KARAKTERISTIK PEMBAKARAN HEPTANA
PADA PEMBAKAR SKALA MESO
TABUNG DURALUMIN-QUARTZ
TUGAS AKHIR
Diajukan kepada
Universitas muhammadiyah malang Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin
OLEH :
ADITIYA AMENG PRIUTAMA NIM: 201510120311168
FAKULTAS TEKNIK
JURUSAN TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2021
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
FAKULTAS TEKNIK – TEKNIK MESIN
Jln. Raya Tlogomas No.246 Telp.464318 Psw.128 Malang 65144UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
FAKULTAS TEKNIK – TEKNIK MESIN
Jln. Raya Tlogomas No.246 Telp.464318 Psw.128 Malang 65144vi
ABSTRAK
Priutama, Aditiya. Ameng. 2021. KARAKTERISTIK PEMBAKARAN HEPTANA PADA PEMBAKAR SKALA MESO TABUNG DURALUMIN-QUARTZ. Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Malang. Pembimbing : I. Dr. Ir. Achmad Fauzan Hery Soegiharto, MT., II. Mohamad Irkham Mamungkas, ST., MT.
Kata Kunci: Meso scale combustor, saluran inlet, flammability limit, n-heptane
Meso scale combustor merupakan komponen suatu proses pembakaran dimana panas yang dihasilkan diubah menjadi energi listrik. Jenis dan banyaknya campuran bahan bakar-udara mempengaruhi kestabilan nyala api. bahan bakar cair (n-heptane) digunakan untuk mempertahankan nyala api. Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh efek aliran yang berputar menggunakan bahan bakar n-heptane pada meso scale combustor. Meso scale combustor tersebut berdiameter 3,5 mm berbodi duraluminium-quartz glass tube. Digunakan 2 perlakuan sudut inlet masuk bahan bakar-udara yang berbeda. Pengujian eksperimental menunjukan hasil sebagai berikut. Pembakaran kedua combustor menggunakan bahan bakar n-heptane sebagian besar terjadi pada daerah campuran kaya (fuel-rich mixture). Pada combustor x nyala api dapat distabilkan pada rasio ekuivalen Փ 1,02-Փ 1,33 dengan kecepatan (U) 28,21 cm/s - (U) 32,19 cm/s. Dan pada combustor y nyala api stabil pada rasio ekuivalen Փ 0,79-Փ 1,41 dengan kecepatan (U) 23,72 cm/s - (U) 40,77 cm/s. Dari Pengujian kedua combustor tersebut menunjukan luas daerah nyala api combustor y lebih luas dibandingkan combustor x. Pada pengujian combustor x menggunakan sudut inlet masuk bahan bakar-udara tanpa putaran aliran, menghasilkan warna nyala api lebih biru gelap dan bentuk nyala api tidak bulat merata sampai ke dinding combustor. Pada pengujian combustor y menggunakan sudut inlet bahan bakar-udara dengan aliran yang berputar, menghasilkan warna nyala api biru terang dan bentuk nyala api lebih bulat merata sampai kedinding combustor.
vii
A
BSTRACT
Priutama, Aditiya. Ameng. 2021. THE CHARACTERISTICS OF HEPTANE COMBUSTION IN DURALUMIN-QUARTZ TUBE MESO SCALE
COMBUSTOR. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Muhammadiyah Malang. Adviser : I. Dr. Ir. Achmad Fauzan Hery Soegiharto, MT., II. Mohamad Irkham Mamungkas, ST., MT. Keywords: Meso scale combustor, the inlet, flammability limit , n-heptane
Meso scale combustor is a component a the process of combustion where the heat produced by the converted into electrical energy. A kind of and the large number of a mixture of fuel-air affecting the stability of a flame of fire. A liquid fuel ( n-heptane ) used to maintain a flame of fire. This study aims to know the influence of the effect of the flow of that rotates using fuel n-heptane combustor in meso scale. With a diameter of the meso scale combustor 3,5 mm body duraluminium-quartz glass tube. Used 2 angles an inlet of treatment in different fuel-air. Experimental tests show the following the result as. Burning second combustor using fuel n-heptane the majority of happened to the areas which a mixture of rich ( fuel-rich mixture ). On combustor x fire can be stable right to the ratio equivalent Փ 1,02-Փ 1,33 at ( u ) 28,21 cm / s - ( u ) 32,19 cm / s. and on combustor y flame stable at the ratio equivalent Փ 0,79-Փ 1,41 at ( u ) 23,72 cm / s - ( u ) 40,77 cm / s. Of a second set of tests combustor shows more area fiery combustor y wider than x. combustor in testing combustor x use the inlet in fuel - without round the flow of air, produces a more dark blue flames and the fire spread to the moon combustor walls. In testing combustor he use the inlet - fuel to the flow of air that rotates, produces a bright blue flame and form the flame kedinding combustor rounded up more evenly.
viii
KATA PENGANTAR
Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat dan hidayahNya penulis dapat menyelesaikan naskah Tugas Akhir yang berjudul : Karakteristik Pembakaran Heptana Pada Pembakar Skala Meso Tabung Duralumin-Quarz.
