SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 153
Peta Stabilitas Nyala Api Pada Ruang Bakar Mesoscale Tipe
Rectangular Slot Terhadap Posisi Combustor
Satworo Adiwidodo1, I.N.G. Wardana2, Lilis Yuliati3, Mega Nursasongko4
1)JurusanTeknik Mesin, Politeknik Negeri Malang
1, 2, 3,4) Program Studi Teknik Mesin, Pasca Sarjana, Universitas Brawijaya Malang
e-mail: 1)satworo.adiwidodo@polinema.ac.id, 2)wardana@ub.ac.id, 3)lilis_y@ub.ac.id, 4)megasasongko@ub.ac.id
ABSTRAK
Pada pembakaran bahan bakar dalam ruang bakarukuran mesoscale, masalah terbesar adalah heat
loss. Heat loss menyebabkan sulit terjadinya nyala stabil. Salah satu upaya mengurangi heat loss adalah
dengan pembakaran resirkulasi,yaitu produk pembakaran digunakan kembali untuk memanaskan bahan bakaryang akan di bakar. Pembakaran mesoscale dengan model resirkulasi membutuhkan desain ruang bakar khusus dan proses penyalaan awal yang rumit. Pada penelitian ini dilakukan pada ruang bakar dengan geometri sederhana, saluran lurus berpenampang persegi (rectangular slot) dengan memvariasi posisi ruang bakar (combustor). Perubahan posisi combustordiharapkan bisa memberikan efek resirkulasi tanpa merubah desain ruang bakarnya. Tujuan dari penelitian ini yaitu mengetahui batas stabilitas nyala api pada variasi posisi ruang bakar. hasil percobaan menunjukkan perubahan posisi combustor mengakibatkan perubahan yang signifikan terhadap peta stabilitas nyala. Pada daerah equivalent ratio ( ) ≥ 2, bentuk stabilitas nyala pada berbagai variasi posisi tidak berbeda, akan tetapi untuk nilai <2, menjukkan perbedaan yang nyata. Pada posisi paling ekstrim (180O), equivalent ratio
bisa mendekati 1 dengan area stabilitas yang lebih luas. Kecepatan reaktan tertinggi dicapai pada posisi ruang bakar 180O yang mencapai 70 cm/s.
Kata kunci: peta stabilitas, heat loss,mesoscale, rectangular slot, posisi combustor
ABSTRACT
In the combustion of fuel in mesoscale combustion chamber, the biggest problem is heat loss. Heat loss cause difficult the stable flame. One effort to reduce heat loss is the recirculation combustion, the products of combustion reused to heat fuel to be burned. Combustion mesoscale model with recirculation requires special combustion chamber design and process startup more complicated. In this research, use simple geometry of the combustion chamber, straight line with rectangular slot by varying the position of the combustor. Change the position of the combustor is expected to provide a recirculation effect without changing the design. The purpose of this study is to know the flame stability limits on the variation of the position of the combustion chamber. The experimental results show the change in position of the combustor resulting in significant changes to the map of flame stability. In the equivalent area ratio ( )≥ 2, the stability area of the flame at various positions did not differ, but for the value <2, real difference. In the most
extreme position (180O), equivalent ratio can approach 1 with wider stable area. The highest reactants speed
reached at 180O position of the combustion chamber of 70 cm/s .
Keywords:map of flame stability, heat loss, mesoscale, rectangular slot, combustor position
Pendahuluan
Sumber tenaga yang banyak digunakan untuk peralatan elektronik portabel saat ini adalah baterai. Baterai Pb-acid atau Li-ion sekalipun mempunyai kepadatan energi (energy density)
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 154
yang jauh lebih rendah daripada energi dari reaksi pembakaran, sehingga pada baterai Pb-acid atau Li-ion untuk menghasilan tenaga yang besar diperluan ukuran yang besar pula.
Pembakaran pada skala micro ataupun meso menjadi sangat penting dalam bidang riset sebagai akibat dari perkembangan yang cepat dariMicro Electro Mechanical System (MEMS). Salah satu aplikasinya adalah power MEMSyaituthermal electric system dimana panas hasil pembakaran langsung dimanfaatan untuk dikonversi menjadi listrik oleh TPV (Thermophotovoltaic). Thermal electric system terdiri dari microscale atau mesoscalecombustor sebagai penyedia panas dan TPV sebagai pengkonversi energi.
