PENGARUH PUSARAN
TERHADAP KARAKTERISTIK PEMBAKARAN DIDALAM PEMBAKAR MESO DURALUMIN-QUARTZ
TUGAS AKHIR
Diajukan kepada
Universitas Muhammadiyah Malang Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin
OLEH :
LUKMAN HERU SETIAWAN NIM: 201510120311178
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2021
ii
iii
iv
v
vi
ABSTRAK
Setiawan, Lukman. Heru. 2021. PENGARUH PUSARAN TERHADAP KARAKTERISTIK PEMBAKARAN DIDALAM PEMBAKAR MESO DURALUMIN-QUARTZ. Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Malang. Pembimbing : I. Dr. Ir. Achmad Fauzan Hery Soegiharto, MT., II. Murjito, ST., MT.
Kata Kunci: Mesoscale Combustor, Pusaran Resirkulator, Flammability Limit, Visualisasi, Temperatur
Panas dihasilkan dari sebuah nyala pembakaran. Nyala dipertahankan dengan
penambahan pusaran pada sirkulasi panas agar tetap stabil. Tujuan penelitian mengetahui pengaruh pusaran terhadap karakteristik pembakaran didalam pembakar meso duralumin-quartz. Mesoscale combustor terbuat dari duraluminium. quart glass tube berdiameter dalam 3,5 mm. Bagian resirkulator sebagai ruang percampuran udara dan bahan bakar. Penggunaan dua resirkulator yang berbeda luasan yang diterapkan pada masing-masing combustor dan menggunakan bahan bakar heksana dan butana. Hasil menunjukan dengan bahan bakar heksana (cair) pada combustor A, nyala berhasil distabilkan pada rasio ekuivalen ɸ 0,73-1,28 hingga kecepatan maksimum U 33,23 cm/s. Sedangkan pada combustor B antara ɸ 0,76-0,98 dengan kecepatan maksimum 32,03 cm/s.
Sedangkan bahan bakar gas pada combustor A nyala dapat stabil pada rasio ekuivalen ɸ0,73-1,29 dan mencapai temperatur hingga nyala 968,9oC. Sedangkan pada mesocombustor tipe B memiliki stabilitas nyala pada rasio ekuivalen ɸ0,70- 1,37 dengan temperatur mencapai 945,6oC. Hal ini karena bahan bakar gas lebih mudah tercampurnya dengan udara. Panas reaktan juga lebih tetap terjaga pada temperatur nyala (flash point), sehingga reaksi pembakaran terjadi lebih cepat.
vii
ABSTRACT
Setiawan, Lukman. Heru. 2021. THE INFLUENCE OF RE-CIRCULATOR SWIRL TO THE CHARACTERISTICS OF COMBUSTION IN DURALUMIN- QUARZ MESO COMBUSTOR. Thesis, Department Of Mechanical Engineering, Faculty Of Engineering, University Of Muhammadiyah Malang.
Adviser : I. Dr. Ir. Achmad Fauzan Hery Soegiharto, MT., II. Murjito, ST., MT.
Keywords: Mesoscale Combustor, Resirkulator Swirl, Flammability Limit, Visualization, Temperature
Heat is generated from a burning flame. The flame is maintained by adding a cyclone to the heat circulation to keep it stable. The research objective was to determine the effect of adding a cyclone to the mixture of fuel and air in the heat recirculator with flame stability and flame visualization. The mesoscale combustor is made of a duraluminium-quart glass tube with an inner diameter of 3.5 mm. The recirculator part is used as a mixing chamber for air and fuel. The use of two recirculators of different sizes is applied to each combustor and uses hexane and butane fuels. The results show that with hexane (liquid) fuel on combustor A, the flame is successfully stabilized at an equivalent ratio of ɸ 0.73- 1.28 up to a maximum speed of U 33.23 cm / s. While the combustor B between ɸ 0.76-0.98 with a maximum speed of 32.03 cm / s. While gas fuel in combustor A flame can be stable at an equivalent ratio of ɸ0.73-1.29 and reach temperatures up to 968.9oC. Whereas the mesocombustor type B has flame stability at an equivalent ratio of ɸ0.70-1.37 with temperatures reaching 945.6oC. This is because natural gas is more easily mixed with air. The heat of the reactants is also better maintained at the flash point, so that the combustion reaction occurs faster.
viii
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat dan hidayahNya penulis dapat menyelesaikan naskah Tugas Akhir yang berjudul : Pengaruh Pusaran Terhadap Karakteristik Pembakaran Didalam Pembakar Meso Duralumin-Quartz.
