PENGARUH MATERIAL RING PADA FENOMENA NYALA API LIFT-UP

ISSN 1693-3168

Seminar Nasional - VII

Rekayasa dan Aplikasi Teknik Mesin di Industri Kampus ITENAS - Bandung, 28-29 Oktober 2008

TKE -

24

Teknik MESIN

PENGARUH MATERIAL RING

PADA FENOMENA NYALA API LIFT-UP

I Made Kartika Dhiputra1*, Bambang Sugiarto2, Amri Parlindungan Sitinjak3, Cokorda Prapti Mahandari4 1,2,3,4

Flames and Combustion Research Group Laboratorium Termodinamika Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia

Kampus Baru Depok Jakarta Indonesia 16424

dhiputra_made@yahoo.com, bangsugi@eng.ui.ac.id, seta_atmui@yahoo.com,

prapti.mahandari@ui.edu

Abstrak

Fenomena lompatan nyala api atau flame lift-up telah diteliti dengan parameter material ring dan posisi ring dari ujung burner terhadap perbandingan laju aliran udara dan laju aliran bahan bakar atau Air Fuel Ratio (AFR). Dua jenis material ring yaitu stainless steel AISI 304 dan keramik dengan dimensi yang sama yakni diameter dalam 10 mm, diameter luar 30 mm dan tebal 5 mm akan dibandingkan pengaruhnya terhadap AFR saat lift-up dan terhadap panjang nyala setelah lift-up. Percobaan dilakukan dengan menggunakan Flame Propagation Stability Unit yang dilengkapi pengatur udara dan pengatur bahan bakar. Parameter percobaan yang divariasikan adalah laju aliran bahan bakar dan posisi ring dari ujung burner. Laju aliran udara saat terjadinya lift-up diukur dengan menggunakan rotameter dan panjang nyala setelah lift-up diukur menggunakan mistar dan pencitraan kamera.

Ring keramik menimbulkan fenomena lift-up pada AFR yang lebih rendah. Demikian pula panjang nyala lift-up, pada burning load yang sama, lebih rendah dari pada panjang nyala api lift-up dengan ring dari stainless steel. Pada posisi ring yang lebih rendah atau lebih dekat dengan ujung burner perbedaan panjang nyala api lift-up keduanya semakin besar.

Kata kunci: panjang nyala api, premix, lift-up 1. Pendahuluan

Fenomena nyala api lift-up yang merupakan penelitian dasar ditemukan pada pembakaran premix. Penelitian mengenai fenomena nyala api lift-up banyak dilakukan untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi dari segi ekonomis, sebab api yang menyala tidak terletak di ujung burner (tip burner) melainkan pada suatu penyangga api (flame holder) dalam hal ini adalah ring. Nyala api yang terletak tepat di tip burner atau secara konvensional akan menyebabkan adanya kelelahan akibat pemanasan secara langsung karena tip burner menjadi lebih cepat panas dan dapat menyebabkan erosi atau pengotoran atau fouling, pada lubang tip burner.

Penelitian mengenai fenomena flame lift-up mulai dilakukan secara eksperimental dari aspek timbulnya fenomena ini berdasarkan perbandingan laju aliran udara dan bahan bakar atau Air Fuel Ratio (AFR) saat timbulnya fenomena tersebut serta pengaruh posisi ring dari ujung burner [1,2]. Penelitian selanjutnya difokuskan pada pengukuran panjang nyala lift-up [3,4]. Sedangkan pengaruh perubahan diameter dalam ring terhadap fenomena lift-up juga telah dilakukan dan akan dilaporkan pada tulisan yang lain.

