Slide 1

1BAB 4TEKNIK PEMBAKARANBahan Bakar pada umumnya terdiri dari unsur:utama: C, H, O, sedikit S, namun yang dapat terbakar adalah C dan H.4-1. Persamaan PembakaranC + O2 CO2 (a) 1 molekul C + 1 molekul O2 1 molekul CO2 (b) berat atom C = 12, dan O = 16, C = 12 O2 = 32 CO2 = 44Dengan demikian,12 lbm C + 32 lbm O2 = 44 lbm CO2 (c)Massa masing-masing ditunjukkan oleh persamaan (c), dan dengan demikian1 mol C + 1 mol O2 1 mol CO2 (d)Satu mol berbagai gas perfek pada kondisi temperatur dan tekanan Tetap menempati volume tertentu mendekati gas nyata. Oleh karena itu, persamaan d dapat ditulis menjadi, 1 volume gas C + 1 volume O2 1 volume CO2]p,T = konstan (e)

2Dengan cara yang sama, persamaan pembakaran hidrogen dan oksigen dapat ditulis dalam berbagai bentuk sebagai berikut:

H2 + O2 H2O

1 mol H2 + mol O2 1 mol H2O1 vol H2 + vol O2 1 vol H2O]p,T=konstan2,016 lbm H2 + 16 lbm O2 18,016 lbm H2O18,016 lbm campuran = 18,016 lbm produk1 mol campuran 1 mol produkPersamaan-persamaan ini menunjukkan bahwa massa campuran harus sama dengan massa produk, meskipun jumlah mol (dan volume) campuran dan produk tidak perlu sama.

34-2. Properti UdaraUdara teridirdari : oksigen 20,99%; vol nitrogen 78,03%, volargon 0,94%; volgas neon, helium, krypton, dan karbon dioksida 0,03%; vol serta hidrogen 0,01%. volDalam berbagai perhitungan, cukup tepat mempertimbangkan bahwa udara kering terdiri dari 21% oksigen dan 79% gas mulia nitrogen.Kandungan air atau humiditas udara atmosfir bermacam-macam tergantung pada keadaan meteorologinya. Tabel 4-1 menunjukkan bahwa berat molekul udara yaitu Mudara = 28,967 29.GasAnalisa volumetrik, %FraksimolBeratmolekulBerat relatifO2 20,990,209932,006,17N2 78,030,780328,01621,861A ......0,940,009439,9440,376CO2 ..0,030,003344,0030,013H2 0,010,00012,016100,001,00028,967 = M udara44-3. Elemen Yang Dapat Terbakar dalam Bahan BakarElemen utama yang dapat terbakar dalam bahan bakar adalah karbon dan hidrogen dan sejumlah kecil sulfur. Bahan bakar cair adalah campuran dari hidrokarbon komplek, meskipun untuk perhitungan pembakaran bensin atau bahan bakar cair dapat diasumsikan mempunyai rumus molekul rata-rata C8H17.

Contoh 4-1. Carilah rumus equivalen untuk bahan bakar hidrokarbon yang mempunyai 85% karbon dan 15% hidrogen. Solusi: Rumus yang digunakan mempunyai bentuk CaHb dan dengan analisa berat molekul,(12) a = 85 atau a = 7,08(1) b = 15 atau b = 15

Dengan demikian maka hasilnya adalah C7,08H15. Apabila diperlukan, jawaban ini dapat dikalikan dengan 1,13 untuk memperoleh angka bulat yaitu:C8H17 Jawaban

Jadi, C8H17 adalah suatu formula rata-rata.

54-4. Pembakaran dengan Udara Proses pembakaran memakai udara atmosfir, bukan dengan oksigen murni. Nitrogen dan gas lain seperti neon, helium, dan krypton karena jumlahnya sangat kecil maka dapat diabaikan. Sebagai contoh, pembakaran karbon dan oksigen murni adalahC + O2 CO2Dan ketika oksigen dipasok dari udara kering, 3,76 mol nitrogen akan menyertainya dan tidak ikut bereaksi karena gas mulia:C + O2 + 3,76N2 CO2 + 3,76N2Masing-masing suku dikalikan dengan berat molekul,12 lbm C + 32 lbm O2 + 106 lbm N2 = 44 lbm CO2 + 106 lbm N2Tahap-tahap keseimbangan reaksi kimia ini dapat diilustrasikan dengan pembakaran komplit C8H18 dengan udara kering:C8H18 + . O2 + .N2 . CO2 + . H2O + . N2Pertama, dibuat keseimbangan karbon (Ccampuran atau reaktan = Cproduk) C8 8 CO2kemudian keseimbangan hidrogen (Hcampuran atau reaktan = Hproduk) H18 9 H2Odiikuti dengan keseimbangan oksigen (Oproduk = Ocampuran atau reaktan 8 CO2 + 9 H2 12 O2 dan akhirnya, keseimbangan nitrogen (N2 = 3,76 O2 12 (3,76) N2 47 N2Persamaan pembakaran komplit adalah C8H18 + 12 O2 + 47.N2 8 CO2 + 9 H2O + 47 N26