Tantangan pembakaran microscale atau mesoscalesebagai penyedia panas dalam thermal
electric systemadalah bagaimana mempertahankan kestabilan api dalam combustor yang
mempunyai ukuran dalam skala milimeter dan bahkan sub-milimeter/mikron [Aghalayam:1998]. Rasio kehilangan panas terhadap panas bangkitan berbanding terbalik dengan panjang karakteristik combustor. Dengan demikian, semakin kecil ukuran combustor maka akan semakin besar proporsi kehilangan panas dari zona api, yang berpotensi dapat menyebabkan thermal
quenching [Norton: 2003; 2004]. Penelitian untuk mengurangi heat loss pada micro atau mesoscalecombustor untuk meningkatkan stabilitas pembakaran oleh Maruta dan Fan
[Maruta:2005, Fan:2008] dengan metode pemanasan eksternal. Metode lain yang digunakan untuk mengurangi kehilangan panas adalah dengan cara resirkulasi panas. Berbeda dengan
combustor pada ukuran konvensional, pembakaran di ruang bakar mikro sangat bergantung
pada resirkulasi panas melalui struktur yang solid [Ronney:2003, Ju:2003]. Entalpi pembakaran yang besar menghasilkan api yang lebih stabil pada pembakaran mesoscale. Entalpi pembakaran berlebih menggunakan konfigurasi ruang bakar swiss-roll, dapat dengan mudah dicapai [Jing: 2010].
Pembakaran mesoscale dengan model resirkulasi membutuhkan desain combustordan proses penyalaan awal yang lebih rumit. Penelitian ini dilakukan pada combustor dengan geometri sederhana, saluran lurus dengan perubahan posisi combustor Perubahan posisi ini diharapkan bisa memberikan efek resirkulasi tanpa merubah desain combustor menjadi lebih rumit yaitu dengan memanaskan bahan bakar dengan produk pembakaran sebelumnya secara direct contact. Perubahan posisi combustor juga diharapkan dapat membatu masuknya api ke ruang bakar pada penyalaan eksternal dengan memanfaatkan bouyancy effect. Tujuan dari penelitian ini yaitu mengetahui batas stabilitas nyala api pada ruang bakar mesoscale akibat pengaruh perubahan posisi combustor.
Metode Penelitian
Penelitian ini mengggunakan liquified petroleum gas (LPG) sebagai bahan bakar dan oksigen murni sebagai oksidatornya. Pembakaran dilakukan pada mesoscale combustortipe
rectangular slot dengan ukuran penampang 2.5 mm x 2 mm dan panjang saluran 10 mm. Pada
desain combustor terdapat 3 saluran bahan bakar (fuel port), namun dalam penelitian ini hanya satu yang digunkan yaitu ruang bakar pada bagian yang paling atas, sedangkan 2 lainnya ditutup. Material ruang bakar stainless steel, kecuali pada bagian penutup menggunakan kaca untuk melihat visualisasi nyala.Pada combustor tipe rectangular slot tersebut dipasang tembaga yang diberi alur (groove) dengan lebar celah 200 m (0.2 mm) yang berfungsi sebagai pemegang nyala api (flame holder).Desain combustor disajikan pada Gambar 1.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 155 Sight Glass Chamber wall Anvil wall Fuel port Side Shield Bottom shield Flame Holder
Gambar 1. Desain combustor
Liquified petroleum gas (LPG) yang digunakan mempunyai komposisis 50% propana dan
50% butana. Oksidator oksigen dengan tingkat kemurnian 99,99%.Alat ukur debit aliran adalah
rotarymeter kofloc dengan rentang ukur untuk LPG 2-20 ml/min dan oksigen 50-500 ml/min. Alat
dan bahan yang digunakan disajikan pada Gambar 2.Alat dan bahan kemudian dirangkai menjadi instalasi eksperimen sebagaimana disajikan pada Gambar 3.