Semua penelitian yang telah dilakukan menggunakan material ring berbahan dasar metal sebagai ringnya. yakni AISI 304. Penelitian dengan bahan dasar selain metal masih terbatas dan ini menjadi sesuatu yang menarik untuk diteliti. Pentingnya mencari material substitusi dari metal sebagai ring (flame holder ) adalah untuk mendapatkan material yang lebih tahan panas dan tahan korosi. Pada penelitian ini digunakan ring dengan bahan dasar keramik untuk mengurangi pengaruh radiasi ring terhadap timbulnya fenomena lift-up. Berdasarkan penelitian tentang burner dari keramik telah diketahui bahwa keramik adalah bahan inert yang tidak dapat terbakar dan karakteristik burner akan sama dengan burner yang diberikan pendingin air [5].

TKE -

25

Fenomena flame lift-up yang dihasilkan serta panjang nyala api lift-up oleh ring keramik dan ring stainless steel akan dibandingkan dari segi AFR dan posisi ketinggian ring dari burner. Dimensi kedua ring sama yaitu diameter dalam 10 mm, diameter luar 30 mm dan tebal 5 mm serta pengukuran AFR dan panjang nyala dilakukan pada burning load yang sama.

2. Metode Penelitian

Penelitian fenomena flame lift-up dilakukan di Laboratorium Termodinamika Departemen Teknik Mesin UI dengan menggunakan alat Flame Propagation Stability Unit yang merupakan alat pengatur udara dan bahan bakar. Bahan bakar yang digunakan adalah gas propana sedangkan burnernya adalah tabung atau barell dengan diameter dalam 14 mm dan tinggi 38 cm dilengkapi dengan alat pengatur ketinggian ring. Pengukuran panjang nyala dilakukan dengan pengambilan gambar dengan kamera dan dengan menggunakan mistar. Skema dari alat percobaan ditampilkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Skema percobaan pengukuran panjang nyala

Percobaan dilakukan dengan menetapkan laju aliran gas kemudian mengatur laju aliran udara sampai fenomena nyala api lift-up muncul. Saat terjadinya fenomena api lift-up maka dilakukan pengukuran laju aliran udara dan tinggi nyala. Laju aliran udara divariasikan pada 6 nilai. Percobaan kemudian dilakukan pada 4 variasi ketinggian ring dari tip burner yakni 10 mm, 20 mm, 30 mm, dan 40 mm di atas burner masing-masing pada 6 laju aliran gas. Ring yang digunakan dua jenis yakni stainless steel AISI 304 dan ring keramik. Hasil percobaan dengan ring dari stainless steel telah dianalisa pada penelitian sebelumnya [1,4]. Untuk itu pada penelitian ini akan ditampilkan grafik yang sama dengan penelitian sebelumnya namun ditambahkan hasil dari percobaan menggunakan ring keramik.agar dapat lebih mudah dibandingkan.

Perbandingan laju udara terhadap bahan bakar atau AFR ditentukan dengan persamaan berikut

f a

m

m

AFR

&

&

=

(1)

Beban pembakaran atau Burning Load dihitung dengan menggunakan persamaan

A

x HV

m

BL

=

&

f (2)

3. Hasil dan Pembahasan

Mengacu pada Fuidge diagram, maka ditampilkan grafik AFR fungsi Burning load seperti tampak pada Gambar 2. Grafik warna hitam adalah untuk ring stainless steel dan warna merah adalah untuk ring keramik. AFR stoikiometri dari propana berada pada kisaran 24, 8 [6] sehingga dari grafik

TKE -

26

tampak bahwa fenomena nyala api lift-up terjadi pada pembakaran yang kurus atau miskin bahan bakar.

Grafik AFR saat lift-up

10 15 20 25 30 35 40 45 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 Burning Load, KW/m2 A F R x=10 mm x=20 mm x=30 mm x=40 mm xr= 10 mm xr= 20 mm xr= 30 mm xr= 40 mm

Gambar 2. Burning Load vs AFR pada ring diameter dalam 10 mm.

