Hery Sonawan1), Sutrisna
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Pasundan Bandung Jl. Setiabudi No. 193, Bandung 40153
Phone: 62-22-2019352, Fax: 62-22-2019349
E-mail :hsonawan@ymail.com 1)
ABSTRAK
Penelitian tentang desain pembakar berbahan bakar LPG dengan menerapkan metode desain faktorial telah dilakukan. Pembakar berbahan bakar LPG dirancang untuk menggantikan peran dari pembakar berbahan bahar minyak tanah/solar. Penggunaan LPG sebagai bahan bakar dinilai lebih ekonomis dan memiliki nilai kalor lebih tinggi dibandingkan minyak tanah atau solar.
Perancangan pembakar berbahan bakar LPG yang menerapkan desain faktorial ini ditujukan untuk mendapatkan sebuah desain pembakar yang mampu menghasilkan panjang nyala api terbesar. Dalam prakteknya, untuk menghasilkan nyala api yang panjang harus dibantu dengan tiupan udara dari sebuah blower. Secara teoritik, proses pembakaran di ujung nosel pembakar dapat dilakukan dengan baik apabila sebelumnya telah terjadi pencampuran yang cukup antara udara dan LPG di dalam pipa pencampur. Pencampuran gas LPG dengan udara dari tiupan blower harus berada dalam kondisi proporsional agar nyala api tetap terjaga. Pengaturan volume udara yang harus dicampurkan dengan gas LPG dalam pembakar ini dilakukan oleh lubang udara yang divariasikan 2 dan 4 buah lubang.
Dalam desain faktorial untuk memperoleh nyala api terpanjang ini, parameter-parameter yang diuji adalah panjang pipa pencampur (250 mm dan 300 mm), diameter lubang nosel (2 mm dan 3 mm), dan jumlah lubang udara (2 lubang dan 4 lubang berdiameter 10 mm). Setelah diuji dengan desain faktorial 23, parameter diameter lubang nosel merupakan parameter yang paling berpengaruh terhadap panjang nyala api, diikuti oleh panjang pipa pencampur dan jumlah lubang udara. Panjang nyala api sepanjang 500 mm telah dihasilkan oleh pembakar dengan diameter nosel 3 mm dan panjang pipa pencampur 250 mm.
Kata kunci: pipa pencampur, nosel, lubang udara, desain faktorial 1. PENDAHULUAN
Proses peleburan logam umumnya diawali dengan tahapan pembuatan cetakan dan peleburan logam. Dalam peleburan logam berskala kecil seringkali menggunakan jenis tungku krusibel sebagai alat untuk mengubah logam padat menjadi cairan. Sebagai sumber panas digunakan nyala api yang merupakan hasil pembakaran bahan bakar minyak. Dahulu saat minyak tanah masih mudah diperoleh dan berharga murah, jenis BBM ini menjadi pilihan alternatif selain solar. Akan tetapi saat ini, jenis bahan bakar minyak itu sudah menjadi barang yang mahal sehingga tidak ekonomis apabila dipilih sebagai bahan bakar dalam peleburan logam. Untuk meleburkan logam di dalam tungku krusibel, dibutuhkan sebuah alat pembakar (burner) sebagai penghasil nyala api. Karena sudah menjadi barang mahal, minyak tanah tidak lagi dipilih sebagai bahan bakar dalam alat pembakar. Tentu saja dengan memilih bahan bakar lain maka dibutuhkan juga jenis alat pembakar baru yang disesuaikan dengan bahan bakar yang digunakan. Pembakar berbahan bakar LPG dirancang untuk menggantikan peran dari pembakar berbahan bahar minyak tanah/solar. Penggunaan LPG sebagai bahan bakar saat ini dinilai lebih ekonomis dan memiliki nilai kalor lebih tinggi dibandingkan minyak tanah atau solar. Oleh karena itu, dalam makalah ini, akan dipaparkan sebuah hasil penelitian berupa rancangan baru alat pembakar berbahan bakar LPG sebagai alternatif pengganti pembakar berbahan bakar minyak tanah/solar.
