Download - 189571611201112521 batubara
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH KETEBALAN (DEPTH)
DARI TIP NOZZLE DAN TEKANAN UDARA PADA TIPE
AIR-ASSISTED NOZZLE UNTUK SISTEM ATOMISASI
CAMPURAN BATUBARA SERBUK-AIR
(COAL-WATER MIXTURE (CWM))
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
DIAN PERMANA NIM. I1406522
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA 2011
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iii
HALAMAN PENGESAHAN
STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH KETEBALAN (DEPTH) DARI TIP NOZZLE DAN TEKANAN UDARA PADA TIPE AIR-ASSISTED NOZZLE UNTUK SISTEM ATOMISASI CAMPURAN BATUBARA
SERBUK-AIR (COAL-WATER MIXTURE (CWM))
Disusun oleh
Dian Permana NIM. I1406522
Dosen Pembimbing I
Budi Santoso, ST, MT NIP. 19701105 200003 1 001
Dosen Pembimbing II
*) Syamsul Hadi, ST, MT
NIP. 19710615 199802 1 002
Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari Rabu tanggal 27 April 2011
1. Wibowo, ST, MT NIP. 19690425 199802 1 001 ………………………
2. Wibawa Endra J, ST, MT
NIP. 19700911 200003 1 001 ………………………
3. Eko Prasetya B, ST, MT NIP. 19710926 199903 1 002 ………………………
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Mesin
Dody Ariawan, ST, MT NIP. 19730804 199903 1 003
Koordinator Tugas Akhir
Wahyu Purwo Raharjo, ST, MT NIP. 19720229 200012 1 001
*). Sedang melanjutkan studi S3.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
TERIMA KASIHKU Mama Dewi Witarni yang tercinta, tangis dan kerja kerasmu adalah penyulut
api semangatku. Terima kasih untuk kasih sayang dan doa yang Mama
panjatkan hari demi hari untuk putera Mama ini,
Papa Sudirman yang tercinta, jerih payah dan pengorbananmu akan jadi hal
yang takkan sanggup terbalaskan,
Mba Nina “Snow White” dan De Ayu “Cinderrella” yang tersayang, tiada
terkira banyaknya bantuan dan motivasi yang kalian berikan untuk memompa
semangatku dalam menyelesaikan studi ini,
Keluarga Bapak Bambang Paryono, BE. (Ibu Sri Puji Astuti, SH., Mas Yonas
Dedi Prasetyo dan De Anggun Paramitaningrum) yang sangat saya sayangi dan
saya hormati, terima kasih atas bimbingan dan bantuannya selama ini,
Pak Budi Santoso, ST, MT., terima kasih banyak atas kesabarannya dan
kebijaksanaannya untuk memberi bimbingan dan nasehat kepada kami,
Maruto (Lab. Material), Arifin (Lab. Produksi), Hendri (Lab.Pengecoran), Ibu
Trisni (Lab. Fisika dan Mekanika Tanah Fak.Pertanian) atas ijin lab dan
bantuan serta semangatnya,
Anak-anak mesin semua yang kenalku dan kukenal ;
Anjar, Sony, Udin, Ardhy, Rizal, Didik, Prian, Hery, Bayu, Hengky, Dany,
Vischa, Nur, Wahyudi, Agus, Dipo, Akbar, Iqbal, Faisal, Dedy, Hafiz, Wisnu,
Bambang, Sarjito, Zaini, Ary, Mulyantara, Maryanto, Ali, Faisal, Ady,
Rendra, dan lainnya yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
iv
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
M O T T O Jadikanlah sabar dan sholat sebagai penolongmu. Dan sesungguhnya
yang demikian itu sungguh berat, kecuali bagi orang-orang yang khusyu’
(QS. Al Baqarah 45).
Sesungguhnya Allah tidak merobah keadaan sesuatu kaum sehingga
mereka merobah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri
(QS. Ar Ra’d 11).
Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, maka apabila kamu
telah selesai (dari suatu urusan), kerjakanlah dengan sungguh-sungguh
(urusan ) yang lain, dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu
berharap (QS. Alam Nasyrah 5-8).
..........................................................................................................................
Καρψα ινι κυπερσεµβαηκαν κεπαδα:
Αλλαη ΣΩΤ ψανγ τελαη λιµπαηκαν ραηµατ δ
αν ηιδψαηΝψα
Μαµα δαν Παπα τερχιντα
Κακακ δαν Αδικκυ τερσαψανγ
Κελυαργα Βεσαρ Τεκνικ Μεσιν ΥΝΣ
v
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
Studi Eksperimental Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan Udara pada Tipe Air-Assisted Nozzle untuk Sistem Atomisasi
Campuran Batubara Serbuk-Air (Coal-Water Mixture (CWM))
Dian Permana
ABSTRAK
Tujuan dari studi eksperimental sistem atomisasi campuran batubara serbuk-air (coal-water mixture (CWM)) ini adalah untuk meneliti, menganalisa dan membahas pengaruh ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan udara terhadap hasil atomisasi CWM dengan menggunakan air-assisted nozzle untuk pengujian dingin.
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah campuran batubara serbuk berukuran 112,5 µm (mesh 150) dan air tawar ditambah dengan sedikit aditif. Komposisi campuran dalam % massa terdiri dari, batubara serbuk 40% dan air tawar 60% dengan tambahan aditif CMC (Carboxyl Methyl Cellulose) sebesar 3% dari berat batubara. Atomiser (nozzle) yang digunakan yaitu tipe air-assisted dengan 3 variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle, yaitu 1,5mm; 3mm dan 4,5mm. Pengujian atomisasi CWM dilakukan pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan dengan variasi tekanan udara 2 bar; 2,4 bar dan 2,8 bar.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa menentukan komposisi CWM yang optimum memiliki pengaruh yang kuat didalam atomisasi CWM. Dari penelitian ini dapat diketahui bahwa pada tekanan udara 2 bar dan tekanan CWM konstan, penggunaan nozzle dengan ketebalan tip nozzle 1,5 mm menghasilkan debit udara sebesar 0.000611 m3/s dan debit CWM sebesar 0.0000248 m3/s sedangkan pada ketebalan tip nozzle 4,5 mm menghasilkan debit udara sebesar 0.000617 m3/s dan debit CWM sebesar 0.0000323 m3/s. Dan kenaikan tekanan udara pada tiap variasi ketebalan tip nozzle menghasilkan nilai debit udara dan debit CWM yang semakin meningkat, sehingga rasio udara/CWM juga meningkat, dengan demikian gaya aerodinamik yang bekerja semakin besar. Dengan variasi tekanan udara yang paling besar (2,8 bar) dan ketebalan tip nozzle yang paling besar (4,5 mm) adalah paling besar nilai ALR-nya yaitu 0.051 dengan sudut semprotan 30.620. Dengan meningkatnya nilai ALR maka atomisasi yang terbentuk semakin banyak, ini berarti droplet halus yang terbentuk juga semakin banyak, dengan kata lain SMD semakin kecil sehingga kualitas atomisasi meningkat. Pada saat udara dan CWM yang mengalir di ujung nozzle (tip nozzle) kurang dituntun, pencampuran antara udara dan CWM menjadi lemah. Ini menyebabkan ligament yang terbentuk kurang mampu disebarkan. Namun ketika udara dan CWM lebih dituntun, pencampurannya menjadi lebih kuat, sehingga ligament yang dihasilkan dapat lebih tersebar dan atomisasi CWM menjadi lebih baik. Dan dari penelitian ini dapat diketahui juga bahwa tekanan udara dapat memperbaiki kualitas atomisasi.
Kata kunci: Coal-Water Mixture (CWM), droplet, atomisasi, batubara, air-assisted
nozzle, ketebalan (depth), Carboxyl Methyl Cellulose (CMC).
vi
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
Experimental Study of Influence from The Depths of Tip Nozzle and Air Pressures Used Air-Assisted Nozzle for Atomization System of
Coal Water Mixture (CWM)
Dian Permana
ABSTRACT
The aim of the experimental study of atomization system for coal-water mixture (CWM) is to research, analyze and discussed the effects from the depths of the tip nozzle and air pressures toward atomization results of CWM that used air-assisted nozzle for cold testing.
The Materials used in this study is a mixture of coal powder size 112.5 µm (mesh 150) and fresh water added with some additives. The composition of the mixture in% mass consists of, coal powder 40% and 60% fresh water with the addition of additives CMC (Carboxyl Methyl Cellulose) at 3% of the weight of coal. Atomiser (nozzle) were used that type of water-assisted with 3 variations in thickness (depth) of the nozzle tip, which is 1.5 mm, 3mm and 4.5 mm. Tests conducted on the atomization CWM with CWM constant pressure 2.8 bar and with variations in air pressure 2 bar, 2.4 bar and 2.8 bar.
The results showed that determining the optimum composition of CWM has a strong influence in the atomization CWM. From this research it is known that the air pressure of 2 bar and constant pressure of CWM, the use of nozzles with a thickness of 1.5 mm nozzle tip produces air flow of 0.000611 m3 / s and debit CWM registration 0.0000248 m3 / s while the thickness of the nozzle tip 4.5 mm produces air flow of 0.000617 m3 / s and debit CWM registration 0.0000323 m3 / s. And an increase in air pressure at each nozzle tip thickness variation produces air flow value and debit CWM increasing, so the ratio of air / CWM also increased, thereby increasing aerodynamic forces that worked great. By variation of the greatest air pressure (2.8 bar) and the thickness of the greatest tip nozzles (4.5 mm) is the largest value of its ALR-0051 is 30 620 with a spray angle. With the increasing value of ALR, the atomization is formed more and more, this means fine droplets that form are also more and more, in other words the smaller the SMD so that the quality of atomization increases. At CWM flowing air and at the end of the nozzle (nozzle tip) is less guided, mixing between air and CWM become weak. This causes the ligament that forms less able to spread. But when air and guided CWM more, mixing becomes stronger, so that the ligaments which can produce more scattered and atomization of CWM for the better. And from this research may also note that the air pressure to improve the quality of atomization.
Keywords: Coal-Water Mixture (CWM), droplets, atomization, coal powder, air
assisted nozzle, Carboxyl Methyl Cellulose (CMC)
vii
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT karena berkat rahmat, hidayah dan
bimbingan-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Studi
Eksperimental Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan
Udara pada Tipe Air Assisted Nozzle untuk Sistem Atomisasi Campuran
Batubara Serbuk-Air (Coal Water Mixture (CWM)”. Adapun tujuan penulisan
skripsi ini adalah untuk memenuhi sebagian persyaratan guna mencapai gelar
sarjana teknik di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas
Sebelas Maret Surakarta.
Penulis menyampaikan terima kasih yang sangat mendalam kepada semua
pihak yang telah berpartisipasi dalam penelitian dan penulisan skripsi ini,
khususnya kepada:
1. Bapak Budi Santoso, ST, MT selaku pembimbing I dan Bapak Syamsul
Hadi, ST, MT selaku pembimbing II yang dengan sabar dan penuh
pengertian telah memberikan banyak bantuan dalam penelitian dan
penulisan skripsi ini.
