Tugas UAS-Tek Pemb -Aerodinamika Pembakaran

11
Aerodinamika Pembakaran Dibuat guna memenuhi tugas akhir mata kuliah Teknologi Pembakaran dengan dosen Ibu Francisca Gayuh Utami ST., MT Oleh:

description

tugas aerodinamika

Transcript of Tugas UAS-Tek Pemb -Aerodinamika Pembakaran

Page 1: Tugas UAS-Tek Pemb -Aerodinamika Pembakaran

Aerodinamika PembakaranDibuat guna memenuhi tugas akhir mata kuliah Teknologi Pembakaran dengan

dosen Ibu Francisca Gayuh Utami ST., MT

Oleh:

MUHAMMAD OKKY ARDIANSYAH A (115060200111047)

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK MESIN

2013

Page 2: Tugas UAS-Tek Pemb -Aerodinamika Pembakaran

Aerodinamika Pembakaran

1.1 Pendahuluan

Pada proses pembakaran , baik itu proses pembakaran yang menggunakan jenis bahan

bakar padat, cair, ataupun gas selalu menghasilkan nyala api. Hampir semua proses

pembakaran secara alami seperti kebakaran maupun pembakaran yang direkayasa di industri,

transportasi, dan sebagainya adalah merupakan proses aerodinamika pembakaran karena

menyangkut gerakan massa atau aliran gas yang berperan dalam proses tersebut. Pada

aerodinamika pembakaran, proses pembakaran akan ditinjau dari aspek aliran gerakan api,

kestabilan nyala, dan transport fenomena yang terjadi dalam proses pembakaran.

2.1 Pembakaran

Secara umum, pembakaran dapat didefinisikan sebagai proses atau reaksi oksidasi yang

sangat cepat antara bahan bakar (fuel) dengan oksidator dengan menimbulkan panas atau

nyala dan panas. Bahan bakar (fuel) merupakan segala substansi yang melepaskan panas ketika

dioksidasi dan secara umum mengandung unsur-unsur karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O),

nitrogen (N), dan sulfur (S). Sementara oksidator adalah segala substansi yang mengandung

oksigen (misalnya udara) yang akan bereaksi dengan bahan bakar (fuel).

Proses pembakaran akan terjadi jika unsur-unsur bahan bakar teroksidasi. Proses ini akan

menghasilkan panas sehingga akan disebut sebagai proses oksidasi eksotermis. Jika oksigen

yang dibutuhkan untuk proses pembakaran diperoleh dari udara, di mana udara terdiri dari

21% oksigen dan 78% nitrogen, maka reaksi stoikiometrik pembakaran hidrokarbon murni

CmHn dapat ditulis dengan persamaan:

Pembakaran juga merupakan gaya pendorong dari gerakan fluida akibat gaya apung yang

Page 3: Tugas UAS-Tek Pemb -Aerodinamika Pembakaran

ditimbulkan oleh perbedaan massa jenis gas yang sangat tinggi antara gas pembakaran dan

udara di sekitar. Dalam teknik pembakaran terdapat ketegori pembakaran difusi dan premix.

2.1.1 Pembakaran Premix

Pembakaran secara premix adalah pembakaran dimana bahan bakar (fuel) bercampur

secara sempurna di dalam burner sebelum dialirkan ke mulut burner dan mulai dibakar

(pengapian). Pengapian diperlukan untuk memberikan sejumlah energi dalam bentuk yang

sesuai, sehingga dapat menilai suatu proses pembakaran. Selanjutnya akan terjadi penjalaran

(propagation) ke campuran, sebagai suatu nyala.

Nyala premix (Premixed flame) dibagi lagi menjadi 2 yaitu nyala api premix laminar

(laminar premixed flame) dan nyala api turbulent (turbulent premixed flame)

2.1.1.1 Nyala Api Premix Laminar (Laminar Premixed Flame)

Nyala 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 yang 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 2.1 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

Page 4: Tugas UAS-Tek Pemb -Aerodinamika Pembakaran

dan keluar dari burner menghasilkan nyala api berbentuk kerucut (cone). Gambar 2.1b

menunjukkan garis aliran relatif terhadap daerah api dan gambar 2.1c 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 2.1b 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 2.1 Nyala api Bunsen (a) Skema burner, (b) Diagram aliran, (c) Garis aliran

dan temperatur pada slot burner

Page 5: Tugas UAS-Tek Pemb -Aerodinamika Pembakaran

Gambar 2.2 : profil nyala api laminar

a. zona pre-heat

Dimana temperature gas yang tidak terbakar meningkat sampai suatu nilai

yang berubah-ubah, dan sedikit panas yang dilepaskan.

b. Zona reaksi

Daerah dimana pembakaran berlangsung dan sebagaian besar energy kimia

dilepaskan.

c. Zona post-flame

Daerah dengan temperature yang tinggi dan pengkombinasian ulang menuju

keseimbanagan setempat.

