BAB I

BAB IVAERODINAMIKA PEMBAKARAN

Suatu proses pembakaran, baik itu proses pembakaran ya ng menggunakan jenis bahan bakar padat, cair, ataupun gas selalu menghasilkan nyala api. Dari sudut pandang aerodinamika, ada dua jenis nyala api yaitu api premiks (pembakaran premiks) dan api difusi (pembakaran difusi).

4.1 Pembakaran premiksPembakaran premiks adalah proses pembakaran dimana bahan bakar dan udara (oksigen) dicampur terlebih dahulu secara mekanik kemudian dibakar. Contoh pembakaran jenis ini dapat dilihat pada proses pembakaran motor bensin, las karbit, dan pembakaran roket. Pada pembakaran premiks terjadi perambatan gelombang pembakaran yang disebut api (flame). Nyala api premiks berlangsung secara cepat, umumnya berlangsung pada tekanan yang konstan, reaksi berjalan pada kondisi eksotermis, yang menghasilkan panas dan radisasi yang cukup besar, serta rambatan gelombang yang cukup tinggi. Nyala api premiks terjadi secara laminer dan turbulen. Meskipun pada kenyataannya hampir semua aplikasi pembakaran menggunakan proses pembakaran premiks yang turbulen karena akan menghasilkan energi yang besar sehingga dihasilkan efisiensi pembakaran yang besar, tetapi pada pembahasan kali ini, hanya dibahas api premiks laminer. Nyala api laminer mempunyai kecepatan penyalaan yang cukup unik dalam proses percampuran antara bahan bakar dan udara. Sedangkan turbulensi dapat meningkatkan kecepatan penyalaannya. Sedangkan konsep dari pembakaran premiks laminer diasumsikan sebagai bagian dari model pembakaran premiks apakah itu lsminer atau turbulen. Nyala api turbulen terjadi pada aplikasi lapangan dan mempunyai phenomena spektrum yang besar yang tergantung pada intensitas turbulensi, besarnya temperatur dan tekanan, dan perbandingan antara bahan bakar dan udara.

Nyala api premiks laminerNyala api premiks laminer merupakan jenis api premiks yang paling sederhana. Reaksi pembakaran yang dimulai dengan adanya panas lokal pada kondisi lingkungan dalam suatu campuran yang cukup antara udara dan bahan bakar awalnya akan merambat sebagai api laminer. Reaksi kimia berlangsung pada zona yang relatif tipis dan api bergerak pada kecepatan yang rendah. Untuk campuran hidrokarbon yng stoikiometris dengan udara kondisi standar, tebal api kira-kira 1 mm dan bergerak dengan kecepatan sekitar 0,5 m/dt. Penurunan tekanan pada api sangat kecil atau sekitar 1 Pa dan temperatur sangat tinggi sekitar 2200-2600 K. Pada zona reaksi terbentuk radikal-radikal bebas pada temperatur yang tinggi (dalam api) dan akan berdifusi ke arah bahan bakar. Radikal-radikal tersebut akan menhasilkan produk pembakaran melalui suatu reaksi kimia. Panas api berlangsung dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah pada zona reaksi akan memperatahankan kelangsungan proses pembakaran (mempertahankan nyala api). Burner Bunsen seperti ditunjukkan pada gambar 4.1 dibawah ini memberikan ilustrasi nyala api premiks laminer yang stationer, yang mengeluarkan aliran reaktan dari suatu tabung pada kondisi laminer. Bahan bakar masuk bercampur dengan udara dalam burner kemudian dibakar dan keluar dari burner menghasilkan nyala api berbentuk kerucut (cone). Gambar 4.1b menunjukkan garis aliran relatif terhadap daerah api dan gambar 4.1c menunjukkan kondisi isotermis dan garis aliran (streamline) pada suatu slot burner. Temperatur nyala api premiks tersebut lebih kecil bila dibandingkan dengan temperatur nyala adiabatis karena adanya kerugian panas akibat radiasi.Untuk gambar 4.1b kecepatan penyalaan dapat diukur dengan hubungan :Vflame = Vtube.sin Kerucut api bukan berupa garis lurus, tetapi agak melengkung dan membentuk kurva karena adanya perpindahan panas pada tube, yang berfungsi untuk menstabilkan api. Hal ini terjadi juga karena kecepatan aliran tidak uniform yang diakibatkan oleh adanya pengaruh lapisan batas (boundary layers).Untuk kecepatan penyalaan (burning velocity) api laminer pada proses pembakaran premiks, kecepatan penyalaan didefinisikan sebagai kecepatan api yang relatif terhadap reaktan yang belum terbakar. Kecepatan penyalaan laminer tergantung pada jenis bahan bakar, AFR, temperatur dan tekanan awal reaktan.