2. Bapak Dody Ariawan, ST, MT selaku pembimbing akademik dan Ketua
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS.
3. Bapak Wibowo, ST, MT, Bapak Wibawa Endra Juwana, ST, MT dan Bapak
Eko Prasetya Budiana, ST, MT selaku dosen penguji.
4. Bapak Ir. Mukahar, MSCE. selaku Dekan Fakultas Teknik UNS.
5. Bapak Heru Sukanto, ST, MT, Bapak Ir. Wijang Wisnu R, MT, Bapak
Bambang K, ST, MT, selaku dosen yang banyak membantu saya selama
mengikuti kuliah di Teknik Mesin UNS dan penyelesaian skripsi ini.
6. Dosen-dosen Teknik Mesin FT UNS yang telah membuka wacana keilmuan
penulis.
7. Mas Arifin di Lab. Produksi, Mas Hendri di Lab. Pengecoran Fakultas
Teknik dan Ibu Trisni di Lab. Fisika Tanah Fakultas Pertanian UNS yang
telah membantu penulis dalam pengambilan data dan pengujian spesimen.
8. Mama dan Papa tercinta serta Kakak dan Adikku tersayang yang selalu
mendoakan dan mendukungku.
viii
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
9. Teman-teman kost rahmawati; Anjar, Sony, Sapetina, Fredi, Ardhi, Rizzal,
Danang, Gandhi, Yudha, Rudi, Dean, dan Hari.
10. Teman-teman Teknik Mesin UNS semua angkatan (Anjar, Udin, Gunawan,
Fendi, Agus, Ahmad, Sony, Didik, Prian, Hery, Bayu, Hengky, Dany,
Vischa, Nur, Wahyudi, Dipo, Akbar, Iqbal, Faisal, Tedy, Dedy, Hafiz,
Wisnu, Bambang, Sarjito, Zaini, Ary, Mulyantara, Maryanto, Ali, Ady,
Rendra, Maruto dan lainnya yang tidak dapat disebutkan satu persatu).
Penulis menyadari, bahwa dalam skripsi ini masih terdapat banyak
kekurangan. Oleh karena itu, bila ada saran, koreksi dan kritik demi
kesempurnaan skripsi ini, akan penulis terima dengan ikhlas dan dengan ucapan
terima kasih.
Dengan segala keterbatasan yang ada, penulis berharap skripsi ini dapat
digunakan sebagaimana mestinya.
Surakarta, April 2011
Penulis
ix
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL ..................................................................................... i SURAT PENUGASAN ................................................................................. ii HALAMAN PENGESAHAN....................................................................... iii HALAMAN PENGHARGAAN................................................................... iv MOTTO ......................................................................................................... v ABSTRAK ..................................................................................................... vi KATA PENGANTAR................................................................................... viii DAFTAR ISI.................................................................................................. x DAFTAR TABEL ......................................................................................... xii DAFTAR GAMBAR..................................................................................... xiii DAFTAR NOTASI DAN SIMBOL ............................................................. xiv DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. xv BAB I. PENDAHULUAN............................................................................. 1 1.1 Latar Belakang Masalah ............................................................... 1 1.2 Perumusan Masalah...................................................................... 2 1.3 Batasan Masalah........................................................................... 3 1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian..................................................... 3 1.4 Sistematika Penulisan................................................................... 4 BAB II. DASAR TEORI............................................................................... 5
2.1 Tinjauan Pustaka ......................................................................... 5 2.2 Atomisasi (Pengabutan)............................................................... 6
2.2.1 Proses Atomisasi ............................................................... 6 2.2.2 Karakteristik Atomisasi .................................................... 7
A. Droplets....................................................................... 7 B. Debit Udara dan CWM ............................................... 8 C. Air/Liquid Raatio ........................................................ 8 D. Diameter Rata-Rata Sauter (Sauter Mean Diameter) . 9 E. Sudut Atomisasi .......................................................... 10
2.3 Campuran Batubara-Air (Coal-Water Mixture/ CWM) .............. 11 2.3.1 Teknologi Pencampuran CWM ........................................ 11 2.3.2 Stabilitas CWM................................................................. 13
2.4 Atomiser/ Alat Pengabut (Nozzle) ............................................... 13 BAB III. METODOLOGI PENELITIAN .................................................. 16 3.1 Studi Eksperimental..................................................................... 16
3.1.1 Waktu dan Tempat Penelitian ........................................... 16 3.1.2 Diagram Alir Penelitian.................................................... 16 3.1.3 Skema Instalasi Peralatan Studi Eksperimental................ 18 3.1.4 Bahan dan Peralatan Penelitian ........................................ 18
3.2 Tahap Pengujian Stabilitas CWM .............................................. 24 3.2.1 Proses Menentukan Komposisi CWM yang Optimum .... 24
x
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
3.2.2 Proses Pembuatan Serbuk Batubara ukuran 112,5 µm (mesh 150) ........................................................................ 25
3.2.3 Proses Pencampuran Batubara Serbuk-Air ...................... 25 3.3 Tahap Pembuatan dan Perakitan AlatStudi Eksperimental ......... 26
3.3.1 Proses Pengabutan (Atomisasi) CWM.............................. 28 3.3.2 Proses Visualisasi Pengabutan (Atomisasi) CWM ........... 29
3.4 Perhitungan Analitik.................................................................... 29 BAB IV. DATA DAN ANALISA ................................................................. 30
4.1 Data Hasil Studi Eksperimental.................................................... 30 4.1.1 Parameter dan Kondisi Operasi Pengujian .......................... 30 4.1.2 Perhitungan Debit Udara dan Debit CWM ......................... 31 4.1.3 Perhitungan Air-Liquid Ratio (ALR) .................................. 35 4.1.4 Perhitungan Diameeter Rata-rata Sauter (Sauter Mean Diameter /SMD).................................................................. 38 4.1.5 Visualisasi Atomisasi (Pengabutan) CWM ......................... 39
4.2 Analisa Data ................................................................................. 41 4.2.1 Stabilitas Campuran Batubara Serbuk-Ait (Coal-Water Mixture/ CWM) .................................................................. 41 4.2.2 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan Udara Terhadap Nilai Debit Udara dan Debit CWM ......... 42 4.2.3 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan Udara Terhadap Nilai Air-Liquid Ratio (ALR) .................. 44 4.3.4 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan
Udara Terhadap Nilai Sauter (Sauter Mean Diameter /SMD) ................................................................................ 44
4.2.5 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dan Tekanan Udara Terhadap Karakteristik Atomisasin (pengabutan) CWM................................................................................... 47
BAB V. PENUTUP........................................................................................ 49 5.1 Kesimpulan................................................................................... 49 5.2 Saran ............................................................................................. 50
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 51
xi
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1 Perbandingan % Berat Partikel Batubara dengan Liquid ............... 12
Tabel 4.1 Parameter dan Kondisi Operasi Pengujian ..................................... 30
Tabel 4.2 Data Hasil Kalibrasi Flow meter Udara ......................................... 32
Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Debit Udara ....................................................... 33
Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Debit CWM....................................................... 35
Tabel 4.5 Hasil Perhitungan Laju Aliran Massa Udara .................................. 35
Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Laju Aliran Massa CWM.................................. 36
Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR)..................................... 37
Tabel 4.8 Hasil Perhitungan Sauter Mean Diameter (SMD).......................... 39
Tabel 4.9 Visualisasi Pengaruh Tekanan Udara dan Ketebalan (Depth) dari
Tip Nozzle Terhadap Hasil Atomisasi ............................................ 40
xii
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1 Tahapan Berurutan didalam Pemecahan yang Ideal dari Suatu
Lembaran Cairan (Dombrowski & Johns, 1963) ........................ 7
Gambar 2.2 Sudut Pengabutan (Atomisasi).................................................... 11
Gambar 2.3 Skema Variasi Desain dari Atomiser Dua Fluida Tipe Internal Mixing
(Liu Huimin, 2000) ..................................................................... 14
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian.......... .................................................... 17
Gambar 3.2 Rancangan Alat Studi Eksperimental Sistem Atomisasi CWM dengan
Air-Assisted Nozzle ..................................................................... 18
Gambar 3.3 Serbuk Batubara .......................................................................... 19
Gambar 3.4 Skema Sistem Air-Assisted Nozzle.............................................. 19
Gambar 3.5 Kompresor Udara.......... .............................................................. 20
Gambar 3.6 Pressure Regulator ..................................................................... 20
Gambar 3.7 Tangki CWM .............................................................................. 21
Gambar 3.8 Katup Aliran CWM..................................................................... 21
Gambar 3.9 Orifice meter.......... ..................................................................... 23
Gambar 3.10 Pressure Gauge ......................................................................... 23
Gambar 3.11 Flow meter Tipe SCFM ............................................................ 24
Gambar 3.12 Kalibrasi Flow meter Udara ...................................................... 27
Gambar 3.13 Kalibrasi Debit Aliran CWM.......... .......................................... 28
Gambar 4.1 Stabilitas Komposisi CWM dengan berbagai Prosentase Kandungan
CMC (%) dari Berat Batubara .................................................. 42
Gambar 4.2 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Debit Udara (m3/s) .................. 43
Gambar 4.3 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Debit CWM (m3/s).................. 43
Gambar 4.4 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Air/Liquid Ratio (ALR) .......... 44
Gambar 4.5 Grafik Tekanan Udara (bar) vs SMD........................................ 45
Gambar 4.6 Grafik Laju Aliran Massa Udara vs SMD................................. 45
Gambar 4.7 Grafik Laju Aliran Massa CWM vs SMD ................................ 46
Gambar 4.8 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Sudut Atomisasi (derajat) ....... 47
xiii
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
DAFTAR NOTASI DAN SIMBOL
CWM = Coal-Water Mixture
CWF = Coal-Water Fuel
CWS = Coal-Water Slurry
COM = Coal-Oil Mixture
BBM = Bahan Bakar Minyak
BBP = Bahan Bakar Padat
BBA = Bahan Bakar Alternatif
CMC = Carboxyl Methyl Cellulose
Q = Debit Aliran, (m3/s)
V = Kecepatan Rata-rata Udara, (m/s)
A = Luas Penampang Pipa, (m2)
t = Waktu, (s)
ALR = Air-Liquid Ratio
Am& = Laju Aliran Massa Udara, (kg/s)
Lm& = Laju Aliran Massa Cairan/ Liquid (CWM), (kg/s)
Aρ = Massa Jenis (Densitas) Udara, (kg/m3)
Lρ = Massa Jenis (Densitas) Cairan/ Liquid (CWM), (kg/m3)
SMD = Sauter Mean Diameter, (m)
UA = Air Velocity, (m/s)
σ = Surface Tension, (N/m)
Lµ = Lliquid Viscosity, (Kg/m.s)
d0 = Outer Diameter of Pressure Nozzle, (m)
Tudara = Temperatur Udara, (K)
R = Konstanta Gas Ideal, (KJ/Kg.K)
D = Diameter Saluran Udara, (m)
SCFM = Standard Cubic Feet per Minutes, (ft3/min)
∆h = Beda Ketinggian Manometer, (mm)
xiv
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Visualisasi Uji Stabilitas Coal-Water Mixture (CWM) dengan Komposisi Batubara, Air dan Aditif CMC (dalam % massa)..... 54
Lampiran 2 Dimensi Air-Assisted Nozzle ....................................................... 56 Lampiran 3 Parameter dan Kondisi Operasi Pengujian .................................. 60 Lampiran 4 Visualisasi Hasil Atomisasi CWM.............................................. 61 Lampiran 5 Grafik Kalibrasi Orifice............................................................... 62
xv
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Indonesia termasuk salah satu negara yang kaya akan sumberdaya energi
dalam bentuk batubara. Sebagai sumberdaya energi, batubara memiliki nilai
strategis dan potensial untuk memenuhi sebagian besar kebutuhan energi dalam
negeri. Sumberdaya batubara di Indonesia diperkirakan sebesar 36 milyar ton,
tersebar di Sumatra (di Aceh 4,70%; di Sumatra Tengah 11,40%; di Sumatra
Selatan 51,73%), di Kalimantan (di Kalimantan Selatan 9,99%; di Kalimantan
Timur 14,62%; di Kalimantan Barat 5,83%; di Kalimantan Tengah 1,20%),
sisanya terdapat di pulau Jawa, Sulawesi dan Irian Jaya (Soejoko dan
Abdurrochman, 1993).
