KARAKTERISASI PEMBAKARAN DROPLET TUNGGAL DENGAN BERBAGAI VARIASI BAHAN BAKAR DAN UKURAN DROPLET UNTUK MENDUKUNG TEORI DASAR SPRAY COMBUSTION

commit to user

KARAKTERISASI PEMBAKARAN DROPLET TUNGGAL DENGAN BERBAGAI VARIASI BAHAN BAKAR DAN UKURAN DROPLET UNTUK MENDUKUNG TEORI

DASAR SPRAY COMBUSTION

SKRIPSI

Oleh:

RUSDAN ADITYA AJI NUGROHO K2514057

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

DESEMBER 2018

commit to user

commit to user iii

KARAKTERISASI PEMBAKARAN DROPLET TUNGGAL DENGAN BERBAGAI VARIASI BAHAN BAKAR DAN UKURAN DROPLET UNTUK MENDUKUNG TEORI

DASAR SPRAY COMBUSTION

Oleh:

RUSDAN ADITYA AJI NUGROHO K2514057

Skripsi

diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Pendidikan pada Program Studi Pendidikan Teknik Mesin

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA DESEMBER 2018

commit to user

commit to user

commit to user vi ABSTRAK

Rusdan Aditya Aji Nugroho. K2514057. Karakterisasi Pembakaran Droplet Tunggal dengan Berbagai Variasi Bahan Bakar dan Ukuran Droplet untuk Mendukung Teori Dasar Spray Combustion. Skripsi, Surakarta: Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sebelas Maret Surakarta, Desember 2018.

Teknologi pembakaran bahan bakar cair memiliki peranan penting dalam penyediaan sebagian besar pasokan energi dunia. Penelitian dalam rangka meningkatkan efisiensi pembakaran pada spray combustion engine telah dilakukan baik secara eksperimen maupun simulasi. Pada fenomena liquid spray combustion, ukuran droplet dalam ruang bakar sangat kecil, berkisar antara 1-25 µm. Ukuran yang sangat kecil tersebut menyebabkan efek gravitasi yang dapat diabaikan atau mendekati microgravity. Oleh karena itu, dalam penelitian ini dilakukan investigasi untuk mengamati perilaku laju penguapan dan laju perambatan bahan bakar sehingga dapat mendukung basic theory spray combustion.

Penelitian ini menggunakan metode eksperimen. Studi literatur tentang spray combustion dilaksanakan pada awal penelitian. Penelitian dilakukan dengan menginjeksikan bahan bakar diatas susunan SiC fiber. Bahan bakar yang digunakan pada penelitian ini adalah biosolar, pertalite, dan n-Decana dengan variasi diameter droplet 0,5 mm ; 1,0 mm ; dan 1,5 mm. Pengujian data dilaksanakan dengan mengamati pembuatan droplet pada microscope dan mengamati laju evaporasi pada setiap droplet dan variasi bahan bakar. Penelitian microgravity dengan menggunakan metode drop tower yang dilakukan untuk mendapatkan hasil berupa waktu dan laju perambatan flame.

Hasil penelitian menunjukkan diameter droplet bahan bakar 0,5 mm ; 1 mm; 1,5 mm diperoleh dengan memutar microsyringe 1,5^o ; 12^o ; dan40^o. Laju evaporasi n-Decana lebih cepat dibandingkan pertalite dan bio solar. Semakin besar diameter bahan bakar, maka semakin lambat laju evaporasi. Waktu perambatan bahan bakar yang paling cepat adalah Bio solar yaitu 0,22 detik. Laju perambatan bahan bakar n-Decana paling cepat yaitu 43,60 mm/s. Dari hasil penelitian ini, dapat disimpulkan bahwa n-Decana lebih cepat terbakar dibandingkan bahan bakar lainnya. Besarnya diameter droplet mempengaruhi laju pembakaran bahan bakar, hal ini dikarenakan adanya perpindahan panas konduksi dan sifat volatility dari bahan bakar.

Kata kunci : Bahan Bakar, Droplet, Microsyringe, Volatility, Microgravity, Spray Combustion.

commit to user vii ABSTRACT

Rusdan Aditya Aji Nugroho. K2514057. Characterization of Single Droplets Combustion with Fuel Variations and Droplets Size to Support Basic Theory Spray Combustion. Thesis, Surakarta: Teacher Training and Education Faculty, Sebelas Maret University of Surakarta, December 2018.

