6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mikro Power Generator (Microcombustor)

Pembakaran diruang mikro menjadi sesuatu yang sangat menarik untuk

dikembangkan akhir-akhir ini, untuk diterapkan pada micropower generation,

micropropulsion, dan micro-electro-mechanical system (MEMS). Microcombustor

adalah pembakaran bahan bakar pada skala mikro, tetapi dalam masalah ukuran

dibagi menjadi 2 yaitu microscale dengan besar skala kurang dari 1 mm, mesoscale

dengan besar skala lebih dari 1 mm. Syarat microscale combustion yang digunakan

untuk pembakaran ukurannya lebih kecil dari 1 x10-3 m. Syarat mesocale

combustion yang digunakan untuk pembakaran ukurannya lebih dari 1 mm tetapi

tetap memiliki ciri-ciri karakteristik dari microscale combustion (Ju and Maruta

2011).

Campuran 30% volume etanol dan 70% volume n-heptana digunakan

sebagai bahan bakar cair yang dikabutkan dengan metode electrospray dengan

konfigurasi tunggal-ring extractor-mesh kolektor konfigurasi elektroda

ditempatkan di dalam tabung gelas kuarsa dengan diameter dalam 3,5 mm. Nyala

api yang stabil dibuat di dalam tabung sempit tanpa dinding membasahi dalam

kisaran tertentu rasio kesetaraan untuk laju aliran bahan bakar 1 mL / jam. Studi ini

menegaskan bahwa peran mesh sebagai kolektor sangat penting dalam membangun

nyala api yang stabil di dalam tabung sempit. Jika laju aliran bahan bakar cukup

7

besar, pembasahan dinding terjadi dan akhirnya pembakaran yang stabil berhenti

(Yuliati, Seo et al. 2012).

Beberapa faktor harus dipertimbangkan dalam menggambar proses

pencampuran dalam udara berkecepatan tinggi. Transportasi material dalam aliran

adalah hasil dari difusi eddy. (Difusi molekuler adalah urutan 1% atau kurang difusi

eddy dan dengan demikian dapat diabaikan). Difusi eddy terjadi karena aliran

didalam turbulen yang bervolume gas kecil memiliki gerakan acak terus menerus,

yang ditumpangkan pada waktu kecepatan aliran rata-rata dan bertindak untuk

menyebarkan difusi .

2.2 Penelitian Sebelumnya

(Muhtadi 2016) telah melakukan penelitian tentang pengaruh tipe flame

holder terhadap stabilitas nyala api butana didalam meso-scale combustor. Pada

penelitian ini bahan bakar yang digunakan adalah butana dan udara yang disuplai

dari kompresor digunakan sebagai oksidator. Debit bahan bakar dan udara yang

mengalir ke dalam ruang bakar pada meso-scale diatur oleh 2 flowmeter, yaitu

flowmeter bahan bakar dan flowmeter udara.

Gambar 2.1 Detail meso-scale combustor

Pada penelitian ini menunjukkan visualiasasi nyala api pada kedua

combustor menjadi berwarna biru terang dan bentuknya semakin melebar seiring

8

dengan bertambahnya kecepatan aliran reaktan. Sedangkan visualisasi nyala kedua

combustor pada rasio ekuivalen bervariasi memiliki bentuk yang berbeda, pada

combustor dengan perforated mesh 8 garis warna api menjadi biru muda dan

bentuknya semakin mengecil dan tebal. Adapun penjelasan berupa gambar dari

nyala api yang sibutkan diatas dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

Gambar 2.2 Visualisasi nyala api pada meso-scale combustor dengan perforated mesh 8 garis

Sumber : Muhammad Faris Muhtadi, et al (2016)

Gambar 2.3 visualisasi nyala api pada meso-scale combustor dengan perforated mesh 6 garis

Sumber : Muhammad Faris Muhtadi, et al (2016)

