jurusan teknik mesin fakultas teknik universitas ...eprints.umm.ac.id/41075/1/pendahuluan.pdf ·...
TRANSCRIPT
KARAKTERISTIK PEMBAKARAN BUTANA DI DALAM
MESO-SCLAE COMBUSTOR DENGAN PERBEDAAN
KONDUKTIVITAS TERMAL FLAME HOLDER
TUGAS AKHIR
Diajukan Kepada
Universitas Muhammadiyah Malang
Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar
Sarjana (S-1) Teknik Mesin
Disusun Oleh :
ILHAM FAUZI
NIM : 201310120311042
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2018
iii
LEMBAR PENGESAHAN
TUGAS AKHIR
KARAKTERISTIK PEMBAKARAN BUTANA DI DALAM
MESO-SCLAE COMBUSTOR DENGAN PERBEDAAN
KONDUKTIVITAS TERMAL FLAME HOLDER
Diajukan Kepada
Universitas Muhammadiyah Malang
Sebagai Salah Satu Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin
Disusun Oleh :
Nama : ILHAM FAUZI
Nim : 201310120311042
Telah diperiksa, disetujui dan disahkan oleh :
Dosen Pembimbing I
Ir. Achmad Fauzan HS., MT.
Dosen Pembimbing II
Ir. Sudarman, MT.
Mengetahui,
Ketua Jurusan Mesin
Ir. Daryono, MT.
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
FAKULTAS TEKNIK
Jurusan : Teknik Mesin, Teknik Sipil, Teknik Elektro,
Teknik Industri, D3 Elektronika, Teknik Informatika Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127
Fax. (0341) 460782 Malang 65144
LEMBAR KONSULTASI / ASISTENSI
Nama : Ilham Fauzi
No. Induk : 201310120311042
Judul : Karateristik Pembakaran Butana Di dalam Meso-scale Combustor
Dengan Perbedaaan Konduktivitas Termal Flame Holder.
Pembimbing II : Ir. Achmad Fauzan HS., MT
NO Tanggal Catatan Asistensi Paraf
1 20-08-2017 Persetujuan Judul TA
2 21-09-2017 Konsultasi BAB I
3 24-09-2017 ACC BAB I
4 03-10-2017 Konsultasi BAB II
5 04-10-2017 ACC BAB II
6 07-10-2017 Konsultasi BAB III
7 07-10-2017 ACC BAB III
8 10-10-2017 Konsultasi BAB IV
9 03-01-2018 ACC BAB IV
10 10-01-2018 ACC BAB V
Mengetahui :
Ketua/Sekertaris Jurusan Teknik Mesin
( Ir. Daryono, MT. )
Dosen Pembimbing I
(Ir. Achmad Fauzan HS., MT)
v
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
FAKULTAS TEKNIK
Jurusan : Teknik Mesin, Teknik Sipil, Teknik Elektro,
Teknik Industri, D3 Elektronika, Teknik Informatika Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318 – 21 Psw. 127
Fax. (0341) 460782 Malang 65144
LEMBAR KONSULTASI / ASISTENSI
Nama : ILHAM FAUZI
No. Induk : 201310120311042
Judul : Karateristik Pembakaran Butana Di dalam Meso-scale Combustor
Dengan Perbedaaan Konduktivitas Termal Flame Holder.
Pembimbing I : Ir. Sudarman, MT
NO Tanggal Catatan Asistensi Paraf
1 26-09-2017 Persetujuan Judul TA
2 26-09-2017 Konsultasi BAB I
3 26-09-2017 ACC BAB I
4 09-10-2017 Konsultasi BAB II
5 09-10-2017 ACC BAB II
6 09-10-2017 Konsultasi BAB III
7 09-10-2017 ACC BAB III
8 18-10-2017 Konsultasi BAB IV
9 03-01-2018 ACC BAB IV
10 13-01-2018 ACC BAB V
Mengetahui :
Ketua/Sekertaris Jurusan Teknik Mesin
( Ir. Daryono, MT. )
Dosen Pembimbing II
( Ir. Sudarman, MT )
SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIAT
Yang bertanda tangan di bawah ini :
Nama : Ilham Fauzi
NIM : 201310120311042
Tempat / Tanggal Lahir : Pringsewu, 09 April 1991
Fakultas / Jurusan : Teknik / Teknik Mesin
Menyatakan bahwa karya ilmiah atau skripsi ini yang berjudul “KARAKTERISTIK
PEMBAKARAN BUTANA DI DALAM MESO-SCLAE COMBUSTOR DENGAN
PERBEDAAN KONDUKTIVITAS TERMAL FLAME HOLDER” adalah bukan karya
tulis orang lain baik sebagai maupun keseluruhan kecuali dalam bentuk kutipan yang telah
saya sebutkan sumbernya.