Terlihat juga dengan jelas bahwa dengan menggunakan ring keramik pada burning load yang sama, fenomena lift-up akan terjadi pada nilai AFR yang lebih rendah yang digambarkan dalam grafik berwarna merah. Hal ini menunjukkan bahwa fenomena lift-up tidak hanya dipengaruhi oleh medan aliran campuran gas dan bahan bakar. Karena dengan geometri ring dan burner yang sama namun perbedaan material ring saja telah menurunkan laju aliran udara yang dibutuhkan untuk terjadinya fenomena lift-up. Dari aspek material bahwa keramik yang merupakan bahan inert [5] memiliki kapasitas panas konduksi yang jauh lebih rendah jika dibandingkan dengan stainless steel maka temperatur ring diduga mempengaruhi timbulnya fenomena nyala api lift-up. Pembahasan tentang pengaruh temperatur ring juga telah ditampilkan pada tulisan yang lain.

Sedangkan dari aspek posisi ring atau ketinggian ring ternyata diperoleh hasil yang sama seperti penelitian menggunakan ring stainless steel bahwa semakin dekat posisi ring justru AFR semakin tinggi [1]. Inilah pengaruh medan aliran campuran udara dan bahan bakar yang terhalang oleh luasan penampang ring. Semakin dekat dengan ujung burner maka hambatan yang ditimbulkan oleh ring semakin besar jika dibandingkan dengan posisi ring lebih jauh dari ujung burner. Untuk itu dibutuhkan momentum aliran campuran bahan bakar yang lebih besar dibandingkan dengan posisi ring yang jauh dari ujung burner. Karena aliran gas telah ditetapkan lajunya maka laju aliran udara harus lebih tinggi utuk menimbulkan momentum aliran campuran udara dan bahan bakar yang lebih besar.

Hal ini juga terjadi apabila laju aliran gas atau burning load dinaikkan pada posisi ketinggian ring yang sama. Nilai AFR untuk terjadinya lift-up akan menurun pada laju aliran bahan bakar yang lebih tinggi yang diwakili oleh kenaikan burning load. Kenaikan laju aliran gas, sedikit menurunkan laju aliran udara yang dibutuhkan karena telah terpenuhinya momentum aliran campuran gas dan bahan bakar untuk terjadinya lift-up sehingga AFR juga menurun seiring kenaikan laju bahan bakar atau burning load.

TKE -

27

Hasil pengukuran panjang nyala api lift-up ditampilkan pada Gambar 3. Panjang total nyala api lift-up diukur dari ujung burner sampai ujung lidah api.

Grafik panjang nyala lift-up

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 7000 9000 11000 13000 15000 17000 Burning Load, KW/m2 P a n ja n g N y a la , m m x= 10 mm x=20 mm x=30 mm x=40 mm xr=10 mm xr=20 mm xr=30 mm xr=40 mm Gambar 3. Grafik Panjang Nyala Total Api Premix vs Burning Load

Terlihat bahwa tinggi nyala total api lift-up dengan menggunakan ring keramik yang ditampilkan dengan grafik warna merah berada di atas grafik tinggi nyala total api lift-up dengan menggunakan ring stainless steel. Hal ini sesuai dengan penurunan nilai AFR-nya pada Gambar 2 dan sesuai pula dengan persamaan panjang nyala api premix yang diusulkan oleh Rokke [7]. Persamaan Rokke menunjukkan korelasi antara panjang nyala yang sebanding dengan fraksi massa bahan bakar. Semakin turun nilai AFR berarti fraksi massa bahan bakar semakin tinggi sehingga panjang nyala api juga meningkat. Hal ini membuat grafik pada Gambar 2 dan grafik pada Gambar 3 berkebalikan. Perbedaan yang cukup mencolok adalah panjang nyala pada posisi ring 30 mm yang pada ring stainless steel terdapat kenaikan panjang nyala, pada grafik ring keramik tidak terjadi. Hal ini lebih jelas terlihat pada grafik panjang nyala dengan posisi ring pada Gambar 4. Pada posisi ketinggian 30 mm justru pada grafik ring keramik terlihat sedikit penurunan panjang nyala .Kondisi ini terjadi diduga karena posisi 30 mm adalah posisi yang sangat dekat dengan ujung nyala luminous. Sedangkan ujung nyala luminous pada pembakaran premik memiliki temperatur yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan nyala dekat ujung burner. Hal lain yang diduga mempengaruhinya adalah kapasitas panas material yang amat berbeda. Stainless steel cenderung melepaskan energi panas jika telah mencapai temperatur tinggi, sedangkan keramik justru sebaliknya menyerap energi panas pembakaran karena kondisinya yang lebih rendah dari temperatur nyala disekitarnya. Hal ini juga didukung oleh penelitian dengan menggunakan burner keramik yang ternyata karakteristiknya seperti burner berpendingin air [5]. Namun hal ini perlu dianalisa lebih lanjut dari aspek radiasi nyala, kerugian panas dan temperatur ring saat lift-up.

