5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 MicroPower Generator dan Meso Scale Combustor
MicroPower Generator (MPG) merupakan salah satu perangkat penghasil energi berukuran mikro. Memiliki komponen utama antara lain thermophotovoltaic/thermoelectric dan pembakar berukuran micro atau meso. Thermoelectric (TE) / thermophotovoltaic (TPV) berfungsi sebagai pengubah energi panas menjadi energi listrik [7]. Micro- atau meso-scale combustor berfungsi sebagai penghasil panas. Pada penelitian ini dibahas hanya pada pembakar (combustor) sebagai penghasil panasnya.
Tabel 2. 1 Klasifikasi Jenis Pembakar
Sumber: Ju and Maruta (2011)
Seperti yang ditunjukkan pada tabel 2.1. Micro combustion diklasifikasikan menjadi dua golongan yaitu pembakar microscale dan mesoscale. Penggolongan tersebut berdasarkan dari besarnya ruang pembakaranya. Microscale combustor berdiameter ruang bakar kurang dari 1 mm, untuk mesoscale combustor berdiameter ruang bakar lebih dari 1 mm [9].
6
Penilitian ini, menggunakan Micro Combustion jenis Meso Scale Combustor berdiameter ruang bakar 3,5 mm. Kestabilan nyala sangat sulit, karena kecilnya ruang bakar dan besarnya heat loss. Tingginya kehilangan panas mengarah pada pendinginan dan menyebabkan pemadaman api. Kecilnya ruang bakar juga menyebabkan singkatnya waktu tinggal reaktan menyebabkan ketidakstabilan api [10, 11]. Penelitian ini fokus pada mesoscale combustor. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengembangkan micro / meso scale [2].
2.2 Pembakaran
Pembakaran adalah reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen/udara yang menghasilkan karbondioksida, termal, air. Reaksi oksidasi pada umumnya terjadi ketika besi atau baja berkarat, hal tersebut merupakan reaksi oksidasi yang lambat. Namun pembakaran cepat terjadi karena oksigen dan molekul bahan bakar bercampur dengan sangat cepat ketika pembakaran terjadi [12].
Gambar 2. 1 The Fire Triangle
Sumber : Walls, R. (2017)
Seperti pada gambar 2.1 proses pembakaran terjadi jika ketersediaan tiga komponen masih terpenuhi. Ketiga komponen tersebut merupakan bahan bakar dan udara, sedangkan disisi atas merupakan panas. Panas adalah energi aktivasi, yang berfungsi sebagai pendukung untuk terjadinya sebuah pembakaran. Kalor
7
nyala akan memanaskan reaktan baru sehingga mengalami titik nyala (flash point) dan terjadi pembakaran. Panas hasil pembakaran dapat memanaskan kembali reaktan yang belum terbakar hingga mencapai titik nyala.
2.2.1 Pembakaran pada Mesoscale Combustor
Menurut Heywood (1988), pembakaran internal dan external dibedakan dari energi yang akan dihasilkan. Dimana energi dimanfaatkan langsung atau memerlukan komponen tambahan. Pada pembakar meso diperlukan komponen tambahan untuk memanfaatkan hasil energi dari pembakaran. Hal tersebut dikarenakan tingginya heat loss dari nyala api ke dinding. Memanfaatkan kalor yang dihasilkan dari pembakar untuk memanaskan reaktan baru merupakan salah satu metode untuk menstabilkan nyala api. Secara umum, ada dua metode untuk metode pemanasan awal, metode langsung dan tidak langsung [13]. Metode langsung, panas dialirkan dari reaktan yang tereaksi ke daerah reaktan baru atau yang belum terbakar melalui konveksi dan konduksi. Metode ini diaplikasikan pada pembakar saluran tunggal (single channel) yaitu panas dari daerah reaktan yang tereaksi begerak aksial ke area reaktan baru yang belum terbakar melalui dinding pembakar [14]. Metode preheating tidak langsung merupakan pendekatan dimana aliran gas reaktan yang terbakar disirkulasikan kembali ke reaktan yang belum terbakar.
Penelitian ini digunakan mesoscale combustor dengan menambahkan resirkulator kalor. Campuran bahan bakar-udara sebagai reaktan akan bersirkulasi didalam combustor. Dibutuhkan pemanasan awal pada combustor agar temperatur reaktan meningkat hingga mencapai titik nyala. Panas hasil pembakaran memanaskan kembali reaktan baru melalui dinding secara konduksi dan koveksi.