Demikian surat pernyataan ini dibuat dengan sebenar – benarnya. Jika terbukti
melanggar, penulis siap menerima sanksi akademik yang berlaku di Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Malang.
Malang, 24 Januari 2018
Penulis,
Ilham Fauzi
vii
ABSTRAK
Penelitian eksperimental yang dilakukan ini bertujuan untuk mengetahui
karakteristik pembakaran butana didalam meso-scale combustor dengan penggunaan
flame holder yang memiliki konduktivitas termal berbeda. Butana digunakan sebagai
bahan bakar, adapun ruang combustor berdiameter luar 5 mm dan dalam 3,5 mm terbuat
dari quartz glass tube. Material flame holder yang digunakan adalah tembaga dan
stainless steel.
Karakteristik pembakaran berupa flammability limit, visualisasi dan temperatur
kedua material menunjukkan bahwa tembaga memiliki flammability limit lebih luas dari
pada stainless steel, ini disebakan tembaga memiliki konduktivitas termal yang lebih
tinggi dari pada stainless steel, akan tetapi, grafik tembaga memiliki penyempitan tiba-
tiba yang tidak terjadi pada stainless steel, ini dikarenakan konduktivitas termal
tembaga menurun disetiap kenaikan temperatur, sedangkan konduktivitas termal
stainless steel meningkat disetiap kenaikan temperatur.
Visualisasi mengalami perluasan daerah nyala dan peningkatan temperatur
disetiap kenaikan laju aliran. Rasio ekuivalen memiliki peranan yang sangat penting
pada gelap terangnya nyala api dan besar kecilnya temperatur nyala.
Kata kunci : meso-scale combustor; flame holder; nilai konduktivitas
termal; Flammablity limit; visualisasi; temperatur.
ABSTRACT
This experimental research investigated to know characteristic
combustion of butane inside meso-scale combustor using flame holder that have
different thermal conductivity. Butane is used as fuel, as for outside diameter
combustor chamber 5mm and inside 3,5 mm made from quartz glass tube. Flame
holder material that used made from copper and stainless steel
Characteristic of combustion such as flammability limit, visualization
and temperature both of materials shown that copper have wider flammability
limit than stainless steel, this caused copper have higher thermal conductivity
than stainless steel, but, copper graphic have sudden constriction that not occur
on stainless steel, this due to copper thermal conductivity decrease every
increasing of temperature, while stainless steel thermal conductivity increased
every increasing temperature. The visualization has region expansion of flame
and increasing of temperature every increasing flow rate. Equivalent ratio have a
big role on dark and bright flame and value temperature of flame.
Keyword : meso-scale combustor; flame holder; Thermal conductivity;
Flammablity limit; visualization; temperature.
ix
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum Wr.Wb
Segala Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah
melimpahkan segala rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi
ini. Shalawat beserta salam semoga senantiasa terlimpah curahkan kepada Nabi
Muhammad Shallallahu 'alaihi wasallam, kepada keluarganya, para sahabatnya,
hingga para umatnya hingga akhir zaman.
Penulisan skripsi ini diajukan untuk memenuhi salah satu syarat
memperoleh Gelar Sarjana pada Program Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Malang. Judul yang diajukan penulis adalah
“Karateristik Pembakaran Butana Di dalam Meso-scale Combustor Dengan
Perbedaaan Konduktivitas Termal Flame Holder”.
Penulis menyadari kelemahan serta keterbatasan yang ada sehingga dalam
menyelesaikan skripsi ini memperoleh bantuan dari berbagai pihak, dalam
kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terimakasih kepada :
1. Bapak Ir. Sudarman, MT selaku dekan Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Malang yang telah memberikan izin dalam penulisan
skripsi ini.
2. Bapak Ir. Daryono, MT selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UMM
yang telah memberikan kelancaran pelayanan dan urusan Akademik.
3. Ir. Achmad Fauzan HS., MT selaku dosen Pembimbing I yang selalu
memberikan waktu bimbingan dan arahan selama penyusunan skripsi
ini.
4. Ir. Sudarman, MT selaku dosen pembimbing II yang selalu
memberikan waktu bimbingan dan arahan selama penyusunan skripsi
ini.
5. Budiono, S.Si, MT. dan seluruh Dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Muhammadiyah Malang yang telah memberikan
ilmunya kepada penulis.
6. Seluruh Staff Tata Usaha Jurusan Teknik Mesin Universitas
Muhammadiyah Malang yang telah melayani segala urusan
administratif dengan baik.