Gambar 2. Alat dan bahan
Thermocouple Oxigen Fuel (LPG) Mixer Regulator /valve Flow meter Flashback arrestor Combustion chamber ADC Combustion product Glass High speed/fixed lens camera Laptop Fuel port Flame holder
Gambar 3. Eksperiment Set Up
Stabilitas nyala diamati pada berbagai posisicombustor, yaitu posisi 0O, 90O, dan
180O(Gambar 4). Pengambilan data dilakukan dalam berbagai equivalen ratio( dankecepatan
reaktan (Vtot) dengan cara membuat konstan LPG dan memvariasikan oksigen serta sebaliknya
membuat konstan oksigen dan memvariasikan LPG. Api masuk kedalam combustor dengan cara
flashback sehingga akan muncul nyala ganda (didalam dan diluar combustor). Untuk melihat
batas peta kestabilan nyala didalam combustor, maka nyala api yang ada diluar dimatikan terlebih dahulu.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 156
Posisi 1 (0o) Posisi 2 (90o) Posisi 3 (180o) Gambar 4. Variasi posisi ruang bakar
Hasil dan Pembahasan
Perubahan posisi combustor akan merubah pola aliran. Pola aliran yang tepat menghasilkan resirkulasi panas yang dapat mengurangi problem terbesar dalam pembakaran mikro/mesoscale yaitu heat loss. Pada Gambar 5 ditunjukkan model heat recirculation pada berbagai variasi posisi combustor.
Posisi 1 (0o) Posisi 2 (90o) Posisi 3 (180o) V flame Vreaktan Q. Hl Qcond . V flame Vreaktan Hl Qcond . V flame Vreaktan Qcond . Q. Q. Hl
Gambar 5. Model heat recirculation pada perubahan posisi combustor
Pada posisi 0O, secara alami produk pembakaran akan dialirkan keatas karena terikut
bouyancy. Sebagian kalor ini akan meradiasikan dinding combustor dan sebagian besar akan
hilang bersama aliran ke atas. Kalor yang diradiasikan ke dinding sebagian akan hilang akibat konveksi ke lingkungan dan sebagian lagi akan dialirkan secara konduksi di dalam dinding
combustor. Kalor (panas) inilah yang digunakan untuk menjaga stabilitas nyala di dalam ruang
bakar. Sisa panas yang sedikit tu menyebabkan daerah penyalaan yang sempit.
Posisi 90O memberikan kemungkinan kalor bangkitan yang diserap lebih banyak dari posisi
0Ountuk kestabilan nyala yang lebih baik. Pada posisi horizontal (90O), kalor sebagai produk
pembakaran sebagian terikut keluar bersama produk pembakaran lainnya, sebagian besar akan memanaskan dinding atas dan sebagian lagi akan diradiasikan kedinding bawah. Kalor yang diterima dinding sebagian akan hilang akibat konveksi ke lingkungan dan sebagian lagi akan dialirkan secara konduksi di dalam dinding combustor. Karena kalor yang diterima dinding atas besar, posisi ini menjanjikan kalor yang lebih besar pula untuk menjaga kestatabilan nyala api.
Posisi yang paling ekstrim adalah posisi combustor yang terbalik (180O). Pada posisi ini
kalor yang besar bisa dipakai untuk memanaskan reaktan secara langsung, sebagian di radiasikan ke dinding untuk memanaskan juga reaktan melalui dinding dan sebagian hilang akibat konveksi. Posisi 180O nampaknya bisa memberikan heat loss yang paling kecil. Posisi ini
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 157
juga kemungkinan bisa meningkatkan waktu tinggal dari reaktan. Hal tersebut terjadi akibat dorongan bouyancy dan proses mengembangan produk pembakaran akibat panas yang diterima. Kedua hal ini bisa menghambat laju aliran reaktan sehingga waktu tinggal reaktan di dalam ruang bakar menjadi naik. Kenaikan residence time mempunyai efek yang baik bagi proses pembakaran. Residence time naik artinya Damkohler Number (Dah) ikut naik pada waktu reaksi
yang sama. Semakin besar Damkohler Number berarti kemungkinan reaktan terbakar habis menjadi semakin besar.