Ureaktan = 38 cm/s

ɸ = 0.9

T1= 250.6 C

T2= 192.8 C

T3= 363.3 C

T4= 920.4 C

ɸ = 1.2

T1= 262.6 C

T2= 189.4 C

T3= 404.7 C

T4= 1070 C

ɸ = 1.3

T1= 277.5 C

T2= 197.9 C

T3= 433.3 C

T4= 1040 C

ɸ = 1.5

T1= 251.5 C

T2= 241.1 C

T3= 398.5 C

T4= 1001 C

ɸ = 1.5

T1= 251.5 C

T2= 241.1 C

T3= 398.5 C

T4= 1001 C

Ureaktan = 38 cm/s

ɸ = 0.95

T1= 285.0 C

T2= 383.9 C

T3= 262.3 C

T4= 859.8 C

ɸ = 1.19

T1= 290.0 C

T2= 388.4 C

T3= 295.3 C

T4= 897.7 C

ɸ = 1.31

T1= 287.8 C

T2= 383.4 C

T3= 256.3 C

T4= 905.9 C

ɸ = 1.55

T1= 264.0 C

T2= 353.4 C

T3= 289.1 C

T4= 912.6 C

ɸ = 1.55

T1= 264.0 C

T2= 353.4 C

T3= 289.1 C

T4= 912.6 C

9

Pembakaran skala mikro dipengaruhi oleh jarak pendingan, kehilangan

panas tinggi, difusi pendek, waktu karakteristik, dan aliran laminarisasi. Masalah

yang paling penting untuk pembakaran yaitu laju pemanasan ruang yang tinggi,

kehilangan tekanan rendah dan pembakaran premixed. Pencampuran yang sangat

kaya bahan bakar adalah karena kehilangan panas ke udara disekitar tabung. Batas

padam dikarenakan campuran bahan bakar yang kaya dikarenakan kebocoran bahan

bakar yang tidak terbakar dibawah dasar api (Yuasa, Oshimi et al. 2005).

Pada penelitian ini menggunakan model 2 variasi jarak 1.5 cm 2 cm antara

saluran udara dan butana yang dibandingkan dengan combustor dengan tipe normal.

Hal ini guna untuk memberi waktu agar campuran bahan bakar dan udara berada

pada kondisi steady state.

2.3 Jenis Aliran Fluida

Fluida adalah suatu zat yang bisa mengalami perubahan-perubahan

bentuknya secara terus menerus bila terkena tekanan atau gaya geser walaupun

relatif kecil. Fluida mencakup zat cair, gas, air, dan udara. Ada 2 jenis aliran yaitu

2.3.1 Laminar Flow

Laminar adalah aliran fluida yang bergerak dengan kondisi lapisan-

lapisan yang membentuk garis-garis alir dan tidak berpotongan satu sama lain.

Alirannya relatief mempunyai kecepatan rendah dan fluidanya bergerak sejajar

(laminae) & mempunyai batasan-batasan yang berisi aliran fluida.

10

Gambar 2.3.1 laminar flow

Sumber : Nakayama and Bucher (1999)

2.3.2 Turbulence Flow

Aliran fluida yang partikel-partikelnya bergerak secara acak dan tidak

stabil dengan kecepatan berfluktuasi yang saling interaksi. Akibat dari hal

tersebut garis alir antar partikel fluidanya saling berpotongan. Model

turbulensi memainkan peran penting dalam pemodelan simulasi pembakaran.

Model scamlet DLR dengan tonjolan lingkaran mampu meningkatkan

efisiensi pencampuran bahan bakar dengan penurunan keterlambatan

pengapian (Kummitha 2017).

Gambar 2.3.2 Turbulence Flow

Sumber : Nakayama and Bucher (1999)

11

2.4 Pembakaran

Gambar 2.4 Pembakaran

Pembakaran adalah suatu runutan reaksi kimia antara suatu bahan bakar dan

suatu oksidian disertai dengan produksi panas yang disertai cahaya dalam bentuk

pendar atau api. Secara umum bahan bakar melepaskan panas ketika oksidasi dan

mengandung unsur-unsur karbon (C), Hidrogen (H), Oksigen (O), Nitrogen (N),

dan sulfur (S). Reaksi pembakaran sempurna terjadi ketika bahan bakar bereaksi

secara cepat dengan oksigen dan menghasilkan karbon dioksida dan air. Oksigen

yang perlukan untuk proses pembakaran diperoleh dari udara kering, yang mana

udara kering terdiri dari 21% oksigen dan 78% nitrogen, maka reaksi stoikiometrik

pembakan hidrokarbon murni CxHy dapat dituliskan dengan persamaan :

𝐶𝑥𝐻𝑦 + 𝑥 + 𝑦

4 𝑂2 + 3.76 𝑥 +

𝑦

4 𝑁2 → 𝑥𝐶𝑂2 +

𝑦

2 𝐻2 𝑂 + 3.76 𝑥 +

𝑦

4 𝑁2 (2.2)

Persamaan reaksi pembakaran hidrokarbon dapat disederhanakan karena

untuk memastikan proses pembakaran yang terjadi secara sempurna cukup sulit

dengan rasio ekuivalen yang tepat dari udara. Hasil persamaan 𝐶𝑂2 dan 𝐻2 𝑂 tidak

akan terjadi jika pembakaran yang terjadi adalah pembakaran tidak sempurna, akan

tetapi terbentuk hasil oksidasi 𝐶𝑂, 𝐶𝑂2 dan 𝐻2 𝑂.

