PENGARUH PENGGUNAAN MATERIAL NON-HOMOGEN UNTUK DINDING

COMBUSTOR TERHADAP KARAKTERISTIK PEMBAKARAN DALAM MESO-

SCALE COMBUSTOR

Gusti M I, Lilis Yuliati, Widya Wijayanti

Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang

Jl. MT. Hariyono 167, Malang 65145, Indonesia

Email: gusti.islami@gmail.com

ABSTRAK Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh penggunaan material non- homogen untuk

dinding combustor terhadap karakteristik pembakaran dalam meso-scale combustor dengan

menggunakan bahan bakar LPG dan wire mesh didalamnya. Combustor dalam penelitian ini

menggunakan ruang bakar berbentuk silinder dengan diameter dalam 3.5 mm. Dinding combustor

terbuat dari quartz glass tube, stainless steel dan tembaga dengan konduktivitas termal berturut-turut

sebesar 1.4, 20, dan 385 W/mK. Wire mesh terbuat dari stainless steel dengan 60 mesh /inchi.

Karakteristik pembakaran yang diamati adalah visualisasi nyala api dan flammability limit Karakteristik

pembakaran yang diamati adalah visualisasi nyala api dan flammability limit. Batas minimum dan

maksimum Ф (rasio ekuivalen)dimana api dapat menyala dalam combustor pada quartz glass tube

adalah 0.7034 dan 1.4429, stainless steel-quartz glass tube adalah 0.6592 dan 1.6185, dan tembaga-

quartz glass tube adalah 0.6949 dan 1.6621. Api dalam combustor berwarna biru gelap untuk campuran

Φ = 1 atau lebih kecil dan biru kehijauan untuk campuran Φ >1 . Dan luas penampang api api untuk

campuran kaya bahan bakar lebih kecil bila dibandingkan dengan campuran stoikiometri atau

campuran miskin bahan bakar. Luas penampang api paling kecil untuk combustor yang terbuat dari

quart glass tube dan semakin besar berturut-turut untuk combustor yang terbuat dari stainless steel-

quartz glass tube dan tembaga-quartz glass tube. Quartz glass tube combustor memiliki flammability

limit yang lebih sempit dibandingkan combustor yang terbuat dari tembaga-quartz glass tube dan

stainless steel- quartz glass tube. Hal ini karena kalor yang menuju reaktan untuk proses preheating tidak

begitu besar, sehingga temperatur reaktan ketika memasuki daerah pembakaran belum tinggi dan

pembakaran terjadi pada kecepatan yang lebih rendah. Dalam kondisi ini radical quenching menjadi

semakin dominan, sehingga jarak antara api dan dinding combustor semakin besar atau luas penampang

apinya semakin kecil.

Kata kunci: Meso-scale combustor, konduktivitas termal, visualisasi nyala api, flammability

limit, LPG

Pendahuluan

Perkembangan di bidang teknologi

berkembang pesat, khususnya kebutuhan

akan pembangkit daya berskala kecil

(micro-power generator) juga terus

meningkat seiring dengan meningkatnya

penggunaan peralatan listrik portabel.

Dimana semua peralatan portabel tersebut

membutuhkan energi yang dikemas dalam

bentuk baterai sehingga alat-alat tersebut

sangat bergantung pada daya yang disimpan

dalam baterai. Dalam hal ini baterai menjadi

titik lemah dari peralatan listrik portabel

tersebut, karena baterai tidak mampu

menyimpan energi dalam waktu lama dan

membutuhkan waktu yang relatif lama untuk

mengisi ulang kembali (recharge). Selain itu

baterai juga memiliki dampak yang buruk

bila dibuang kelingkungan karena terbuat

dari bahan kimia yang bersifat mencemari

lingkungan.

Micro-power generator yang memiliki

densitas energi tinggi, memiliki waktu

operasi yang relatif panjang dengan waktu

isi ulang yang relatif lebih pendek serta

ramah lingkungan diproyeksikan akan

menjadi penggati baterai dimasa yang akan

datang untuk mengatasi permasalahan pada

baterai sekarang ini. Salah satu komponen

yang sangat penting dari micro-power

generator adalah meso-scale combustor.