Jumlah udara relatif terhadap bahan bakar yang terjadi di dalam reaksi disebut: rasio udara-bahan bakar dan kebalikannya rasio bahan bakar-udara, (4-1a) (4-1b): Dan, juga, rasio ekwivalen7Biasanya kasus pembakaran melibatkan kelebihan udara yang tidak cukup atau kurang relatif terhadap jumlah TEKNIKtis. Asumsikan bahwa 25% kelebihan udara (atau 125% udara TEKNIKtis) dipasok pada reaksi:

C8H18 + 5/4 (12 )O2 + 5/4 (47)N2 8CO2 + 9H2O +3,12O2 + 58,75N2

Kelebihan udara terjadi pada produk dalam bentuk tidak berubah.Jika bahan bakar mengandung oksigen, prosedur sama seperti sebelumnya, dengan catatan oksigen yang dikandung bahan bakar diperhitungkan sebagai pasokan. Karena itu, pembakaran komplit dari etil alkohol adalah

C2H5OH +3O2 + 3(3,76)N2 2CO2 + 3H2O +11,28N2

Dan rasio udara-bahan bakar adalah

84-5. Panas PembakaranPanas pembakaran bahan bakar adalah sama dengan jumlah panas yang dihasilkan ketika bahan bakar tersebut secara komplit terbakar menjadi produk . Ada dua kasus praktis yang sangat penting yaitu: panas pembakaran pada volume konstan ,dan panas pembakaran pada tekanan konstan.Panas pembakaran pada volume konstan diukur dengan menggunakan bomb kalorimeter atau kalorimeter volume konstan. Prosedur tersebut adalah memasang massa bahan bakar yang diukur ke dalam kalorimeter dan kemudian memuati bomb dengan sejumlah oksigen pada tekanan 20 sampai 30 atm (untuk meyakinkan konversi bahan bakar secara komplit menjadi produk). Bomb kemudian ditempatkan ke dalam bak air sehingga setelah pembakaran temperatur akhir dari bomb dan bak akan sama dengan temperatur awal. Untuk proses ini pada volume konstan, maka

dimana Qv adalah panas pembakaran pada volume konstan. Meskipun temperatur awal dan akhir sama, tenaga dalam dari campuran tidak sama dengan tenaga dalam produk karena tenaga dalam kimia dihasilkan di dalam proses.

(4-2a)Panas pembakaran bahan bakar gas dapat diukur dengan flow kalorimeter atau kalorimeter tekanan konstan (tungku didinginkan air). Udara dan bahan bakar mengalir ke dalam kalorimeter dan dibakar, dengan produk didinginkan sampai temperatur awal campuran. Untuk proses aliran stedi, maka

dimana Qp disebut panas pembakaran pada tekanan konstan. (4-2b)9

4-10. Pembakaran pada Mesin Bensin.Pada saat akan terjadinya pembakaran bahan bakar di dalam ruang bakar, andaikan bahwa temperatur dan tekanan campuran atau reaktan pada akhir kompresi adalah poTo. Kemudian elemen pertama dari campuran pada saat busi memercikkan bunga apinya dapat terbakar pada tekanan konstan, karena pembakaran lambat (akibat proses ekpsansi) dari sejumlah kecil campuran tidak akan menaikkan tekanan. Misalkan kenaikan temperatur pembakaran pada tekanan konstan adalah t maka: (4-9)Sekarang, pada akhir pembakaran dari semua campuran, elemen mula-mula ini telah terkompresi sampai pada tekanan akhir, dan untuk asumsi kompresi isentropis (entropi konstan), dari Pers. 3-16b,

n = untuk volume konstan n = k untuk entropi konstann = 1 untuk temperatur konstan n = konstan untuk proses yang lainn = 0 untuk tekanan konstan (proses politropi)(3-16b)10

