ISSN 1693-3168
Seminar Nasional - VII Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri Kampus ITENAS - Bandung, 28-29 Oktober 2008
Teknik
MESIN
Temperatur Ring pada Fenomena ”Flame Lift-Up” I Made Kartika Dhiputra1), Yulianto S. Nugroho2), Taufiq3), Pratomo Setyadi4), Cokorda Prapti Mahandari5) Flame & Combustion Research Group”, Laboratorium Termodinamika Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia 1,2,3,4,5) Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus Baru Depok 16424 Indonesia 1,2,3,4,5) Phone: 0062-021-7270032, Fax.7270033 E-mail :
[email protected]),
[email protected]),
[email protected]),
[email protected]),
[email protected] 5)
Abstrak Kejadian lompatan nyala api pada pembakaran premix menggunakan bunsen burner telah diteliti dari aspek temperatur ringnya. Ring pada fenomena ini berfungsi sebagai pemegang nyala atau “flame hold“-nya. Lompatan nyala api timbul pada nilai perbandingan laju udara dan bahan bakar atau Air Fuel Ratio (AFR) diatas nilai AFR blowoff. Fokus penelitian ini adalah kejadian lompatan nyala apinya. Salah satu parameter yang diamati adalah temperatur ringnya yang diukur menggunakan infra red thermograph yang dihubungkan dengan komputer untuk mengolah citra hasil pengukuran. Parameter percobaan adalah laju aliran bahan bakar, laju aliran udara dan posisi ketinggian ring serta material ring. Temperatur ring saat terjadinyanya lift-up ternyata menunjukkan nilai yang meningkat seiring dengan kenaikan laju aliran bahan bakar. Berdasarkan perbandingan dengan hasil penelitian sebelumnya ternyata temperatur ring sebanding dengan AFR saat lift-up. Sedangkan dari hasil perbandingan material ring diperoleh bahwa temperatur ring berkebalikan dengan panjang nyala setelah lift-up. Panjang nyala yang maksimum pada posisi 30 mm menggunakan ring stainless steel tidak terjadi pada ring keramik karena pada ring keramik temperatur ring meningkat pada laju aliran bahan bakar yang tinggi. Kata kunci : temperatur, pembakatan, lift-up 1. Pendahuluan Fenomena lift-up dapat ditemukan pada pembakaran premix menggunakan bunsen burner yang dipasang ring pada jarak tertentu dari ujung burnernya. Penelitian tentang fenomena nyala 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 diatas perbandingan udara dan bahan bakar blow off. Jika dibandingkan dengan campuran stoikiometrik udara dan bahan bakar, maka fenomena lift-up terjadi pada pembakaran yang sangat kurus atau lean combustion [1]. Posisi ring juga mempengaruhi munculnya fenomena nyala api lift-up. Semakin jauh posisi ring terhadap ujung burner maka AFR saat lift-up akan semakin menurun. Hal ini juga mempengaruhi panjang nyala api lift-up. Pada posisi ring yang jauh dari ujung burner panjang nyala api lift-up meningkat. Namun pada posisi ring 30 mm dari ujung burner terdapat penyimpangan yang besar yakni panjang nyala api lift-up meningkat secara drastis dan mencapai maksimum melebihi panjang nyala api pada posisi 40 mm [2]. Pengaruh diameter dalam ring terhadap panjang nyala juga telah diteliti dengan membandingkan tiga buah ring dengan diameter dalam yang berbeda. Panjang nyala maksimum terjadi pada diameter dalam ring 10 mm dan tetap pada posisi 30 mm [3]. Penelitian berikutnya difokuskan pada nyala api saat terjadinya fenomena lift-up yakni aspek laju regangan nyala atau stretch rate. Namun pendekatan yang dipergunakan masih sangat sederhana yakni menganggap bahwa nyala satu dimensi dengan penentuan sebuah bilangan tanpa dimensi yakni Bilangan Karlovitz untuk memprediksi terjadinya lift-up. Pada diameter dalam ring 10 mm dan posisi
TKE - 36