Prinsip kerja dari meso-scale combustor

ini pada dasarnya sama seperti pembakaran

pada umumya, yaitu mengubah energi kimia

dari bahan bakar menjadi energi panas.

Tetapi api/pembakaran yang terjadi dalam

meso-scale combustor cenderung kurang

stabil karena perbandingan surface area dan

volume ruang bakar yang relatif besar.

Sehingga heat loss yang terjadi cukup besar

yang menyebabkan penurunan temperatur

dan kecepatan pembakaran, sehingga api

yang terbentuk mudah padam.

Dalam meso-scale combustor sulit

didapatkan kestabilan api. Banyak metode

dilakukan untuk mengatasi masalah tersebut

diantaranya dengan menggunakan dinding

combustor berundak untuk memperbaiki

pencampuran udara – bahan bakar dan

memperpanjang waktu bahan bakar berada

dalam daerah reaksi pembakaran. Swiss-roll

combustor digunakan untuk mengurangi

kehilangan kalor dan pemanasan awal

reaktan. Dan yang terakhir menggunakan

external heating untuk pemanasan awal

reaktan atau dinding ruang bakar bertujuan

untuk meningkatkan kestabilan api dan

memperluas flammability limit.

Beberapa penelitian tentang pengaruh

konduktivitas termal terhadap pembakaran

dalam meso-scale combustor telah

dilakukan. Norton et al, (2003) melakukan

penelitian numerik mengenai pengaruh

konduktivitas termal dinding combustor

yang berbentuk plat pararel terhadap

kestabilan api. Didapatkan hasil bahwa

konduktivitas termal material dinding

combustor mempunyai peranan yang

signifikan terhadap kestabilan api, karena

dapat menentukan besarnya resirkulasi

panas ke reaktan yang diperlukan untuk

penyalaan dan kestabilan api.

Selanjutnya mikami et al, (2012)

melakukan penelitian tentang pengaruh

penggunaan wire mesh pada meso-scale

combustor terhadap kestabilan api dan

kecepatan pembakaran. Dan didapatkan

hasil bahwa dengan menyisipkan sebuah

wire mesh yang terbuat dari material dengan

nilai konduktivitas termal tinggi yaitu stain

less steel dapat mestabilkan pembakaran

dalam meso-scale combustor yang terbuat

dari material yang memiliki nilai

konduktivitas termal yang rendah yakni

quartz glass tube. Itu disebabkan karena

wire mesh memiliki peranan sebagai flame

holder yang mengakibatkan perpindahan

panas (heat recirculation) dari flame ke

reaktan sehingga terjadi pembakaran yang

stabil dalam meo-scale combustor. Stable

flame terjadi pada downstream mesh. Jika

tanpa menggunakan wire mesh stable flame

hanya terjadi di ujung pipa.

Penelitian ini dilakukan untuk

mengetahui pengaruh konduktivitas termal

dinding combustor yang tidak seragam

terhadap karakteristik pembakaran yang

diamati adalah visualisasi nyala api dan

flammability limit

Metode Penelitian

Experimental set up dan variabel penelitian.

Skema instalasi penelitian yang

digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan

pada gambar 1. Tabung LPG digunakan

untuk menyuplai bahan bakar ke dalam

meso-scale combustor, kompresor

digunakan untuk menyuplai udara ke dalam

meso-scale combustor. Flow meter udara

dan flow meter bahan bakar digunakan untuk

mengatur debit udara dan debit bahan bakar

sebelum memasuki meso-scale combustor.

Meso-scale combustor yang digunakan

dalam penelitian ini berukuran diameter

dalam 3,5 mm dan menggunakan wire mesh

didalamnya, terbuat dari stainless steel

dengan ukuran 60 mesh/inchi. Variabel

bebas dalam penelitian ini yakni material

dinding combustor dengan nilai

konduktivitas termal yang berbeda yaitu

quartz glass tube dengan nilai konduktivitas

termal 1,4 W/mK, stainless steel dengan

nilai konduktivitas termal 20 W/mK dan

tembaga dengan nilai konduktivitas termal

385 W/mK. Untuk variabel terikatnya yakni

visualisasi nyala api dan flammability limit.