Dalam tulisan naskah Tugas Akhir ini disajikan pokok-pokok bahasan yang meliputi :
BAB I Pendahuluan : menjelaskan latar belakang penelitian, rumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah penelitian, manfaat penelitian.
BAB II Tinjauan Pustaka : beberapa teori yang digunakan dalam pembahasan penelitian ini diantaranya micropower generator dan mesoscale combustor, pembakaran, reaksi pembakaran, reaktan, flammability limit, sifat api,dll., menjelaskan beberapa penelitian terdahulu yang telah dilakukan
BAB III Metode Penelitian : menjelaskan tentang metode, tempat/waktu, alat dan bahan, variabel, dan prosedur penelitian.
BAB IV Hasil dan Pembahasan : berisikan proses pengolahan dan perhitungan data hingga pembahasan dari hasil penelitian.
BAB V Kesimpulan dan Saran : berisi hasil akhir dari penelitian/yang dicapai dan beberapa saran untuk mengembangkan penelitian selanjutnya.
Penulisan naskah skripsi ini diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan akademik Program Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang. Selama menjalani proses pendidikan akademik, berbagai pihak telah memberikan fasilitas, membantu, dan membimbing penulis, oleh karena itu khususnya kepada :
1. Orang tua beserta keluarga yang telah memberikan moral maupun materi serta memberikan doa tiada henti kepada penulis
2. Bapak Dr. Ir. Achmad Fauzan HS, MT selaku dosen pembimbing I dan Bapak M. Irkham Mamungkas, ST. MT selaku dosen pembimbing II, yang telah membimbing hingga tugas akhir ini selesai.
3. Bapak Murjito, ST, MT selaku ketua Jurusan dan Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Malang yang telah
ix
memberikan bimbingan dan pengetahuan yang sangat bermanfaat selama proses perkuliahan.
4. Tim micro combustion : Adi Suyanto , Lukman Heru S, Trisya Nindhasari terima kasih atas kerjasamanya dalam melakukan penelitian.
5. Seluruh teman seangkatan 2015, terutama teman-teman Wet Underwears Crew (STC) yang memberikan dorongan untuk menyelesaikan tugas akhir ini.
6. Serta pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu yang telah membantu memberikan dukungan.
Sangat disadari bahwa naskah tugas akhir ini masih banyak kekuranganya, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran yang membangun agar tulisan ini lebih sempurna dan bermanfaat bagi yang memerlukanya.
Penulis,
x
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL………... i
LEMBAR PENGESAHAN………... ii
LEMBAR ASISTENSI I……….……….. iii
LEMBAR ASISTENSI II……….. iv
SURAT PERNYATAAN KEASLIAN TULISAN……….. v
ABSTRAK……….. vi
ABSTRACT………...…………. vii
KATA PENGANTAR………..…... viii
DAFTAR ISI……….. x
DAFTAR GAMBAR………... xii
DAFTAR TABEL………... xiv
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang………... 1
1.2 Rumusan Masalah……….. 3
1.3 Tujuan Masalah………. 3
1.4 Batasan Masalah………... 3
1.5 Manfaat Penelitian………... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Micro Power Generator dan Mesoscale Combustor………... 5
2.2 Pembakaran………... 6
2.2.1 Reaksi Kimia Pada Proses Pembakaran……….. 7
2.2.2 Rasio Bahan Bakar dan Udara (Air Fuel Ratio)………. 7
2.2.3 Rasio Udara Bahan Bakar……… 8
2.2.4 Rasio Ekuivalen (ɸ)………..……… 9
2.2.5 Laju Aliran Reaktan………... 10
2.3 Reaktan………..……….. 10
2.3.1 Oksidator………....………… 11
2.3.2 Butana……… 11
2.3.3 Heksana………..……… 11
2.4 Fenomena Nyala Api………... 12
2.5 Duralumin……… 13 Halaman
xi
2.6 Penelitian Sebelumnya……… 14
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat Dan Waktu Pelaksanaan……… 17
3.2 Alat dan Bahan Penelitian………... 17
3.3 Variabel Penelitian……….. 22
3.4 Skema Instalasi Penelitian………... 24
3.5 Prosedur Pengambilan Data……… 25
3.6 Diagram Alir Penelitian……….. 27
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Hasil Penelitian………... 28
4.2 Pengolahan Data Flammability Limit………. 35
4.2.1 Perhitungan Air Fuel Ratio Stoichiometric (afrstoic)……… 35
4.2.2 Perhitungan Rasio Ekuivalen (ɸ)……….. 37