Damkohler Number (Dah) dinyatakan dalam persamaan 1 [Spadaccini: 2008]. Karakteristik
waktu tinggal bisa dinyatakan persamaan 2 [Spadaccini: 2008].Waktu reaksi bisa dinyataan berdasarkan persamaan Arrhenius yang disajikan dalam persamaan3 [Spadaccini: 2008].
(1) (2)
(3)
Perubahan posisicombustormempunyai pengaruh yang besar terhadap peta stabilitas nyala pada ruang bakar mesoscale seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 sampai dengan Gambar 9.
Gambar 6. Peta stabilitas nyala pada posisi ruang bakar 0O
Dari data hasil percobaan pada Gambar 6 menunjukkan bahwa posisi combustor 0O
mempunyai 2 region yaitu api stabil di dalam combustor dan api di dalam combustor yang disertai adanya noise. Api stabil terjadi pada daerah equivalent ratio pada kisaran 2 ke atas.Noise adalah salah satu bentuk instabilitas. Noise terjadi pada daerah equivalent ratio
mendekati 1. Pada kondisi tersebut temperatur dan kecepatan reaksimeningkat sehingga nyala cenderung utuk mengalami flashback. Nyala api yang mengalami flashback dalam perjalanannya ketika menyentuh flameholder sebagian panas bangkitan akan dibuang melalui
flame holder, oleh karenanya nyala akan kembali ke posisi upstream. Gerakan nyala yang
fluktuatif ini menyebabkan vibrasi udara yang mengakibatkan adanya bunyi (noise). Pada Gambar 4 ditunjukkan juga adanya garis explosive pada equivalent rationyaris. Garis ini mengindikasikan bahwa nyala pada akhirnya bisa melewati lebar celah flameholder (0.2 mm) yang kemudian membakar reaktan yang menumpuk dibawah flameholder. Kecepatan reaktan tertinggi yang bisa diraih pada posisi ini pada kisaran 50 cm/s.
1 2
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 158
Sementara pada posisi combustor 90O (Gambar 7) juga terdapat 2 region yaitu pada kisaran
equivalent ratio lebih besar sama dengan (≥) 2 mempunyai daerah yang relative sama dengan
posisi combustor 0O dan pada equivalent ratio< 2, yaitu di dalam daerah noise.Zona noise yang
muncul berbeda dengan zona noise pada posisi combustor0O. Pada posisi ini didalam zona noise
terdapat area yang diam (stabil). Kemunculan area stabil pada zona noise memperluas peta stabilitas nyala. Area stabil didalam zona noise ini muncul diduga sebagai akibat turunnya heat
loss di area flame holder yang mampu menjaga nyala pada posisi sangat dekat dengan flame holdernya. Sehingga pada saat equivalent ratio mendekati 1, kecepatan reaksi meningkat shingga
nyala cenderung flashback. Berbeda dengan posisi 0O dimana nyala berfluktuasi akibat kehilangan
panas bangkitan yang besar, pada posisi combustor horizontal (90O) lebih sedikit heat loss yang
terjadi sehingga mampu menahan api pada posisi sangat dekat dengan flame holdernya. Ketika
equivalent ratiosemakinturun mendekati 1 maka kecepatan reaksi menjadi semakin tinggi, namun heat loss yang lebih rendah tersebut tidak cukup mampu menahan nyala pada posisinya yang membuat nyala
kembali ke upstream, timbullah noise. Pada equivalent ratio nyaris 1, flashback kembali mampu melewati lebar celah flameholder dan membakar reaktan yang menumpuk dibawah flameholder, hal inilahyang menimbulkan ledakan (explosive)
Gambar 7. Peta stabilitas nyala pada posisi ruang bakar 900
Gambar 8 menunjukan peta stabilitas nyala pada posisi combustor 180O, daerah
kestabilan pada nilai equivalent ratio ≥ 2 juga mempunyai daerah yang relative sama dengan posisi chamber 0O dan posisi chamber 90O, namun pada pada daerah equivalent ratio< 2 nampak
ada perbedaan yang jelas. Ada region stabil di daerah yang muncul noise serta ada kemungkinan muncul satu lagi region stabil yang bergeser kearah campuran miskin. Karena keterbatasan alat ukur, masih perlu dilakukan verifikasiuntuk memastikan munculnya region stabilitas yang ke 3. Kecepatan reaktan tertinggi dicapai pada posisi ini yaitu 70 cm/s.