Gambar 2.3 : contoh nyala api premix laminar

Page 6: Tugas UAS-Tek Pemb -Aerodinamika Pembakaran

2.1.1.2 Nyala Api Premix Turbulent (Turbulent Premixed Flame)

Nyala Api Premix Turbulent (Turbulent Premixed Flame) adalah api premixed yang

menunjukkan beberapa fenomena yang tidak ada di aliran turbulen lainnya. Api premixed jenis

ini cenderung tidak stabil arah alirannya. Nyala api turbulen terjadi pada aplikasi lapangan dan

mempunyai phenomena spektrum yang besar yang juga tergantung pada besarnya temperatur

dan tekanan, dan perbandingan antara bahan bakar dan udara.

Gambar 2.4 : contoh nyala api premix turbulent

2.1.2 Pembakaran Difusi

Pada pembakaran difusi bahan bakar dan oksidan (udara) pada awalnya terpisah. Pembakaran

akan berlangsung pada daerah dimana bahan bakar dan udara kemudian bercampur. Aliran

bahan bakar yang keluar dari ujung nosel akan bercampur dengan udara secara difusi. Jika

diberi pengapian campuran ini akan terbakar bila kosentrasi bahan bakar dan udara terdapat

dalan jangkauan batas nyalanya. Pemunculan dari nyala akan bergantung pada sifat dari bahan

bakar dan kecepatan pancaran bahan bakar terhadap udara disekitarnya. Laju pencampuran

bahan bakar dengan udara lebih rendah dari laju reaksi kimia. Nyala difusi pada suatu

pembakaran cenderung mengalami pergerakan nyala lebih lama dan menghasilkan asap lebih

banyak asap daripada nyala premix. Nyala difusi dapat berupa nyala laminar dan turbulent.

Page 7: Tugas UAS-Tek Pemb -Aerodinamika Pembakaran

2.1.1.1 Nyala Api Difusi Laminar

Bentuk dari nyala difusi dapat dibedakan menjadi dua bentuk nyala berdasarkan perbandingan

diameter nosel pembawa udara. Jika diameter nosel pembawa udara relatif besar, sehingga

dapat memberikan udara yang cukup untuk pembakaran yang sempurna, maka akan terbentuk

overventilated flame yakni batas nyala akan konvergen terhadap sumbu dari nosel. Sebaliknya

jika diameter nosel pembawa udara terlalu kecil, sehingga tidak dapat mensuplai udara yang

cukup untuk pembakaran yang sempurna, maka akan terbentuk underventilated flame

permukaan nyala akan membesar dan menyentuh permukaan dalam permukaan nyala akan

membesar dan menyentuh permukaan dalam nosel pembawa udara. Bentuk overventilated

flame dan underventilated flame

Gambar 2.5 : (a) overventilated flame (b) underventilated flame

2.1.1.1 Nyala Api Difusi Turbulen

Jika laju pancaran bahan bakar pada nyala laminar dipercepat, maka mulai muncul aliran

turbulen. Munculnya turbulen pada ujung nyala (flame tip) akan menyebabkan tinggi nyala

berkurang dengan meningkatnya laju aliran dan mencapai nilai konstan pada nyala yang

turbulen sepenuhnya. Bentuk transisi dari laminar menjadi turbulen terjadi pada saat bilangan

Reynolds aliran (Re) lebih dari 4000. Hubungan antara tinggi momentum nyala nosel sebagai

fungsi kecepatan nosel ditunjukkan sebagai perubahan nyala turbulen. Bentuk nyala turbulen

dapat ditunjukkan pada gambar 2.6 dibawah ini

Page 8: Tugas UAS-Tek Pemb -Aerodinamika Pembakaran

Gambar 2.6 : Nyala turbulen

Turbulensi pada gas yang tidak terbakar akan meningkatkan laju penjalaran nyala pada

campuran bahan bakar-udara. Mekanisme turbulensi akan meningkatkan efisiensi proses

perpindahan (kalor dan senyawa reaksi) sebagai hasil dari pencampuran pada permukaan nyala

(flame front). Dengan demikian kecepatan pembakaran pada campuran turublen tinggi.

3.1 Pembakaran Jelaga

Reaksi pembakaran ini merupakan dasar penggunaan hidrokarbon sebagai penghasil

kalor (gas alam dan minyak pemanas) dan tenaga (bensin), jika oksigen tidak mencukupi untuk

berlangsungnya reaksi yang sempurna, maka pembakaran tidak sempurna terjadi. Dalam hal

ini, karbon pada hidrokarbon teroksidasi hanya sampai pada tingkat karbon monoksida atau

bahkan hanya sampai karbon saja. Contohnya adalah seperti di bawah ini

2CH4 + 3O2 → 2CO + 4H2O

CH4 + O2 → C + 2H2O

Hasil pembakaran tidak sempurna ini ialah karbon monoksida (CO) dan jelaga.

Gambar 2.7 : Jelaga