Keunggulan bahan bakar minyak (BBM) terletak pada wujudnya yang
cair, sehingga mudah dalam penanganannya. Penyimpanan, transportasi dan
secara teknik pengabutan/ atomisasi tidak menjadi kendala, serta hasil
pembakaran tidak menyebabkan padatan yang mempermasalahkan
pembuangan/penanganan limbahnya. Penggunaan bahan bakar padat (BBP)
seperti batubara sangat tidak efisien dibanding ke unggulan tersebut. Tidak
mengherankan sampai saat ini bahan bakar padat hanya menjadi bahan bakar
alternatif (BBA). Kendala transportasi karena tidak bisa mengalir dan penanganan
teknis maupun sisa pembakaran padat menjadi prioritas masalah. Disamping itu,
cadangan BBM didunia yang semakin menipis dan semakin mahal, sedangkan
BBP batubara masih mempunyai prospek berupa jumlah cadangan yang cukup
besar. Mau tidak mau harus mengganti BBM dengan bahan bakar alternatif, maka
ini merupakan pilihan tepat untuk melakukan penelitian BBP batubara dengan
meniadakan kendala-kendalanya.
Salah satu cara untuk membuat BBP menjadi BBM atau bahan bakar cair
(liquid fuel) adalah dengan pemakaian batubara sebagai bahan bakar utama.
Prosesnya adalah mencampur batubara serbuk dan air sebelum proses
pembakaran. Campuran ini menghasilkan bahan bakar lumpur (slurry) yang
1
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
2
mempunyai sifat seperti bahan bakar cair disebut juga Coal-Water Mixture
(CWM).
Permasalahan yang timbul pada bahan bakar CWM adalah sulit
dialirkan/ditransportasikan dan kendala pada proses atomisasi, karena
mengandung partikel padat batubara yang dapat mengendap selama proses
penyimpanan atau persiapan CWM. Hal ini mengharuskan penambahan suatu
bahan aditif dalam bahan bakar CWM yang berfungsi sebagai stabilizer bahan
bakar CWM tersebut agar dapat ditransportasikan dan dilakukan pengabutan/
atomisasi. CWM dikatakan stabil apabila dalam selang waktu tertentu butiran
batubara masih tetap terdispersi dan tidak mengendap. Kestabilan diperlukan
selama penyimpanan, pengangkutan sampai saat pembakaran. Kestabilan dapat
diperpanjang dengan penambahan aditif dan proses hidrothermal (khusus untuk
batubara peringkat rendah).
Perlakuan terhadap bahan bakar cair sebelum dilakukan proses
pembakaran diruang bakar yaitu berupa proses pengabutan/atomisasi. Atomisasi
CWM sebelum proses pembakaran memiliki peranan penting, karena menentukan
proses pembakaran CWM itu sendiri. Pada proses atomisasi ini, sejumlah volume
liquid CWM akan diubah menjadi butiran-butiran halus (droplets) CWM yang
membentuk spray dalam jumlah besar oleh atomiser/ alat pengabut (nozzle).
Oleh karena itu, penelitian ini diajukan sebagai harapan untuk dapat
dijadikan sebagai salah satu alternatif untuk menghasilkan suatu rancangan sistem
studi eksperimental untuk meneliti karakteristik pengabutan/atomisasi dengan
menggunakan bahan bakar CWM, dimana keberadaan rancangan ini diharapkan
dapat dikembangkan menjadi sistem pembakaran di industri-industri yang masih
menggunakan bahan bakar minyak bumi.
1.2 Perumusan Masalah
Perumusan masalah dalam penelitian ini yaitu “Bagaimanakah pengaruh
ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan udara atmosfir pada air-assisted
nozzle untuk sistem atomisasi CWM supaya dapat menghasilkan pengabutan/
atomisasi yang baik?”
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
3
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah yang bertujuan untuk memberikan arah penelitian dan
mengurangi kompleksitas permasalahan adalah sebagai berikut:
1. Pengujian pengabutan/ atomisasi (uji dingin) dilakukan pada berbagai
variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle (1,5 mm; 3 mm dan 4,5 mm),
dan variasi tekanan udara (2 bar; 2,4 bar dan 2,8 bar) dengan tekanan
CWM konstan 2,8 bar.
2. Jenis atomiser (nozzle) yang digunakan adalah tipe air-assisted nozzle
satu lubang (single hole) dengan diameter lubang nozzle 1,5 mm.
3. Pengamatan visualisasi karakteristik pengabutan/atomisasi CWM
dilakukan dari tampak samping saluran keluar tip nozzle.
4. Pengujian atomisasi/pengabutan CWM dilakukan kedalam ruang
atmosfir sehingga tekanan dan temperatur ambient adalah tekanan dan
temperatur kamar.
5. Komposisi CWM optimum yang digunakan dalam penelitian ini dalam
% massa terdiri dari, batubara serbuk 40% dengan ukuran 112,5 µm
(mesh 150), air tawar 60% dan penambahan aditif CMC (Carboxyl
Methyl Cellulose) sebesar 3% dari berat batubara.
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu:
1. Mengetahui stabilitas komposisi CWM yang optimum.
2. Mengetahui pengaruh berbagai variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle
dan variasi tekanan udara dengan tekanan CWM konstan, terhadap nilai
debit udara dan debit CWM.
3. Mengetahui pengaruh berbagai variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle
dan variasi tekanan udara dengan tekanan CWM konstan, terhadap rasio
udara-CWM (Air-Liquid Ratio (ALR)).
4. Mengetahui pengaruh berbagai variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle
dan variasi tekanan udara dengan tekanan CWM konstan, terhadap
ukuran diameter rata-rata Sauter/ SMD (sauter mean diameter) dari
droplet-droplet.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
4
5. Mengetahui pengaruh berbagai variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle
dan variasi tekanan udara dengan tekanan CWM konstan, terhadap
karakteristik atomisasi dan sudut atomisasi CWM.
Hasil penelitian yang diperoleh diharapkan dapat memberikan manfaat
sebagai berikut:
1. Mengetahui proses merubah bahan bakar padat (batubara) menjadi cair
(CWM).
2. Menambah pengetahuan tentang proses kerja dari sistem atomisasi
CWM.
3. Menghasilkan suatu sistem atomisasi CWM, dimana keberadaan sistem
atomisasi CWM ini diharapkan dapat menjadi acuan untuk studi
eksperimental sistem atomisasi lainnya.
1.5 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah,
perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian,
serta sistematika penulisan.
BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan atomisasi,
campuran batubara-air (coal-water mixture/ CWM),serta atomiser
atau alat pengabut (nozzle).
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,
tempat dan pelaksanaan penelitian, pembuatan alat studi
eksperimental dan proses pengambilan data.
BAB IV : Data dan Analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data
hasil pengujian serta analisa hasil perhitungan.
BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
5
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Menurut O’Callaghan (1993), dengan laju konsumsi bahan bakar seperti
tahun 1987 maka kandungan minyak di dunia ini akan habis pada tahun 2028,
sedangkan kandungan barubara akan habis pada tahun 2259. berdasarkan data
tersebut, maka sangatlah beralasan untuk menjadikan bahan bakar batubara
sebagai sumber energi alternatif menggantikan bahan bakar minyak bumi.
Perkembangan dunia pada umumnya dan bangsa indonesia pada khususnya
dihadapkan pada keadaan dimana terdapat tuntutan untuk melaksanakan
penghematan pemakaian energi. Keterbatasan cadangan minyak bumi dan
kelangkaannya untuk masa mendatang, menjadi suatu dorongan untuk mencari
cara menghemat pemakaian minyak bumi tersebut atau mencari sumber energi
alternatif untuk menggantikan pemakaian dari minyak bumi.
Peningkatan kegiatan industri di indonesia, mengakibatkan bertambahnya
kebutuhan akan bahan bakar. Semula hampir semua industri mengandalkan
minyak bumi dan turunannya sebagai bahan bakar. Persediaan minyak bumi yang
kurang seimbang dengan keperluan industri, disamping harga minyak bumi yang
selalu berubah dan menjadi lebih mahal, mendorong para pengusaha industri
mulai berpikir untuk melakukan diversifikasi bahan bakar ke batubara. Batubara
yang berbentuk padat akan menimbulkan kesulitan apabila diangkut, lebih-lebih
apabila akan dialirkan melalui pipa. Berkaitan dengan hal tersebut, para ilmuwan
berpikir untuk mengubah batubara yang semula padat untuk dicairkan sehingga
akan lebih mudah dalam penggunaan dan pengangkutannya. Beberapa penelitian
yang telah dilakukan dan telah didapatkan teknologi pencairan batubara yang
menghasilkan antara lain Coal-Oil Mixture (COM) atau Coal-Water Fuel (CWF),
(Gadjah Mada University Press, 2005).
Adnan (2001) melakukan studi eksperimental tinjauan mekanika fluida
dan proses atomisasi dari campuran batubara-air (Coal-Water Mixture/ CWM)
dengan menggunakan single hole nozzle dengan sistem air-assisted nozzle.
5
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
6
Hasil menyebutkan bahwa tekanan udara dan mekanisme pencampuran memiliki
pengaruh yang kuat di dalam atomisasi CWM. Pada pencampuran udara dan
CWM yang lemah, ligament-ligament yang dihasilkan kurang tersebar sedangkan
ketika pencampuran udara dan CWM semakin kuat maka ligament-ligament yang
dihasilkan menjadi lebih tersebar. Selain itu besarnya gaya aerodinamik yang
besarnya dinyatakan dalam rasio udara/CWM dapat menentukan sudut semprotan.