ring 20 mm diperoleh bahwa lift-up terjadi pada bilangan Karlovitz sekitar 2.5 [4]. Semua penelitian tentang fenomena nyala api lift-up dilakukan menggunakan ring dari stainless steel AISI 304. Untuk mengetahui munculnya fenomena dari aspek material ring maka telah dilakukan penelitian dengan menggunakan ring dari keramik. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa AFR saat terjadinya lift-up akan menurun jika dibandingkan dengan penggunaan ring dari stainless steel. Hasil yang sama juga diperoleh pada aspek panjang nyalanya. Pada kondisi penurunan AFR dengan penggunaan ring keramik tersebut panjang nyala akan meningkat sesuai dengan korelasi panjang nyala Rokke [5]. Hasil ini menunjukkan bahwa fenomena flame lift-up bukan hanya dipengaruhi oleh medan aliran campuran bahan bakar dan udara saja karena terbukti pada geometri dan posisi ring serta laju aliran bahan bakar yang sama ternyata laju aliran udara untuk terjadinya lift-up berbeda [6]. Sebelum dilakukan analisa tentang radiasi nyala maupun kerugian panas pada penggunaan ring dengan material yang berbeda, pengukuran temperatur ring perlu dilakukan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap munculnya fenomena tersebut. 2. Metode Penelitian 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 berupa refrigeran berbasis hidrokarbon yang kandungannya hampir 98 % propana sedangkan burnernya adalah tabung atau barell dengan diameter dalam 14 mm dan tinggi 38 cm dilengkapi dengan alat pengatur ketinggian ring. Pengukuran permukaan temperatur ring stainless steel dilakukan menggunakan 2 alat ukur yang memang khusus untuk mengukur permukaan benda yakni infra red thermometer dan kamera Infra Red Thermography. Citra hasil pengukuran temperatur diolah menggunakan perangkat lunak yang terhubung ke komputer sehingga dapat menampilkan distribusi temperatur pada penampang melintang dan membujur. Pengukuran temperatur ring keramik dilakukan dengan menggunakan infra red thermometer. Skema dari alat percobaan ditampilkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Skema percobaan pengukuran panjang nyala
Percobaan dilakukan dengan menetapkan laju aliran gas 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 pengukuran temperatur ring. Laju aliran udara divariasikan sama seperti penelitian-penelitian sebelumnya yakni pada 6 nilai yang berbeda. Percobaan kemudian dilakukan pada 4 variasi ketinggian ring dari tip burner yakni 10 mm, 20 mm, 30 mm, dan 40 mm di atas burner masing-masing pada 6 laju aliran gas. Ring yang digunakan terbuat dari dua jenis material yakni stainless steel AISI 304 dan ring keramik dengan ukuran yang sama yakni diameter luar 30 mm, diameter dalam 10 mm dan tebal 5 mm. Hasil pengukuran temperatur ring pada tampilan di perangkat lunak pengolahan citra ditampilkan satu hasiil pengukuran sedangkan keseluruhannya ditampilkan dalam bentuk grafik untuk mengetahui kecenderungan pengaruh temperatur ring terhadap AFR saat lift-up, burning load dan posisi ring. Hasil pengukuran temperatur ring stainless steel dan keramik ditampilkan pada grafik yang sama untuk memudahkan perbandingannya. Analisa perbandingan
TKE - 37
dilakukan tidak hanya terhadap perbedaan material ring tapi juga berdasarkan hasil penelitian terdahulu tentang AFR dan panjang nyala api lift-up. 3. Hasil dan Pembahasan Salah satu contoh tampilan hasil pengukuran temperatur ring menggunakan Infra Red Thermography dan diolah menggunakan perangkat lunak pengolahan citra adalah seperti yang ditampilkan pada Gambar 2 dan Gambar 3. Gambar 2 menunjukkan citra nyala api lift-up yang terlihat dengan pengaturan emisisvitas 0,02 [7] sedangkan Gambar 3 adalah penentuan temperatur ring dari citra yang sama dengan yang di Gambar 2 dengan pengaturan emisivitas stainless steel 0,72 [8].