TKE -

28

Grafik Panjang Nyala lift-up vs posisi ring

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 10 20 30 40 50 Posisi ring, mm P a n ja n g n y a la , m m vf=0,12 m/dt vf=0,14 m/dt vf=0,15 m/dt vf=0,16m/dt vf=0,17m/dt vf=0,19 m/dt vf=0,12 m/dt vf=0,14 m/dt vf=0,15 m/t vf=0,16m/dt vf=0,17 m/dt vf=0,19 m/dt

Gambar 4. Panjang nyala api lift-up dan posisi ring

4. Kesimpulan

Dibandingkan dengan ring stainless steel, penggunaan ring keramik sebagai ’flame hold atau pemegang nyala pada fenomena flame lift-up menurunkan AFR untuk terjadinya lift-up serta menaikkan panjang nyala setelah lift-up. Fenomena lift-up juga dipengaruhi oleh temperatur ring karena dengan geometri ring, posisi ring dan burning load yang sama, AFR untuk terjadinya lift-up berubah. Munculnya fenomena nyala api lift-up memerlukan analisa dari aspek radiasi nyala, serta medan aliran campuran bahan bakar dan udara. Demikian pula kondisi maksimumnya panjang nyala pada posisi ring 30 mm pada ring stainless steel yang sebaliknya minimum pada ring keramik. Notasi

a

m

&

laju massa udara [kg/dt]

f

m

&

laju massa bahan bakar [kg/dt] BL Burning Load [kW/m2] A luas penampang burner [m2] HV nilai kalor bahan baker [Joule/kg]

Daftar Pustaka

[1] Cokorda Prapti Mahandari, I Made Kartika D, 2007, Flame Lift-up on A Bunsen Burner; A Preliminary Study” Proceeding The 10th International Conference on QIR, UI Depok, Jakarta, EPE-13

[2] I Made Kartika Dhiputra, Cokorda Prapti Mahandari, Karlovitz Number for Predicting A flame lift-up on Propane Combustion, 2008, Proceeding The 1st International Meeting on Advances in

TKE -

29

[3] I Made Kartika Dhiputra, Hamdan Hartono A, Cokorda Prapti Mahandari, 2008, Perubahan Panjang Nyala Api pada Fenomena ‘ Flame Lift-up” Akibat Letak Ketinggian Posisi Ring ‘Flame-Hold’, Proceeding Seminar Nasional Teknik Mesin 3,UK Petra, Surabaya, hal 101-104

[4] I Made Kartika Dhiputra, Bambang Sugiarto, Hamdan Hartono A, Cokorda Prapti Mahandari, 2008 Proceeding The 1st International Meeting on Advances in Thermo-Fluid 26th August 2008, Universiti Teknologi Malaysia, Johor, Malaysia

[5] P.H Bouma, L.P.H. de Goey, 1999, Premix Combustion on Ceramic Burner, Combustion and

Flame, 119, halaman 133-143,

[6] Drysdale D., 1998, Introduction to Fire Dynamics, UK,Wiley,

[7] Nils A Rokke, A Study of Partially Premixed Unconfined Propane Flames, Combustion and Flame 97 hal.:88-106 Elsevier Science Inc