Untuk mendapatkan data visualisasi

menggunakan kamera untuk mengambil foto

api dalam meso-scale combustor. Detail

meso-scale combustor yang digunakan

dalam penelitian ini dapat dilihat pada pada

gambar gambar 2.

Gambar 1. Skema instalasi penelitian

Gambar 2. Meso-scale combustor dengan

variasi material non-homogen

Prosedur pengambilan data

Memasang meso-scale combustor dari

quartz glass tube dengan wire mesh

didalamnya pada instalasi penelitian.

Kemudian alirkan bahan bakar dan udara ke

dalam combustor dan nyalakan api

menggunakan pemantik atau korek api, atur

debit bahan bakar dan udara hingga api

dapat menyala didalam combustor. Atur

debit udara 80 mL/menit dengan debit bahan

bakar menyesuaikan (kondisi kaya bahan

bakar), ambil gambar visualisasinya,

kemudian turunkan debit bahan bakar dan

ambil visualisasinya untuk setiap

pengurangan debit bahan bakar tersebut.

kurangi debit bahan bakar hingga terjadi api

padam (blow-off) catat debit bahan bakar

maksimum dan minimum untuk menentukan

flammability limitnya.

Ulangi prosedur diatas untuk debit

bahan bakar yang lebih besar hingga api

tidak dapat di stabilkan didalam combustor.

Lakukan langkah tersebut untuk tiap

combustor dengan menggunakan material

quartz glass tube, tembaga - quartz glass

tube dan stainless steel - quartz glass tube.

Hasil dan Pembahasan

1.Visualisasi nyala api

Pertama dibandingkan visualisasi nyala

api dalam setiap combustor dengan variasi

debit bahan bakar dan equivalen rasio yang

besarnya tetap (Ф) = 1. Visualisasi

dilakukan pada kecepatan total reaktan

sebesar 14.5 cm/s, 38.9cm/s dan 53.4 cm/s.

Dilihat dari kiri ke kanan secara berurutan

adalah visualisasi nyala api dalam

combustor dengan material quartz glass

tube, stainless steel-quartz glass tube dan

tembaga-quartz glass tube. Visualisai

dilakukan pada combustor tanpa isolasi dan

dengan isolasi panas.

Visualisasi nyala api dibawah

menunjukan perubahan bentuk nyala api

didalam meso-scale combustor yang terjadi

selama proses pembakaran dengan variasi

material non-homogen pada dinding

combustor dengan menggunakan isolator

maupun tidak dan pada nilai rasio ekuivalen

Ф = 1. Dari visualisasi diatas dapat dilihat

untuk setiap kecepatan total reaktan Vtot

warna api hampir sama yaitu biru agak

gelap, tetapi terlihat makin terang pada Vtot

yang lebih tinggi. Hal ini dikarenakan

semakin tinggi Vtot bearti jumlah bahan

bakar yang dibakar dalam combustor

semakin besar, sehingga kalor dan

temperatur yang dihasilkan dari pembakaran

semakin tinggi pula yang menghasilkan

warna api lebih terang.

Tanpa isolator

Dengan isolator

Vtot = 14.5 cm/s.

Tanpa isolator

Dengan isolator

Vtot = 38.9cm/s. Tanpa isolator

Dengan isolator

Vtot = 53.4 cm/s.

(a) (b) (c)

Gambar 3. Visualisasi nyala api pada Ф = 1

dalam meso-scale combustor dengan

dinding (a) quartz glass tube (b) stainless

steel-quartz glass tube (c) tembaga-quartz

glass tube.

Dapat dilihat juga semakin tinggi Vtot

maka luas penampang api semakin lebar.

Hal ini dikarenakan semakin tinggi Vtot

maka kalor dan temperatur yang dihasilkan

dari pembakaran semakin tinggi pula dan

temperatur yang tinggi ini dapat mengurangi

terjadinya radical quenching. Sehingga

pemadaman api disekitar dinding karena

radical quenching berkurang, jarak antara

api dan dinding combustor menjadi lebih

kecil dan luas penampang api menjadi lebih

lebar.

Sedangkan pada Vtot yang rendah dapat

dilihat pada Gambar diatas bahwa luas

penampang api pada combustor dengan

material quartz glass tube terlihat lebih kecil

bila dibandingkan dengan combustor yang

menggunakan material stainless steel-quartz

glass tube dan tembaga-quartz glass tube.