.
Gambar 8. Peta stabilitas nyala pada posisi ruang bakar 1800
1a 2 1b 1a 2 1b 1c?
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 159
Gambar 9. Perbandingan peta stabilitas nyala pada berbagai posisi ruang bakar
Gambar 9 merupakan perbandingan zona stabil didalam pada berbagai posisi combustor. Penambahan panas akibat heat resirculation yang baik mampu menggeser peta kestabilan ke campuran miskin untuk equivalent ratio< 2. Sedangankan pada equivalent ratio ≥ 2 mempunyai daerah stabil yang relative sama.
Flame Holder
(A) (B) (C)
Flame Holder
(D)
Gambar 10. Flame holder: a. posisi 0O, b. posisi 90O, c. posisi 180O, d. ukuran
Yang mempunyai pengaruh besar selain posisi adalah flame holder (Gambar 10).Munculnya garis explosive dikarenakan nyala flashback yang bisa melewati lebar celah flame holder. Pada penelitian selanjutnya akan digunakan flame holder dengan lebar celah yang lebih sempit. Diyakini jika nyala bisa dipertahankan di atas flame holder, akan didapatkan rentang peta stabilitas yang lebih lebar untuk bahan bakar LPG dan O2 murni.
Kesimpulan
Perubahan posisi chamber mengakibatkan perubahan yang signifikan terhadap peta stabilitas nyala api pada mesoscale combustor.Penambahan panas akibat heat resirculation yang baik mampu menggeser peta kestabilan ke campuran miskin untuk equivalent ratio< 2. Sedangankan pada equivalent ratio ≥ 2 mempunyai daerah stabil yang relative sama.Posisi
combustor 180O memberikan harapan akan pencapaian rentang peta stabilitas yang lebih lebar.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 160
ratioLebar celah flame holder masih terlalu besar sehingga memungkinkan api flashback
melewatinya sehingga pada ketiga posisi combustor muncul daerah yang explsive pada equivalent
ratio
Ucapan Terima Kasih
Terima kasih kepada Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan melalui beasiswa program doktor dankepadaKepala Laboratorium Fluida Universitas Brawijaya atas segala fasilitas dan dukungan yang diberikan.
Daftar Pustaka
1. AghalayamP., Vlachos D.G., 1998, Roles of thermal and radical quenching in emissions of
wall-stabilized hydrogen flames, AIChE J;44:2026-34.
2. Fan A., Minaev S., Kumar S., Liu W., Maruta K., 2008,Regime diagrams and characteristics of
flame patterns in radial micochannels with temperature gradients, Combustion and Flame,
153:479-89
3. Jing Z.B., Hua W.J., 2010, Experimental Study On Premixed CH4/Air Mixture Combustion in
Micro Swiss Roll Combustor, Combustion and Flame, 157:2222-2229.
4. Ju Y., Choi C.W., 2003,An analysis of sub-limit flame dynamics using opposite propagating
flame in mesoscale channels, Combustion and Flame, 133:483-93.
5. Maruta K., Kataoka T., Kim N.I., Minaev S., Fursenko R., 2005, Characteristics of combustion
in a narrow channel with a temperature gradient. Proceeding of the Combustion Institute,
30:2429-36.
6. Norton D.G., Vlachos D.G.,2003, Combustion characteristics and flame stability at the
microscale: a CFD study of premixed methaneair mixtures, ChemicalEngineering Science,
58:4871-82.
7. Norton D.G., Vlachos D.G., 2004, A CFD study of propane-air microflame stability. Combustion and Flame, 138:97-107.
8. Ronney P.D.,2003, Analysis of non-adiabatic heat-recirculating combustors, Combustion and Flame, 135:42139.
9. Spadaccini C .M., Waitz I.A., 2008, Chapter 3.15 Micro Combustion, Elsevier B.V, pp. 475-495
Appendix
DaH = Damkohler Number
residence = waktu tinggal (s)
V = volume (m3),
P = tekanan (N/m2)
= laju alir massa (kg/dt)
R = konstanta gas (J/Kg OK)
T = temperatur (OK)
To = temperatur (OK)
