SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 129
Kecepatan Nyala Pada Pembakaran
Premixed
Etanol Yang
Dikayakan Dengan
Liquefied Petroleum Gas
(LPG)
Muh. Nurkoyim Kustanto1, I.N.G.Wardana2, Mega Nur Sasongko2, Lilis Yuliati2
1Jurusan Teknik Mesin Universitas Jember
Jl. Kalimantan II/24, Kampus Bumi Tegal Boto, Jember 68121, Jawa Timur Telp.(0331) 410243 Fax.(0331) 410243
1,2 Program Doktor Teknik Mesin Universitas Brawijaya.
e-mail: kustanto1969@gmail.com .
ABSTRAK
Etanol merupakan sumber energi terbarukan, tetapi pembakaran etanol untuk menghasilkan energi mempunyai kesulitan tersendiri, terutama karena kandungan energinya yang rendah dibanding bahan bakar fosil. Oleh sebab itu etanol perlu dikayakan dengan LPG untuk merubah karakteristik pembakarannya. Penelitian dilakukan untuk mengetahui kecepatan nyala pada pembakaran etanol yang dikayakan dengan LPG. Pembakaran dilakukan dalam ruang bakar berukuran 600x200x100 mm. Bahan bakar campuran antara etanol dan LPG dengan komposisi, E80 (80% etanol), E85, E90, E95, etanol dan LPG. Ekuivalen rasio () untuk tiap komposisi bahan bakar 0,8; 1; 1,2; 1,4. Dari hasil penelitian diketahui bahwa kecepatan nyala etanol murni lebih tinggi dibandingkan LPG. Kecepatan nyala etanol yang dikayakan dengan LPG berada diantara kecepatan pembakaran LPG dan etanol, kecuali pada komposisi E95 dan E90 yang mempunyai kecepatan pembakaran lebih tinggi dibandingkan etanol murni.
Kata kunci: Pembakaran, Etanol, dikayakan, LPG, Energi terbaharukan ABSTRACT
Ethanol is are newable energy source, but combustion of ethanol to produce energy has its own difficulties, mainly due to the lower energy content than fossil fuels. Therefore,ethanol needs to be enriched with LPG to change the combustion characteristics. The study was conducted to determine the flame speed of enriched ethanol with LPG combustion. Combustion is done in the combustion chamber size 600x200x100 mm. Fuel mixture of ethanol and LPG with composition, E80 (80% ethanol), E85, E90, E95, ethanol and LPG. Equivalent ratio () for each fuel composition is 0,8; 1; 1,2; 1,4. The results showed that the flame speed of pure ethanol is higher than LPG. Flame speed of ethanol enriched with LPG is between LPG and ethanol, exception the E95 and E90 composition having a higher flame speed than pure ethanol.
Keywords: combustion, ethanol, LPG, enrhiched, renewable energy.
Pendahuluan
Pembakaran merupakan bidang yang sangat menarik untuk terus dikembangkan, karena sebagian besar produksi energi yang dimanfaatkan oleh manusia berasal dari hasil pembakaran. Pembakaran yang dilakukan umumnya menggunakan bahan bakar fosil terutama BBM. Di Indonesia penggunaan energi melalui proses pembakaran menduduki porsi terbanyak yaitu 95 %, dari jumlah tersebut pembakaran dengan menggunakan minyak mencapai 57% (Kementrian dalam negeri [3]). Cadangan minyak terus menyusut dengan cepat karena eksplorasi besar-besaran untuk memenuhi kebutuhan energi. Sehingga perlu dilakukan perubahan penggunaan energi dari bahan yang tidak dapat diperbaharui menjadi bahan bakar yang terbarukan. Etanol merupakan bahan bakar terbarukan yang pembuatanya sangat mudah bahkan dapat dilakukan
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 130
dengan peralatan sederhana, bahan baku dapat diperoleh dengan mudah dan ketersediannya melimpah.