Hal ini dikarenakan quartz glas tube

mempunyai konduktivitas termal yang lebih

rendah bila dibandingkan dengan

konduktivitas termal stainless steel dan

tembaga. Sebagaimana terlihat pada Gambar

4, sejumlah kalor (Q1) dikonveksikan dari

nyala api ke dinding combustor. Selanjutnya

sebagian dari kalor ini (Q2) dikonveksikan

ke lingkungan dan merupakan fraksi kalor

yang hilang. Kehilangan kalor ini

mengakibatkan api menjadi tidak stabil, dan

bila terjadi dalam jumlah yang cukup besar

akan mengakibatkan api padam. Dari

dinding combustor sebagian kalor

dikonduksikan kearah wire mesh dan kearah

upstream dinding combustor (Q3), yang

berfungsi untuk pemanasan awal reaktan.

Bagian ini mendorong terjadinya

pembakaran yang stabil. Karena quartz glass

tube memiliki konduktivitas termal yang

rendah, perpindahan kalor ke arah upstream

yang terjadi tidak begitu besar. Hal ini

menyebabkan kalor yang menuju reaktan

untuk proses preheating tidak begitu besar,

sehingga temperatur reaktan ketika

memasuki daerah pembakaran belum tinggi

dan pembakaran terjadi pada kecepatan yang

lebih rendah. Dalam kondisi ini radical

quenching menjadi semakin dominan,

sehingga jarak antara api dan dinding

combustor semakin besar atau luas

penampang apinya semakin kecil. Selain itu

terdapat pula sejumlah kalor yang

terkandung dalam aliran gas hasil

pembakaran (Q1) yang dibuang ke

lingkungan.

Gambar 4. Skema perpindahan panas (heat loss

dan heat recirculation) pada meso-scale

combustor.

Dari visualisasi diatas dapat dilihat pula

pada v tot yang sama luas penampang api

pada combustor dengan material tembaga-

quartz glass tube terlihat paling kecil bila

dibandingkan dengan combustor yang

menggunakan material stainless steel-quartz

glass tube dan quartz glass tube. Hal ini

dikarenakan adanya perpindahan kalor

secara konduksi dari flame ke wire mesh,

yang selanjutnya dikonduksikan ke arah

upstraem maupun down stream pada

dinding combustor. Pada combustor yang

terbuat dari tembaga-quartz glass tube,

perpindahan kalor dari wire mesh ke arah

upsteram(dinding tembaga) lebih besar

dibandingkan dengan combustor yang

lainnya. Hal ini juga bearti perpindahan

kalor dari api ke wire mesh juga lebih besar.

Sehingga temperatur api yang rendah

mengakibatkan kecepatan pembakaran lebih

rendah. Dalam kondisi ini radical quenching

menjadi semakin banyak, sehingga jarak

antara api dan dinding combustor semakin

besar atau luas penampang apinya semakin

kecil. Warna api biru terang pada combustor

tembaga-quartz glass tube, dimungkinkan

oleh adanya pembakaran tidak sempurna,

yang disebabkan oleh kecepatan

pembakaran yang rendah.

Dapat dilihat juga pada Gambar 3

bahwa luas penampang api semakin besar

untuk debit reaktan yang semakin besar. Hal

ini dikarenakan semakin tinggi debit

reaktan, maka daerah reaksi pembakarannya

akan semakin luas. Temperatur

pembakarannya juga semakin tinggi dan

radical quencing semakin berkurang.

Sehingga luas penampang apinya menjadi

lebih besar. Bila dibandingkan dengan

combustor yang menggunakan isolator

dapat dilihat bahwa ada sedikit perbedaan

dari warna api yang sedikit lebih terang

dibanding warna api pada combutor tanpa

isolator. Karena combustor dengan isolator

dilapisi glass wool yang mengurangi

kehilangan kalor dari dinding combustor ke

lingkungan secara konveksi. Hal ini

menghasilkan temperatur pembakaran yang

lebih tinggi yang mengakibatkan warna api

lebih terang dari pada combustor tanpa

isolator.Selanjutnya dapat dilihat pada setiap

combustor bahwa luas penampang api

semakin besar untuk debit reaktan yang

semakin besar. Hal ini dikarenakan semakin

tinngi debit reaktan, maka daerah reaksi

pembakarannya akan semakin luas.