7. Ayah dan Ibu atas jasa-jasanya, kesabaran, do’a yang tiada henti dan
tidak pernah lelah dalam mendidik memberi cinta yang tulus dan
ikhlas kepada penulis sejak kecil.
8. Mahatma, Faris, Arvan, Khalik, Ridho, Bagus, dan Anam yang selalu
bahu membahu selama masa penelitian.
9. Teman-teman Teknik Mesin Angkatan 2013 Khususnya Kelas A yang
telah memberikan dukungan dan saran serta hiburan kepada penulis.
10. Tsani, Yusuf, Feri, dan laily sebagai partner sharing yang juga telah
membantu penulis menyelesaikan Tugas Akhir ini.
xi
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih banyak kekurangan baik isi
maupun susunannya. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat tidak hanya bagi
penulis juga bagi para pembaca.
Wassalamu’alaikum Wr.Wb
Malang, 24 Januari 2018
Penulis
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL .......................................................................................... i
POSTER .......................................................................................................... ii
LEMBAR PENGESAHAN ........................................................................... iii
LEMBAR KONSULTASI / ASISTENSI ..................................................... iv
SURAT PERNYATAAN TIDAK PLAGIAT .............................................. vi
ABSTRAKSI INDONESIA ........................................................................... vii
ABSTAKSI ENGLISH .................................................................................. viii
KATA PENGANTAR .................................................................................... ix
DAFTAR ISI ................................................................................................... xii
DAFTAR TABEL ......................................................................................... xv
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xvi
BAB 1 PENDAHULUAN ............................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ................................................................................. 1
1.2 Rumusan Masalah ............................................................................. 2
1.3 Batasan Masalah ............................................................................... 3
1.4 Tujuan Penelitian .............................................................................. 3
1.5 Manfaat Penelitian ............................................................................ 4
xiii
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................... 7
2.1 Micro Power Generator dan Micro atau Meso-Scale Combustor ...... 7
2.2 Penelitian Sebelumnya ....................................................................... 9
2.3 Pembakaran ........................................................................................ 12
2.3.1 Reaksi Kimia Pembakaran ........................................................ 14
2.3.2 Air Fuel Ratio ............................................................................ 15
2.3.3 Rasio Ekuivalen (ɸ) .................................................................. 17
2.3.4 Pembakaran Premixed ............................................................... 18
2.4 Butana ................................................................................................ 19
2.5 Flammability Limit ........................................................................... 20
2.6 Temperatur Nyala............................................................................... 23
2.7 Tembaga ............................................................................................. 23
2.8 Stainless Steel .................................................................................... 25
BAB 3 METODOLOGI ................................................................................. 28
3.1 Metode Penelitian ............................................................................. 28
3.2 Waktu Dan Tempat ........................................................................... 28
3.3 Skematika Penelitian ........................................................................ 28
3.4 Rencana Tabulasi Penelitian ............................................................. 30
3.5 Variabel Penelitian ........................................................................... 32
3.6 Diagram Alir Proses Penelitian ......................................................... 33
3.7 Metode Kerja ..................................................................................... 34
3.7.1 Tahap Persiapan ...................................................................... 34
3.7.2 Tahap Pengambilan Data ......................................................... 34
3.7.3 Tahap Pengolahan Data............................................................ 35
BAB IV PEMBAHASAN ............................................................................... 36
