KARAKTERISTIK PEMBAKARAN BUTANA DI DALAM

MESO-SCLAE COMBUSTOR DENGAN PERBEDAAN

KONDUKTIVITAS TERMAL FLAME HOLDER

TUGAS AKHIR

Diajukan Kepada

Universitas Muhammadiyah Malang

Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar

Sarjana (S-1) Teknik Mesin

Disusun Oleh :

ILHAM FAUZI

NIM : 201310120311042

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2018

iii

LEMBAR PENGESAHAN

TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK PEMBAKARAN BUTANA DI DALAM

MESO-SCLAE COMBUSTOR DENGAN PERBEDAAN

KONDUKTIVITAS TERMAL FLAME HOLDER

Diajukan Kepada

Universitas Muhammadiyah Malang

Sebagai Salah Satu Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin

Disusun Oleh :

Nama : ILHAM FAUZI

Nim : 201310120311042

Telah diperiksa, disetujui dan disahkan oleh :

Dosen Pembimbing I

Ir. Achmad Fauzan HS., MT.

Dosen Pembimbing II

Ir. Sudarman, MT.

Mengetahui,

Ketua Jurusan Mesin

Ir. Daryono, MT.

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

FAKULTAS TEKNIK

Jurusan : Teknik Mesin, Teknik Sipil, Teknik Elektro,

Teknik Industri, D3 Elektronika, Teknik Informatika Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127

Fax. (0341) 460782 Malang 65144

LEMBAR KONSULTASI / ASISTENSI

Nama : Ilham Fauzi

No. Induk : 201310120311042

Judul : Karateristik Pembakaran Butana Di dalam Meso-scale Combustor

Dengan Perbedaaan Konduktivitas Termal Flame Holder.

Pembimbing II : Ir. Achmad Fauzan HS., MT

NO Tanggal Catatan Asistensi Paraf

1 20-08-2017 Persetujuan Judul TA

2 21-09-2017 Konsultasi BAB I

3 24-09-2017 ACC BAB I

4 03-10-2017 Konsultasi BAB II

5 04-10-2017 ACC BAB II

6 07-10-2017 Konsultasi BAB III

7 07-10-2017 ACC BAB III

8 10-10-2017 Konsultasi BAB IV

9 03-01-2018 ACC BAB IV

10 10-01-2018 ACC BAB V

Mengetahui :

Ketua/Sekertaris Jurusan Teknik Mesin

( Ir. Daryono, MT. )

Dosen Pembimbing I

(Ir. Achmad Fauzan HS., MT)

v

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

FAKULTAS TEKNIK

Jurusan : Teknik Mesin, Teknik Sipil, Teknik Elektro,

Teknik Industri, D3 Elektronika, Teknik Informatika Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127

Fax. (0341) 460782 Malang 65144

LEMBAR KONSULTASI / ASISTENSI

Nama : ILHAM FAUZI

No. Induk : 201310120311042

Judul : Karateristik Pembakaran Butana Di dalam Meso-scale Combustor

Dengan Perbedaaan Konduktivitas Termal Flame Holder.

Pembimbing I : Ir. Sudarman, MT

NO Tanggal Catatan Asistensi Paraf

1 26-09-2017 Persetujuan Judul TA

2 26-09-2017 Konsultasi BAB I

3 26-09-2017 ACC BAB I

4 09-10-2017 Konsultasi BAB II

5 09-10-2017 ACC BAB II

6 09-10-2017 Konsultasi BAB III

7 09-10-2017 ACC BAB III

8 18-10-2017 Konsultasi BAB IV

9 03-01-2018 ACC BAB IV

10 13-01-2018 ACC BAB V

Mengetahui :

Ketua/Sekertaris Jurusan Teknik Mesin

( Ir. Daryono, MT. )

Dosen Pembimbing II

( Ir. Sudarman, MT )

SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIAT

Yang bertanda tangan di bawah ini :

Nama : Ilham Fauzi

NIM : 201310120311042

Tempat / Tanggal Lahir : Pringsewu, 09 April 1991

Fakultas / Jurusan : Teknik / Teknik Mesin

Menyatakan bahwa karya ilmiah atau skripsi ini yang berjudul “KARAKTERISTIK

PEMBAKARAN BUTANA DI DALAM MESO-SCLAE COMBUSTOR DENGAN

PERBEDAAN KONDUKTIVITAS TERMAL FLAME HOLDER” adalah bukan karya

tulis orang lain baik sebagai maupun keseluruhan kecuali dalam bentuk kutipan yang telah

saya sebutkan sumbernya.