Temperatur pembakarannya juga semakin

tinggi dan radical quencing semakin

berkurang. Sehingga luas penampang apinya

menjadi lebih besar.

Selanjutnya akan dibandingkan

visualisasi nyala api dalam combustor

dengan variasi dinding combustor dan rasio

ekuivalen pada kecepatan reaktan Vtot ≈ 38..

dengan variasi rasio ekuivalen dimulai dari

Ф =0.72, Ф = 1 dan Ф =1.26. Hasil

visualisasi ditunjukan pada gambar 5.

Tanpa isolator

Dengan isolator

Ф =0.72

Tanpa isolator

Dengan isolator

Ф = 1

Tanpa isolator

Dengan isolator

Ф =1.26

(a) (b) (c)

Gambar 5 visualisasi nyala api dengan

variasi Ф dalam meso-scale combustor

menggunakan dinding (a) quartz glass tube

(b) stainless steel-quartz glass tube

(c)tembaga-quartz glass tube.

Dari hasil visualisasi api di atas dapat

diketahui bahwa warna api hampir sama

untuk Φ= 0.72 dan Φ = 1 karena bahan

bakar dapat terbakar sempuna pada saat

reaksi pembakaran terjadi. Secara

keseluruhan warna api untuk Ф = 1 terlihat

sedikit lebih terang daripada warna api

untuk Ф = 0.72. Hal ini di karenakan dalam

penelitian ini variasi rasio ekuivalen

diperoleh dengan memvariasikan debit

bahan bakar pada debit udara yang konstan.

Pada jumlah debit udara yang sama, debit

bahan bakar pada Ф = 1 lebih banyak dari

pada bahan bakar pada Ф = 0.72 sehingga

temperatur pada Ф = 1 lebih tinggi.

Untuk Ф =1.26 api berwarna biru

kehijauan dan luas penampang api menjadi

lebih kecil. Pada Ф =1.26 kecepatan

pembakaran menjadi lebih rendah,

dikarenakan kurangnya udara sebagai

oksidator sehingga tidak semua bahan bakar

dapat terbakar. Hal tersebut mengakibatkan

terdapat unsur karbon monoksida dan

karbon didalam gas hasil pembakaranya

dimana partikel-partikel dari karbon tersebut

menghasilkan pancaran warna yang

berwarna biru kehijauan dan terang pada

nyala api.

Pada rasio equivalen ( Φ ) = 1.26 nyala

api dalam combustor dengan dinding yang

terbuat dari tembaga-quartz glass tube

memiliki luas penampang yang paling besar

dan lebih terang dibandingkan combustor

dengan material stainless steel-quartz glass

tube dan quartz glass tube. Hal ini karena

jumlah kalor berpindah secara konduksi dari

downstream (dinding quartz glass tube)

kearah upstream (dinding tembaga) dan wire

mesh lebih besar. Karena tembaga memiliki

konduktivitas termal yang tinggi sehingga

mengakibatkan perpindahan kalor yang

lebih besar. Dimana kalor tersebut

kemudian dikonveksikan ke reaktan yang

akan memasuki daerah pembakaran dan

berfungsi sebagai kalor pemansan awal

reaktan. Karena reaktan memiliki lebih

banyak kalor dan temperatur api juga tinggi

mengakibatkan kecepatan reaksi

pembakaran dalam combustor ini lebih

tinggi dari combustor yang lainnya.

Sehingga efek radical quenching dalam

combustor ini lebih kecil, sehingga jarak

antara api dan dinding combustor semakin

sempit dan luas penampang apinya semakin

besar.