maka,Pertimbangkanlah, selanjutnya, elemen terakhir di dalam ruang bakar sesaat sebelum mudah terbakar. Elemen ini telah terkompresi oleh ekspansi dari pembakaran campuran dan setelah kompresi isentropik temperaturnya menjadi sama denganKetika sejumlah kecil elemen ini terbakar secara lambat dan mengalami ekspansi, proses tersebut dapat dipertimbangkan terjadi lagi, pada tekanan konstan:Perbandingan pers.4-10 dan 4-12a menunjukkan bahwa temperatur pada saat busi memercikkan bunga api adalah lebih tinggi dari pada temperatur akhir gas. Jika To = 1100oR, dan t = 3000 R, , dan k = 1,3 maka diperoleh:(4-10)(4-11) (4-12a)114-11 Pembakaran Dengan Sendirinya dan Reaksi Kimia.Campuran bahan bakar dan oksigen dapat bereaksi secara spontan tanpa memerlukan nyala api agar mulai terbakar. Ketika pembakaran terjadi dengan sendirinya, temperatur dan tekanan akan naik karena pelepasan energi kimia secara tiba-tiba. Pertimbangkanlah factor tersebut bahwa pengendalian pembakaran dengan sendirinya atau reaksi kimia secara spontan: Apabila temperatur tinggi, maka energi partikel tinggi dan karena itu tubrukan tertentu akan menyebabkan terbentuknya spesies baru. Apabila densitas tinggi, jumlah tubrukan lebih besar dan karena itu jumlah terbentuknya spesies baru juga lebih besar. Laju reaksi juga dikendalikan oleh konsentrasi relative reaktan karena adanya molekul mulia (seperti nitrogen dalam udara) yang mempengaruhi tubrukan.124.12 Knoking pada Motor BensinProses pembakaran yang ditunjukkan pada bagian 4-10 jarang terjadi di dalam sebuah mesin tanpa beberapa lintasan perjalanan pembakaran dengan sendirinya. Disini, ketika pembakaran normal, perjalanan nyala api melintasi kamar pembakaran pada kecepatan biasa (kira-kira 200 ft/sec), melepaskan energi kimia. Konsekwensi adanya kenaikan tekanan yang tinggi akan menaikkan temperatur dan densitasnya. Apabila temperatur melampaui temperatur terbakar dengan sendirinya, dan apabila gas sisa tidak terbakar atau di atas temperatur ini selama periode pembakaran-lambat, secara spontan terjadi pembakaran dengan sendirinya menyebar ke berbagai tempat, a pada Gambar 4-7a, sehingga pembakaran selesai dengan cepat. Waktu pembakaran selalu pendek dengan konsekwensi adanya kenaikan tekanan dan dapat menimbulkan suara, disebut sebagai ketukan (knocking).Pelepasan energi kimia akan menaikkan energi kinetik dari partikel mikroskopis (dan karena itu menaikkan temperatur dan tekanan lokal). Terjadi dua factor yang berlawanan: Laju kenaikan tekanan elemen diuapkan oleh laju reaksi kimia (dan oleh karena reaksi rantai yang sedang berlangsung) dan dilawan oleh laju ekspansi elemen. Ada dua tipe pembakaran dengan sendirinya, yaitu: bersifat eksplosif (biasanya) dan non-eksplosif. Eksplosif berarti bahwa laju reaksi kimia lebih besar dari pada laju ekspansi sedangkan non-eksplosif berarti bahwa laju ekspansi lebih besar dari pada laju reaksi kimia. Sebuah gambar oskiloskop untuk pembakaran dengan sendirinya yang bersifat eksplosif ditunjukkan pada Gambar 4-7b. Tekanan puncak dicapai lebih kecil dari 20 mikro detik.13Gambar 4.7 (a) Pembakaran dengan sendirinya pada motor bensin, (b) kenaikan tekanan dari pembakaran dengan sendirinya yang bersifat eksplosif14Suatu ketika terjadi perbedaan tekanan, bergerak melalui ruang bakar pada kecepatan yang lebih besar dari kecepatan suara, dan kemudian direfleksikan kembali dan diteruskan oleh dinding ruang (cara yang sama seperti gema dalam ruangan). Gas yang terbakar di dalam ruang bakar dikompresi dan diekspansikan oleh gelombang tekanan sehingga ia dihilangkan oleh gesekan.Gambar 4-8 Getaran gas di dalam motor bensin dari pembakaran dengan sendirinya yang bersifat eksplosif seperti ditunjukkan oleh diagram pt dan oleh photograph nyala. A, pembakaran mulai; B, 91o setelah pembakaran; C, photograph nyala, 40osebelum TMA, campuran kaya.154.17 Kinetika Reaksi KimiaPertimbangkanlah reaksi kimia pada keadaan setimbang,

(a)

dimana va dan vb sesuai dengan persamaan stoikiometri (Pers.a). Secara sederhana, untuk reaksi bolak-balik,

Meninjau kembali bahwa pada keseimbangan reaksi kimia, laju pembentukan c,d adalah tepat diimbangi oleh laju pembentukan a,b (tidak peduli apakah ada reaksi keseimbangan lainnya).Karena itu, rasio konstanta laju spesifik sama dengan

(b)16Salah satu ukuran konsentrasi relatif adalah tekanan parsial. Substitusi Ci = pi ke dalam persamaan (b), maka

(4-13)dimana Kp adalah konstanta kesetimbangan termodinamis. Persamaan 4-13 menunjukkan bahwa:(1). Bentuk pers.4-6 memenuhi logika(2). Karena Kp merupakan fungsi temperatur itu sendiri, maka k juga merupakan fungsi temperatur.

Konsentrasi biasanya diukur dalam unit mole per unit volume (ni/V). Untuk persamaan keadaan gas ideal,

(c)1718REFERENSI:

[1]. Malev., (1985)., Internal Combustion Engines., Mc Graw Hill Book Company19202122232425