4.2.3 Perhitungan Kecepatan Aliran Reaktan (ɸ)………. 41
4.3 Pengambilan Data Visulisasi dan Temperatur Nyala………. 49
4.4 Visualisasi dan Temperatur Nyala……….. 58
4.4.1 Hasil Pengambilan Data Visualisasi dan Temperatur Nyala…… 58
4.4.2 Temperatur Nyala……….. 63
4.5 Diskusi dan Pembahasan Hasil Penelitian……….. 67
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan……….. 69
5.2 Saran……… 69 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 The Fire Triangle………... 6
Gambar 2.2 Mesocombustor tipe A tembaga……… 14
Gambar 2.3 Mesocombustor tipe B tembaga……… 15
Gambar 2.4 Mesocombustor tipe C tembaga……… 15
Gambar 2.5 Visualisasi api di dalam jenis mesocombustor A……….. 16
Gambar 3.1 Dimensi mesoscale combustor A (satuan : mm)………. 18
Gambar 3.2 Dimensi mesoscale combustor A (satuan : mm)………. 18
Gambar 3.3 Flame holder 8 line……… 18
Gambar 3.4 Lem keramik………. 19
Gambar 3.5 Syringe pump dan Syringe 1 ml……… 19
Gambar 3.6 Picso tube………...……… 20
Gambar 3.7 Kamera……….…..……… 20
Gambar 3.8 Butana……… 20
Gambar 3.9 Heksana………. 21
Gambar 3.10 Flowmeter……… 21
Gambar 3.11 Thermocouple……….. 22
Gambar 3.12 Kompresor………... 22
Gambar 3.13 Skema Instalasi Penelitian Butana……….. 24
Gambar 3.14 Skema Instalasi Penelitian Heksana……… 24
Gambar 4.1 Grafik kalibrasi debit udara (air flowmeter)……….. 32
Gambar 4.2 Grafik kalibrasi debit bahan bakar gas (fuel flowmeter)…………. 32
Gambar 4.3 Grafik kalibrasi debit bahan bakar cair (syringe pump)………….. 32
Gambar 4.4 Grafik batas nyala (flammability limit)………. 47
Gambar 4.5 Titik pengambilan visualisasi dan temperatur nyala gas butane…... 50
No.
Gambar
Judul Gambar Halaman
xiii
Gambar 4.6 Titik pengambilan visualisasi dan temperatur nyala cair heksana……….. 51 Gambar 4.7 Visualisasi dan temperatur nyala bahan bakar butana ɸ konstan….. 58 Gambar 4. 8 Visualisasi dan temperatur nyala bahan bakar butana U konstan………... 59 Gambar 4.9 Visualisasi dan temperatur nyala bahan bakar heksana ɸ konstan………... 60 Gambar 4.10 Visualisasi dan temperatur nyala bahan bakar heksana U konstan………... 61 Gambar 4.11 Temperatur nyala combustor A dan B butana, rasio ekuivalen konstan………... 63 Gambar 4.12 Temperatur nyala combustor A dan B butana, kecepatan konstan………... 64 Gambar 4.13 Temperatur nyala combustor A dan B heksana, rasio ekuivalen konstan………... 65 Gambar 4.14 Temperatur nyala combustor A dan B heksana, kecepatan konstan……….. 66 Gambar 4.15 Ilistrasi aliran campuran udara……… 67 Gambar 4.16 Ilustrasi aliran campuran udara……… 67
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Klasifikasi jenis pembakaran………... 5 Tabel 2.2 Komposisi / Pencampuran Udara Kering……… 7 Tabel 4.1 Data flammability limit combustor A bahan bakar butana (gas)……. 28 Tabel 4.2 Data flammability limit combustor B bahan bakar butana (gas)……. 29 Tabel 4.3 Data flammability limit combustor A bahan bakar heksana (cair)….. 29 Tabel 4.4 Data flammability limit combustor B bahan bakar heksana (cair)….. 29 Tabel 4.5 Data Kalibrasi Syringe Pump……… 30 Tabel 4.6 Data Kalibrasi Flowmeter bahan bakar gas……….. 30 Tabel 4.7 Data Kalibrasi Flowmeter Udara………... 31 Tabel 4.8 Data flammability limit combustor A bahan bakar gas setelah konversi………. 33 Tabel 4.9 Data flammability limit combustor B bahan bakar gas setelah konversi………. 34 Tabel 4.10 Data flammability limit combustor A bahan bakar cair setelah konversi………. 34 Tabel 4.11 Data flammability limit combustor A bahan bakar cair setelah konversi………. 34 Tabel 4.12 Densitas Uap Heksana………. 42 Tabel 4.13 Hasil perhitungan data flammability limit combustor A (butana)…... 45 Tabel 4.14 Hasil perhitungan data flammability limit combustor B ( butana)….. 45 Tabel 4.15 Hasil perhitungan data flammability limit combustor A ( heksana)... 46 Tabel 4.16 Hasil perhitungan data flammability limit combustor B ( heksana)... 46 Tabel 4.17 Hasil perhitungan titik pengambilan visualisasi dan temperatur
butana……… 57
No.