Demikian surat pernyataan ini dibuat dengan sebenar – benarnya. Jika terbukti

melanggar, penulis siap menerima sanksi akademik yang berlaku di Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Malang.

Malang, 24 Januari 2018

Penulis,

Ilham Fauzi

vii

ABSTRAK

Penelitian eksperimental yang dilakukan ini bertujuan untuk mengetahui

karakteristik pembakaran butana didalam meso-scale combustor dengan penggunaan

flame holder yang memiliki konduktivitas termal berbeda. Butana digunakan sebagai

bahan bakar, adapun ruang combustor berdiameter luar 5 mm dan dalam 3,5 mm terbuat

dari quartz glass tube. Material flame holder yang digunakan adalah tembaga dan

stainless steel.

Karakteristik pembakaran berupa flammability limit, visualisasi dan temperatur

kedua material menunjukkan bahwa tembaga memiliki flammability limit lebih luas dari

pada stainless steel, ini disebakan tembaga memiliki konduktivitas termal yang lebih

tinggi dari pada stainless steel, akan tetapi, grafik tembaga memiliki penyempitan tiba-

tiba yang tidak terjadi pada stainless steel, ini dikarenakan konduktivitas termal

tembaga menurun disetiap kenaikan temperatur, sedangkan konduktivitas termal

stainless steel meningkat disetiap kenaikan temperatur.

Visualisasi mengalami perluasan daerah nyala dan peningkatan temperatur

disetiap kenaikan laju aliran. Rasio ekuivalen memiliki peranan yang sangat penting

pada gelap terangnya nyala api dan besar kecilnya temperatur nyala.

Kata kunci : meso-scale combustor; flame holder; nilai konduktivitas

termal; Flammablity limit; visualisasi; temperatur.

ABSTRACT

This experimental research investigated to know characteristic

combustion of butane inside meso-scale combustor using flame holder that have

different thermal conductivity. Butane is used as fuel, as for outside diameter

combustor chamber 5mm and inside 3,5 mm made from quartz glass tube. Flame

holder material that used made from copper and stainless steel

Characteristic of combustion such as flammability limit, visualization

and temperature both of materials shown that copper have wider flammability

limit than stainless steel, this caused copper have higher thermal conductivity

than stainless steel, but, copper graphic have sudden constriction that not occur

on stainless steel, this due to copper thermal conductivity decrease every

increasing of temperature, while stainless steel thermal conductivity increased

every increasing temperature. The visualization has region expansion of flame

and increasing of temperature every increasing flow rate. Equivalent ratio have a

big role on dark and bright flame and value temperature of flame.

Keyword : meso-scale combustor; flame holder; Thermal conductivity;

Flammablity limit; visualization; temperature.

ix

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr.Wb

Segala Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah

melimpahkan segala rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi

ini. Shalawat beserta salam semoga senantiasa terlimpah curahkan kepada Nabi

Muhammad Shallallahu 'alaihi wasallam, kepada keluarganya, para sahabatnya,

hingga para umatnya hingga akhir zaman.

Penulisan skripsi ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat

memperoleh Gelar Sarjana pada Program Teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Malang. Judul yang diajukan penulis adalah

“Karateristik Pembakaran Butana Di dalam Meso-scale Combustor Dengan

Perbedaaan Konduktivitas Termal Flame Holder”.

Penulis menyadari kelemahan serta keterbatasan yang ada sehingga dalam

menyelesaikan skripsi ini memperoleh bantuan dari berbagai pihak, dalam

kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terimakasih kepada :

1. Bapak Ir. Sudarman, MT selaku dekan Fakultas Teknik Universitas

Muhammadiyah Malang yang telah memberikan izin dalam penulisan

skripsi ini.

2. Bapak Ir. Daryono, MT selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UMM

yang telah memberikan kelancaran pelayanan dan urusan Akademik.

3. Ir. Achmad Fauzan HS., MT selaku dosen Pembimbing I yang selalu

memberikan waktu bimbingan dan arahan selama penyusunan skripsi

ini.

4. Ir. Sudarman, MT selaku dosen pembimbing II yang selalu

memberikan waktu bimbingan dan arahan selama penyusunan skripsi

ini.

5. Budiono, S.Si, MT. dan seluruh Dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Muhammadiyah Malang yang telah memberikan

ilmunya kepada penulis.

6. Seluruh Staff Tata Usaha Jurusan Teknik Mesin Universitas

Muhammadiyah Malang yang telah melayani segala urusan

administratif dengan baik.