8
2.2.2 Reaksi Kimia Pembakaran
Proses pembakaran terjadi apabila bahan bakar yang terdiri dari carbon (C) dan hidrogen (H) tereaksi dengan oksigen, dan menghasilkan produk CO2, CO dan H2O. Disisi lain senyawa tidak dapat tereaksi jika tidak ada energi aktivasi, yaitu panas. Reaksi pembakaran selalu menghasilkan energi panas, reaksi seperti ini disebut proses oksidasi eksotermis [15, 16]. Berikut merupakan persamaan dari reaksi pembakaran :
(2.1)
Persamaan diatas sulit terjadi, karenakan oksigen yang masuk pada setiap proses pembakaran banyak dari udara lingkungan, artinya tidak hanya oksigen yang terkandung [17], dpada tabel 2.2 dibawah ini :
Tabel 2. 2 Unsur kandungan Udara Kering
Sumber: Wardana (2008)
Dalam pembakaran, oksigen adalah komponen reaktif udara. Biasanya cukup akurat untuk menganggap udara terdiri dari 21% oksigen dan 79% kelembaman gas sebagai nitrogen (sering disebut nitogen atmosfer atau nitrogen nyata).
9
2.2.3 Air Fuel Ratio Stoichiometri
Kondisi stoichiometri merupakan kondisi dimana, campuran udara-bahan bakar memiliki jumlah yang ideal untuk tereaksi seluruhnya. Reaksi keadaan stoikiometri dapat terjadi jika seluruh atom carbon (C) dan hidrogen (H) terikat dengan oksigen (O2) secara menyeluruh [15]. Persamaan 2.2 merupakan saat
keadaan stoikiometri :
(2.2)
Melihat faktanya disetiap hasil proses pembakaran bukan hanya menghasilkan CO2, H2O, dan N2 , tetapi juga dapat menghasilkan NOx, CO dan lain-lain. Disaat
proses pembakaran, apabila oksigen jumlahnya lebih, NO2 (Nitrogen dioksida)
akan terbentuk, begitu sebaliknya apabila oksigen kurang maka NO akan terbentuk. Pembakaran kurang oksigen juga akam terbentuk CO, begitu sebaliknya. Pada penelitian ini digunakan persamaan stoikiometri untuk perhitungan nilai air fuel ratio dalam keadaan stoikiometri (AFRStoic).
2.2.4 Rasio Udara Bahan Bakar
Rasio udara-bahan bakar adalah perbandingan antara rasio jumlah massa udara-bahan bakar untuk dapat tereaksi. Pada proses pembakaran, pembentukan nyala dan temperatur gas buang, air fuel ratio/rasio udara-bahan bakar sangat penting [18]. Persamaan Air fuel ratio keadaan stoikiometri sebagai berikut :
(2.3)
10
Keterangan :
= Rasio udara-bahan bakar kondisi ideal.
= Jumlah mol udara = Jumlah mol bahan bakar
= Banyaknya massa udara/air
= Banyaknya massa bahan bakar/fuel
Persamaan Air fuel ratio dalam keadaan stoikiometri pada penelitian ini digunakan untuk menhitung AFR aktual. AFR aktual yaitu rasio debit udara dan bahan bakar yang terjadi didalam mesoscale combustor.
2.2.5 Rasio Ekuivalen
Rasio ekuivalen (ɸ) adalah perbandingan antara AFR kondisi stoikiometri dengan AFR aktual, persamaanya dapat ditulis sebagai berikut :
(2.5)
Rasio ekuivalen, menentukan kaya atau miskin dari campuran udara-bahan bakar. Dimana apabila rasio ekuivalen ɸ < 1 maka campuran reaktan kuangbahan bakar, sedangkan udaranya melimpah atau disebut dengan campuran miskin. Apabila rasio ekuivalen ɸ > 1 maka campuran reaktan memiliki porsi bahan bakar yang lebih dan kandungan udara kurang sehingga mengakibatkaan campuran menjadi kaya bahan bakar, dan menyebabkan terjadinya CO dan H2. Sedangkan pada kondisi ideal/sempurna ,AFRstoic sama dengan AFRactual yang artinya ɸ=1, pada kondisi ini akan terjadi nilai maksimum adiabatic flame temperature karena jumlah oxidan sangat cukup untuk membakar sejumlah bahan bakar [19].
11
Pada penelitian ini digunakan persamaan rasio ekuivalen (ɸ) untuk menentukan batas nyala/flammability limit. Selain itu juga digunakan untuk pengambilan gambar visualisasi bentuk nyala api dengan menentukan titik tengah dari flammability limit.