Pribadi (2001) melakukan studi eksperimental tinjauan mekanika fluida dan
proses atomisasi dari CWM dengan menggunakan multy holes nozzle dan
pressurized swirl nozzle. Hasil menyebutkan bahwa kenaikan sudut swirl
(semakin kecil jari-jari swirl) berdampak negatif terhadap atomisasi, yaitu
dihasilkan sudut spray yang sempit dan penetrasi yang panjang. Kenaikan sudut
tip nozzle mengakibatkan penurunan kestabilan alir CWM dalam nozzzle,
CWM mudah terseparasi sehingga penyumbatan lebih cepat terjadi. Kenaikan
tekanan kerja nozzle dapat memperbaiki kualitas atomisasi yaitu dengan
dihasilkannya ukuran droplet yang halus. Atomisasi CWM terbaik yang
memungkinkan dalam pressurized swirl nozzle pada sudut swirl nozzle 0°, sudut
tip nozzle 140° dan tekanan inlet 5 bar.
2.2 Atomisasi (Pengabutan)
Perlakuan terhadap bahan bakar cair sebelum dilakukan proses
pembakaran di ruang bakar adalah berupa proses atomisasi. Atomisasi merupakan
suatu proses disintegrasi cairan menjadi droplet-droplet kecil yang membentuk
spray di atmosfir gas, yang menghasilkan suatu luasan penyebaran partikel,
dengan membuat kecepatan relatif yang tinggi antara liquid dengan udara sekitar.
Proses atomisasi dimaksudkan untuk memperbesar rasio penyebaran permukaan
partikel terhadap massa, dan memperbesar kemungkinan terjadinya penguapan
sehingga pembakaran lebih mudah terjadi (Liu Huimin, 2000).
2.2.1. Proses Atomisasi
Ada dua metoda yang dapat dipakai dalam proses atomisasi, yaitu dengan
cara melepaskan fluida yang berkecepatan tinggi ke dalam aliran udara atau gas
berkecepatan rendah dan dengan cara melepaskan fluida berkecepatan rendah ke
dalam aliran udara atau gas berkecepatan tinggi. Proses disintegrasi cairan dapat
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
7
dipengaruhi oleh desain nozzle, profil kecepatan awal, air jet, electro-static field,
sifat non-newtonian rheology serta ketidakstabilan lainnya.
2.2.2. Karakteristik Atomisasi
A. Droplets
Dombrowski & Johns (1963) telah menguraikan tentang disintegrasi dari
lembaran cairan pada pressure-swirl atomizers. Mekanisme ini diperkenalkan
secara skematis pada Gambar 2.1 dibawah ini.
Gambar 2.1 Tahapan Berurutan didalam Pemecahan yang Ideal dari Suatu
Lembaran Cairan (Dombrowski & Johns, 1963).
Ketika cairan mulai keluar dari ujung atomiser, ketebalan dari lembaran
cairan berkurang dan lembaran tersebut menjadi tidak stabil. Gelombang
terbentuk didalam dan luar permukaan dari lembaran cairan. Perbedaan antara
percepatan dari lembaran dan udara sekitar atau gas menyebabkan suatu gesekan
yang akan memperkuat bentuk gelombang dari lembaran cairan itu. Gelombang
meningkat pada lembaran sampai mencapai suatu kekuatan kritis. Fragmen dari
lembaran, sesuai dengan separuh dari panjang gelombang ombak pada kekuatan
kritis,akan mulai terpecah. Fragmen ini berkontraksi dengan tegangan permukaan
ke dalam ikatan sendi (ligament), yang sesudah itu terhancurkan (disintegrasi) ke
dalam tetesan (drops).
B. Debit Udara dan CWM
Dengan menggunakan orifice meter, debit yang mengalir didalam saluran
pipa dapat ditentukan (Modul Praktikum FDM - Lab. Konversi Energi T.Mesin
UNS, 2007). Untuk mencari nilai debit udara, secara matematik dapat dituliskan
dengan persamaan:
AVQ udaraudara .= ...…………….....…………………………………......(2.1)
Dimana:
udaraQ = debit aliran udara, (m3/s)
udaraV = kecepatan rata-rata udara, (m/s)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
8
A = luas penampang pipa, (m2)
Sedangkan untuk mencari nilai debit CWM (m3/s), dapat dihitung dengan hasil
eksperimen yang disebut kalibrasi yaitu:
tVQ CWM = ………….……………………………………………….....(2.2
)
Dimana:
CWMQ = debit aliran CWM, (m3/s)
V = volume CWM yang tertampung pada gelas ukur, (m3)
t = waktu, (s)
C. Air/Liquid Ratio
Variabel yang penting pada hasil pengabutan (atomisasi) yang
menggunakan bantuan udara adalah rasio udara/liquid (Air/Liquid Ratio(ALR)).
Rasio udara/liquid dapat dicari dengan rumus (Liu Huimin, 2000):
L
A
mm
ALR&
&= .............................................................................................(2.3)
Dimana:
ALR = Air/Liquid Ratio
Am& = laju aliran massa udara, (kg/s)
Lm& = laju aliran massa cairan/ liquid (CWM), (kg/s)
Untuk laju aliran massa udara ( ), dapat dihitung dari persamaan: Am&
AVm AAA ..ρ=& ........................................................................................(2.4)
Dimana:
Am& = laju aliran massa udara, (kg/s)
Aρ = massa jenis (densitas) udara, (kg/m3)
AV = kecepatan rata-rata udara, (m/s)
A = luas penampang saluran, (m2)
Sedangkan laju aliran massa cairan ( ), dapat dihitung dengan hasil eksperimen
yang disebut kalibrasi yaitu: Lm&
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
9
CWMCWML Qm ⋅= ρ& ..................................................................................(2.5
)
Dimana:
Lm& = laju aliran massa cairan (CWM), (kg/s)
CWMρ = massa jenis (densitas) CWM, (kg/m3)
CWMQ = debit aliran CWM, (m3/s)
Pada umumnya dengan menaikkan rasio udara/liquid dan atau menaikkan
gaya dinamik dapat mengurangi ukuran rata-rata dari droplet. Beberapa penelitian
merekomendasikan batasan proses pengoperasian untuk ALR mulai dari 0.1
sampai dengan 10, atau 2 sampai dengan kurang dari 5. Fraser, menyarankan
batas atas dari ALR yaitu 1.5. Karena apabila dibawah dari batas ALR kualitas
dari atomisasi akan memburuk, dan apabila diatas dari batas ALR akan
menyebabkan pemborosan energi udara sehingga efisiensi atomisasi akan turun.
D. Diameter Rata-rata Sauter (Sauter Mean Diameter)
Hitron Rony (1998) merancang dan membuat alat pengabut/atomizer
dengan tipe Triple-Concentric Atomizer (TCA). Prototipe ini akan digunakan
untuk menguji kemampuan dari TCA yang akan menghasilkan percikan yang
sangat bagus seperti medical nebulizers. Test persiapan dari kemampuannya
dengan air yang datar telah dilakukan. Test pengabutan/atomisasi dari suatu yang
mengandung solusi tentang air polymer telah dilakukan menggunakan TCA yang
ada. Tes ini menunjukkan adanya perubahan yang kecil didalam Sauter Mean
Diameter (SMD) sebagai konsentrasi polymer atau bobot molekular yang
ditingkatkan sampai molekul polymer menjadi sangat terjalin.
Untuk memudahkan perhitungan laju penguapan dan untuk membandingkan
kualitas atomisasi dari bermacam-macam semprotan digunakan istilah diameter
rata-rata yang definisinya bervariasi sesuai dengan penggunaannya. Sauter Mean
Diameter (SMD) adalah salah satu yang paling banyak digunakan yang
didefinisikan sebagai diameter sebuah droplet dimana perbandingan volume dan
luas permukaannya sama dengan perbandingan volume dan luas permukaan
seluruh droplet di dalam semprotan. Besarnya SMD dapat dipengaruhi tegangan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
10
permukaan cairan, rapat massa cairan dan udara, perbandingan laju alir massa
cairan dan udara, viskositas cairan serta kecepatan udara.
Bambang (2003) melakukan penelitian studi umur droplet pada
pembakaran batubara serbuk-air dengan sistem air-assisted spray nozzle dan
lintasan udara aksial-tangensial. Di dalam nozzle ini, bahan bakar mengalir
melalui sejumlah radially drilled, plain, circular holes, tempat dimana bahan
bakar muncul dalam bentuk pancaran-pancaran yang terputus-putus yang
memasuki suatu swirling airstream. Bambang menggunakan persamaan berikut
untuk hubungan ukuran droplet.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
A
L
L
L
A
L
ALA mmd
mm
USMD
&
&
&
&1
..
127,01.
19,05,0
0225,035,0
σρµ
ρρσ
...............(2.6)
Dimana: SMD: Sauter Mean Diameter (m), UA: air velocity (m/s),σ : surface
tension (N/m), Lρ : liquid density (kg/m3), Aρ : air density (kg/m3), :
Liquid mass flow rate (kg/s), :air mass flow rate (kg/s),
Lm&
Am& Lµ : liquid
viscosity (Kg/m.s), d0: orifice diameter (m).
E. Sudut Atomisasi
Sudut relatif antara pengabutan (atomisasi) bahan bakar dengan ujung
bahan (metal) nozzle adalah faktor penting yang mempengaruhi sudut atomisasi.
Sudut atomisasi impingement (tumbukan) dapat bervariasi hasilnya yaitu antara
150 sampai 800, tergantung dari bahan (metal) nozzle dan gas atomisasi yang
digunakan. Untuk sebuah nozzle yang berbentuk gelang yang pusatnya searah
dengan arus bahan nozzle, pengabutan yang terlalu tipis/kurus (sudut atomisasi
impingement yang besar) dapat menyebabkan semburan (spray) yang melebar dan
tekanan balik yang besar terhadap arus dari bahan tersebut. Sebaliknya lubang gas
yang terlalu curam (sudut atomisasi impingement yang kecil) dapat menyebabkaan
jarak yang besar antara pengabutan (atomisasi) bahan bakar dengan ujung bahan
(metal) nozzle, sehingga menimbulkan pergolakan dan efisiensi gas menjadi
menurun. Gambar 2.2 memperlihatkan contoh bentuk sudut pengabutan
(atomisasi).
Gambar 2.2 Sudut Pengabutan (Atomisasi)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
11
2.3 Campuran Batubara-Air (Coal-Water Mixture/ CWM)
Campuran batubara-air yang dikenal dengan CWM (Coal-Water Mixture)
adalah jenis bahan bakar cair yang didapat melalui pencampuran serbuk batubara
dan air dengan komposisi tertentu, serta dengan penambahan sedikit aditif yang
berfungsi sebagai stabilizer. CWM diharapkan mampu mempunyai sifat seperti
bahan bakar cair sehingga dalam penggunaannya, dapat berperan sebagai bahan
bakar alternatif menggantikan bahan bakar minyak sebagai bahan bakar cair.