7. Ayah dan Ibu atas jasa-jasanya, kesabaran, do’a yang tiada henti dan

tidak pernah lelah dalam mendidik memberi cinta yang tulus dan

ikhlas kepada penulis sejak kecil.

8. Mahatma, Faris, Arvan, Khalik, Ridho, Bagus, dan Anam yang selalu

bahu membahu selama masa penelitian.

9. Teman-teman Teknik Mesin Angkatan 2013 Khususnya Kelas A yang

telah memberikan dukungan dan saran serta hiburan kepada penulis.

10. Tsani, Yusuf, Feri, dan laily sebagai partner sharing yang juga telah

membantu penulis menyelesaikan Tugas Akhir ini.

xi

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih banyak kekurangan baik isi

maupun susunannya. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat tidak hanya bagi

penulis juga bagi para pembaca.

Wassalamu’alaikum Wr.Wb

Malang, 24 Januari 2018

Penulis

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL .......................................................................................... i

POSTER .......................................................................................................... ii

LEMBAR PENGESAHAN ........................................................................... iii

LEMBAR KONSULTASI / ASISTENSI ..................................................... iv

SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIAT .............................................. vi

ABSTRAKSI INDONESIA ........................................................................... vii

ABSTAKSI ENGLISH .................................................................................. viii

KATA PENGANTAR .................................................................................... ix

DAFTAR ISI ................................................................................................... xii

DAFTAR TABEL ......................................................................................... xv

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xvi

BAB 1 PENDAHULUAN ............................................................................. 1

1.1 Latar Belakang ................................................................................. 1

1.2 Rumusan Masalah ............................................................................. 2

1.3 Batasan Masalah ............................................................................... 3

1.4 Tujuan Penelitian .............................................................................. 3

1.5 Manfaat Penelitian ............................................................................ 4

xiii

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................... 7

2.1 Micro Power Generator dan Micro atau Meso-Scale Combustor ...... 7

2.2 Penelitian Sebelumnya ....................................................................... 9

2.3 Pembakaran ........................................................................................ 12

2.3.1 Reaksi Kimia Pembakaran ........................................................ 14

2.3.2 Air Fuel Ratio ............................................................................ 15

2.3.3 Rasio Ekuivalen (ɸ) .................................................................. 17

2.3.4 Pembakaran Premixed ............................................................... 18

2.4 Butana ................................................................................................ 19

2.5 Flammability Limit ........................................................................... 20

2.6 Temperatur Nyala............................................................................... 23

2.7 Tembaga ............................................................................................. 23

2.8 Stainless Steel .................................................................................... 25

BAB 3 METODOLOGI ................................................................................. 28

3.1 Metode Penelitian ............................................................................. 28

3.2 Waktu Dan Tempat ........................................................................... 28

3.3 Skematika Penelitian ........................................................................ 28

3.4 Rencana Tabulasi Penelitian ............................................................. 30

3.5 Variabel Penelitian ........................................................................... 32

3.6 Diagram Alir Proses Penelitian ......................................................... 33

3.7 Metode Kerja ..................................................................................... 34

3.7.1 Tahap Persiapan ...................................................................... 34

3.7.2 Tahap Pengambilan Data ......................................................... 34

3.7.3 Tahap Pengolahan Data............................................................ 35

BAB IV PEMBAHASAN ............................................................................... 36

4.1 Data Hasil Penelitian Dan Perhitungan ............................................. 36

4.1.1 Data Debit Bahan Bakar Dan Udara ......................................... 36

4.1.2 Perhitungan Data Flammability Limit ...................................... 37

4.2 Pembahasan Flammability Limit ..................................................... 42

4.3 Pembahasan Visualisasi Nyala Api Dan Temperatur ....................... 46

4.3.1 Penentuan Titik Pengambilan Visualisasi Nyala Dan Temperatur

............................................................................................................ 46

4.3.2 Visualisasi Nyala Api Dan Temperatur .................................... 48

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................... 56

5.1 Kesimpulan ...................................................................................... 56

5.2 Saran ................................................................................................. 56

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xv

DAFTAR TABEL

Hal

Table 1.1 Kerapatan energi pembakaran. 5

Tabel 2.1 Definsi micro-scale dan meso-scale combustion menggunakan

perbedaaan skala panjang 8

Tabel 2.2 Komposisi Udara Atmosfir 14

Tabel 4.1 Hasil pengambilan data penelitian untuk stainless steel. 36

Tabel 4.2 Hasil pengambilan data penelitian untuk tembaga. 37

Tabel 4.3 Perhitungan rasio ekuivalen dan laju aliran campuran stainless steel. 41