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. Allah SWT, atas izin dan kehendak-Nya, tugas akhir ini dapat terselesaikan. 2. Orang tua beserta keluarga yang telah memberikan moral maupun materi serta
memberikan doa tiada henti kepada penulis
3. 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.
ix
4. Bapak Murjito, ST, MT selaku ketua Jurusan dan Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Malang yang telah memberikan bimbingan dan pengetahuan yang sangat bermanfaat selama proses perkuliahan.
5. Tim micro combustion : Adi Suyanto , Lukman Heru S, Trisya Nindhasari terima kasih atas kerjasamanya dalam melakukan penelitian.
6. Seluruh teman seangkatan 2015, terutama teman-teman Wet Underwears Crew (STC) yang memberikan dorongan untuk menyelesaikan tugas akhir ini. 7. 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.
Malang, 19 Januari 2021
x
DAFTAR ISI
Halaman
LEMBAR JUDUL ... i
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
LEMBAR ASISTENSI I ... iii
LEMBAR ASISTENSI II ... iv
SURAT PERNYATAAN... v
ABSTRAK ... vi
ABSTRACT ... vii
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR LAMPIRAN ... xv
DAFTAR PUSTAKA ... xvi
SURAT DETEKSI PLAGIASI ... xx
BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 3 1.3 Tujuan Penelitian ... 3 1.4 Batasan Masalah... 3 1.5 Manfaat Penelitian ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Micropower Generator dan Meso Scale Combustor ... 6
2.2 Flame Holder ... 8
2.3 Pembakaran ... 10
2.3.1 Reaksi Kimia Pada Proses Pembakaran ... 11
2.3.2 Air Fuel Ratio (AFR) ... 13
2.3.3 Rasio Ekuivalen ... 13
2.3.4 Laju Aliran Pembakaran ... 15
2.4.1 Klasifikasi Pembakaran Berdasarkan Sifat Reaksi Kimia ... 15
2.4.2 Klasifikasi Pembakaran Berdasarkan Proses Pencampuran ... 15
2.5 Batas Nyala Api ... 16
2.6 Sifat Nyala Api ... 17
2.7 Reaktan ... 17
2.7.1 Oksidator ... 18
xi
2.8 Duralumin ... 19
2.9 Penelitian Sebelumnya ... 20
BAB III METODE PENELITIAN... 24
3.1 Waktu Pelaksanaan ... 24
3.2 Variabel Penelitian ... 24
3.3 Alat dan Bahan Penelitian ... 25
3.4 Skema Instalasi Penelitian... 32
3.5 Prosedur Pengambilan Data ... 33
3.6 Diagram Alir Penelitian ... 35
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 36
4.1 Hasil Data Penelitian ... 36
4.2 Data Flammability Limit ... 41
4.3 Perhitungan Air Fuel Ratio (AFR) ... 41
4.4 Pembahasan Grafik Flammability Limit ... 48
4.5 Pengambilan Data Visualisasi dan Temperatur Nyala ... 49
4.5.1 Menentukan Titik Tengah Batas Nyala... 49
4.5.2 Menentukan Titik-Titik Visualisasi Flammability Limit ... 50
4.5.3 Visualisasi Nyala Api ... 52
4.5.4 Temperatur Nyala Api... 55
4.6 Diskusi Pembahasan... 57 BAB V KESIMPULAN ... 60 5.1 Kesimpulan ... 60 5.2 Saran ... 61 DAFTAR PUSTAKA ... 62 LAMPIRAN
xii
DAFTAR TABEL
No Tabel Judul Tabel Halaman
Tabel 2.1 Komposisi / Pencampuran Udara Kering... 12
Tabel 4.1 Data flammability limit combustor x bahan bakar heptana ... 36
Tabel 4.2 Data flammability limit combustor y bahan bakar heptana ... 37
Tabel 4.3 Data kalibrasi syring pump ... 37
Tabel 4.4 Data kalibrasi flow meter ... 38
Tabel 4.5 Data flammability limit combustor x setelah di konversi ... 40
Tabel 4.6 Data flammability limit combustor y setelah di konversi ... 40
Tabel 4.7 Nilai densitas uap heptana... 44
Tabel 4.8 Hasil perhitungan data flammability limit combustor x ... 47
Tabel 4.9 Hasil perhitungan data flammability limit combustor y ... 47
Tabel 4.10 Titik visualisasi rasio konstan combustor x ... 50
Tabel 4.11 Titik visualisasi kecepatan konstan combustor y ... 51
Tabel 4.12 Titik visualisasi rasio konstan combustor x ... 51
xiii
DAFTAR GAMBAR
No Gambar Judul Gambar Halaman