Penelitian ini ditujukan untuk mendapatkan sebuah desain pembakar yang mampu menghasilkan panjang nyala api
terbesar. Dalam prakteknya, untuk menghasilkan nyala api yang panjang harus dibantu dengan tiupan udara dari sebuah blower. Tiupan udara berlebih itu diprediksi akan menghasilkan nyala oksidasi yang bercirikan nyala api panjang dan berwarna kebiruan. Nyala api ini akan dibangkitkan di ujung nosel pembakar. Secara teoritik, proses pembakaran di ujung nosel pembakar dapat dilakukan dengan baik apabila sebelumnya telah terjadi pencampuran yang cukup antara udara dan LPG di dalam pipa pencampur. Pencampuran gas LPG dengan udara dari tiupan blower harus berada dalam kondisi proporsional agar nyala api tetap terjaga. Proses pencampuran dan pengaturan perbandingan udara dan bahan bakar dalam pembakar LPG merupakan fokus dari penelitian ini. Proses pencampuran udara dan bahan bakar dilakukan di dalam pipa pencampur yang divariasikan berdasarkan panjangnya. Perbandingan udara dan bahan bakar dalam hal ini pengaturan volume udara dilakukan oleh lubang udara yang divariasikan 2 dan 4 buah lubang. Kemudian debit campuran udara yang keluar dari nosel pembakar akan menentukan panjang nyala api yang dihasilkan dan ini dinyatakan dengan diameter nosel, yang divariasikan 2 dan 3 mm. Ketiga parameter itu adalah parameter yang akan diuji untuk memperoleh sebuah desain pembakar yang menghasilkan panjang nyala api terbesar.
2. METODOLOGI
Berdasarkan kajian teoritik, panjang nyala api dari sebuah pembakar dipengaruhi diantaranya oleh proses pencampuran udara dan bahan bakar, perbandingan udara dan bahan bakar
serta debit gas LPG yang dihembuskan dari nosel. Ketiga
parameter itu disusun berdasarkan desain faktorial 23.
Masing-masing parameter divariasikan dalam 2 level dan ditunjukkan dalam tabel 1. Setiap parameter diuji dengan dua level, nilai rendah (-) dan nilai tinggi (+). Setiap nilai level ditentukan secara acak.
Tabel 1. Parameter Uji dan Nilai Level dalam Desain Faktorial 23. PPP (mm) DLN (mm) JLU (buah) - 250 2 2 + 300 3 4 Dimana:
PPP = panjang pipa pencampur. DLN = diameter lubang nosel. JLU = jumlah lubang udara.
Secara skematik, model dari pembakar LPG yang akan diuji diperlihatkan dalam Gambar 1.
Gambar 1. Model Pembakar LPG
Model pembakar terdiri dari bagian-bagian seperti pipa saluran gas LPG dan keran, pipa saluran suplay udara, nosel gas LPG, pipa pencampur, lubang udara dan nosel pembakar. Udara yang dialirkan oleh sebuah blower bercampur dengan gas LPG di dalam saluran/pipa pencampur. Jumlah udara yang bercampur ini hanya sebagian kecil dari udara yang dialirkan oleh blower dan udara ini merupakan udara primer. Sebagian besar udara akan mengalir di sisi luar dari pipa pencampur dan ini dikenal dengan udara sekunder. Besarnya debit udara primer dan sekunder akan diatur oleh pelat berlubang yang diletakan diluar pipa pencampur.
Setelah menentukan parameter uji dan menyusun desain faktorial seperti dalam Tabel 2, langkah selanjutnya me- nyiapkan prototipe pembakar yang telah dilengkapi dengan,
a. Dua buah pipa pencampur dengan panjang 250 mm dan
300 mm.
b. Dua buah nosel gas LPG berdiameter 2 mm dan 3 mm,
dan
c. Dua buah pelat berlubang dengan 2 dan 4 buah lubang kecil.
Peralatan lain yang dibutuhkan selain pembakar LPG
yaitu tabung gas LPG 3 kg, regulator tekanan rendah, selang gas dan penggaris logam untuk mengukur panjang nyala api.
Gambar 2. Prototipe Pembakar LPG
Panjang nyala api yang dihasilkan dari pembakar dapat diperoleh dari eksperimen berdasarkan urutan dalam Tabel 2. Selanjutnya untuk memperoleh desain pembakar dengan panjang nyala api terbesar perlu dilakukan optimasi dengan melakukan eksperimen lanjutan yaitu dengan mengatur parameter yang paling berpengaruh.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian pada model pembakar LPG dilakukan dengan mengikuti desain 18able18ial seperti dalam tabel 2, begitu juga dengan panjang nyala api terukur. Panjang nyala api diukur dari ujung nosel pembakar hingga ujung nyala api yang terbentuk.
Tabel 2. Hasil Pengukuran Panjang Nyala Api
RUN PPP DLN JLU PANJANG API
(mm) 1 250 2 2 250 2 300 2 2 240 3 250 3 2 450 4 300 3 2 350 5 250 2 4 280 6 300 2 4 250 7 250 3 4 500 8 300 3 4 350
Data dalam Tabel 2 diolah lebih lanjut menggunakan algoritma Yates untuk memperoleh pengaruh dari parameter PPP, DLN dan JLU terhadap panjang nyala api. Hasil pengolahan dengan algoritma Yates disajikan dalam tabel 3. Tabel 3 memperlihatkan angka-angka yang menunjukkan bahwa urutan dari tiga parameter tunggal yang berpengaruh terhadap panjang nyala api adalah DLN, PPP dan JLU. Panjang nyala api rata-rata hasil eksperimen adalah 333,75 mm. Apabila dalam desain pembakar ini, panjang pipa pencampur (PPP) diubah dari 300 mm menjadi 250 mm maka akan menghasilkan pertambahan panjang nyala api sebesar 72,5 mm. Keran gas LPG Pipa Pencampur Lubang Udara Nosel gas LPG Saluran Suplay Udara Nosel Pembakar
Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia
Tabel 3. Pengolahan Data untuk Melihat Pengaruh dari PPP, DLN dan JLU terhadap Panjang Nyala Api.