2.3.1 Teknologi Pencampuran CWM
Salah satu sumber bahan bakar alternatif yang murah dan tersedia
keberadaannya dalam jumlah besar adalah batubara. Namun penggunaannya
dalam bentuk aslinya sebagai bahan bakar masih menyisakan beberapa masalah
diantaranya sulit dinyalakan, sulit dikendalikan dan memberikan asap.
Untuk mengatasi hal tersebut para peneliti telah mengembangkan
teknologi pengubahan batubara ke bentuk bahan bakar yang menyenangkan.
Diantara teknologi tersebut adalah sebagai berikut:
1. Pengubahan batubara menjadi bahan bakar gas (teknologi gasifications)
2. Pengubahan batubara menjadi bahan bakar cair (teknologi liquifactions)
3. Pembentukan suspensi/campuran batubara-air (teknologi coal-water fuel)
4. Pengubahan batubara menjadi bahan bakar padat tak berasap (teknologi
briquette)
Dari keempat teknologi pengubahan batubara menjadi bahan bakar yang
menyenangkan diatas, yang sesuai untuk dilakukan penelitian terhadap atomisasi
batubara serbuk-air yaitu teknologi pembentukan suspensi/campuran batubara-air
(teknologi coal-water fuel).
Teknologi coal-water fuel adalah teknologi pembuatan campuran homogen
serbuk batubara-air dengan cara mengaduk campuran pada kecepatan tinggi
(sekitar 6000 rpm) sampai terbentuk suatu suspensi/campuran yang stabil.
Campuran terdiri dari 60 sampai 78 % serbuk batubara dan sisanya air dengan
ukuran serbuk minimal 75 mikron. Bahan bakar jenis ini dapat menggantikan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
12
fungsi minyak tanah sebagai bahan bakar cair untuk keperluan rumah tangga.
(Pasymi, ST.MT., 2005).
Shankapal (1995) telah melakukan penelitian pencampuran batu bara dengan
Light Diesel Oil (LDO), Furnace Oil (FO) dan air yang menghasilkan campuran
bahan bakar dalam bentuk slurry yang memiliki karakteristik seperti bahan bakar
minyak yang mampu mengalir dan teratomisasi pada atomiser. Rasio
pencampuran untuk tiap bahan bakar akan berbeda-beda tergantung pada jenis
pelarut yang digunakan. Rasio campuran ditunjukkan pada tabel 2.1 berikut:
Tabel 2.1 Perbandingan % Berat Partikel Batubara dengan Liquid
(Shankapal, 1995).
No. Slurry Types Solid Fuel ( % wt ) Liquid ( % wt )
1. Coal + LDO 40 60
2. Coal + FO 20 80
3. Coal + Water 50 50
4. Pulveri Coconut Shell + LDO 40 60
5. Pulveri Coconut Shell + water 40 60
(Komarudin dan Umar, 1992) melakukan pencampuran batu bara dengan
air (Coal-Water Mixture, CWM) dengan batu bara dari Bukit Asam. Proses
pengkajiannya difokuskan pada sifat kehomogenan campuran, sifat alir dan proses
pembakarannya. Uji kehomogenan campuran meliputi pemilihan jenis aditif,
pengaruh jumlah aditif terhadap CWM dan pengaruh konsentrasi batu bara dalam
CWM. Pemilihan jenis aditif menghasilkan CMC (Carboxyl Methyl Cellulose)
mempunyai sifat kehomogenan yang baik. Sifat alir menghasilkan ukuran partikel
yang semakin kecil memberikan sifat alir yang lebih baik, sedangkan untuk proses
pembakaran yang dihasilkan adalah kurang stabil dan tidak kontinyu.
2.3.2 Stabilitas CWM
Sastrawinata, T. (1999) melakukan penelitian stabilitas Coal-Water
Mixture (CWM) yang dibuat dari batubara bituminous dan lignite berukuran 200
mesh. Untuk batubara lignite, CWM mencapai 55% batubara, aditif terdiri dari
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
13
dari CMC (Carboxyl Methyl Cellulose), toxaphan, molase dan starch dimana
jumlahnya tidak lebih dari 0,3% stabil lebih dari 9 minggu. CWM batubara
subbituminous ditambahkan beberapa aditif kimia yang tidak mahal yang dibuat
dari 72 gram steac, 3 ml triam, dan 0,5 ml glin dimana mempunyai sifat sebagai
dispersant, stabilizer dan penurun viskositas. Aditif-aditif ini dicampur dengan
batu bara dan air untuk menghasilkan 1 liter CWM. Konsentrasi padatan
mencapai 60% dengan penanganan yang baik (good handling) dan kemampuan
penyimpanan.
(Nurtono, 2001) melakukan penelitian untuk mendapatkan harga optimum
dari konsentrasi solid, ukuran partikel dan jenis dan prosentase aditif dalam
stabilitas dan konsentrasi solid, ukuran partikel dan jenis dan prosentase aditif
dalam stabilitas dan rheology CWM. Hasil yang didapatkan adalah rheology dari
CWM mengikuti sifat-sifat fluida non-newtonian, ukuran partikel memberikan
pengaruh yang optimum dalam rheology dan stabilitas, pengaruh konsentrasi
aditif dan solid signifikan terhadap rheology dan stabilitas, serta kondisi optimum
dari CWM adalah ukuran partikel 33,67 mm, konsentrasi solid = 50 % wt, Triton
X 100 = 0,09 % wt dari solid, CMC = 0,037 % wt dari solid.
2.4 Atomiser/ Alat Pengabut (Nozzle)
Atomiser/ alat pengabut dengan sistem air-assisted nozzle digunakan untuk
mempercepat cairan (liquid) membentuk lapisan film atau pancaran liquid yang
kemudian pecah membentuk ligament-ligament yang akhirnya menjadi droplet-
droplet dan membentuk spray. Pada sistem ini energi kinetik aliran udara dari
kompresor bertekanan tinggi digunakan untuk membantu memperkuat atomisasi.
Di sini udara berkecepatan tinggi dikenakan pada aliran bahan bakar CWM yang
kecepatannya relatif rendah, baik secara internal maupun secara eksternal.
Di samping air-assisted nozzle juga dikenal airblast nozzle dimana kedua
nozzle ini memiliki prinsip kerja yang sama, yaitu sama-sama menggunakan
energi kinetik udara untuk memecah pancaran cairan menjadi droplet-droplet.
Perbedaan utama kedua sistem ini terletak pada kecepatan udara dan jumlah udara
yang digunakan. Pada air-assisted nozzle, dimana udara disupplay dari kompresor
atau tabung bertekanan tinggi, sangat penting untuk menjadi debit udara tetap
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
14
tinggi. Akan tetapi karena tidak ada batasan khusus untuk tekanan udara,
kecepatan udara dapat dibuat sangat tinggi. Dengan demikian air-assisted nozzle,
dikarakteristikkan dengan penggunaan udara dalam jumlah relatif kecil namun
dengan kecepatan yang sangat tinggi. Sedangkan pada air blast nozzle, jumlah
udara yang lebih besar diperlukan untuk mencapai atomisasi yang baik. Namun
udara ini tidak terbuang percuma, yaitu setelah mengatomisasi bahan bakar, udara
ini akan mengalir ke dalam daerah dimana udara dipakai untuk pembakaran
utama. Untuk lebih jelas mengenai desain dari atomiser dua fluida untuk tipe
internal mixing dapat dilihat pada Gambar 2.3 dibawah ini.
Gambar 2.3 Skema Variasi Desain dari Atomiser Dua Fluida Tipe Internal Mixing
(Liu Huimin, 2000).
Tipe internal mixing sangat cocok digunakan untuk bahan bakar yang
memiliki viskositas tinggi, dan atomisasi yang baik dapat dicapai sampai aliran
bahan bakar mendekati nol. Pada tipe external mixing relatif lebih aman karena
bahan bakar lebih sulit masuk kesaluran udara namun penggunaan udara di sini
kurang efisien sehingga membutuhkan tenaga lebih besar.
Adnan (2001) melakukan studi eksperimental tinjauan mekanika fluida
dan proses atomisasi dari CWM dengan menggunakan single hole nozzle dengan
sistem air-assisted nozzle. Hasil menyebutkan bahwa tekanan udara dan
mekanisme pencampuran memiliki pengaruh yang kuat di dalam atomisasi CWM.
Pada pencampuran udara dan CWM yang lemah, ligament-ligament yang
dihasilkan kurang tersebar sedangkan ketika pencampuran udara dan CWM
semakin kuat maka ligament-ligament yang dihasilkan menjadi lebih tersebar.
Selain itu besarnya gaya aerodinamik yang besarnya dinyatakan dalam rasio
udara/CWM dapat menentukan sudut semprotan.
Hitron Rony (1998) merancang dan membuat alat pengabut/atomizer
dengan tipe Triple-Concentric Atomizer (TCA). Prototipe ini akan digunakan
untuk menguji kemampuan dari TCA yang akan menghasilkan percikan yang
sangat bagus seperti medical nebulizers. Test persiapan dari kemampuannya
dengan air yang datar telah dilakukan. Test pengabutan/atomisasi dari suatu yang
mengandung solusi tentang air polymer telah dilakukan menggunakan TCA yang
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
15
ada. Tes ini menunjukkan adanya perubahan yang kecil didalam Sauter Mean
Diameter (SMD) sebagai konsentrasi polymer atau bobot molekular yang
ditingkatkan sampai molekul polymer menjadi sangat terjalin.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Studi Eksperimental
Penelitian ini dapat dikategorikan sebagai penelitian studi eksperimental
yang dilakukan dengan uji laboratorium. Dalam pelaksanaan studi eksperimental
atomisasi campuran batubara serbuk-air (Coal-Water Mixture / CWM) yang
menggunakan air-assisted nozzle ini, secara umum dapat dibagi menjadi 3 tahap
kegiatan. Ketiga tahap kegiatan penelitian ini adalah:
1. Menyelidiki stabilitas campuran batubara serbuk-air (Coal-Water Mixture/
CWM) untuk mendapatkan komposisi CWM yang optimum untuk berbagai
komposisi dalam % berat untuk masing-masing campurannya yaitu terdiri dari
batubara sebuk, air dan aditif CMC (Carboxyl Methyl Cellulose).
2. Membuat dan menguji alat studi eksperimental sistem atomisasi CWM dengan
menggunakan air-assisted nozzle.
3. Melakukan analisa dan pembahasan hasil atomisasi CWM untuk mengetahui
pengaruh berbagai variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan udara
terhadap debit udara, debit CWM, nilai diameter rata-rata Sauter (Sauter Mean
Diameter (SMD)), rasio udara/CWM (Air/Liquid Ratio(ALR)), dan sudut
pengabutan pada atomisasi CWM dengan menggunakan air-assisted nozzle.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
16
3.1.1 Waktu dan Tempat Penelitian
a. Waktu : 12 bulan
b. Tempat : Lab. Proses Produksi Jurusan Teknik Mesin UNS
Lab. Pengecoran dan Las Jurusan Teknik Mesin UNS
Lab. Fisika Tanah Jurusan Ilmu Tanah Fak.Pertanian UNS
3.1.2 Diagram Alir Penelitian
Untuk mengetahui alur penelitian yang baik secara runtut, maka dibuatlah
suatu diagram alir penelitian.