12

2.4.1 Pembakaran Skala Meso

(Ju and Maruta 2011) mengemukakan salah satu pembanding

adalah dengan mengetahui ukuran diameter dalam combustor pada proses

pembakaran tersebut. Pada skala meso ukuran fisik dari diameter dalam

combustor antara 1 mm – 10 mm dan untuk skala mikro ukuran disik

diameter dalam combustor > 1 mm. Combustor terdiri dari dua komponen

input dan komponen output dimana kedua komponen tersebut

disambungkan menggunakan lem tahan panas (lem keramik). Material

untuk combustor dapat dibuat tergantung variabel bebas yang akan kita uji.

Combustor dengan bahan quartz glass (pipet kaca) sering dipakai beberapa

peneliti karena strukturnya yang transparan memudahkan peneliti untuk

mengamati visualisasi nyala api didalam meso-scale combustor. Transfer

panas di dinding luar yang luas nilainya lebih tinggi akan berpengaruh pada

proses pembakaran (Zarvandi, Tabejamaat et al. 2012).

Batas blow-off yang lebih besar dikaitkan dengan perubahan bidang

aliran hilir dari ruang bakar. Ketika tidak ada bluf-body nyala api akan kecil

dan tingkat regangan akan lebih besar disisi kanan ruang bakar yang

menyebabkan pemisah api pada batas blow-off yang lebih kecil.(Li, Yuan

et al. 2018)

13

2.5 Campuran Udara dan Bahan Bakar

Sebelum melakukan proses pembakaran ada beberapa faktor yang harus

diperhatikan antara lain bahan bakar, udara, reaksi kimia dan kalor. Perbandingan

jumlah campuran bahan bakar (butana) dan udara juga faktor yang penting untuk

mendapatkan nyala api yang sempurna. Metode yang digunakan untuk menghitung

rasio campuran bahan bakar (butana) dan udara antara lain AFR ( Air Fuel Ratio)

dan Rasio Ekuivalen (ϕ ). Posisi lubang injeksi dapat meningkatkan atau

mengurangi pencampuran bahan bakar di dalam combustor (Bluemner, Bohon et

al. 2018).

2.5.1 Air Fuel Ratio (AFR)

Air Fuel Ratio adalah faktor yang mempengaruhi kesempurnaan

proses pembakaran didalam ruang bakar atau ruas penguapan. Untuk

mengetahui komposisi dari campuran bahan bakar dan udara dengan

menggunakan rumus AFR. AFR dapat dihitung dengan persamaan :

AFRstoic = (𝑁𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎

𝑁𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟)

(K.K. Kenneth, 2005 : 39)

Keterangan :

AFRstoic : Perbandingan udara dan bahan bakar dalam keadaan

stoikiometri

N𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 : Banyaknya mol udara

N𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 : Banyaknya mol bahan bakar

M𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 : Massa udara

N𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 : Massa bahan bakar

14

2.5.2 Rasio Ekuivalen (ϕ)

Pengertian dari rasio ekuivalen (ϕ) adalah perbandingan dari nilai

AFR stoikiometri dengan AFR aktual, rumus rasio ekuivalen dituliskan

sebagai berikut :

Φ = (AFR)𝑠𝑡𝑜𝑖𝑐

(AFR)𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙

(wardana, 2008)

Keterangan :

Φ = Rasio ekuivalen

AFR𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐 = Rasio udara dan bahan bakar dalam kondisi stoikiometrik

AFR𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 = Rasio udara dan bahan bakar dalam kondisi aktual

Rasio ekuivalen menentukan jenis campuran dan bahan bakar yang

terjadi pada reaksi pembakaran. Jika Φ > 1 disebut campuran kaya akan

bahan bakar yang mengakibatkan jumlah mol bahan bakar yang terkandung

didalam campuran melebihi jumlah mol yang dapat diikat oleh udara secara

keseluruhan yang akan mengakibatkan nyala api menjadi merah. Φ < 1

disebut campuran miskin bahan bakar dikarenakan jumlah udara yang

melimpah namun tidak ada cukup bahan bakar. Φ = 1 ini merupakan kondisi

yang sempurna dimana jumlah udara dan bahan bakar berada pada porsi

yang tepat untuk berikatan. Efisiensi pembakaran dapat ditingkatkan dengan

meningkatkan panjang ruang pembakaran (E, Peng et al. 2016).