Ethanol merupakan salah bahan bakar yang di unggulkan sebagai pengganti bahan bakar fosil. Namun kandungan energi tiap satuan berat yang kecil yaitu 76 KBTU/gallon atau 26.8 MJ/kg merupakan kendala tersendiri, sementara bensin yang selama ini digunakan mempunyai
kandungan energi 117KBTU/gallon atau 46,1 MJ/kg (Shelly.[6]), disamping itu energi global
yang dilepaskan oleh etanol juga relatif kecil(Baine et al.,[1]).
Karena kandungan energi tiap satuan berat etanol relatif kecil maka perlu dilakukan pengayaan kandungan energi dengan menambahkan bahan bakar lain yang mempunyai kandungan energi besar. Bahan bakar yang dipilih sebagai pengaya adalah LPG karena kandungan energi tiap satuan berat yang besar yaitu 46,3 MJ/kg. LPG merupakan campuran antara propana dan butana, dimana pada kondisi tekanan dan temperatur standar berada pada fase gas. Namun perlu dilakukan penelitian untuk mengetahui karakteristik pembakaran etanol yang dikayakan dengan LPG tersebut untuk menghindari adanya kendala pada saat digunakan pada aplikasi praktis.
Beberapa peneliti telah melakukan penelitian yang berhubungan dengan pembakaran etanol, LPG maupun etanol yang dicampur dengan bahan bakar lain. Baine B. Beaux (Baine et al.,[1]), Melakukan penelitian tentang etanol yang mengandung air, pembakaran dilakukan pada ruang bakar dengan aliran berputar. Konsentrasi air pada etanol divariasikan mulai 0 sampai 20%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada bagian bawah dan tengah struktur nyala api panas global yang dilepaskan turun 60% untuk penambahan 20% air pada etanol, sedangkan penambahan etanol tidak merubah struktur nyala api. Untuk perubahan rasio ekuivalen semakin besar rasio ekuivalen sampai sama dengan satu maka panas yang dilepaskan secara global semakin meningkat. Liao dkk(Liao et al.,[5]) melakukan penelitian mengenai pembakaran etanol murni dengan variasi temperatur awal campuran bahan bakar-udara. Pembakaran dilakukan pada ruang bakar berbentuk kubus dengan ukuran 108x108x135 mm.
Pencampuran bahan bakar dan udara dilakukan secara premixed dan penyalaan dengan bunga
api listrik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa semakin tinggi temperatur awal campuran bahan bakar-udara maka kecepatan pembakaran juga semakin tinggi.Hara Takashin dan Tanoue Kimithosi(Hara Takashi[2]), melakukan penelitian mengenai kecepatan nyala pada pembakaran etanol, n-heptana, Iso oktana dan campuran etanol dengan n-heptana mapun iso-oktana . Peralatan yang digunakan adalah ruang bakar berbentuk tabung bundar dengan
diameter dalam 100 mm dan bervolume 2000 cm3, pada dinding ruang bakar terdapat empat
dinding transparan berdiameter 92 mm yang digunakan untuk mengamati nyala api pada ruang
bakar. Bahan bakar dan udara dicampur secara premixed, rasio ekivalen divariasikan mulai 0,8
sampai 1,5 untuk tiap bahan bakar. Nyala diamati dengan sistem schlieren menggunakan kamera berkecepatan tinggi 1000 fps. Hasil penelitian dibandingkan dengan data dari peneliti lain yang telah melakukan terlebih dahulu. Untuk nyala etanol – udara menunjukkan kesesuaian dengan penelitian yang dilakukan oleh Egolfopoluous dkk. dan Gulder, kecuali untuk rasio ekivalen 1,0 dan 1,2. Untuk n-Heptana menunjukkan kesesuaian dengan penelitian yang dilakukan Davis dkk. Untuk iso –Oktana menunjukkan kesesuaian dengan penelitian Davis dkk. Pengaruh penambahan etanol pada n-Heptana dan iso-Oktana diamati kestabilannya, didapat bahwa penambahan etanol pada n-heptana dan iso-Oktana nyala api stabil pada daerah campuran kaya.Liao dkk(Liao et al.,[4]) juga melakukan penelitian pada pembakaran campuran