Gambar. 2. Tampilan citra nyala api lift-up Hasil pengukuran temperatur ring sangat ditentukan oleh waktu pengambilan citra saat fenomena liftup terjadi. Meskipun keakuratan hasil pengukuran temperatur menggunakan metode infra red untuk keperluan penelitian di laboratorium masih diragukan, namun kecenderungan perubahan temperatur yang timbul dapat memberikan petunjuk awal untuk kajian fenomena nyala api lift-up. Semua hasil pengukuran ditampilkan dalam bentuk grafik pada Gambar 4 dan Gambar 5. Grafik warna hitam menunjukkan hasil pengukuran dengan ring stainless steel sedangkan grafik warna merah adalah hasil pengukuran dengan ring keramik. Dari Gambar 4 tampak bahwa pada penggunaaan ring dari keramik, temperatur ring saat lift-up lebih rendah jika dibandingkan dengan temperatur ring dari stainless steel. Yang perlu menjadi perhatian adalah pada posisi ring 30 mm, menggunakan ring stainless steel, temperatur ring cenderung lebih tinggi dibandingkan dengan posisi yang lain. Namun sebaliknya pada penggunaan ring keramik temperatur ring pada posisi ini malah cenderung paling rendah terutama pada burning load yang rendah. Hal ini memunculkan dugaan bahwa temperatur ring berkebalikan dengan panjang nyala. Berdasarkan hasil penelitian terdahulu panjang nyala api lift-up pada keramik lebih tinggi jika dibandingkan dengan panjang nyala api lift-up pada penggunaan ring stainless steel [6]. Jika ditinjau berdasarkan AFR saat lift-up antara ring stainless steel dan ring keramik maka temperatur ring seakan-akan sebanding dengan AFR yakni AFR makin rendah maka temperatur ring juga makin rendah. Hal ini sesuai pula dengan hasil penelitian terdahulu bahwa semakin rendah AFR maka temperatur nyala api semakin rendah. Demikian pula halnya dengan temperatur ring yang dipengaruhi oleh temperatur nyala api [7].
TKE - 38
Gambar 3. Tampilan hasil pengukuran temperatur ring
Temperatur ring vs burning load 550
500
Tem peratur ring, 0C
450
400 x= 10 mm 350
x=20 mm x=30 mm x=40 mm
300
xr=10 mm xr=20 mm
250
xr=30 mm xr=40 mm 200 7000
9000
11000
13000
Burning Load, kW/m
15000
17000
2
Gambar 4. Grafik pengaruh Burning load terhadap temperatur ring Namun hal ini tidak berlaku pada burning load yang sama karena pada penelitian sebelumnya diperoleh hasil bahwa pada burning load yang sama AFR dipengaruhi oleh posisi ring. Semakin dekat posisi ring maka AFR semakin tinggi.
TKE - 39
Sedangkan ditinjau dari laju aliran bahan bakar semakin tinggi laju aliran bahan bakar cenderung tidak terlalu besar pengaruhnya terhadap temperatur ring saat lift-up karena telah diimbangi dengan kenaikan laju aliran udara juga. Baik pada penggunaan ring keramik maupun pada penggunaan ring stainless steel diperoleh kecenderungan yang sama bahwa posisi ring yang rendah dan laju aliran bahan bakar yang rendah temperatur ring cenderung konstan. Pada ring stainless steel pada posisi ring yang tinggi dan laju aliran bahan bakar yang tinggi terdapat kenaikan temperatur ring saat lift-up. Hal ini berkebalikan dengan kondisi di ring keramik seperti terlihat pada Gambar 5. Temperatur ring vs posisi ring 600
500
Temperatur ring, 0C
vf=0,12 m/dt vf=0.14 m/dt
400
vf=0,15 m/dt vf=0,16 m/dt 300
vf=0,17 m/dt vf="0,19 m/dt" vf=0,12 m/dt
200
vf=0,14 m/dt vf=0,15 m/dt 100
vf=0,16 m/dt vf=0,17 m/dt vf=0,19 m/dt
0 0
10
20
30
40
50
Posisi ring, mm