Secara lebih sistematis dan terperinci ditunjukkan pada gambar diagram
alir sebagai berikut:
MU LAI16
- Atomisasi kurang baik - Tidak terbentuk droplet - Atomisasi tidak stabil / tersendat-sendat
- Atomisasi baik
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
17
- Terbentuk droplet-droplet - Atomisasi stabil
SELESAI
KESIMPULAN
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian
3.1.3 Skema Instalasi Peralatan Studi Eksperimental
Sebelum langkah pembuatan alat studi eksperimental dimulai, langkah
awal dalam suatu pembuatan alat adalah membuat rancangan atau perencanaan
terlebih dahulu. Dibawah ini adalah rancangan yang akan dibuat yaitu alat studi
eksperimental sistem atomisasi CWM dengan menggunakan air-assisted nozzle.
Ket: 1. Kompressor ke tangki CWM
2. Saluran udara ke tangki CWM 3. Pressure regulator tangki CWM 4. Tangki CWM 5. Katup aliran CWM 6. Saluran CWM 7. Pressure gauge CWM
8. Kompressor ke nozzle 9. Pressure regulator udara ke nozzle 10. Orificemeter udara 11. Saluran udara ke nozzle 12. Pressure gauge udara 13. Air-Assisted Nozzle 14. Hasil uji pengabutan (atomisasi)
Gambar 3.2 Rancangan Alat Studi Eksperimental Sistem Atomisasi CWM
dengan Air-Assisted Nozzle
3.1.4 Bahan dan Peralatan Penelitian
Untuk dapat membuat dan menyusun rangkaian alat studi eksperimental
sistem atomisasi CWM dengan air-assisted nozzle ini, terlebih dahulu kita harus
menyiapkan bahan dan alatnya, yaitu:
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
18
a) Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah campuran batubara
serbuk berukuran 112,5 µm (mesh 150) dan air tawar ditambah dengan sedikit
aditif. Komposisi campuran dalam % massa terdiri dari, batubara serbuk 40% dan
air tawar 60% dengan tambahan aditif CMC (Carboxyl Methyl Cellulose) sebesar
3% dari berat batubara serbuk.
Gambar 3.3 Serbuk Batubara (Sumber: pengamatan visual)
b) Peralatan
Peralatan yang diperlukan untuk studi eksperimental atomisasi CWM ini yaitu:
1. Air-Assisted Nozzle
Air-assisted nozzle berfungsi untuk menghasilkan atomisasi dari
liquid/cairan dan mempercepat cairan (liquid) membentuk lapisan film atau
pancaran liquid yang kemudian pecah membentuk ligament-ligament yang
akhirnya menjadi droplet-droplet dan membentuk spray. Pada studi eksperimental
ini menggunakan air-assisted nozzle dengan tipe internal mixing untuk
mengatomisasi campuran batubara serbuk-air (CWM) dengan viskositas tinggi
dan dapat menghasilkan droplet-droplet yang halus.
Gambar 3.4 Skema Sistem Air-Assisted Nozzle (Sumber: lampiran)
2. Kompresor Udara
Kompresor udara berfungsi untuk menghasilkan udara bertekanan dan
sebagai tempat menyimpan udara bertekanan. Pada studi eksperimental ini
kompresor digunakan untuk mengalirkan udara bertekanan yang menuju tangki
CWM dan mengalirkan udara bertekanan yang menuju air-assisted nozzle untuk
dikabutkan (diatomisasi) secara bersama-sama.
Gambar 3.5 Kompresor Udara (Sumber: pengamatan visual)
3. Pressure Regulator
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
19
Pressure regulator berfungsi untuk mengatur aliran udara bertekanan yang
berasal dari kompresor dan untuk mengetahui besarnya tekanan udara yang akan
dialirkan dari kompressor. Pada studi eksperimental ini menggunakan dua buah
pressure regulator yang dipasang untuk dapat mengetahui besarnya tekanan udara
yang akan dialirkan menuju ke tangki CWM dan yang satunya untuk dapat
mengetahui besarnya tekanan udara yang akan dialirkan menuju ke air-assisted
nozzle. Yang kemudian akan dialirkan secara bersama-sama untuk dapat
menghasilkan pengabutan/atomisasi CWM yang melewati air-assisted nozzle.
Gambar 3.6 Pressure Regulator (Sumber: www.google.com)
4. Tangki CWM
Tangki CWM berfungsi sebagai tempat untuk menampung CWM sementara
sebelum dialirkan menuju ke air-assisted nozzle, yang terlebih dahulu akan
dinaikkan tekanannya dengan cara mengalirkan udara bertekanan pada tangki
CWM. Pada studi eksperimental ini menggunakan tangki CWM yang dirancang
sedemikian rupa sehingga dapat menampung CWM dan dapat dibuka untuk
memasukkan CWM untuk dilakukan pengabutan/ atomisasi, tetapi masih tetap
tertutup rapat atau tidak bocor pada saat ditutup untuk ditekan dengan udara
bertekanan dan akan dapat dialirkan menuju ke air-assisted nozzle.
Gambar 3.7 Tangki CWM (Sumber: pengamatan visual)
5. Katup Aliran CWM
Katup aliran CWM berfungsi untuk mengatur debit aliran CWM dari tangki
CWM yang akan menuju ke air-assisted nozzle untuk dikabutkan atau
diatomisasi. Pada studi eksperimental ini katup aliran CWM yang digunakan
berupa katup putar, sehingga dapat digunakan untuk membuka dan menutup debit
aliran CWM yang akan digunakan untuk meneliti pengaruh debit aliran CWM
terhadap hasil atomisasi CWM.
Gambar 3.8 Katup Aliran (Sumber: www.google.com)
6. Orifice meter
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
20
Orifice meter berfungsi untuk mengukur atau mengetahui beda ketinggian
(∆h) yang disebabkan oleh kecepatan aliran udara yang melewati lubang orifice
pada saluran udara dari kompresor yang menuju ke nozzle. Pada studi
eksperimental ini, menggunakan orifice meter yang menggunakan fluida air pada
pipa manometer untuk mengetahui beda ketinggian (∆h) yang terjadi pada saluran
udara.
Gambar 3.9 Orifice meter (Sumber: pengamatan visual)
7. Pressure Gauge
Pressure gauge berfungsi untuk mengetahui atau menunjukkan besarnya
tekanan yang terdapat pada saluran. Pada studi eksperimental ini menggunakan
dua buah pressure gauge, yaitu pressure gauge yang dipasang pada saluran CWM
dan pada saluran udara untuk dapat mengetahui tekanan yang terdapat pada
masing-masing saluran.
Gambar 3.10 Pressure Gauge (Sumber: pengamatan visual)
8. Flowmeter Tipe SCFM (Standard Cubic Feet per Minute)
Flowmeter digunakan untuk mengukur debit udara pada saluran udara dari
kompressor yang menuju ke air-assisted nozzle.
Gambar 3.11 Flowmeter Tipe SCFM (Sumber: www.google.com)
9. Kamera
Kamera digunakan untuk mengambil gambar atau foto hasil pengabutan
(atomisasi) dari CWM pada air-assisted nozzle. Oleh karena itu, pada studi
eksperimental ini membutuhkan kamera jenis high speed kamera, karena untuk
penelitian ini diperlukan sebuah kamera digital yang memiliki pengambilan
gambar atau foto yang baik.
10. Stopwatch
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
21
Stopwatch digunakan untuk mencatat waktu pada saat menghitung debit
aliran CWM.
11. Gelas ukur
Gelas ukur digunakan untuk menampung cairan CWM dan menghitung
volumenya pada saat melakukan kalibrasi debit aliran CWM.
3.2 Tahap Pengujian Stabilitas CWM
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kemampuan coal-water mixture
(CWM) dalam mengatasi proses pengendapan, dimana hal ini diperlukan dalam
proses transportasi dan penyimpanan. Diharapkan CWM dapat stabil, tidak
menggumpal dan tidak mengendap dalam jangka waktu lama. Komposisi coal-
water mixture adalah campuran batubara serbuk, air tawar dan tambahan sedikit
bahan aditif yang berfungsi sebagai stabiliser. Bahan aditif yang digunakan adalah
larutan CMC (Carboxyl Methyl Cellulose). Digunakan larutan aditif CMC sebagai
stabiliser karena selain harganya murah dan mudah didapat, CMC juga biasa
digunakan sebagai stabiliser pada biomass-oil slurry (Benter, 1997).
3.2.1 Proses Menentukan Komposisi CWM yang Optimum
Komposisi coal-water mixture (CWM) yang optimum diperlukan untuk
membentuk campuran yang mendekati homogen, agar tidak terjadi proses
pengendapan jika tidak diaduk dan dapat disimpan dalam waktu lama. Maka,
dibuatlah CWM dengan komposisi (% massa) campuran batubara serbuk 40%, air
tawar 60% dan variasi untuk penambahan aditif CMC sebesar 1%, 2%, 3% dan
4% dari berat batubara serbuk, adapun variasi komposisinya adalah sebagai
berikut:
a. Komposisi 1, yaitu 40% batubara serbuk, 60% air tawar dan penambahan
aditif CMC sebesar 1% dari berat batubara.
b. Komposisi 2, yaitu 40% batubara serbuk, 60% air tawar dan penambahan
aditif CMC sebesar 2% dari berat batubara.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
22
c. Komposisi 3, yaitu 40% batubara serbuk, 60% air tawar dan penambahan
aditif CMC sebesar 3% dari berat batubara.
d. Komposisi 4, yaitu 40% batubara serbuk, 60% air tawar dan penambahan
aditif CMC sebesar 4% dari berat batubara.
Masing-masing variasi komposisi untuk pengujian stabilitas CWM
dicampur dan disiapkan dalam gelas ukur 250 ml. Jumlah % massa campuran
CWM untuk setiap sampel adalah 1,5 kg atau kurang lebih 200 ml, dengan %
massa batubara dibuat tetap 40% dan begitu juga air tawar dibuat tetap yaitu 60%.
Jumlah komposisi campuran CWM ini cukup untuk mengevaluasi
stabilitas CWM. Selama penyelidikan stabilitas, temperatur dari sampel tidak
dikontrol. Jumlah hari sampai campuran CWM tidak stabil, jika terbentuk lapisan
minyak dibagian atas dengan tebal >1 mm, terbentuk lapisan pasta pada bagian
bawah dengan tebal >1 mm atau terbentuknya lapisan endapan partikel pada
bagian bawah dengan tebal >1 mm (Benter, 1997). Dari pengujian ini diharapkan
didapatkan campuran CWM yang mempunyai nilai kestabilan optimum.