premixedLPG murni. Penelitian dilakukan tekanan dan temperatur yang bervariasi, sedangkan pembakaran menggunakan model bola api mengembang. Hasil penelitian menunjukkan bahwa bahwa bilangan markstein meningkat terhadap kenaikan rasio ekuivalen dan sedikit menurun terhadap kenaikan tekanan dan temperatur.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 131
Metode Penelitian
Pembakaran dilakukan dalam ruang bakar berukuran 600x200x100 mm, terbuat dari bahan akrilik transparan. Ruang bakar diletakkan secara vertikal, pada bagian bawah ruang bakar tertutup permanen sedangkan bagian atas tertutup fleksibel. Tutup fleksibel akan terlontar ketika ada tekanan lebih dalam ruang bakar. Pemantik nyala api diletakkan pada jarak ketinggian 100 mm dari tutup bawah, dihubungan dengan sistem penaik tegangan yang dicatu menggunakan baterei. Pengamatan dilakukan dari sisi lebar dengan menggunakan kamera kecepatan tinggi merk casio excilim ex-fc100 yang diatur pada kecepatan 420 fps. Adapun bentuk ruang bakar dan susunan peralatan percobaan seperti terlihat pada gambar 1 dibawah ini.
(a) (b)
Gambar 1. Peralatan percobaan (a) ruang bakar, (b) susunan peralatan
Pada penelitian ini bahan bakar dan udara dicampur secara premixed, dengan komposisi antara
etanol dan LPG, 80% etanol-20% LPG(E80) dalam persen berat, E85, E90, E95, etanol murni, LPG murni.
Bahan bakar yang dicampur secara premixed ditampung dalam penampung premixed. Bahan bakar
premixed dari penampung premixed melalui katup dialirkan ke dalam ruang bakar. Setelah ruang bakar terpenuhi maka katup ditutup supaya tidak terjadi aliran balik dari pembakaran. Saklar berfungsi untuk menghubungkan baterei dengan koil penaik tegangan. Ketika koil penaik tegangan dialiri listrik maka terjadi kenaikan tegangan pada ujung-ujung pemantik, sehingga terjadi loncatan bunga api listrik. Bunga api listrik ini memicu pembakaran, sehingga terjadi rangkaian pembakaran. Peristiwa pembakaran direkam dengan menggunakan kamera yang diatur pada kecepatan tinggi 420 fps. Pengukuran dilakukan dari hasil gambar yang sudah dibagi tiap frame, jarak tempuh api diukur dari titik nyala awal terhadap ujung nyala secara vertikal. Sedangkan waktu diketahui dari jumlah frame, dimana tiap perubahan frame memerlukan waktu 2,38 ms.
Hasil dan Pembahasan Hasil
Pembakaran dalam ruang bakar dimulai dari cetusan bunga api listrik, selanjutnya terjadi reaksi berantai sehingga nyala api terus merambat sampai pembakaran selesai. Contoh perambatan nyala api untuk campuran stikiometri LPG, etanol murni, E90 dan E80 seperti terlihat pada gambar 2. Di bawah ini. Tutup fleksibel Ruang bakar Pemantik Saluran masuk udara-bahan bakar Tutup permanen 500 mm 200 mm Penampung premixed Koil penaik tegangan Baterei Katup Kamera Saklar
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 132
2,38 ms 11,9 ms 23,81ms 35,71ms
(a) (b)
2,38 ms 11,9 ms 23,81ms 35,71ms 2,38 ms 11,9 ms 23,81ms 35,71ms
(c) (d)
Gambar 2. Perambatan nyala api dalam ruang bakar (a) LPG, (b) Etanol, (c) E95, (d) E90
Pada gambar 2. Contoh gambar diambil pada frame ke 1, 5, 10 dan 15 dimana pada pengaturan kecepatan kamera 420 fps perpindahan dari satu frame ke frame berikutnya memerlukan waktu 2,38 ms. Gelap dan terangnya gambar menunjukkan kecerahan nyala ketika proses pembakaran, dari gambar terlihat bahwa semakin besar kandungan LPG maka nyala api semakin cerah. Kecerahan nyala berhubungan dengan jumlah energi global yang dilepaskan saat pembakaran, semakin besar energi yang dilepaskan maka nyala akan semakin cerah.