Gambar 4.1 Nyala api Bunsen (a) Skema burner, (b) Diagram aliran, (c) Garis aliran dan temperatur pada slot burner

Kestabilan api pada proses pembakaran premiksPenyalaan api premiks pada suatu silinder tergantung pada konsentrasi bahan bakar dan kecepatan bahan bakar. Bila kecepatan api melebihi kecepatan aliran (campuran bahan bakar dan udara), api akan mengalami flash back atau kembali ke mulut burner. Tetapi bila kecepatan api kurang dari kecepatan aliran maka api akan mengalami blow out (api padam) atau bila kondisi campuran dalam keadaan kaya bahan bakar, api akan mengalami lift off. Api akan mengalami lift off hingga posisi api kembali stabil bila diberikan udara sekunder sebagai dilution bahan bakar atau pengaduk aliran. Kurva lift off dan blow out untuk api premiks dapat dilihat pada gambar 4.2.

Gambar 4.2 Diagram stabilitas api pada nyala api premiksTeori api laminerBila kita sumsikan suatu pembakaran premiks menghasilkan nyala api yang leminer pada suatu tube, aliran gas yang terjadi adalah uniform dan datar, sehingga profil aliran yang terjadi dapat diilustrasikan seperti pada gambar 4.3. Apabila kecepatan penyalaan didefinisikan sebagai kecepatan api yang relatif terhadap kecepatan gas yang belum terbakar, maka pada kasus ini kecepatan penyalaan dapat dianggap sebagai kecepatan gas yang belum terbakar.

Gambar 4.3 Profil api laminerMenurut persamaan kekekalan massa, momentum, dan energi, persamaan nyala api dituliskan sebagai :r Vr = pVp (1)Pr + r Vr2 = Pp + p Vp2 (2)

hr + = hp + (3)dimana r adalah reaktan dan p adalah produk. h adalah entalpi absolut campuran gas. Pp = p . Rp . Tp dan hp merupakan fungsi dari Tp. Bila kecepatan penyalaan Vr diketahui dari eksperimen atau teori, maka kondisi produk dapat dihitung dari persamaan (2) ke persamaan (3). Tetapi bila kecepatan penyalaan sangat rendah maka persamaan (3) dapat diabaikan dan hanya mempertimbangkan entalpinya saja. Ingat mengenai temperatur nyala adiabatik yang mengasumsikan bahwa entalpi reaktan dan produk berada pada kondisi yang konstan. Sehingga pada kasus ini perubahan tekanan api dianggap sangat kecil (lihat contoh soal berikut) dan densitas menurun karena temperatur meningkat.Persamaan (2) dan (3) juga dapat diaplikasikan ke detonasi. Untuk detonasi, Vr merupakan kecepatan supersonic, padahal untuk api, Vr merupakan kecepatan subsonic. Perbedaan antara supersonic dan subsonic ini disebut dengan deflagrasi.Contoh soal :Suatu api laminer hasil pembakaran bahan bakar propana merambat dengan equivalen ratio () 0,9 , pada tekanan 5 atm, dan temperatur 300 K. Kecepatan api adalah 22 cm/detk. Hitung :a. Temperatur gasb. Kecepatan apic. Tekanan api Jawab :Persamaan reaksi pada reaktan : C3H8 + (5/0,9)(O2 + 3,76 N2) Atau 1 mol C3H8, 5,56 mol O2, dan 20,89 N2Karena kecepatan lebih kecil dibandingkan dengan entalpi maka persamaan (3) menjadi hr = hp. Dengan melihat tabel JANAF, Tp, untuk Tp = 300 K dan P = 5 atm, kita dapatkan nilai hr = -0,1267 x 106 kJ/kg, r = 5,97 kg/m3, dan Mr = 28,318 kg/kgmol.a. Pada persamaan (2), momentum lebih kecil dibandingkan tekanan sehingga pada tabel JANAF diambil h konstan, P konstan, dan terjadi kesetimbangan produk. Sehingga dari tabel JANAF didapatkan :Tp = 2200 Kp = 0,784 kg/m3Mp = 28,23 kg/kgmolb. Dari persamaan (1), dikethaui bahwa Vp = Vr r/p = (0,22) (5,97)/(0,784)= 1,67 m/detikc.Dari persamaan (2),Pp Pr = r ( Vr)2 - p (Vp)2 = 5,97 ( 0,22)2 - 0,784 (1,67)2 = -1,90 Pa = -0,0000187 atmSehingga Pp = 4,999981 atm

4.2 Pembakaran DifusiPembakaran difusi adalah proses pembakaran dimana bahan bakar dan udara tidak dicampur lebih dulu secara mekanik melainkan bercampur sendiri secara alami dengan proses difusi. Apabila proses pembakaran premiks didominasi oleh energi kinetik, maka proses pembakaran difusi lebih didominasi oleh pengadukan (mixing) reaktannya dan reaksi terjadi pada jarak antara bahan bakar dan oksidator.. Contoh jenis pembakaran difusi dapat dilihat pada proses penyalaan lilin, yang dapat dilihat pada gambar 4.4.