The technology of liquid fuels combustion had an important role in provision the most of world's energy supply. Many research in order to improve combustion efficiency on spray combustion engines had been carried out both experimentally and simultaneously. In the liquid spray combustion phenomenon, the size of droplets in the combustion chamber was very small, ranging from 1-25 µm. This caused a gravitational effect that could be ignored or approached into microgravity. Therefore, this research carried out an investigation to observe the behavior of evaporation rate and fuel propagation rate with the result it could support basic theory spray combustion.

This research was using experimental method. Spray combustion literature studies on were carried out at the beginning of the study. The study was conducted by injecting fuel above in the composition of SiC fiber. The fuels used in this study were biodiesel, pertalite, and n-Decana with droplets diameter variations: 0.5 mm; 1.0 mm; and 1.5 mm. Data testing was carried out by observing the construction of droplets on microscope and observing the evaporation rate in each droplets and fuel variations. Research about microgravity using drop tower method was done to get the results consist of time and flame rate propagation.

The results showed a fuel droplet diameter 0.5 mm; 1 mm; 1.5 mm ware obtained by rotating the microsyringe 1, 5°; 12°; and 40°. The evaporation rate of n-Decana was faster than Bio solar and pertalite. When the diameter of the fuel was greater, therefor the rate of evaporation was low. The propagation time of the fuel the fastest is a Bio Solar 0.22 seconds. The flame rate spread of n- Decana fastest applies 43.60 mm/s. From this study, it could be concluded that n- Decana faster burning than any other fuel. The magnitude of the droplet diameter affects the rate of fuel combustion, this is due to the presence of conduction heat transfer and the nature of the volatility of the fuel.

Keywords: Fuel, Droplets, Microsyringe, Volatility, Microgravity, Combustion Spray.

commit to user viii MOTTO

“Sesungguhnya Allah tidak merubah keadaan suatu kaum sehingga mereka merubah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri.”

(QS. Ar-Ra’d 13:11)

“Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan.”

(QS. Alam Nasyroh: 6)

“Perjuangan akan banyak berarti jika dimulai dari diri sendiri dan dilandaskan dengan keikhlasan”

- Nabi Muhammad SAW -

Tidak ada yang dapat menolong selain Yang Disana, dan tidak ada yang dapat membantu selain Yang Disana

- Ebiet G. Ade -

Kegagalan Terjadi Hanya Ketika Kita Menyerah - B.J. Habibie -

“Dalam hidup banyak suatu pilihan yang harus kita pilih. Maka pilihlah yang menurutmu terbaik dan lakukan dengan sungguh-sungguh.”

“Jadilah Mata Air yang akan terus memberikan kesejukan bagi orang lain.”

-Make The Future-

commit to user ix

PERSEMBAHAN

Bapak Pongi Rusmanto dan Ibu Suharti

“Setiap doa mengiringi langkah ku menempuh gelar S1, berjuang dengan kerja keras kulakukan demi pengorbanan orang tua yang berjuang lebih keras untuk membiayai kuliah. Terimakasih selalu memberi restu pada setiap jalan yang

kupilih dalam memaksimalkan setiap potensi diri.”

Adikku: Reza, Iqbal dan Syifa

“Terimakasih selalu mendukung dan memberi motivasi dalam menyelesaikan studi S1, karena doa kalian juga yang membuatku bisa sampai dalam kondisi

sekarang ini.”

Teruntuk Tim ECCL UNS dan Tim Microgravity Combustion Terimakasih telah membersamai di setiap langkah dan menjadi penghibur dikala

penat. Semoga segala kebaikan dan kerja sama kalian dibalas oleh allah SWT.

Semoga semua sukses di masa depan, Amin.”