2.2.6 Laju Aliran Reaktan
Laju/kecepatan aliran reaktan didalam mesoscale combustor mempengaruhi pada stabilitas nyala . Laju/kecepatan aliran tersebut merupakan campuran udara-bahan bakar yang di suntikan melalui saluran masuk combustor, dengan persamaan sebagai berikut :
(2.6)
Pada penggunaaan bahan bakar gas, persamaan laju aliran reaktan sebagai berikut :
(2.7) Keterangan : v = Kecepatan
Q(vapor) = Debit Uap Bahan bakar
Q = Debit bahan bakar-udara A = Luasan Penampang (
)
60 = Konveersi satuan ,menit ke detik 100 = Konversi satuan ,mm² ke cm.
12
2.3 Reaktan
Reaktan adalah campuran udara- bahan bakar. Ketidak adanya oksidator/udara, pembakaran tidak dapat terjadi/ tidak akan terjadi nyala. Begitu pula sebaliknya, tidak terjadi pembakaran jika tidak ada bahan bakar.
2.3.1 Oksidator
Dalam proses pembakaran, oksidator sangat sering digunakan udara lingkungan, selain itu juga dapat juga digunakan oksigen murni, atau campuran gas oksigen dengan gas-gas lainnya [20]. Apabila oksidator yang digunakan adalah udara bebas/lingkungan, maka tidak seluruhnya terdiri dari oksigen, melainkan justru gas nitrogen yang lebih banyak terkandung didalamnya, sekitar 79 %, dan 21 % terdiri oksigen,serta terdapat beberapa persentase gas lain yang kecil [15]. Hal tersebut masih menjadi hambatan pada proses pembakaran untuk mesoscale combustor.
2.3.2 Heksana
Heksana merupakan senyawa organik (hidrocarbon), terdiri dari unsur hidrogen dan karbon. Senyawa dalam bentuk memiliki susunan berada dari atom akan tapi berat molekul yang sama atau disebut isomer. Heksana adalah penyusun signifikan dari bensin. Heksana secara umum digunakan untuk pelarut non-polar, relatif aman, sebagian besar tidak aktif dan mudah menguap [21].
Berikut merupakan data fisik dari Heksana (Liquid) :
Rumus molekul : C6H14
Massa molar : 86,17 g/mol
Wujud : Cairan tak berwarna
13
Suhu lebur : -139,54 o F (-93,3 o C) Suhu didih : 155.7°F = 68.7°C =341.9°K Kelarutan : Tidak terlarut dalam air Titik nyala : 225 o C - tekanan 1 atm Kalor laten Penguapan : 3,35 × 100.000 Joule/Kg
2.3.3 Butana
Butana adalah senyawa kimiia yang berikatan tunggal, termasuk bahan yang berbahaya dan beracun (B3) dan mudah terbakar. Memiliki rumus kimia C4H10,
artinya memiliki 4 atom karbon , 10 atom hidrogen. Memiliki berat molekul 58,124 gr/mol, dan memiliki titik didih -0,5°C. Butana tidak berwarna dan sedikit berbau, memiliki suhu nyala otomatis 430°C dan flammabiliti limit 1,8-8,4 % (tergantung volume) [22].
Pada penelitian ini reaktan yang digunakan berupa udara atmosfer, bahan bakar cair heksana (C6H14) dan butana (C4H10).
2.4 Batas Nyala / Flammability Limit
Campuran udara – bahan bakar tidak semua dapat terbakar dan tereaksi . Nyala dapat terjadi dengan campuran reaktan/ bahan bakar dan udara pada jumlah komposisi dengan batas tertentu. Apabila sejumlah kecil gas atau uap bahan bakar yang mudah terbakar secara bertahap ditambahkan ke udara, suatu titik akan tercapai dimana campuran tersebut mudah terbakar. Persentase bahan bakar pada titik ini disebut lower limit, atau lean limit. Jika lebih banyak bahan bakar dilebihkan atau bertambah, titik lain akhirnya tercapai dimana campuran tidak akan terbakar lagi. Persentase bahan bakar gas titik ini disebut upper limit atau
14
rich limit. Pada campuran kaya, lean limit sesuai dengan rasio udara-bahan bakar yaitu 0,5 dan rich limit 3 [23].
