapti MaIlandari3 "Flame & Combustion Research Group", Laboratorium Termodinamika
Dcpartemen Tcknik Mesin Universitas Indonesia Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kannpus Baru Depok 16424 Indonesia Phone: 0062-021-7270032, Fax.7270033• 2M E-mail : d1,iputra_znaderii,yahoo.com". h I mrtliNahno.cont') . pinahandaririi;yaliao.com 3)
A BST RA K Panjang nyala api dart fenomena nyala api lift- up telah diteliti secara eksperimental. Fenomena nyala api lift- up terjadi pada pembakaraa premix pada bunsen burner yang dipasang ring pada jarak tertentu dari ujung burner. Nyala api lift-up menggunakan ring atau "Flame-hold" untuk menjaga nyala api. Penggunaan ring juga menimhulkan perubahan panjang nyala api lift- up. Perubahan ini terjadi karena adanya :ow resirkulasi yang meruhah kecepatan gas yang tidak terhakar serta arah dari pa•tikel gas. Percohaan u»11:k pengukuran panjang nyala api dilakukan dengan menggunakan Flame Propagation Stability Unit rang dilengkapi pengatur yang terdiri dari pengatur udara clan pengatur bahan bakar. Bohan bakar yang digunakan adalah gas propana Burner yang digunakan pada per•ohaan int adalah tabling awn bard dengan diameter dalam 14 min dan tinggi 38 cm. Ring yang digunakan adalah terbuat dari bap: .11S1 304, dengan diameter Karr 30 mm. kerebalan 6 mm dan diameter dalam 10 nun. Pengukuru.n patUang nyala api diuku• dengan menggunakan haja. Parameter percabaan yang divarlasikan adalah rl it Fuel Ratio (A FR,) dan posisi ring dari 'riling burner. Panjang uvula api lift-up cenderung turun dengan meningkatnya .1 FR Sedangkan makin dekat posisi ring dengan burner, panjang nyala api lift-up semakin panjang. Kato kunci: panjang nyala api, premix, lift-up
dan menyala stahil di ring tidak lagi di mulct burner. Pertimbangan penerapan aplikasi lenomena ini pada perancangzin burner meinktaultkan penelitian dari aspek panjang nyalanya. Panjang, nyala didelinisikan sebagai jarak terjauh dad dasur nyala ke bagian depan nyala tcrsebut. Penelitian tentang panjang nyala dilakukan secara umum untuk mengidentilikasi korelasi parameter tak berdimensi terhadap panjang nyala api. Korelasi nyala api yanu meneambang pada nyala api jet yang dibcrikan dengan perbandingan Iluks momentum. ras io s umber mom entum t erhad ap mom ent um totalnya telah diinvestigasi [2]. Penelitian lain pada pengukuran panjanu nyala api menggunakan hilangan Richardson clan parameter cp [3]. Metode ini dilakukan oleh Kalghatgi [4] dengan pendekatan scrupa untuk menentukan panjang nyala. Korelasi yang lain untuk cattjang nyala api adalah pembatasan tinggi momentum yang diturunkan olch I lawthorne et al.. 151 (Jan diberikan oleh Drysdale [61 ane lerLIZIElLung dari rasio temperatu• nyala terhadap temperatur sekitar serta stoikiometri nyala api. Perbedatiti korelasi pada panjang nyala api sebagian disebahkan oleh perbedaan pengukuran yang dilakukan. Seperti Kalghatgi yang menggunakan kecepatan 1130 detik d:111 rata-rata tiga gambar untuk
I. Pendahuluan