15

2.6 Butana

Rumus kimia : C4H10

Massa molar : 58,12 g·mol−1

Penampilan : Gas tidak berwarna

Densitas : 2.48 kg/m3, gas (15 °C, 1 atm) 600 kg/m3,

cairan (0 °C, 1 atm)

Titik Lebur : −138.4 °C (135.4 K)

Titik Didih : −0.5 °C (272.6 K)

Kelarutan dalam air : 6.1 mg/100 ml (20 °C)

Kecepatan pembakaran lamiar yang lebih besar dari butana dikaitkan dengan

produksi atom H yang mudah di dekomposisi dan didominasi reaksi kimia C2 (Li,

Wang et al. 2018).

2.7 Flame Holder

Mikami et al. (2013) melakukan eksperimen tentang pembakaran

menggunakan bahan bakar gas pada mesoscale – combustor. Nyala api mampu

stabil di dekat mesh akibat perbedaan dari kecepatan aliran dan rasio ekuivalen pada

combustor. Mesh tidak akan terbakar akibat pemanasan langsung dari nyala api

maupun konduksi yang terjadi pada dinding. Sehingga mesh berperan sebagai

enhancher untuk meningkatkan heat recirculation.

Fauzan Baananto (2018) juga melakukan penelitian menggunakan plate

flame holder dengan diameter 4,9 mm dan tebal 1 mm. Hasil dari penelitian ini

pembakaran dapat terjadi dengan stabil didalam combustor pada kecepatan reaktan

yang lebih tinggi. Selain itu juga menghasikan temperatur api yang lebih tinggi.

16

Gambar 2.5 Flame holder

Sumber : Fauzan baananto (2018)

2.8 Aliran Fluida

Aliran fluida atau zat cair (termasuk uap air dan gas) dibedakan dari benda

padat karena kemampuannya untuk dapat mengalir. Fase cair dan gas memiliki

karakter tidak mempertahankan suatu bentuk yang tetap, maka keduanya memiliki

kemampuan untuk mengalir. Analis suhu menunjukkan bahwa kehilangan panas di

dinding mampu mengurangi temperatur di daerah resirkulasi luar (See and Ihme

2014).

Kebanyakan bahan bisa disebut entah sebagai zat padat, zat cair, atau gas.

Walaupun sebagian diantaranya mempunyai sifat-sifat yang memungkinkan

diperolehnya sebutan ganda. Sebuah zat padat umumnya mempunyai bentuk yang

tertentu, sedangkan zat cair dan gas mempunyai bentuk yang ditetapkan oleh

wadahnya sendiri (masing-masing). Perbedaan dasar antara zat cair dan gas

(keduanya digolongkan sebagai fluida) adalah bahwa gas akan menyebar dan

mengisi seluruh wadah yang ditempatinya. Defenisi yang lebih tepat untuk

membedakan zat padat dengan fluida adalah dari krateristik deformasi bahan

tersebut. Zat padat dianggap sebagai bahan yang menunjukkan reaksi deformasi

yang terbatas ketika menerima suatu gaya geser (shear). Fluida dapat didefenisikan

17

sebagai suatu zat yang terus menerus berubah bentuk apabila mengalami tegangan

gesar fluida tidak mampu menahan tegangan geser tanpa berubah bentuk.

Kendatipun demikian ada bahan-bahan seperti oli, cat, ter dan larutan polimer yang

menunjukkan karakteristik entah zat padat atau fluida tergantung dari tegangan geser

yang dialami. (White, M.Frank, 1988)

2.8.1 Laju Aliran Reaktan

Pada proses pembakaran didalam meso-scale combustor terdapat

laju kecepatan aliran reaktan yang dapat mempengaruhi stabilitas nyala api

dan bentuk visualisasi nyala api. Laju aliran tersebut merupakan hasil dari

campuran antara bahan bakar dengan udara yang diinjeksikan pada saluran

masuk meso-scale combustor. Laju kecepatan aliran reaktan pada meso-

scale combustor dapat dihitung menggunakan rumus :

𝑈 = 𝑄

𝐴= (

𝑄1 + 𝑄2

𝐴 ) = (

𝑄𝑓 + 𝑄2

𝐴 )

𝑈 = (𝑄𝑓 (𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟)+ 𝑄𝑎)

(𝜋 𝑥 𝑟2) =

(𝑄𝑓 (𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟)+ 𝑄𝑎)

60(𝜋 𝑥 𝑟2)

100

Keterangan :

- U = Kecepatan“100” = Merubah satuan dari 𝑚𝑚2 ke 𝑐𝑚2

- Q = Debit bahan bakar + udara

- A = Luas penampang (A = 𝜋𝑟2)

- “60” = Merubah satuan dari menit ke detik

- “100” = Merubah satuan dari 𝑚𝑚2 ke 𝑐𝑚2