Peningkatan tekanan diatas atmosfer biasanya memperluas flammability limit gas dan uap. Hal ini terutama berlaku untuk campuran hidrokarbon – udara. Sebagian besar pelebaran terjadi di ujung rich limit . Dalam tekanan praktis berkisar 10 kPa hingga 5 Mpa, batas kemampuan melemah yang lemah tidak bergantung pada tekanan.
Flammability limit juga diperlebar oleh peningkatan suhu, tetapi efek biasanya kurang dari tekanan. Untuk bahan bakar cair, pembentukan campuran mudah terbakar hanya dimungkinkan dalam batas suhu tertentu. Batas suhu terendah diambil sebagai suhu minimum dimana tekanan uap bahan bakarcukup untuk membentuk konsentrasi volume lower limit uap. Saat didinginkan pada suhu ini campuran menjadi terlalu lemah mudah untuk dibakar. Batas suhu atas sesuai dengan kosentrasi rich limit ,dan kenaikan suhu selanjutnya memperkaya campuran ke kondisi tidak mudah terbakar.
Suhu terendah dimana campuran yang mudah terbakar dapat dibentuk diatas fase cair disebut flash point ketika dikutip untuk tekanan atmosfer. Kemudahan dengan terbentuknya uap yang cukup untuk menghasilkan campuran yang mudah terbakar tergantung pada tekanan uap bahan bakar. Bahan bakar yang mudah menguap menghasilkan tekanan uap tinggi, memberikan titik nyala rendah [23].
2.5 Fenomena Nyala api
Komposisi campuran udara/bahan bakar mempengaruhi kestabilan nyala api dari reaksi pembakaran.. Pada reaksi pembakaran dapat membentuk nyala dengan
15
sifat/fenomena nyala yang bermacam-macam [24]. Fenomena nyala api adalah sebagai berikut:
a. Blow-off
Merupakan keadaan dimana nyala padam karena kecepatan aliran reaktan lebih besar dari kalor reaktan yang terbakar tersebut. Hal ini sangat dianjurkan agar pembakaran tetap dapat berlangsung.
b. Flashback
Flashback dimana kondisi kecepatan reaksi pembakaran lebih cepat dari kecepatan aliran reaktan sehingga nyala mengarah kembali kedalam ruang pemanasan/percampuran reaktan. Kata lain dari sifat/fenomena seperti ini disebut back fire.
c. Lift-off
Merupakan fenomena nyala mencapai stabilitas dengan jarak tertentu dari ruang pembakaran, api pembakaran tidak menemui permukaan ujung burner. Kecepatan aliran reaktan yang meningkat hingga tercapai kecepatan maksimum, ujung nyala api akan menjauh dari burner pembakaran dan nyala akan terdorong ke atas. Keadaan api terangkat inilah yang disebut dengan lift-off, apabila kecepatan aliran reaktan terus dinaikkan maka terjadi nyala padam.
2.6 Duraluminium
Duralumin (yang disebut juga dengan duraluminum, duraluminium, dural-ium atau dural) merupakan nama dagang untuk salah satu jenis paling awal dari paduan aluminium yang dikeraskan. Penggunaan nama dagang sudah mulai
16
tertinggal, sekarang istilah ini mengacu pada paduan aluminium–tembaga yang ditetapkan sebagai seri 2000 oleh International Alloy Designation System (IADS).
Paduan aluminium-copper adalah jenis paduan aluminium dengan paduan tembaga (2,5–5,0%Cu). Sebutan lain dari paduan seperti ini adalah duralumin/duraluminium seri-2017 dengan berat jenis 2,8 kg/dm³, sedangkan variasi paduan,biasanya ditambah mangan(Mn), magnesium(Mg) dengan komposisi 4,5% Cu, 0,5% Mn 1,5% Mg. sehingga mendapat paduan dengan nilai kekerasan yang tinggi dan sifat mampu bentuk yang relatif rendah. Paduan tersebut biasanya disebut dengan duraluminium super atau seri -2024 [25].
Pada penelitian ini, bagian recirculator kalor dan flame holder menggunakan material duraluminium. Dural memiliki konduktivitas lebih tinggi dari pada Stainless pada penelitian sebelumnya. Akibat konduktivitas tinggi, sirkulasi panas dari nyala api ke reaktan baru lebih cepat terjadi atau lebih mudah, sehingga proses preheating terjadi lebih cepat [3].