Gambar 3. Hubungan antara waktu rambat(ms) terhadap jarak nyala dari titik penyalaan awal(cm) untuk campuran stoikiometri.
Pada gambar 3 sumbu x merupakan waktu yang diperlukan selama pembakaran, sedangkan sumbu y adalah jarak yang ditempuh selama waktu sebagaimana tersebut pada sumbu x. Gambar 3 memperlihatkan bahwa gradien jarak yang ditempuh terhadap waktu relatif landai sampai pada jarak 10
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 133
cm. Setelah melewati jarak 10 cm terlihat gradien mulai meningkat dengan tajam, namun menjelang ujung ruang bakar terlihat gradien sedikit menurun lagi.
Gambar 4. Hubungan antara kecepatan lokal terhadap jarak
Pada gambar 4 terlihat bahwa pada jarak sampai sekitar 10 cm gradien kecepatan relatif landai, kemudian gradien meningkat dan pada jarak tertentu terjadi penurunan ekstrim dari nilai positif menjadi negatif. Kenaikan gradien kecepatan terjadi karena adanya ekspansi gas hasil pembakaran, sedangkan penurunan gradien disebabkan karena pengaruh perpindahan panas yang menyebabkan penurunan volume jenis gas hasil pembakaran mulai mendominasi. Sedangkan jarak penurunan gradien kecepatan dipengaruhi oleh kecepatan nyala, dimana semakin cepat nyala maka penurunan gradien terjadi pada jarak yang semakin jauh. Kecepatan lokal tertinggi dicapai oleh E90 dan kemudian disusul oleh E95, sedangkan kecepatan lokal terendah terjadi pada LPG.
Gambar 5. Kecepatan nyala rata-rata terhadap rasio ekuivalen
Kecepatan nyala rata-rata adalah jarak antara titik penyalaan awal dengan ujung ruang bakar dibagi dengan waktu. Dari data pada gambar 5 diketahui bahwa kecepatan tertinggi terdapat pada nilai rasio ekuivalen 1,1, sedangkan terendah pada rasio ekuivalen 1,4. Kecepatan nyala etanol murni lebih tinggi dibanding LPG, untuk E80 dan E85 kecepatan nyalanya berada diantara LPG dan etanol. Kecepatan tertinggi didapat pada E90 disusul E95 dimana keduanya mempunyai kecepatan nyala diatas etanol.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 134
Pembahasan
Pada pembakaran dalam ruang bakar jika ditinjau dari jumlah bahan bakar yang terbakar terbagi dalam dua kategori yaitu, pembakaran berkembang dan pembakaran tetap. Pembakaran berkembang terjadi jika jumlah bahan bakar yang dibakar bertambah tiap satuan waktu. Sedangkan pembakaran tetap jika jumlah bahan bakar yang yang dibakar relatif tetap. Pada peristiwa pembakaran berkembang kecepatan nyala relatif rendah dibanding pembakaran tetap. Hal ini disebabkan jumlah molekul bahan bakar yang terdekomposisi lebih besar dibanding jumlah molekul bahan bakar yang terbakar sebelumnya. Sedangkan pada pembakaran tetap, jumlah molekul yang terdekomposisi sama dengan jumlah molekul bahan bakar yang terbakar sebelumnya. Sehingga mempunyai kecepatan nyala yang lebih besar dibanding pembakaran berkembang.