2. Flammability limit

Berikut merupakan diagram kestabilan

api atau flammability limit dalam meso-scale

combustor dengan variasi dinding material

combustor non-homogen

Gambar 6. Diagram flammability limit

Dari grafik diatas dapat diketahui

besarnya kecepatan reaktan V tot maksimal

dimana api dapat menyala di dalam masing-

masing jenis combustor. Combustor dengan

material quartz glass tube memiliki Vtot

maksimum yang paling kecil dan

flammability limit paling sempit dibanding

dengan combustor tembaga-quartz glass

tube dan stainless steel-quartz glass tube

yaitu 53.48 cm/detik, sedangkan Vtot

maksimum pada combustor tembaga-quartz

glass tube dan stainless steel-quartz glass

tube adalah 69.72 cm/detik. Hal ini

menunjukan kecepatan pembakaran dalam

combustor stainless steel-quartz glass tube

dan tembaga–quartz glass tube lebih tinggi

bila dibandingkan dengan kecepatan

pembakaran dalam combustor quartz glass

tube. Sehingga api dapat stabil pada

kecepatan reaktan yang lebih tinggi. Api

dapat stabil dalam combustor bila kecepatan

reaktan dan kecepatan perambatan api relatif

sama. Tingginya kecepatan pembakaran

dalam combustor stainless steel-quartz glass

tube dan tembaga-quartz glass tube

mungkin disebabkan karena pada kedua

jenis combustor ini temperatur reaktan

sudah cukup tinggi ketika memasuki ruang

bakar, karena adanya pemanasan awal dari

nyala api melalui konduksi panas melalui

dinding combustor yang konduktivitas

termalnya tinggi. Adanya tambahan kalor

pada reaktan menghasilkan temperatur

pembakaran yang lebih tinggi. Dimana

kecepatan pembakaran merupakan fungsi

dari temperatur pembakaran. Semakin tinggi

temperatur pembakaran, kecepatan

pembakaran juga semakin tinggi dan api

dapat stabil pada kecepatan reaktan yang

lebih tinggi.

Pada combustor quartz glass tube batas

mampu nyala terlihat lebih sempit

dibandingkan dengan batas mampu nyala

dalam combustor yang terbuat dari material

tembaga-quartz glass tube dan stainless

steel-quartz glass tube. Seperti dijelaskan

pada bagian sebelumnya mengenai

visualisasi nyala api, fraksi kalor yang

diresirkulasikan untuk pemanasan awal

reaktan melalui konduksi pada pada dinding

combustor lebih kecil pada combustor

quartz glass tube. Hal tersebut dikarenakan

konduktivitas termal quartz glass tube yang

rendah. Sehingga temperatur reaktan pada

combustor ini lebih rendah dari pada kedua

jenis combustor yang lain. Sehingga

temperatur dan kecepatan pembakarannya

lebih rendah dibandingkan dengan

combustor yang lainnya. Hal ini juga akan

mempengaruhi stabilitas api dan luasnya

flammability limit. Temperatur pembakaran

yang lebih rendah mempunyai kestabilan api

yang kurang baik dan flammability limit

yang lebih sempit.

Kesimpulan

1. Warna api dalam combustor dengan

material tembaga-quartz glass tube

lebih terang dan luas penampang

apinya lebih lebar.

2. Pada rasio eqivalen Ф < 1 dan Ф = 1

warna api sama yakni biru gelap,

untuk rasio eqivalen Ф > 1 warna api

menjadi biru kehijauan.

3. Flammability limit pada material

quartz glass tube tidak seluas

combustor dengan material stainless

steel-quartz glass tube dan

tembaga-quartz glass tube.

Daftar pustaka

1. Wardana, ING. 2008. Bahan Bakar

dan Teknologi Pembakaran. PT.

Danar Wijaya Brawijaya University

Press, Malang

2. Lilis Yuliati, Takehiko Seo, Masato

Mikami. 2011. liquid-Fuel

Combustion In A Narrow Tube

Using An Electrospray Technique. 1-

3. journal homepage:

www.elsevier.com/locate/combustfla

me

3. Masato Mikami, Yoshiyuki Maeda,

Keiichiro Matsui, Takehiko Seo,

Lilis Yuliati. 2012. Combustion of

gaseous and liquid fuels in meso-

scale tubes with wire mesh. 1-6.

www.elsevier.com/locate/proci

4. Carlos Fernandez-Pello, 2002.

Micro-Power Generation Using

Combustion: Issues And Approaches,

883-899

5. D. G. Norton, D. G. Vlachos. 2002.

Combustion characteristics and

flame stability at the microscale: a

CFD study of premixed methane/air

mixtures 19716-3110,