Gambar 5. Grafik pengaruh posisi ring terhadap temperatur ring Temperatur ring saat lift-up terendah tercapai pada posisi 30 mm dan laju aliran sekitar 0,12m/dt. Hal ini membuat kondisi yang berbeda dengan penggunaan ring stainless steel. Meskipun pada posisi 30 mm terjadi kenaikan temperatur ring namun AFR pada kondisi ini lebih besar pengaruhnya terhadap panjang nyala yakni pada posisi 30 mm tercapai AFR yang minimum maka panjang nyala lift-up menjadi maksimum. Namun pada ring keramik tidak terjadi kenaikan panjang nyala yg menonjol di posisi 30 mm karena temperatur ring pada laju aliran yang tinggi justru temperaturnya meningkat sangat besar. Hal ini sesuai dengan dugaan bahwa temperatur ring berkebalikan dengan panjang nyala maka panjang nyala pada posisi 30 mm dan aliran bahan bakar yang tinggi pada ring keramik tidak terjadi kenaikan panjang nyala. Untuk lebih menjelaskan kondisi panjang nyala api lift-up pada posisi 30 mm yang maksimum dibandingkan pada posisi ring yang lain di ring stainless steel maka ditampilkan pula grafik pada Gambar 6 yakni grafik perbedaan temperatur ring terhadap posisi ring. Pada grafik ini ini diperoleh keserupaan dengan grafik panjang nyala terhadap posisi ring. Sepintas terlihat seakan-akan temperatur ring sebanding dengan panjang nyala lift-up. Namun hal ini akan bertentangan dengan grafik sebelumnya yakni Gambar 4 dan Gambar 5 jika dibandingkan dengan hasil penelitian sebelumnya. Untuk itu korelasi temperatur ring saat lift-up dengan panjang nyala api lift-up belum dapat dinyatakan berlaku pada kedua jenis material tersebut. Berbeda halnya korelasi panjang nyala api lift up dengan AFR saat lift-up yang berlaku baik pada material ring dari stainless steel maupun pada material ring dari keramik
TKE - 40
Perbedaan temperatur ring stainless steel dan keramik
200
Perbedaan temperatur ring,
0
C
250
150
100 vf=0,12 m/dt vf=0,14 m/dt vf=0,15 m/dt
50
vf= 0,16 m/dt vf= 0,17 m/dt vf= 0,19 m/dt
0 0
10
20
30
40
50
Posisi ring, m m
Gambar 6. Grafik perbedaan temperatur ring terhadap posisi ring 4. Kesimpulan Fenomena lift-up tidak hanya dipengaruhi oleh medan aliran saja tapi juga oleh temperatur ringnya. Pada laju aliran bahan bakar yang tinggi temperatur ring saat lift-up cenderung meningkat. Dari aspek material ring, menggunakan material stainless steel, temperatur ring saat lift-up lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan ring dari keramik. Temperatur ring juga berpengaruh terhadap AFR terjadinya lift-up yakni AFR sebanding dengan temperatur ring baik pada material stainless steel maupun pada keramik. Ditinjau dari panjang nyala api lift-up belum dapat ditentukan korelasi antara panjang nyala dengan temperatur ring namun khusus pada perbandingan material ring maka temperatur ring berbanding terbalik dengan panjang nyala. Daftar Pustaka [1] Cokorda Prapti Mahandari, I Made Kartika D, 2007, Flame Lift-up on A Bunsen Burner; A Preliminary Study” Proceeding Seminar Internasional QIR, UI Depok, Jakarta [2] I Made Kartika Dhiputra, Hamdan Hartono A, Cokorda Prapti Mahandari, 2008, Perubahan Panjang Nyala Api pada Fenomena “Flame Lift-up” Akibat Letak Ketinggian Posisi Ring ‘FlameHold’, Proceeding Seminar Nasional Teknik Mesin 3, , Surabaya, Indonesia hal 101-104 [3] I Made Kartika, 2008, The Influence of Inside Diameter of Ring on Flame Height and AFR of Flame Lift-up Phenomenon; an Experimental Study, Proceeding ICGES, UTM Malaysia, akan dipublikasikan [4] I Made Kartika Dhiputra, Cokorda Prapti Mahandari, Karlovitz Number for Predicting A flame lift-up on Propane Combustion, 2008, Proceeding The 1st International Meeting on Advances in Thermo-Fluid 26th August 2008, Universiti Teknologi Malaysia, Johor, Malaysia [5] Nils A Rokke, A Study of Partially Premixed Unconfined Propane Flames, Combustion and Flame 97 hal.:88-106 Elsevier Science Inc. [6] I Made Kartika Dhiputra, Bambang Sugiarto, Amri Parlindungan Sitinjak, Cokorda Prapti Mahandari, Pengaruh Material Ring Pada Fenomena Nyala Api Lift-up, 2008, dipublikasikan pada Proceeding ini. [7] I Made Kartika Dhiputra, Eko Warsito, Cokorda Prapti Mahandari, 2008, Karakteristik Temperatur Maksimum Nyala api Pembakaran Non Difusi Gas Propana dengan Teknik Pencitraan Nyala (Infra Red Thermography), Proceeding Seminar Nasional Teknik Mesin 3, Surabaya, Indonesia hal. 89-92 [8] Raldi Artono Koestoer, 2002, Perpindahan Kalor untuk Mahasiswa Teknik, Salemba Teknika, Jakarta
TKE - 41