3.2.2 Proses Pembuatan Serbuk Batubara ukuran 112,5 µm (mesh 150)
Dalam pembuatan serbuk batubara dengan ukuran 112,5 µm (mesh 150)
ini, dilaksanakan di Laboratorium Fisika Tanah Jurusan Ilmu Tanah Fakultas
Pertanian Universitas Sebelas Maret (UNS). Adapun langkah-langkah dalam
proses pembuatan serbuk batubara ini yaitu:
1. Batubara yang masih berupa bijih dihaluskan terlebih dahulu menggunakan
alat crashing, kemudian hasil batubara serbuk ditampung dalam suatu wadah.
2. Hasil batubara yang sudah dihaluskan tadi kemudian disaring atau diayak
menggunakan saringan standard ASTM ukuran 112,5 µm (mesh 150) yang
ditempatkan pada alat pengayak.
3. Sehingga didapatkan serbuk batubara 112,5 µm (mesh 150), kemudian serbuk
batubara yang sudah halus ini disimpan dalam suatu wadah.
3.2.3 Proses Pencampuran Batubara Serbuk-Air
Komposisi campuran: - Batubara = 40 % berat campuran
- Air = 60 % berat campuran
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
23
- Aditif CMC = 3 % berat batubara
Pencampuran dilakukan dengan menggunakan pengaduk campuran yang
dipasang pada mesin bor. Cara pengadukan adalah batubara dan air dicampur
terlebih dahulu didalam suatu ember dan diaduk sampai rata, sedangkan aditif
CMC ditambahkan sedikit demi sedikit setiap 3-5 menit pengadukan. Total proses
pengadukan dilakukan selama ±60 menit.
3.3 Tahap Pembuatan dan Perakitan Alat Studi Eksperimental
Dalam pembuatan dan perakitan alat studi eksperimental ini dilaksanakan
di Laboratorium Proses Produksi, Jurusan Teknik Mesin Fakutas Mesin
Universitas Sebelas Maret (UNS). Adapun langkah-langkah pembuatan dan
perakitan alat studi eksperimental ini adalah sebagai berikut:
1. Mempersiapkan alat dan bahan yang akan digunakan.
2. Membuat tangki CWM yang didesain sedemikian rupa sehingga dapat
digunakan untuk memasukkan dan menampung CWM sementara untuk
kemudian ditekan oleh udara dari kompresor sehingga tekanan CWM menjadi
naik, sebelum akhirnya akan dialirkan menuju ke nozzle untuk dikabutkan.
3. Membuat air-assisted nozzle dengan dimensi dan ukuran yang presisi,
sehingga dapat digunakan untuk mengalirkan dan mengabutkan
(mengatomisasi) CWM dengan aliran CWM pada tengah saluran nozzle yang
diarahkan (assist) dengan aliran udara bertekanan pada sisi luar saluran CWM
sehingga dapat menghasilkan pengabutan (atomisasi).
4. Merangakai saluran-saluran pemipaan untuk aliran CWM dan aliran udara.
5. Melakukan kalibrasi untuk mencari debit udara.
Langkah kalibrasi flow meter udara:
1) Memasang flow meter tipe SCFM (Standard Cubic Feet per Minute) pada
saluran pipa antara pressure regulator dengan orifice meter udara.
2) Menghidupkan kompresor yang menyuplai udara bertekanan yang menuju
ke nozzle (atomiser).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
24
3) Mengatur bukaan katup pressure regulator udara pada posisi tertentu
untuk menentukan nilai debit udara (ft3/min) pada skala flow meter tipe
SCFM mulai dari skala yang paling kecil.
4) Mengukur beda ketinggian (∆h) air pada manometer yang terhubung pada
saluran orifice meter udara.
5) Mengulangi pengujian beberapa kali untuk skala flow meter tipe SCFM
dari skala yang paling kecil sampai skala yang paling besar.
6) Menghitung laju aliran massa udara (kg/s), berdasarkan densitas udara
(kg/m3) dikalikan dengan debit udara yang sudah dikonversi ke satuan
metrik (m3/s) untuk tiap variasi tekanan udara.
7) Membuat grafik beda ketinggian (∆h) fungsi debit udara (Q).
Adapun skema instalasi alat untuk kalibrasi flow meter udara yaitu seperti
dibawah ini:
Gambar 3.12 Kalibrasi Flow meter Udara
6. Melakukan kalibrasi untuk mencari debit CWM.
Langkah kalibrasi debit aliran CWM:
1) Memasukkan CWM kedalam tangki bertekanan.
2) Menghidupkan kompressor yang menyuplai udara bertekanan yang
menuju ke tangki CWM.
3) Mengatur bukaan katup pressure regulator CWM pada tekanan konstan
2,8 bar.
4) Membuka katup aliran CWM dan menampung aliran CWM yang keluar
pada gelas ukur, pada saat CWM mulai tertampung pada gelas ukur
hidupkan stopwatch.
5) Menutup katup aliran CWM dari tangki setelah volume (m3) dari CWM
mencapai 0,002 m3, bersamaan dengan itu matikan stopwatch dan catat
waktunya (s).
6) Menghitung debit aliran CWM (m3/s), berdasarkan volume CWM yang
tertampung pada gelas ukur (m3) dibagi dengan waktu (s).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
25
7) Menghitung laju aliran massa CWM (kg/s), berdasarkan densitas CWM
(kg/m3) dikalikan dengan debit CWM (m3/s) untuk tiap variasi ketebalan
(depth) dari tip nozzle dengan tekanan CWM konstan 2,8 bar.
8) Mengulangi pengujian beberapa kali untuk tiap variasi ketebalan (depth)
dari tip nozzle yang berbeda.
Adapun skema instalasi alat untuk kalibrasi debit aliran CWM yaitu seperti
dibawah ini:
Gambar 3.13 Kalibrasi debit aliran CWM
7. Menghubungkan semua sambungan-sambungan pada saluran CWM dan
saluran udara dan memeriksa terhadap kerapatan pada tiap sambungan
sehingga tidak terjadi kebocoran pada saluran sistem atomisasi CWM.
8. Membersihkan dan merapikan sambungan serta memberi nama pada tiap
komponen pada alat studi eksperimental atomisasi CWM ini.
3.3.1 Proses Pengabutan (Atomisasi) CWM
Adapun langkah-langkah dalam proses atomisasi CWM ini adalah sebagai
berikut:
1. Merangkai peralatan studi eksperimental seperti pada Gambar 3.2.
2. Memasukkan bahan bakar CWM yang sudah diaduk seperti dalam proses
3.2.3, kedalam tangki CWM.
3. Membuka aliran udara bertekanan dari kompresor yang menuju ke tangki
CWM untuk menaikkan tekanan CWM.
4. Menyetel tekanan udara pada pressure regulator CWM sesuai yang kita
inginkan yaitu diset supaya tekanan CWM konstan sebesar 2,8 bar.
5. Membuka katup aliran CWM sehingga CWM yang bertekanan akan mengalir
menuju ke air-assisted nozzle.
6. Membuka katup aliran udara bertekanan dari kompresor yang menuju ke air-
assisted nozzle.
7. Menyetel tekanan udara pada pressure regulator udara pada posisi tertentu
yaitu diset dengan variasi pengujian mulai dari 2 bar; 2,4 bar sampai 2,8 bar.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
26
8. Mengukur beda ketinggian (∆h) air pada pipa manometer yang terhubung
pada saluran orifice meter udara untuk mencari debit udara dari grafik hasil
kalibrasi hubungan antara beda ketinggian (∆h) fungsi debit udara (Q).
9. Mengukur debit CWM berdasarkan hasil kalibrasi untuk mencari debit aliran
CWM.
10. Mencatat data-data untuk analisa dan perhitungan, untuk mencari besarnya
nilai laju aliran massa udara dan CWM, air-liquid ratio (ALR), dan diameter
rata-rata Sauter (SMD).
11. Melakukan pengamatan dan mengambil foto dari karakteristik hasil visualisasi
pengabutan (atomisasi) CWM.
12. Mengulangi langkah 1 sampai dengan 11 diatas untuk variasi ketebalan
(depth) dari tip nozzle (1,5 mm; 3 mm dan 4,5 mm).
3.3.2 Proses Visualisasi Pengabutan (Atomisasi) CWM.
Proses visualisasi pengabutan (atomisasi) untuk mengamati karakteristik
semprotan CWM diambil dari samping nozzle (pengabut) dengan menggunakan
kamera digital dengan kualitas gambar yang baik.
3.4 Perhitungan Analitik
Perhitungan analitik diawali dengan penyusunan alur perhitungan,
penentuan parameter dan kondisi operasi pengujian, pengujian data-data untuk
perhitungan, tahapan perhitungan dan hasil perhitungan.
Alur perhitungannya yaitu sebagai berikut:
1. Stabilitas Campuran Batubara Serbuk-Air (Coal-Water Mixture/CWM).
2. Perhitungan debit udara dan debit CWM.
3. Perhitungan air-liquid ratio (ALR).
4. Perhitungan diameter rata-rata Sauter (Sauter Mean Diameter/ SMD).
5. Visualisasi atomisasi (pengabutan) CWM.
BAB IV
DATA DAN ANALISA
4.1 Data Hasil Studi Eksperimental
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
27
Supaya analisis yang akan dilakukan dapat berlangsung dengan runtut,
maka data hasil studi eksperimental disajikan secara berurutan mulai dari
parameter dan kondisi operasi pengujian, perhitungan debit udara dan debit
CWM, perhitungan air-liquid ratio (ALR), perhitungan diameter rata-rata Sauter
(Sauter Mean Diameter/ SMD) dan visualisasi atomisasi (pengabutan) CWM.
4.1.1 Parameter dan Kondisi Operasi Pengujian
Sebelum melakukan penelitian hal penting yang perlu diperhatikan yaitu
mencatat atau menentukan parameter dan kondisi operasi pengujian terlebih
dahulu, untuk memudahkan dalam melakukan perhitungan dan analisa.
Dalam penelitian ini parameter dan kondisi operasi pengujian yang digunakan
yaitu dapat dilihat pada tabel 4.1 dibawah ini.
Tabel 4.1 Parameter dan Kondisi Operasi Pengujian
No. Keterangan Notasi Nilai Satuan
Komposisi campuran CWM:
a. Coal (batubara serbuk) 40 %
b. Water (air tawar) 60 %
1.
c. CMC 3% Coal %
2. Diameter coal D 112.5 µm
3. Variasi ketebalan (depth) dari
tip nozzle L
1.5
3
4.5
mm
4. Variasi tekanan udara Pudara
2
2.4
2.8
bar
5. Tekanan CWM konstan PCWM 2.8 bar
6. Outer Diameter of Pressure
Nozzle 0d 0.002 m
7. Temperatur udara Tudara 306 K
8. Konstanta gas ideal R 0.287 KJ/kg.K 9. Tegangan Permukaan CWM σ 0.0589 N/m
30
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
28
10. Viskositas CWM Lµ 0.0000169 Kg/m.s
Densitas udara pada:
Tekanan udara 2 bar Udaraρ 2.28 kg/m3
Tekanan udara 2,4 bar Udaraρ 2.73 kg/m3
11.