Gambar 2.1 Meso scale combustor dengan penambahan double mesh ... 7
Gambar 2.2 Meso scale combustor tipe c ... 7
Gambar 2.3 Sketsa flame holder ... 9
Gambar 2.4 Flame holder perforated plate tipe 2 ... 9
Gambar 2.5 Ilustrasi proses pembakaran ... 10
Gambar 2.6 Meso scale combustor ... 21
Gambar 2.7 Micro combustor dengan penambahan mesh ... 22
Gambar 2.8 Micro combustor dengan penambahan double wire mesh ... 23
Gambar 2.9 Skema meso scale combustor x ... 23
Gambar 3.1 Meso scale Combustor x ... 25
Gambar 3.2 Meso scale Combustor y ... 26
Gambar 3.3 part name meso scale combustor ... 26
Gambar 3.4 Dimensi meso scale combustor ... 26
Gambar 3.5 Flame Holder ... 27
Gambar 3.6 Lem Keramik ... 27
Gambar 3.7 Heptana ... 28
Gambar 3.8 Korek api pematik ... 28
Gambar 3.9 Kompresor ... 29
Gambar 3.10 Flow meter ... 29
Gambar 3.11 Pisco tube ... 30
Gambar 3.12 Syringe pump ... 30
Gambar 3.13 Syringe ... 31
Gambar 3.14 Kamera dan lensa adapter ... 31
Gambar 3.15 Thermocouple ... 32
Gambar 3.16 Skema Instalasi Penelitian ... 32
Gambar 3.17 Diagram alir penelitian ... 35
Gambar 4.1 Grafik kalibrasi bahan bakar cair ... 39
xiv
Gambar 4.3 Grafik hubungan rasio ekuivalen dengan kecepatan reaktan ... 48
Gambar 4.4 Titik pengambilan visualisasi nyala api ... 50
Gambar 4.5 Grafik titik pengambilan visualisasi flammability limit ... 52
Gambar 4.6 Visualisasi api rasio konstan combustor x ... 52
Gambar 4.7 Visualisasi api rasio konstan combustor y ... 53
Gambar 4.8 Visualisasi api kecepatan konstan combustor x ... 54
Gambar 4.9 Visualisasi api kecepatan konstan combustor y ... 54
Gambar 4.10 Temperatur rasio konstan combustor x dan combustor y ... 55
Gambar 4.11 Temperatur kecepatan konstan combustor x dan combustor y ... 57
Gambar 4.12 Ilustrasi aliran combustor x ... 58
Gambar 4.13 Ilustrasi aliran combustor y ... 58
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Daftar Riwayat Hidup Lampiran 2 Desain Alat
Lampiran 3 Alat dan Bahan Penelitan Lampiran 4 Data Penelitian (Heptana) Lampiran 5 Naskah Publikasi (JEMMME)
xvi
DAFTAR PUSTAKA
1. 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.
2. Soegiharto, A.F.H., et al., The Role of Liquid Fuels Channel Configuration on the Combustion inside Cylindrical Mesoscale Combustor. Journal of Combustion, 2017. 2017: p. 1-9. DOI: 10.1155/2017/3679679.
3. Soegiharto, A.F.H., et al., The use of heat circulator for flammability in mesoscale combustor. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2019. 2(8 (98)): p. 46-56. DOI: 10.15587/1729-4061.2019.155347.
4. 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.
5. Chemical, C., n-Heptane. 1999. 6. Chemical, C., n-Hexane. 1999.
7. Li, J., et al., Effects of heat recirculation on combustion characteristics of n-heptane in micro combustors. Applied Thermal Engineering, 2016. 109: p. 697-708. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.08.085.
8. Soegiharto, A.F.H., Sudarman, and H. Supriyanto, pengaruh material sirkulator kalor terhadap kestabilan nyala pembakaran butana di dalam pembakaran meso. Seminar Nasional Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2019.
9. 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.
10. Yuliati, L., M.N. Sasongko, and S. Wahyudi, Flammability Limit and Flame Visualization of Gaseous Fuel Combustion Inside Meso-scale Combustor with Different Thermal Conductivity. Applied Mechanics and Materials, 2014. 493: p. 204-209. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.493.204.
xvii
11. Fernandez-Pello, A.C., Micropower generation using combustion: Issues and approaches. Proceedings of the combustion institute, 2002. 29: p. 883-899.