Teman PTM angkatan 2014

“Teman seperjuangan selama 4 tahun terakhir yang memberikan cerita hidup baik suka, duka, sedih, bangga, bahagia dan semuanya. Terima kasih atas dukungan

dan kerja samanya. Semoga semua sukses di masa depan, Amin.”

commit to user x

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur peneliti panjatkan kehadirat Allah SWT, yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya berupa ilmu, inspirasi, kesehatan, dan keselamatan. Atas kehendak-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan

judul “KARAKTERISASI PEMBAKARAN DROPLET TUNGGAL

DENGAN BERBAGAI VARIASI BAHAN BAKAR DAN UKURAN

DROPLET UNTUK MENDUKUNG TEORI DASAR SPRAY

COMBUSTION”.

Peneliti menyadari bahwa terselesaikannya skripsi ini tidak terlepas dari bantuan, bimbingan, dan pengarahan dari berbagai pihak. Untuk itu, peneliti menyampaikan terima kasih kepada:

1. Prof. Dr. Joko Nurkamto, M. Pd, Dekan Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sebelas Maret Surakarta.

2. Dr. Indah Widiastuti, S.T., M.Eng., selaku Kepala Program Studi Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Sebelas Maret Surakarta.

3. Dr. Eng Herman Saputro, M.Pd., M.T., selaku Pembimbing I, yang selalu memberikan bimbingan dalam penyusunan skripsi ini.

4. Ir. Husin Bugis, M.Si., selaku Pembimbing II, yang selalu memberikan pengarahan dan bimbingan dalam penyusunan skripsi ini.

5. Semua pihak yang turut membantu dalam penyusunan skripsi ini yang tidak mungkin disebutkan satu persatu.

Peneliti menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan karena keterbatasan penelti. Meskipun demikian, peneliti berharap semoga skripsi ini bermanfaat bagi pembaca dan pengembangan ilmu.

Surakarta, Desember 2018

Penulis

commit to user xi DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PERNYATAAN ... ii

HALAMAN PENGAJUAN ... iii

HALAMAN PERSETUJUAN... iv

HALAMAN PENGESAHAN ... v

ABSTRAK ... vi

ABSTRACT ... vii

HALAMAN MOTTO ... viii

HALAMAN PERSEMBAHAN... ix

KATA PENGANTAR ... x

DAFTAR ISI ... xi

DAFTAR TABEL... xiii

DAFTAR GAMBAR ... xiv

DAFTAR LAMPIRAN ... xvi

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah ... 1

B. Identifikasi Masalah ... 4

C. Pembatasan Masalah ... 4

D. Perumusan Masalah... 5

E. Tujuan Penelitian... 5

F. Manfaat Penelitian... 5

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN KERANGKA BERPIKIR A. Kajian Pustaka ... 7