Pada pembakaran dalam ruang bakar yang digunakan, pada awal pembakaran gradien kecepatan relatif kecil. Hal ini disebabkan karena jenis pembakaran masih berada dalam daerah pembakaran berkembang. Kemudian garadien kecepatan meningkat, hal ini disebabkan karena pembakaran berada pada daerah pembakaran tetap. Tetapi pada jarak tertentu gradien turun dengan cepat, bahkan berharga negatif, hal ini disebabkan efek penurunan temperatur gas hasil pembakaran berpengaruh akibat perpindahan panas dari ruang bakar ke lingkungan. Tetapi letak titik puncak kecepatan tiap jenis bahan bakar berbeda, kecepatan nyala sangat berpengaruh, dimana semakin tinggi kecepatan nyala maka maka letak titik puncak kecepatan juga semakin mundur.
LPG dan etanol mempunyai mempunyai komposisi atom yang agak berbeda, dimana etanol tersususun dari unsur C, H, dan O sementara pada LPG hanya tersusun dari unsur C dan H. Adanya atom O yang membentuk gugus hidroksi menyebabkan etanol bersifat polar sementara LPG bersifat non polar. Kandungan O pada etanol menyebabkan energi pembakaran jauh lebih rendah dibandingkan LPG. Namun sekalipun kandungan energi etanol jauh lebih rendah tetapi nilai kecepatan nyala lebih tinggi
dibandingkan LPG. Pada proses pembakaran sebelum reaksi pembentukan CO2 dan H2O sambil melepas
panas, terlebih dahulu diawali dengan tahap pemanasan awal. Pada tahap pemanasan awal terjadi dekomposisi bahan bakar membentuk radikal. Radikal mempunyai bersifat polar sehingga akan lebih mudah berdifusi pada campuran etanol-udara daripada LPG-udara. Hal inilah yang menyebabkan kecepatan nyala etanol lebih tinggi dibandingkan LPG. Pada bahan bakar dengan komposisi E90 dan E95 mempunyai kecepatan nyala lebih tinggi dibanding etanol sedangkan pada komposisi E80 dan E85 kecepatan nyalanya lebih tinggi dari LPG namun lebih rendah dibanding etanol.Penelitian yang lebih mendalam perlu dilakukan untuk mengetahui pengaruh polaritas dan kandungan energi berpengaruh terhadap kecepatan nyala
Kesimpulan
Pada pembakaran yang dilakukan, kecepatan nyala juga dipengaruhi oleh pendinginan gas hasil pembakaran. Etanol yang dikayakan dengan LPG mempunyai kecepatan pembakaran lebih tinggi dibanding LPG, tetapi lebih rendah dibanding etanol, untuk E80 dan E85. Tetapi untuk E90 dan E95 kecepatan nyala lebih tinggi dibandingkan etanol. Penelitian yang lebih mendalam perlu dilakukan untuk menjelaskan peristiwa ini.
Daftar Pustaka
1. Baine B.Breaux, dkk. 2011, Evaluation of Hidrous Etanol Combustion in a Swirl- Stabilized
Combustor, Proceeding of The ASME 2011 International Mechanical EEngineering
Congress& Exposition, Denver, Colorado, USA.
2. Hara Takashi, Tanue Kimitoshi, Laminar Flame Speeds of Etanol, n_Heptane, Iso-Oktane
Air Mixtures, Departemen of Mechanical Engineering, Oita University, Japan.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 135
4. Liao S.Y., Jiang D.M., Gao J., Huang Z.H.,Cheng Q., 2004, Measurement of Markstein number and
laminar burning velocicies for liquefied petroleum gas-air mixtures, Fuel pp.1281-1288.
5. Liao S.Y., Jiang D.M., Huang Z.H., Zeng K., Cheng Q., 2007, Determination of laminar burning velocity for mixture of ethanol and air at elevated temperatures, Aplied Thermal Engineering 27 pp.374-380.
6. Shelley Minteer, 2006, Alcoholic Fuels, Taylor & Francis. London, UK.