2.7 Penelitian Terdahulu
Banyak penelitian mengenai pembakar skala meso menggunakan metode sirkulasi kalor . Ada dua metode pembakaran dengan memanfaatkan sirkulasi panas, yaitu sirkulasi panas tanpa sirkulasi gas [1, 2, 26, 27]. Kemudian juga ada pembakaran dengan sirkulasi kalor disertai sirkulasi gas [28-31]. Kemudian ada yang menambahkan pemegang api untuk menyetabilkan nyala. Dimana pemegang api (flame holder) dinilai mampu memanaskan kembali reaktan yang belum terbakar [1, 2, 26, 32, 33].
17
Tabel 2. 3 Penelitian dengan resirkulasi kalor pada mesoscale combustor
Researcher Tipe Combustor Combustor
Size (mm) Fuel
Munir, FA dan Mikami [26]
Stainless Steel Tube d=3,5 Propana (gas)
Wan, Y, dkk. [33] Stainless steel (Rectangular slots)
4x4 Metana (gas) Li, J, dkk [30] Quart Tube-Stainlees d=4 Heptana (cair) Tang, A dkk [29] Nikel Cube-Shaped 3x3 Propana (gas) Soegiharto, AFH,
dkk [1]
Copper-Quart Glass Tube d=3,5 Heksana (cair)
Soegiharto, AFH, dkk [2]
Stainless Steel -Quart Glass Tube
d=3,5 Heksana (cair)
Tabel diatas merupakan rangkuman penelitian mesoscale combustor dengan memanfaatkan resirkulasi kalor. Penelitian sebelumnya telah menunjukan kelayakan dan keuntungan dengan memanfaatkan resirkulasi kalor. Resirkulasi kalor dapat mininimalisir kerugian panas dan membantu menstabilkan api [34]. Selain itu, memanfaatkan resirkulasi panas pada combustor sangat membantu untuk penguapan bahan bakar cair dalam pembakar [2].
Seperti yang telah dilakukan oleh Soegiharto AFH (2017 dan 2019). Penggunaaan meso combustor 3,5 mm tembaga-quart glass tube dengan bahan bakar cair berhasil distabilkan.
Gambar 2. 2 Meso combustor tembaga-quart glass
18
Bahan bakar cair diuapkan dan tercampur dengan oksidan didalam saluran anulus tembaga, panas reaktan kemudian mengalir melalui lubang sempit pada resirkulator. Panas reaktan terbakar dekat dengan pemegang api wire mesh dengan stabil. Nyala berhasil stabil pada rasio ekuivalen (ɸ) antara 0,73 – 1,43 [1].
Combustor ditingkatkan dengan menggunakan combustor stainless steel-quart glass , ditambahkan sisipan stainless steel 3mm dibagian resirkulator-quart glass. Bahan bakar digunakan heksana [2].
Gambar 2. 3 Meso combustor Stainless Steel quart glass
Sumber: Soegiharto, AFH. et al. (2019)
Nyala api berhasil distabilkan pada rasio ekuivalen ɸ = 0,9 – 1,25. Perbedaan luas flammability limit dari kedua pembakar diatas diakibatkan, salah satunya karena pengaruh jenis material yang digunakan. Konduktivitas termal stainless steel lebih rendah daripada tembaga [5].
Nyala juga berhasil distabilkan menggunakan combustor 3,5 mm duraluminium-quart glass tube. penggunaan dural sebagai material resirkulator diharapkan mampu memperluas batas nyala pada combustor. Bahan bakar gas butana di gunakan pada penelitian tersebut.
19
Penggunaan combustor dengan jenis material dural dapat memperluas nyala didalam meso combustor daripada penggunaan stailess steel. Hal tersebut dikarenakan duraluminium memiliki kapasitas panas yang lebih rendah daripada stainless ,tetapi konduktivitasnya yang lebih tinggi daripada stainless steel. Pada proses preheating, kalor/panas yang dibutuhkan duraluminium lebih sedikit daripada kalor yang dibutuhkan stainless. Hal ini menyebabkan mesoscale combustor duraluminium-glass tube tidak terlalu menyerap banyak kalor dari nyala, akibatnya nyala lebih mudah terjadi [3].
Pada penelitian ini digunakan combustor duraluminium –quart glass tube sebagaimana yang telah diterapkan pada penelitian sebelumnya [3]. Diberikan perlakuan pada resirkulator. Ruas pemisah tidak lagi menggunakan dural, melainkan menggunakan quart glass mengingat quart glass merupakan material isolator yang baik. Sehingga panas tidak banyak terserap oleh dinding ruas pemisah dan reaktan akan cepat didistribusikan menuju bagian hilir atau ruang bakar.