1. Pembakaran ... 7

2. Bahan Bakar ... 8

3. Nyala Api (Flame) ... 10

4. Pengabutan (Atomisasi) Cairan ... 13

commit to user xii

5. Spray Combustion ... 14

6. Microgravity ... 15

B. Kerangka Berpikir ... 22

C. Hipotesis ... 23

BAB III METODE PENELITIAN A. Tempat dan Waktu Penelitian ... 24

1. Tempat Penelitian ... 24

2. Waktu Penelitian ... 24

B. Desain Penelitian ... 25

C. Teknik Pengumpulan Data ... 26

1. Identifikasi Variabel ... 26

2. Metode Pengumpulan Data ... 29

D. Alat dan Bahan Penelitian ... 30

1. Alat Penelitian dan Pengujian ... 30

2. Bahan Penelitian ... 35

E. Teknik Analisis Data ... 36

F. Prosedur Penelitian ... 37

1. Diagram Alir Penelitian ... 37

2. Studi Pustaka/Literatur ... 38

3. Pelaksanaan Penelitian dan Pengumpulan Data ... 38

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 41

A. Hasil Penelitian ... 41

B. Pembahasan ... 54

BAB V SIMPULAN, IMPLIKASI, DAN SARAN ... 60

A. Simpulan... 60

B. Implikasi ... 60

C. Saran ... 60

DAFTAR PUSTAKA ... 62

LAMPIRAN ... 64

commit to user xiii

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

Tabel 4.1. Laju Evaporasi n-Dekana ... 48

Tabel 4.2. Laju Evaporasi Bio Solar ... 49

Tabel 4.3. Laju Evaporasi Pertalite ... 49

Tabel 4.4. Waktu Perambatan Flame ... 50

Tabel 4.5. Laju Perambatan Flame ... 53

commit to user xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

Gambar 1.1. Konsumsi Energi Dunia ... 1

Gambar 2.1. Diagram Skematik Nyala Api Busen Burner ... 10

Gambar 2.2. Pembakaran Jet Hydrogen Pada Atmosfer... 12

Gambar 2.3. Segitiga Api ... 13

Gambar 2.4. Parameter Semprotan Spray Combustion ... 14

Gambar 2.5. Model Proses Spray Combustion ... 15

Gambar 2.6. Teori Drop Tower... 16

Gambar 2.7. Metode Airplane Flaying Parabolas... 17

Gambar 2.8. Metode Sounding Rocket ... 18

Gambar 2.9. Metode Space Shuttle of International Space Station ... 19

Gambar 2.10. Proses Terjadinya Kondisi Microgravity Pada Nasa 2.2 s ... 20

Gambar 2.11. Perbedaan Flame pada Microgravity dan Kondisi Normal ... 22

Gambar 2.12. Kerangka Berpikir ... 23

Gambar 3.1. Desain Penelitian ... 25

Gambar 3.2. Dudukan Microsyringe ... 26

Gambar 3.3. Wiring Diagram Pemrograman Arduino Uno ... 27

Gambar 3.4. Pemrograman Arduino Uno ... 28

Gambar 3.5. Setting Delay Time Pemrograman Arduino Uno... 28

Gambar 3.6. Drop tower PTM UNS ... 30

Gambar 3.7. Box Experiment ... 31

Gambar 3.8. Aki Motor ... 32

Gambar 3.9. igniter ... 32

Gambar 3.10. Injekor ... 33

Gambar 3.11 Dudukan Sic Fiber ... 33

Gambar 3.12. Kamera Pentax Q ... 34

Gambar 3.13. Mikroskop ... 34

Gambar 3.14. SiC Fiber ... 35

Gambar 3.15. Diagram Alir Penelitian ... 36

Gambar 4.1. Dudukan microsyringe ... 41

commit to user xv

Gambar 4.2. Diameter 0,5 mm ... 43

Gambar 4.3. Diameter 1,0 mm ... 43

Gambar 4.4. Diameter 1,5 mm ... 44

Gambar 4.5. Diameter 0,5 mm ... 45

Gambar 4.6. Diameter 1,0 mm ... 45

Gambar 4.7. Diameter 1,5 mm ... 46

Gambar 4.8. Diameter 0,5 mm ... 47

Gambar 4.9. Diameter 1,0 mm ... 47

Gambar 4.10. Diameter 1,5 mm ... 48

Gambar 4.11. Perambatan Flame n-Decana dengan S/d0 7 ... 50

Gambar 4.12. Proses Perambatan Flame n-Decana 1,0 mm dengan S/d0 7 ... 51

Gambar 4.13. Proses Perambatan Flame n-Decana 1,5 mm dengan S/d0 7 ... 51

Gambar 4.14. Proses Perambatan Flame Bio Solar 0,5 mm dengan S/d0 7 ... 51

Gambar 4.15. Proses Perambatan Flame Bio Solar 1,0 mm dengan S/d0 7 ... 52

Gambar 4.16. Proses Perambatan Flame Bio Solar 1,5 mm dengan S/d0 7 ... 52

Gambar 4.17. Proses Perambatan Flame Pertalite 0,5 mm dengan S/d0 7... 52

Gambar 4.18. Proses Perambatan Flame Pertalite 1,0 mm dengan S/d0 7... 53

Gambar 4.19. Proses Perambatan Flame Pertalite 1,5 mm dengan S/d0 7... 53

Gambar 4.20. Laju Evaporasi pada Bahan Bakar n-Decana ... 54

Gambar 4.21. Laju Evaporasi pada Bahan Bakar Pertalite ... 55

Gambar 4.22. Laju Evaporasi pada Bahan Bakar Bio Solar ... 55

Gambar 4.23. Pengaruh Jenis Bahan Bakar terhadap Laju Evaporasi ... 56

Gambar 4.24. Waktu Perambatan Pembakaran Droplet ... 57

Gambar 4.25. Laju Kecepatan Perambatan Flame... 58