Banyak penelitian telah dilakukan tezgang panjanu nyala api non premix atau di fusi 11-81. NUM ta t penelitian mengenai panjang nyala api premix masili terbatas. Salah satunya adalah penelitian yang dilakukan oleh Rokke untuk menentukan panjang nyala api premix dengan korelasi Bilangan I..en is [9[. Kebutuhan panjang nyala api tergantung pada aplikasi proses pembakaran. Panjang nyala api yang rendah banyak digunakan pada roket sehingga menggunakan nosel yang keeil. Sebulikny a. panjang nyala api yang panjang lebih banyak digunakan pada burner di industri untuk mendapatkan perpindahan panas yang seragam pada seluruh tinggi ruang bakar. Untuk itti dipergunakan noscl tunggal yang bcsar. Penelitian tentang fenomena /lame dari aspck stabiiitas nyalan), a telah di lakukan 110]. Flame terjadi pada pembakaran uas di burner Bunsen. Nyala pembakaran gas dari burner Bunsen dihalangi eleh sebuah ring yang dipasang pada kctinggian tertentu dari Mum: burner. Ring akan berfungsi seperti flame holder untuk menimbul kan efek peningkatan heat loss maupun pengurangan oksigen ke dalam daerah nyala. Pada keeepatan alir.ut udara dun bahan bakar tertentu akan terjadi lenomena flame lift-up yakni nyala akan melompat menjauhi ujung burner
101
Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 April 2008, Surabaya, Indonesia
356 — 306
menghitung panjang nyala rata-rata. Sugawa dan Sakai [7] menggunakan video rata-rata sembilan puluh gamhar untuk mengukur panjang nyala. Faktor lain adanya keterbatasan retina untuk mengukur panjang nyala api pada nyala api yang berfluktuasi. !Austad dan Sonju [8] membuat korelasi panjang nyala pada nyala difusi dengan bilanuan Froude Fr, yaitu: , . . .
)
7
F
r
115 E 105
,
7.iorrt,
503
6 21 I Jam;
ii5
Gamb ur
A..11
0;9 Berdasarkan persamaan Hustad and Sonju, Nils A. Rokke [9] membuat persamaan untuk panjane nyala api premix sebagai 1.3erikut: AI
(2)
tii = massa udara
Dimana
AFR = __
L =-adalah panjang nyala. m
d„ = adalah diameter burner. in Y I = adalah fraksi massa bahan bakar Fr= hilangan Froude
(kg)
rii = massa bahan bakar (kg)
"
tit
dimana :
2. Metodologi Percobaan untuk pengukuran panjang nyala api lift up dilakuk an dengan menggunakan Flame Propagation Stability Unit yang clitengkapi pengatur
Ga m b a r I .
-
yang terdiri dari pengatur udara dan pcngatur bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan adalah gas propana. Burner yang digunakan pada percobaan ini adalah tabung atau bare( dengan diameter datum 14 mm dan tinggi 38 cm. Ring yang digunakan adalah terbuat dun baja AISI 304, dengan diameter luar 3(1 mm, ketebalan 6 mm dan diameter datum 10 mm. Ring dipasang secara konsentris di atlas tabung burner menggunakan pengatur jarak rine. (rine adjuster). Penguk ur an panjang ny ala api di uk ur dengan menggunakan mistar baja. Parameter pereobaan yang divariasikan adalah Fuel Ratio (AFR) dan ring dad Ujung burner. Setain itu pengukuran panjang nyala api tanpa ring pada A FR yang sama juen ditaktrkan. Hasil percobaan ditampilkan dalam bentuk grafik panjang nyala api sebagai rungsi dari A FR don pusisi ring. Setiap ring diteliti dengan empat pusisi yaitu, 10 mm, 20 mm 30 min and 40 mm diatas bare!. Untuk tiap pusisi ring, aliran bahan bakar divariasikan dengan 5 variasi dan untuk setiup laju aliran bahan bakar, aliran udara diatur sedemikian rupa hingga t e rj a di f e no rne na S c l anj u t ny a pa nj ang nyal a diukur dengan menggunakan mistar. Skema alai percobaan (3) ditampilkan pada Gambar I.