12. Gan, Y., et al., Experimental study on electro-spraying and combustion characteristics in meso-scale combustors. Energy Conversion and Management, 2017. 131: p. 10-17. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.11.015. 13. Li, J., et al., Numerical study on heat recirculation in a porous
micro-combustor. Combustion and Flame, 2016. 171: p. 152-161. DOI: 10.1016/j.combustflame.2016.06.007.
14. Liu, Y., et al., Experimental and numerical investigations on flame stability of methane/air mixtures in mesoscale combustors filled with fibrous porous media. Energy Conversion and Management, 2016. 123: p. 402-409. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.06.058.
15. 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.
16. Mikami, M., et al., Combustion of gaseous and liquid fuels in meso-scale tubes with wire mesh. Proceedings of the Combustion Institute, 2013. 34(2): p. 3387-3394. DOI: 10.1016/j.proci.2012.05.064.
17. Baananto, F., L. Yuliati, and N. Hamidi, Studi numerik pembakaran butana (C4H10) dalam meso scale combustor dengan perforated plate. jurnal Rekayasa Mesin, 2018. Vol.9,No.2: p. 69-74.
18. Wan, J., et al., Experimental investigation and numerical analysis on the blow-off limits of premixed CH4/air flames in a mesoscale bluff-body combustor. Energy, 2016. 113: p. 193-203. DOI: 10.1016/j.energy.2016.07.047.
19. Wan, J., Z. Xu, and H. Zhao, Methane/air premixed flame topology structure in a mesoscale combustor with a plate flame holder and preheating channels. Energy, 2018. 165: p. 802-811. DOI: 10.1016/j.energy.2018.09.172.
xviii
20. 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.
21. Ridho, M.R., A.F.H. Soegiharto, and Mulyono, Pembakaran Heksana didalam Meso-scale combustor menggunakan ruang penguap, ruas pemisah stainless steel dan flame holder. Journal of Energy, Mechanical, Material, and Manucfaturing Engineering, 2018.
22. Jamaluddin, A.M.N.K., A.F.H. Soegiharto, and Mulyono, Pembakaran Hexana pada Meso-scale combustor menggunakan resikulator kalor dengan sisipan ruas pemisah. Journal of Energy, Mechanical, Material, and Manucfaturing Engineering, 2018. 1: p. 1.
23. Adiwidodo, S., et al., Performance of cylindrical and planar meso-scale combustor with double narrow slit flame holder for micropower generator. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2020. 2(8 (104)): p. 35-43. DOI: 10.15587/1729-4061.2020.198570.
24. Sudarman, I. Fauzi, and A.F.H. Soegiharto, The effect of copper flame holder application on butane combustion characteristics in meso-scale combustor. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019. 674: p. 012058. DOI: 10.1088/1757-899x/674/1/012058.
25. Tang, A., et al., Numerical study on energy conversion performance of thermophotovoltaic system adopting a heat recirculation micro-combustor. Fuel Processing Technology, 2018. 180: p. 23-31. DOI: 10.1016/j.fuproc.2018.07.034.
26. Puskar, J.R., Fuel and Combustion Systems Safety. 2014, canada: John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
27. Wahyudi, D., I. Wardana, and N. Hamidi, Pengaruh Kadar Karbondioksida (CO2) dan Nitrogen (N2) Pada Karakteristik Pembakaran Gas Metana. Jurnal Rekayasa Mesin, 2012. Vol.3, No.1: p. 241-248.
28. Adrieq, A. and B. Sudarmanta, Studi Eksperimental Pengaruh Air Fuel Ratio Proses Gasifikasi Briket Municipa Solid Waste Terhadap Unjuk Kerja Gasifier Tipe Downdraft. jurnal teknik ITs, 2016. Vol.1, No.1.
xix
29. Turns, S.R., An Introduction to Combustion Concepts and Applications. An Introduction to Combustion ed. s. edition. 2000, singapore: McGraw-Hill. 30. Sasongko, M.N., Pengaruh prosentase CO2 terhadap karakteristik
pembakaran difusi biogas. mekanika, 2014. Vol.12, No.2.
31. Zohuri, B., Nuclear Energy for Hydrogen Generation through Intermediate Heat Exchangers. 2016.
32. Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals. 1988, United states of america: McGraw-Hill.
33. Lefebvre, A.H. and D.R. Ballal, Gas Turbine Combustion. Alternative Fuels and Emissions, ed. T. edition. 2010, United States of America: Taylor & Francis Group.
34. Suprapto, W., The Fluidity Characteristics of Liquid Duralumin by Piece Test Methode on Permanent Mold in Low Pressure. Jurnal Rekayasa Mesin, 2012. 3: p. 1.
35. Felbeck, D.K.A.G., Strenght And Fracture Of Engineering Solids. 1999, United Kingdom: University Of Michigan and University Of Reading.
