AERODINAMIKA PEMBAKARAN
What is a Flame? Fla me? A flame fla me is a self-sustaining self- sustaining propagation of a localized lo calized combustion zone at subsonic velocities Reaction Zone chara cteristics Thermo/Chemical characteristics ( daerah/zona tipis tipis dimana reaksi pembakaran pembakaran berlangsung) berlangsung)
Faktor yang mempengaruhi mempengaruhi kecepatan pembakaran Luas bidang kontak Temperature kecepatan reaksi exp
C T [
Konsentrasi Sifat aliran lamiar / turbulen Persamaa Pers amaan n Arrhenius E a y g r e
reactant
n e
produc product
- E a RT
k A0exp
reaction process
Aliran Turbulen : Percampuran antara produk & reaktan tinggi ( produk T tinggi ; reaktan T rendah) Bidang kontak antara produk & reaktan lebih besar
LAMINAR
TURBULEN Bidang kontak
flame
Bb + udara
S l produk
Laminar flame
reaktan
S t produk
Turbulent flame
Type Flame : Premixed - Laminar - Turbulent Non-Premixed (Diffusion) Flames - Laminar - Turbulent Partially Premixed Flames - Laminar - Turbulent
Comb. in gasoline
Laminar (Turbulent) Premixed Flames: Bahan bakar (umumnya dalam bentuk gas) dan d an oxidizer secara homogen homogen bercampur bercampur sebelum proses proses pembakaran Alirannya laminar la minar (turbulent) Turbulent premixed flames : Example : - pembakaran pada mesin otto - pembakaran pada mesin diesel type indirect injection - pembakaran pada turbin gas dengan d engan kondisi miskin
Laminar (Turbulent) Non- Premixed Flames: Bahan bakar (umumnya dalam bentuk gas) dan d an oxidizer bercampur bercampur / kontak selama proses pembakaran Api lilin merupakan contoh pembakaran non-premixed/diffusi laminar Turbulent non-premixed non- premixed flames: fla mes: Example : - pembakaran pada mesin roket dgn bahan bakar hidrogen - pemb. pada turbin turbin gas masa kini kini - pembakaran pada mesin diesel type type direct injectio i njection n
indi rect injection injection
Pembakaran Premixed Pembakaran premixed adalah suatu proses pembakaran dimana bahan bakar dan udara dicampur lebih dahulu sebelum keluar dari nosel. Gelombang (wave) pembakaran akan merambat (lokal) dalam kecepatan subsonic
Karakteristik dari laminar premixed flame : untuk campuran stoikiometri hydrocarbon: Tebal flame fla me ~ 1 mm dan da n kecepatan kecepata n pembakaran pembaka ran ~ 0,5 m/s Temperatur pada pa da zona reaksi tinggi : 2200-2600 K Perbandingan densitas reaktan dan produk : ~ 7 Warna api : biru pada pad a kondisi miskin ( lean lean mixture ) karena adanya ada nya slighly rich mixture ) CH dan da n hijau biru pada pad a campuran campuran sedikit kaya ( slighly karena karena adanya C2
Diffusion flame terjadi ketika CO dan d an H2 bertemu b ertemu dgn udara sekitar sek itar
Burning velocity/flame speed : tergantung pada thermal diffusifitas diffusifitas ( ), kecepatan kecepa tan reaksi ( ) dan da n densitas densita s ( )
S L
1 2
C p
1 2
n2
Flame speed tergantung tergantung pada pa da tekanan
S L ~ P
Flame speed terg. pada temperatur temperatur
S L ~ ex exp p
12
E RT f
STRUKTUR API PREMIXED
Gas
Form.