S k e r n a p e r c o b a a n p e n g u k u r a n
Untuk menghitung perbandinean udara terhadap bahan bakar atau AFR digunakan persamaan berikut: 1(12
panjang nyala
Gra pada jai panjang Hal terjadi panjant bakar d tingg'. Has 10 turn yang b ditunju;
Sedangkan persamaan untuk menghitung beban burner (Burning Load) mengeunakan persamaan : T, x HI' BL - ________•.........................................................
A
150
(4) lab
dimana
BL Burning Load k \W m' -
A = luas penampang burner.(m 2)
3. Flasil dan Pembahasan Korelasi panjang nyala api dan AFR untuk ring dengan diameter dalam I() mm dengan 4 posisi ring ditunjukkan pada gambar 2. Secara umum, panj ang nyala api cenderung t urun ketik a AFR meningkat. Hal ini sesuai dengan pellet itian Rokke [9] hahwa fraksi massa bahan bakar mempengaruhi panjang nyala api premix. Semakin tinggi massa fraksi massa bahan bakar akan meningkatkan panjang nala api. Datum penelitiun ini kenaikan fraksi massa bahan bakar berarti penurunan nilai AFR dengan nilai Burning Load dijaga konstan.
110
ti
me
E
60
Gamb
Dar terhada m/deti I sedikit sedikit faktor menun sam pa i cenden Panjan dcngar
i
in 3 Asia
P a d a g a m b a r 4 d i t a m p i lk a n h u h u n g a n a n t a ra panjang nyala terhadap Burning Load untuk diamatcr dalam ring 10 mm pada herha gai posisi ja rak ring. Dari gambar tersebut kembali terlihat tinggi nyala maksimum terjadi pada posisi jarak ring 30 mm dari burner dimana grafiknya berbentuk parabolik.
Graflk Pooling Nyals Api lerhadap AFR untuk RIO si dengan CRentehr Claim 10 RIM 3 1 0
Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 April 2008, Surabaya, Indonesia
- •
301
as E 205
4. Kesimpulan
r151 s
pina TOMS
TOS 15
24
21
35
32
34
36
38
10
12
1.0
MR
Gambar 2. Panjang nyala api premix terhadap AFR untuk ring dengan diameter dalam 10 mm.
kiang
eban
(4)
Gradien panjang nyala terlihat relatif sama kecuali pada jarak ring 30 mm. Pada jarak ring 30 mm eradien panjang nyalanya lehih curam dihanding yang lain. H a l ini dip erkirakan ka ren a pad a posisi tersehut t erjadi ga hu ng an du a fa kt or yan g menin gka tkan panjang nyala yakni hambatan aliran earnpuran hahan bakar dan udara yang kccil dan zona resirkulasi rang tinggi. Hasil percobaan panjang nyala untuk posisi rine 10 mm diatas burner pada kecepatan hahan bakar yang berheda sebagai funesi perubahan posisi ring ditunjukkan pada gambar 3. Graflt 114niang 1.14.10 •411,430 Js,31 Ring 411 Uncut Fling dengan DI • 11, non pada bert.,0,18•••arian fish. Eau
300
7 _203
num. AFR [91 aruhi nassa njang nassa nilai
g
60
I
II
15
10
25
30
51
40
41
10
Gralik Paniang alvals Terhadap 011rner Load onlok Ring dengan Diameter Da lam 10 inns
310 100 ISO
1", 200
g' L i
1S0
7E:
._
100
•X
•
IC Wm
NR•70rtinn
1•08 non
no
5-.00 non 0
30 Ouroln0 LaaalhaVaoreg
Gamhar 4. Panjang nyala terhadap Burning Load untuk Ring dengan diameter dalam 10 mm
310
Intuk
Panjang nyala dari fenomena lift-up yang diteliti, dipenearuhi oleh posisi dan diameter dalam ring serta r a s i o ba ha n b a k a r t e rh ad ap u d a ra . Pe n ing k at an panjang nyala maksimum pada ring denean diameter dalam 10 mm terjadi pada- posisi ring 30 mm dari m u lu t b u rn e r ser t a kecep a t a n b a h a n b a ka r 0, 19 m/detik.