Tabel
Judul Tabel Halaman
TAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Daftar Riwayat Hidup Lampiran 2 Rancangan Desain Alat Lampiran 3 Naskah Publikasi (JEMMME) Lampiran 4 Naskah PPT (Seminar dan Ujian TA)
DATAR PUSTAKA
1. Heri Soegiharto, A.F.e.a., The Role of Liquid Fuels Channel Configuration on the Combustion Inside Cylindrical Mesoscale Combustor. Energy and Combustion, 2017. 2017: p. 1-9. DOI: 10.1155/2017/3679679.
2. Mustafa, K.F., et al., A review of combustion-driven thermoelectric (TE) and thermophotovoltaic (TPV) power systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017. 71: p. 572-584. DOI: 10.1016/j.rser.2016.12.085.
3. Heywood, J.B., Internal Combustion Engines Fundamentals. 1988 New York, St Louis, San Francisco, Auckland, Bogoti, Caracas, Lisbon, London Madrid, Mexico, City, Milan, Montreal, New Delhi, San Juan, Singapore, Sydney, Tokyo, Toronto: McGraw-Hill, Inc.
4. Heywood, J.B.L.a., Internal Combustion Engines Fundamentals,New York St. Louis San Francisco Auckland Bogoti Caracas Lisbon London Madrid Mexico City Milan Montreal New Delhi San Juan Singapore Sydney Tokyo Toronto. combustion, 1988. 621(43): p. 87-15251.
5. Ridho, M.R., PEMBAKARAN HEKSANA DI DALAM MESO-SCALE COMBUSTOR MENGGUNAKAN RUANG PENGUAP, RUAS PEMISAH STAINLESS STEEL DAN FLAME HOLDER. Microcombustor, 2018.
6. Rajasegar, R., et al., Development and Characterization of Additive- Manufactured Mesoscale Combustor Array. Journal of Energy Engineering, 2018. 144(3): p. 04018013. DOI: 10.1061/(asce)ey.1943- 7897.0000527.
7. DuttaRoy, R., S.R. Chakravarthy, and A.K. Sen, Experimental investigation of flame propagation and stabilization in a meso-combustor with sudden expansion. Experimental Thermal and Fluid Science, 2018.
90: p. 299-309. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2017.09.008.
8. Gan, Y., et al., Electro-spraying and catalytic combustion characteristics of ethanol in meso-scale combustors with steel and platinum meshes.
Energy Conversion and Management, 2018. 164: p. 410-416. DOI:
10.1016/j.enconman.2018.03.018.
9. Mahandari, C.P. and M.K. Dhiputra†, Flame Lift-up on A Bunsen Burner;
A Preliminary Study. 2010.
10. Heri Soegiharto, A.F.e.a., THE USE OF HEAT CIRCULATOR FOR FLAMMABILITY IN MESOSCALE COMBUSTOR. Open Journal of Energy Efficiency, 2019. 98: p. 9. DOI: DOI:10,15587/1729- 4061.2019.155347.
11. Vijayan, V.G., A.K., Thermal performance of a meso-scale liquid-fuel combustor. Applied Energy, 2011. 88(7): p. 2335-2343.