4.1 Data Hasil Penelitian Dan Perhitungan ............................................. 36
4.1.1 Data Debit Bahan Bakar Dan Udara ......................................... 36
4.1.2 Perhitungan Data Flammability Limit ...................................... 37
4.2 Pembahasan Flammability Limit ..................................................... 42
4.3 Pembahasan Visualisasi Nyala Api Dan Temperatur ....................... 46
4.3.1 Penentuan Titik Pengambilan Visualisasi Nyala Dan Temperatur
............................................................................................................ 46
4.3.2 Visualisasi Nyala Api Dan Temperatur .................................... 48
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................... 56
5.1 Kesimpulan ...................................................................................... 56
5.2 Saran ................................................................................................. 56
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xv
DAFTAR TABEL
Hal
Table 1.1 Kerapatan energi pembakaran. 5
Tabel 2.1 Definsi micro-scale dan meso-scale combustion menggunakan
perbedaaan skala panjang 8
Tabel 2.2 Komposisi Udara Atmosfir 14
Tabel 4.1 Hasil pengambilan data penelitian untuk stainless steel. 36
Tabel 4.2 Hasil pengambilan data penelitian untuk tembaga. 37
Tabel 4.3 Perhitungan rasio ekuivalen dan laju aliran campuran stainless steel. 41
Tabel 4.4 Perhitungan rasio ekuivalen dan laju aliran campuran tembaga. 42
Tabel 4.5 Penentuan titik dengan φ konstan dan variasi U. 48
Tabel 4.6 penentuan titik dengan U konstan dan variasi φ. 48
DAFTAR GAMBAR
Hal
Gambar 2.1 A. Sketsa micro power generator, B. Prototype micro
silinder power generator TPV tanpa sayap pendingin. 7
Gambar 2.2 Foto meso scale combustor dengan single kawat mesh. 9
Gambar 2.3 Penampakan nyala api pada meso scale combustor. 10
Gambar 2.4 Kestabilan nyala api dekat kawat mesh didalam tabung. 10
Gambar 2.5 Desain Microcombustor dengan penambahan double wire
mesh. 11
Gambar 2.6 Visualisasi nyala api pada berbagai kecepatan laju reaktan. 11
Gambar 2.7 Detail desain meso-scale combustor dengan perbedaan
konduktivitas termal dinding combustor. 12
Gambar 2.8 Ilustrasi dalam proses pembakaran. 13
Gambar 2.9 Diagram fuidge. 21
Gambar 2.10 Struktur kristal FCC (kiri), tembaga murni (kanan). 25
Gambar 3.1 Skematika penelitian. 28
Gambar 3.2 Dimensi meso-scale combustor dan flame holder. 30
Gambar 3.2 Titik pengambilan temperatur. 35
Gambar 4.1 Grafik hubungan rasio ekuivalen dengan laju aliran
campuran pada tembaga dan stainless steel. 42
xvii
Gambar 4.2 Grafik hubungan rasio ekuivalen dengan laju aliran
campuran pada tembaga. 44
Gambar 4.3 Grafik temperatur dan visualisasi nyala pada φ 1,3 dengan
variasi laju aliran campuran (U). 49
Gambar 4.4 Grafik temperatur dan visualisasi nyala pada U 38 cm/s
dengan variasi rasio ekuivalen (φ). 51
Gambar 4.5 Ilustrasi penyebaran panas di hulu dan hilir combustor
akibat perbedaan konduktivitas termal. 53
DAFTAR PUSTAKA
Baukal. Jr, C. E. (1998). oxygen-enhanced combustion. (C. E. Baukal, Jr, Ed.).
pennsylvania: CRC Press.
Chou, S. K., Yang, W. M., Chua, K. J., Li, J., & Zhang, K. L. (2011).
Development of micro power generators - A review. Applied Energy, 88(1),
1–16. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.07.010
El-Mahallawy, F., & El-Din Habik, S. (2002). FUNDAMENTALS AND
TECHNOLOGY OF COMBUSTION. egypt.
Glassman, I., & Yetter, R. . (2008). combustion (Fourth).
Jacks, A., Balaji, D., & Gowrishankar, D. (2013). Waste heat energy harvesting
using thermo electric generator, 3(7), 1–4.
Holman, J.P. Heat Transfer. (1986). Edisi 6. Singapore. McGraw-Hill Book co.
Koestoer, R.A. Perpindahan Kalor. Edisi I. Jakarta: Salemba Teknika. 2002: 135.
M. Mikami, Y. Maeda, K. Matsui, T. Seo, L. Yuliati: Proceeding of the
Combustion Institute, 34 (2013) p. 3387–3394.
Yuliati, L. (2014). Flame Stability of Gaseous Fuel Combustion inside Meso-
Scale Combustor with Double Wire Mesh. Applied Mechanics and
Materials, 664, 231–235.
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.664.231
Yuliati, L., Sasongko, M. N., & Wahyudi, S. (2014). Flammability limit and flame
visualization of gaseous fuel combustion inside meso-scale combustor with
different thermal conductivity. Applied Mechanics and Materials, 493, 204–
209. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.493.204
Lefebvre, A. H., & Ballal, D. R. (2010). GAS Turbine Combustion (Third).
Lejda, K., & Wos, P. (Eds.). (2012). Edited by Kazimierz Lejda Pawe ł Wo ś
INTERNAL COMBUSTION (1st ed.). Croatia: InTech.
Maruta, K. (2011). Micro and mesoscale combustion. Proceedings of the
Combustion Institute, 33(1), 125–150.
https://doi.org/10.1016/j.proci.2010.09.005
Outokumpu. (2013). Handbook of Stainless Steel. Sandvikens Tryckeri, 1–89.
Standar Internasional . B-1. Nilai-nilai properti Logam.