Perubahan diameter lubang nosel (DLN) dari 2 mm menjadi 3 mm akan menghasilkan pertambahan panjang nyala api sebesar 157,5 mm. Hasil lainnya menunjukkan bahwa perubahan jumlah lubang udara (JLU) dari 2 lubang menjadi 4 buah lubang dapat menghasilkan pertambahan panjang nyala api sebesar 22,5 mm. Dengan demikian dari ketiga parameter yang diuji, parameter diameter lubang nosel merupakan parameter yang paling berpengaruh terhadap panjang nyala api, sedangkan panjang pipa pencampur dan jumlah lubang udara berturut-turut merupakan parameter berpengaruh kedua dan ketiga.
Eksperimen tahap kedua perlu dilakukan untuk melihat apakah terdapat kecenderungan dengan mengubah diameter nosel akan diperoleh nyala api lebih panjang dari yang sudah diperoleh dari eksperimen pertama. Dalam eksperimen pertama, dengan memperbesar diameter nosel LPG dari 2 mm menjadi 3 mm ternyata menghasilkan panjang nyala api lebih besar. Memperbesar diameter nosel dalam hal ini menambah debit gas LPG yang akan dicampur dalam pipa pencampur. Apabila hipotesis ini benar maka nyala api cenderung semakin panjang apabila debit gas LPG makin diperbesar. Oleh karena itu dalam eksperimen tahap dua ini diameter nosel LPG diperbesar menjadi 4 mm. Pembakar akan diuji kembali dengan menerapkan desain faktorial yang disusun seperti dalam tabel 4.
Tabel 4. Desain Faktorial dengan Diameter Lubang Nosel LPG 4 mm. RUN PPP (mm) DLN (mm) JLU (buah) PANJANG API (mm) 1 250 4 2 440 2 300 4 2 360 3 250 4 4 500 4 300 4 4 350
Hasil eksperimen tahap kedua membuktikan hipotesis bahwa dengan memperbesar debit LPG akan menghasilkan nyala api lebih panjang. Walaupun nyala api terpanjang tetap 500 mm akan tetapi secara keseluruhan dilihat dari nilai rata-ratanya, telah diperoleh nyala api lebih panjang dari rata-rata 333,75 mm menjadi 412,5 mm (Tabel 5). Walaupun demikian, peningkatan panjang nyala api rata-rata tidak begitu diharapkan. Yang diinginkan adalah satu kondisi desain dimana nyala api paling panjang.
Eksperimen tahap dua ini tidak memberikan hasil lebih baik dari eksperimen pertama. Salah satu yang mem- pengaruhinya adalah bahwa tekanan gas LPG dari dalam tabung gas tidak memberikan perubahan berarti terhadap debit jika diameter nosel diperbesar. Hal ini disebabkan oleh penggunaan regulator tekanan rendah pada tabung LPG. Regulator jenis ini hanya mampu menghasilkan tekanan berkisar 2,8 kPa ± 0,47 kPa [3]. Dengan penggunaan regulator ini, debit gas LPG yang dihasilkan tidak memberi- kan perbedaan signifikan untuk pemakaian diameter nosel 3 mm dan 4 mm. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, perlu dilakukan penelitian lebih lanjut yaitu dengan meng- ganti regulator tekanan rendah dengan jenis tekanan tinggi.
Tabel 5. Pengaruh dari PPP dan JLU terhadap Panjang Nyala Api, dengan DLN = 4 mm.
4. KESIMPULAN
Beberapa kesimpulan dari penelitian ini antara lain:
1. Desain pembakar berbahan bakar LPG telah berhasil
dibuat dan menghasilkan panjang nyala api terbesar 500 mm.
2. Model pembakar yang menghasilkan panjang nyala api
terbesar merupakan kombinasi dari panjang pipa pencampur 250 mm, diameter nosel 3 mm dan jumlah lubang udara 4 buah lubang.
DAFTAR PUSTAKA
[1] El-Mahallawy F., El-Din Habik, Fundamental and
Technology of Combustion, Elsevier Ltd., 2002.
[2] Box, George E.P., Statistics for Experimenters, Second
Edition, 2005.