12. Yuliati, L., Flame Stability of Gaseous Fuel Combustion inside Meso- Scale Combustor with Double Wire Mesh. Applied Mechanics and Materials, 2014. 664: p. 231-235. DOI:
10.4028/www.scientific.net/AMM.664.231.
13. Abdul Munir, F., et al., Quantifying Heat Losses in Micro Combustor with Wire Mesh Using Numerical Simulation. Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, 2020. 70(1): p. 37-45. DOI:
10.37934/arfmts.70.1.3745.
14. Chou, S.K., et al., Development of micro power generators – A review.
Applied Energy, 2011. 88(1): p. 1-16. DOI:
10.1016/j.apenergy.2010.07.010.
15. Yang, W., et al., Effect of reduced pressures on the combustion efficiency of lean H 2 /air flames in a micro cavity-combustor. International Journal of Hydrogen Energy, 2016. 41(34): p. 15354-15361. DOI:
10.1016/j.ijhydene.2016.06.208.
16. Ning, D., et al., Experimental investigation on non-premixed methane/air combustion in Y-shaped meso-scale combustors with/without fibrous porous media. Energy Conversion and Management, 2017. 138: p. 22-29.
DOI: 10.1016/j.enconman.2017.01.065.
17. Maruta, K., Micro and mesoscale combustion. Proceedings of the Combustion Institute, 2011. 33(1): p. 125-150. DOI:
10.1016/j.proci.2010.09.005.
18. Soegiharto, A.F.H., Sudarman, and H. Supriyanto, PENGARUH MATERIAL SIRKULATOR KALOR TERHADAP KESTABILAN NYALA
PEMBAKARAN BUTANA DI DALAM PEMBAKAR SKALA MESO.pdf.
Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) ISSN (Cetak) 2527-6042 eISSN (Online) 2527-6050., 2019.
19. Pourali, M., J.A. Esfahani, and S.A. Fanaee, Two-dimensional analytical investigation of conjugate heat transfer in a finite-length planar micro- combustor for a hydrogen-air mixture. International Journal of Hydrogen Energy, 2019. 44(23): p. 12176-12187. DOI:
10.1016/j.ijhydene.2019.03.150.
20. Chen, J., et al., Effect of heat recirculation on the combustion stability of methane-air mixtures in catalytic micro-combustors. Applied Thermal Engineering, 2017. 115: p. 702-714. DOI:
10.1016/j.applthermaleng.2017.01.031.
21. Setiadji, B.H., et al., Flame stability and behavior inside meso-scale combustor with different flame holder. MATEC Web of Conferences, 2018. 159: p. 02011. DOI: 10.1051/matecconf/201815902011.
22. Kusumaningsih, H., et al., The Effect of The Inlet Reactant Direction on Circular Disk Combustor Characteristics. IOP Conference Series:
Materials Science and Engineering, 2019. 494: p. 012051. DOI:
10.1088/1757-899x/494/1/012051.
23. Ellzey, J.L., E.L. Belmont, and C.H. Smith, Heat recirculating reactors:
Fundamental research and applications. Progress in Energy and Combustion Science, 2019. 72: p. 32-58. DOI:
10.1016/j.pecs.2018.12.001.
24. Yan, Y., et al., The Effect of Inlet Velocity on CH4
Catalytic Combustion Behavior with H2 Addition in a Microchannel Combustor. Energy Technology, 2017. 5(8): p. 1495-1506. DOI:
10.1002/ente.201600766.
25. K.Kuo, K., Principles of Combustion, ed. 2nd. Vol. 39. 2005, New Jersey:
John Wiley & Sons, Inc.
26. Ju, Y. and K. Maruta, Microscale combustion: Technology development and fundamental research. Progress in Energy and Combustion Science, 2011. 37(6): p. 669-715. DOI: 10.1016/j.pecs.2011.03.001.
27. Zohuri, B., Nuclear Energy for Hydrogen Generation through Intermediate Heat Exchangers. 2016, Switzerland: Springer.
28. n-Hexane. June 1999, Cameo Chemicals.
29. Material Safety Data Sheet Butane. 2015, BOC GASES A Member of The Linde Group. p. 1-3.
30. felbeck David K, A.G., Stength And Fracture Of Engineering Solids, University Of Michigan and University Of Reading. Stength Martial, 1999.