Carbon Monoxide
CO
Methane
CH4 C4H8 C2H4 C3H6 C6H6 C2H2 H2
Butane Ethane Propane Benzene Acetylene Hydrogen
Moles O2
Tf (K)
F. S (cm/s)
0.5
2977
29
2 3,5 6,5 5 7,5 2,5 0,5
3054 3086 3101 3096 3136 3342 3080
43 44 45 46 48 144 170
DEFLAGRATION AND DETONATION
Deflagration : gelombang perambatan pembakaran yang lebih lambat dari kecepatan suara Detonation Detonation : terbalik terbalik dgn diatas, sehingga sehingga menimbulkan menimbulkan shock shock wave
Burned gas velocity/Speed of sound Burned gas velocity/ Initial gas velocity Final pressure/Initial pressur e/Initial pressure pressur e Final temperature/ Initial temperature Final density/Initial density/Initial density
detonation
deflagration
5 - 10
0.0001 - 0.03
0.4 - 0.7
4 - 16
13 - 55
0.98 - 0.976
8 - 21
4 - 16
1.4 - 2.6
0.06 - 0.25
QUENCHING, IGNITION dan FLAMMABILITY LIMIT Proses stedy : perambatan api premix Proses transient : - ignition - flame quenching quenching (pendinginan (pendinginan api) a pi) Api dapa d apatt mengalami padam pad am (Extinction) : - efek termal termal (heat loss) - proses kimia yang terhalangi (chemical suppression) - efek aerodinamis
PENDINGINAN oleh DINDING Pembakaran premix dapat mengalami padam jika melalui suatu celah yang sempit Jika dinding dind ing cukup lebar l ebar maka api dapat dap at melalui/merambat, melalui/mera mbat, bisa menimbulkan menimbulkan flash fla sh back Quenching distance : diameter kritis dari sebuah tabung atau jarak kristis antara dua plate dimana api tidak tida k bisa bisa merambat. (prinsip lampu davy (lampu tambang) Flash back : perambatan api a pi kembali melalui burner burner Quenching Quenching distance d istance ditentukan ditentukan melalui eksperimen eksperimen - untuk tabung diameter dia meter - untuk plate jarak vertikal vertikal antara dua plate plate
IGNITION laju pelepasan energi energi oleh kimia reaksi reaksi kimia kurang kurang lebih lebih harus sama dengan energi yang dilepaskan dilepaska n oleh proses konduksi
-
FLAMMABILITY LIMITS Laminar premixed flame dapat merambat jika dalam suatu range campuran tertentu : - batas terendah terendah ( lean limit) limit) dari flammability, < 1 - batas atas ( rich limit ) dari flammability, > 1 Flammability limit pada umumnya dinyatakan dalam persentase bahan bakar dalam volume campuran atau sebagai persentase dari bahan bakar stoikiomet stoikiometri ri yang dibutuhk dibutuhkan. an. Flammability limit harus diukur dalam kondisi dimana tidak ada pengaruh quenching, sehingga sehing ga diameter dia meter tabung harus relatif relatif besar Ignition energi harus mencukupi Setiap bahan bakar mempunyai mempunyai flammability limits limits yang berbeda Range flammability flammability di udara : - untuk acetylene : 2,5 – 80 80 % volume - untuk untuk propane : 2,2 – 9,5 9,5 % volume
FLAME STABILIZATION
Kriteria penting dalam desain : adalah menghindari flash back dan liftoff Flash back : flame merambat kembali melalui saluran tanpa mengalami quenching Lift off : flame tidak menempel pada burner tetapi masih dalam kondisi stabil Flash back berhubung berhubungan an dengan keamanan Lift off berhubungan dengan pembakaran tidak sempurna, ignition, ignition, dan pengontrolan pengontrolan posisi flame
Antara flash fla sh back dan d an liftoff berhubungan berh ubungan dengan de ngan kesesuaian kesesuaia n antara kecepatan kecepatan flame laminar lokal dengan kecepatan aliran, aliran, sehingga flame dapat stabil jika berada dalam range yang tertentu Jika kecepatan kecepa tan gas diturunkan sampai sampa i relatif kecil, maka kecepatan pembakaran akan a kan melebihi kecepatan gas, terjadilah flash back Jika setelah lift off, kecepatan gas terus dinaikkan dina ikkan maka akan terjadilah blow off (api (api padam) pad am)
PEMBAKARAN DIFUSI
Pembakaran/api difusi (diffusion flame) adalah proses proses pembapemba karan dimana bahan bakar dan udara tidak dicampur secara mekanik, tetapi dibiarkan secara alami lewat proses difusi bahan bakar ke oksidator atau sebaliknya ketika terjadi reaksi pembakaran. Pada api difusi, d ifusi, pembakaran terjadi terjadi pada pad a interface interface antara bahan bakar dan gas oksidator, dan kecepatan pembakaran lebih lebih bany ak tergantung tergantung dari d ari laju difusi daripada laju proses kimia kimia yang terjadi Agak lebih sulit untuk memberikan perlakuan umum umum untuk api difusi, sebagian besar karena memang memang tidak sederhana. Dalam beberapa yang menyangkut parameter yang terukur, analogi api premixed dapat digunakan, Dalam aplikasi, sering digunakan digunakan dalam da lam residential residential gas appliances ap pliances ( hampir semuanya dipraktekkan dalam partially-premixed partially- premixed flame), flame), mis: kompor kompor gas, dll. Digunakan Digunakan dalam d alam banyak riset-riset dasar Konsern utama ada pada pa da geometri geometri flame Faktor yang mempengaruhi bentuk flame :
- Laju aliran bahan bakar - Jenis bahan baha n bakar baka r - Faktor lainnya
Diffusion Diffus ion banyak dipela dipelajar jarii dalam konfigurasi konfiguras i se s e perti dibawah dibawah ini.
Contoh :
STRUKTUR API DIFUSI