SS
00
Jars'. Ring 501••••
Gambar 3. Panjang nyala terhadap Jarak Ring untuk Diameter dalam Ring 10 nun pada variasi kecepatan bahan bakar. Dan gambar 3 terlihat hahwa gralik panjang nyala terhadap posisi ring pada kecepatan hahan bakar 0,12 mldetik dan 0.14 m/detik pada posisi rendah terjadi sedikit peningkatan. Namun pada posisi 30 mm terjadi sedikit penurunan. Hal ini diprediksi karena kedua faktor sama-sam a m em beri kan kontribusi menurunnya panjang nyala. Pada kecepatan 0,16 sampai dengan 0,19 m/detik erafik panjang nyala cenderung naik pada jarak ring lebih bcsar dari 20 mm. Panjang nyala maksimum terjadi pada posisi 30 mm dengan kecepatan bahan bakar 0.19 midetik.
103
Makalah ini merupakan bagian dari basil penelitian fenomena flame mcngenai panjang nya la ap i. Un t uk it u pe rlu d i la kuk a n a na lisa n on dimen sional un tu k menda pa tka n korela si pa nja ng nyala terhadap parameter yang mempengaruhinya. S e la i n it u a na li sa p an j a n g ny a l a y a n g d ila ku k a n dengan herdasarkan gamhar hasil pemotretan kamera atau herdasarkan CFI) dapai dikaji Icbili lanjut. Perubahan geometri ring serta rcaksi kinctik hahan bakar yang herhubungan dengan fenomena 10-up telah dilakukan dan akan ditulis pada makalah yang lain.
5. tIcapan terinta kasih Penelitian ini merupakan sebugian dari topik yang dibiaya i ° IA DRPM LII rnelalu i P rogram H ibah S 3. Ucapan terima kasih disampaikan kepada DRPM 111 serta kepada para reviewer Program I libah S3 atas m a s u k a n n y a s a a t p r c s e n t a si p r o p o s a l p r o g r a m tersehut.
Seminar Nasional Teknik Mesin 3 30 April 2008, Surabaya, Indonesia
6 . D aft ar P us t ak a I Cumber, P.S., Spearpoint. M " A Computational Flame Length Methodology for Propane Jet Fires" Fire Safety Journal. Vol 41, April 2006, 215-228 2 Heskestad G. `Turbulent jet diffusion flames: consolidation of flame height data' Combustion and Flame, 1999; 118: 51-60. 3 Becker HA, Liana D. 'Visible length of vertical free turbulent diffusion flames' Combustion and Flame, 1978; 32: 115-137. 4 Kalghatgi GT 'Lift-off heights and visible lengths of vertical turbulent diffusion blames in still air' Combust. Sei Tech, 1984; 41: 17-29. 5. H awt hor ne W R, W ed dell DS, I lott el H C. 'Mixing and combustion in turbulent gas jets' 3rd Symp. (Int.) Combust, Williams and Wilkins, Baltimore, 1949, p266-210t. 6. Drysdale D. Introduction to Fire Dynamics, 2nd Edn. Wiley, UK. 1998. 7. Sugawa 0, Sakai K. 'Flame length and width produced by ejected propane gas fuel from a pipe' I3th Meeting of the U.INR Panel nn Research and Safety, NISTIR 6030, 1997, p 401-41 1. 8. Sonja OK, Ilustad J. An experimental study of turbulent jet diffusion flames, 9 th ICODERS. Poitiers, France, 1983, AMA, 1984. 9. Nils A Rokke, 'A Studs of Partially Premixed Unconfined Propane Flames. Combustion and Flame 97:88-106 Elsevier Science Inc 10. Cokorda l'rapti Mahandari, I Made Kartika U, Flame Lift-up on A Bunsen Burner: A Preliminary Study" Proceeding Seminar Internasional Q1R, UI Depok. Jakarta, 2007
isu ket dal pet ma pri 1/3 me dai mc ter
Ag m; ya pa dil inn •
MI;
un un 104