Gambar 4.4 Nyala lilin yang menunjukkan zona reaksi api difusiProses pembakaran difusi mempunyai banayk keuntungan bila dibandingkan dengan proses pembakaran premiks. Salah satu keuntungan dan kemudahannya adalah dapat mengontrol api hasil pembakarannya. Oleh karena iru pembakaran difusi banyak diterapkan pada pembakaran di industri.Seperti pada nyala api premiks, nyala api difusi juga terdiri dari api difusi laminer dan api difusi turbulen. Perubahan aliran api ini biasanya disebabkan oleh pemanjangan api dan peningkatan kecepatan aliran (jet). Hal ini dapat kilta ilustrasikan seperti pada gambar 4.5 di bawah ini :

Gambar 4.5 Transisi aliran api difusi dari laminer ke turbulenKarena kecepatan bahan bakar meningkat, karakter api akan berubah. Pada kecepatan jet yang rendah struktur api adalah laminer. Panjang api laminer ini akan meningkat seiring dengan peningkatan kcepatan jetnya sampai pada suatu batas dimana aliran api menjadi turbulen. Pada kondisi transisi, perubahan dari aliran turbulen menjadi laminer, panjang api laminer akan mengalami penurunan seiring dengan peningkatan kecepatan jet dan panjang api turbulen akan mengalami kenaikan seiring dengan peningkatan kecepatan jetnya. Kemudian panjang api total akan menurun karena kecepatan pengadukan api yang turbulen. Pada kondisi turbulen yang sangat stabil, yaitu pada daerah turbulen penuh (fully turbulent region), panjang api sudah tidak dipengaruhi oleh peningkatan kecepatan jet. Api difusi turbulen mempunyai noise yang sangat besar bila dibandingkan api difusi laminer dan pembentukan jelaga pada api turbulen sangat kecil bila dibandingkan api difusi laminer.Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, daerah tansisi api ini mempunyai angka Reynold yang berbeda-beda untuk tiap jenis bahan bakar. Hal ini menindikasikan bahwa kinetika kimia mempunyai peranan penting pada pengadukan fluida bahan bakar dan udara. Beberapa angka Reynold transisi dapat dilihat pada tabel berikut :

Tabel 1. Transisi angka Reynold

Kestabilan api difusiBatas kestabilan api pada umumnya menjelaskan batas operasional dari sistem pembakaran. Ada dua kondisi aliran batas yang berhubungan dengan kestabilan api difusi yaitu lift off dan blow out. Kondisi kritis kestabilan ini sangat tergantung pada konfigurasi alirannya. Pada aliran berkecepatan rendah, kondisi api adalah laminer. Kemudian bila kecepatan aliran ditingkatkan, aliran akan berada dalam kondisi turbulen. Api akan mengalami lift off dari posisi butnernya bila kecepatan keluarnya tinggi. Panjang lift off , yaitu jarak antara mulut burner dan pangkal api, akan meningkat seiring dengan penambahan kecepatn alirannya sampai api mengalami blow out (padam). Blow out dapat terjadi bila kecepatan aliran dimana kecepatan nyala yang turbulen jauh lebih besar dibandingkan kecepatan api maksimum. Maksudnya, bahwa peristiwa blow out timbul menjelang panjang api difusi kritis, meskipun campuran masih dalam batas mampu nyala pada pangkal api.Diagram stabilitas api difusi yang meliputi daerah stabil, lift off, dan blow out dapat dilihat pada gambar berikut. Bila kecepatan jet ditingkatkan, maka akan tercapai titik atau batas dimana api akan mengalami lift off sampai blow out.

Gambar 4.6 Diagram stabilitas api difusiPada saat api mengalami lift off, pangkal api berada pada kondisi aliran laminer. Begitu pula bila kita lihat pada daerah diagram transisi aliran api. Meskipun api berada pada kodisi turbulen, namun pangkal api bertahan pada kondisi laminer. Hal ini dikarenakan adanya adanya pengaruh penurunan densitas api dan adanya pengaruh peningkatan viskositas.