Tabel 4.4 Perhitungan rasio ekuivalen dan laju aliran campuran tembaga. 42

Tabel 4.5 Penentuan titik dengan φ konstan dan variasi U. 48

Tabel 4.6 penentuan titik dengan U konstan dan variasi φ. 48

DAFTAR GAMBAR

Hal

Gambar 2.1 A. Sketsa micro power generator, B. Prototype micro

silinder power generator TPV tanpa sayap pendingin. 7

Gambar 2.2 Foto meso scale combustor dengan single kawat mesh. 9

Gambar 2.3 Penampakan nyala api pada meso scale combustor. 10

Gambar 2.4 Kestabilan nyala api dekat kawat mesh didalam tabung. 10

Gambar 2.5 Desain Microcombustor dengan penambahan double wire

mesh. 11

Gambar 2.6 Visualisasi nyala api pada berbagai kecepatan laju reaktan. 11

Gambar 2.7 Detail desain meso-scale combustor dengan perbedaan

konduktivitas termal dinding combustor. 12

Gambar 2.8 Ilustrasi dalam proses pembakaran. 13

Gambar 2.9 Diagram fuidge. 21

Gambar 2.10 Struktur kristal FCC (kiri), tembaga murni (kanan). 25

Gambar 3.1 Skematika penelitian. 28

Gambar 3.2 Dimensi meso-scale combustor dan flame holder. 30

Gambar 3.2 Titik pengambilan temperatur. 35

Gambar 4.1 Grafik hubungan rasio ekuivalen dengan laju aliran

campuran pada tembaga dan stainless steel. 42

xvii

Gambar 4.2 Grafik hubungan rasio ekuivalen dengan laju aliran

campuran pada tembaga. 44

Gambar 4.3 Grafik temperatur dan visualisasi nyala pada φ 1,3 dengan

variasi laju aliran campuran (U). 49

Gambar 4.4 Grafik temperatur dan visualisasi nyala pada U 38 cm/s

dengan variasi rasio ekuivalen (φ). 51

Gambar 4.5 Ilustrasi penyebaran panas di hulu dan hilir combustor

akibat perbedaan konduktivitas termal. 53

DAFTAR PUSTAKA

Baukal. Jr, C. E. (1998). oxygen-enhanced combustion. (C. E. Baukal, Jr, Ed.).

pennsylvania: CRC Press.

Chou, S. K., Yang, W. M., Chua, K. J., Li, J., & Zhang, K. L. (2011).

Development of micro power generators - A review. Applied Energy, 88(1),

1–16. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.07.010

El-Mahallawy, F., & El-Din Habik, S. (2002). FUNDAMENTALS AND

TECHNOLOGY OF COMBUSTION. egypt.

Glassman, I., & Yetter, R. . (2008). combustion (Fourth).

Jacks, A., Balaji, D., & Gowrishankar, D. (2013). Waste heat energy harvesting

using thermo electric generator, 3(7), 1–4.

Holman, J.P. Heat Transfer. (1986). Edisi 6. Singapore. McGraw-Hill Book co.

Koestoer, R.A. Perpindahan Kalor. Edisi I. Jakarta: Salemba Teknika. 2002: 135.

M. Mikami, Y. Maeda, K. Matsui, T. Seo, L. Yuliati: Proceeding of the

Combustion Institute, 34 (2013) p. 3387–3394.

Yuliati, L. (2014). Flame Stability of Gaseous Fuel Combustion inside Meso-

Scale Combustor with Double Wire Mesh. Applied Mechanics and

Materials, 664, 231–235.

https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.664.231

Yuliati, L., Sasongko, M. N., & Wahyudi, S. (2014). Flammability limit and flame

visualization of gaseous fuel combustion inside meso-scale combustor with

different thermal conductivity. Applied Mechanics and Materials, 493, 204–

209. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.493.204

Lefebvre, A. H., & Ballal, D. R. (2010). GAS Turbine Combustion (Third).

Lejda, K., & Wos, P. (Eds.). (2012). Edited by Kazimierz Lejda Pawe ł Wo ś

INTERNAL COMBUSTION (1st ed.). Croatia: InTech.

Maruta, K. (2011). Micro and mesoscale combustion. Proceedings of the

Combustion Institute, 33(1), 125–150.

https://doi.org/10.1016/j.proci.2010.09.005

Outokumpu. (2013). Handbook of Stainless Steel. Sandvikens Tryckeri, 1–89.

Standar Internasional . B-1. Nilai-nilai properti Logam.