Tekanan udara 2,8 bar Udaraρ 3.19 kg/m3
12. Densitas CWM CWMρ 1200 kg/m3
13. Diameter saluran udara dan
CWM D 0.012 m
14. Luas penampang saluran
udara dan CWM UdaraA 0.00011304 m2
4.1.2 Perhitungan Debit Udara dan Debit CWM
A. Pengolahan Data Hasil Kalibrasi Flow meter Udara
Setelah menentukan dan mencatat parameter dan kondisi operasi
pengujian, maka langkah selanjutnya yaitu melakukan pengolahan data hasil
kalibrasi flow meter udara. Dengan mencatat data-data seperti debit SCFM yang
kemudian dikonversikan ke satuan SI (Standard International) dan perbedaan
ketinggian pada manometer untuk selanjutnya data-data tersebut akan dibuat
grafik persamaan garis untuk menentukan debit udara tiap-tiap variasinya.
Data hasil kalibrasi flow meter udara dapat dilihat pada tabel 4.2 dibawah ini.
Tabel 4.2 Data Hasil Kalibrasi Flow meter Udara
∆h (mm)
Pembacaan
CF
P*CF
Debit (m3/s)
1 2
∆h (mm) Rata-rata
10 0.2576 2.576 1.21556E-03 8.85 8.95 8912 0.2576 3.0912 1.45867E-03 12.35 12.5 124.25
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
29
14 0.2576 3.6064 1.70178E-03 16.25 16.2 162.2516 0.2576 4.1216 1.94489E-03 19.9 19.4 196.518 0.2576 4.6368 2.18801E-03 23.5 23.55 235.2520 0.2576 5.152 2.43112E-03 27.65 27.3 274.7522 0.2576 5.6672 2.67423E-03 30.6 30.25 304.2524 0.2576 6.1824 2.91734E-03 34.3 34.4 343.526 0.2576 6.6976 3.16045E-03 38.15 37.5 378.2528 0.2576 7.2128 3.40356E-03 41.7 42.15 419.2530 0.2576 7.728 3.64668E-03 46.1 45.6 458.532 0.2576 8.2432 3.88979E-03 49.2 49.4 49334 0.2576 8.7584 4.13290E-03 52.8 52.75 527.7536 0.2576 9.2736 4.37601E-03 58 57.2 57638 0.2576 9.7888 4.61912E-03 59.9 60.15 600.2540 0.2576 10.304 4.86223E-03 64.25 63.1 636.7542 0.2576 10.8192 5.10535E-03 67.15 67.25 67244 0.2576 11.3344 5.34846E-03 69.5 69.6 695.546 0.2576 11.8496 5.59157E-03 72.25 72.9 725.7548 0.2576 12.3648 5.83468E-03 76.95 76.35 766.550 0.2576 12.88 6.07779E-03 79.9 79 794.5
B. Perhitungan Debit Udara
Untuk memperoleh harga debit udara untuk tiap-tiap variasinya dapat dicari
melalui persamaan garis pada grafik kalibrasi flow meter udara antara beda
ketinggian (hU) fungsi debit udara (QU) dengan pendekatan linear, yang diketahui
dari data hasil kalibrasi flow meter udara diatas, yaitu:
UQ = 6.79E-06 + 5.81E-04 Uh
Dengan mengetahui harga beda ketinggian air, hU (mm) maka harga debit
udara, QU (m3/s) dapat diketahui.
Contoh perhitungan debit udara:
1. Dari hasil pengukuran orifice meter pada aliran udara untuk nozzle dengan
variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM
konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2 bar diketahui beda ketinggian air (hU)
pada manometer sebesar 4,5 mm, maka:
UQ = 6.79E-06 + 5.81E-04 Uh
=UQ 0.000611555 m3/s
=UQ 6.11 x 10-4
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
30
2. Dari hasil pengukuran orifice meter pada aliran udara untuk nozzle dengan
variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM
konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2,4 bar diketahui beda ketinggian air (hU)
pada manometer sebesar 5,1 mm, maka:
UQ = 6.79E-06 + 5.81E-04 Uh
=UQ 0.000615629 m3/s
=UQ 6.15 x 10-4
Untuk perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan
udara yang lainnya dilakukan sama seperti contoh diatas, sehingga dapat diketahui
nilai-nilai debit udara untuk tiap variasi.
Adapun data hasil perhitungan debit udara untuk tiap variasinya dapat dilihat pada
tabel 4.3 dibawah ini.
Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Debit Udara
No.
Variasi Tekanan Udara Dan Ketebalan
(Depth) Tip nozzle
∆h (mm)
Debit Udara (m3/s).(10-4)
1 2 BAR, 1.5 mm 4.5 6.11 2 2.4 BAR, 1.5 mm 4.8 6.15 3 2.8 BAR, 1.5 mm 5.3 6.21 4 2 BAR, 3 mm 5.1 6.13 5 2.4 BAR, 3 mm 5.7 6.19 6 2.8 BAR, 3 mm 6.7 6.25 7 2 BAR, 4.5 mm 5.9 6.17 8 2.4 BAR 4.5 mm 6.5 6.26 9 2.8 BAR, 4.5 mm 7.6 6.33
C. Perhitungan Debit CWM
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
31
Untuk memperoleh harga debit CWM untuk tiap-tiap variasinya dapat
dicari dengan hasil eksperimen yang disebut kalibrasi dengan menggunakan
persamaan 2.2, yaitu:
tVQ CWM =
Dengan menghitung volume CWM yang tertampung pada gelas ukur (m3)
dibagi dengan waktu (s), maka debit aliran CWM (m3/s) dapat diketahui.
Contoh perhitungan debit CWM:
1. Dari hasil eksperimen pada aliran CWM untuk nozzle dengan variasi ketebalan
(depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar
dan tekanan udara 2 bar diketahui volume tertampung pada gelas ukur 0.002
(m3) dan waktu 80.62 (s), maka:
tVQ CWM =
=UQ 0.0000248 m3/s
2. Dari hasil eksperimen pada aliran CWM untuk nozzle dengan variasi ketebalan
(depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar
dan tekanan udara 2,4 bar diketahui volume tertampung pada gelas ukur 0.002
(m3) dan waktu 80.30 (s), maka:
tVQ CWM =
=UQ 0.0000249 m3/s
Untuk perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan
udara yang lainnya dilakukan sama seperti contoh diatas, sehingga dapat diketahui
nilai-nilai debit CWM untuk tiap variasi.
Adapun data hasil perhitungan debit CWM untuk tiap variasinya dapat dilihat
pada tabel 4.5 dibawah ini.
Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Debit CWM
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
32
No.
Variasi Tekanan Udara Dan
Ketebalan (Depth) Tip nozzle
Volume
Gelas Ukur (m3)
Waktu
(s)
Debit CWM (m3/s).(10-4)
1 2 BAR, 1.5 mm 0.002 80.62 0.248
2 2.4 BAR, 1.5 mm 0.002 80.30 0.249
3 2.8 BAR, 1.5 mm 0.002 79.74 0.251
4 2 BAR, 3 mm 0.002 74.14 0.270
5 2.4 BAR, 3 mm 0.002 73.59 0.272
6 2.8 BAR, 3 mm 0.002 73.10 0.274
7 2 BAR, 4.5 mm 0.002 61.86 0.323
8 2.4 BAR 4.5 mm 0.002 61.08 0.327
9 2.8 BAR, 4.5 mm 0.002 60.88 0.329
4.1.3 Perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR)
A. Perhitungan Laju Aliran Massa Udara
Untuk menghitung laju aliran massa udara ( ) dengan menggunakan
persamaan 2.4, yaitu: Am&
AVm AAA ..ρ=&
Adapun data hasil perhitungan laju aliran massa udara untuk tiap variasinya dapat
dilihat pada tabel 4.4 dibawah ini.
Tabel 4.5 Hasil Perhitungan Laju Aliran Massa Udara
No.
Variasi Tekanan Udara
Dan Ketebalan (Depth) Tip nozzle
Densitas Udara (kg/m3)
Debit Udara
(m3/s).(10-4)
Laju Aliran Massa Udara
(kg/s).(10-2)
1 2 BAR, 1.5 mm 2.28 6.11 0.1393 2 2.4 BAR, 1.5 mm 2.73 6.15 0.1679 3 2.8 BAR, 1.5 mm 3.19 6.21 0.1981 4 2 BAR, 3 mm 2.28 6.13 0.1398 5 2.4 BAR, 3 mm 2.73 6.19 0.1690 6 2.8 BAR, 3 mm 3.19 6.25 0.1994 7 2 BAR, 4.5 mm 2.28 6.17 0.1407 8 2.4 BAR 4.5 mm 2.73 6.26 0.1709 9 2.8 BAR, 4.5 mm 3.19 6.33 0.2019
B. Perhitungan Laju Aliran Massa CWM
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
33
Untuk menghitung laju aliran massa CWM ( ) dengan menggunakan
persamaan 2.4, yaitu: Am&
AVm AAA ..ρ=&
Adapun data hasil perhitungan laju aliran massa udara untuk tiap variasinya dapat
dilihat pada tabel 4.6 dibawah ini.
Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Laju Aliran Massa CWM
No.
Variasi Tekanan Udara
Dan Ketebalan (Depth) Tip nozzle
Densitas CWM
(kg/m3)
Debit CWM (m3/s).(10-4)
Laju Aliran Massa CWM
(kg/s).(10-2)
1 2 BAR, 1.5 mm 1200 0.248 2.98 2 2.4 BAR, 1.5 mm 1200 0.249 3.0 3 2.8 BAR, 1.5 mm 1200 0.251 3.01 4 2 BAR, 3 mm 1200 0.270 3.24 5 2.4 BAR, 3 mm 1200 0.272 3.26 6 2.8 BAR, 3 mm 1200 0.274 3.29 7 2 BAR, 4.5 mm 1200 0.323 3.88 8 2.4 BAR 4.5 mm 1200 0.327 3.92 9 2.8 BAR, 4.5 mm 1200 0.329 3.95
C. Perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR)
Untuk menghitung rasio udara/liquid (Air/Liquid Ratio (ALR)) dengan
menggunakan persamaan 2.3, yaitu:
L
A
mm
ALR&
&=
Dengan menghitung laju aliran massa udara (m3/s) dibagi dengan laju aliran
massa CWM (kg/s), maka rasio udara/liquid (Air/Liquid Ratio (ALR)) dapat
diketahui.
Contoh perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR):
1. Dari hasil perhitungan pada aliran udara dan aliran CWM untuk nozzle dengan
variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM
konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2 bar diketahui laju aliran massa udara
0.001393 (kg/s) dan laju aliran massa CWM 0.02988 (kg/s), maka:
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
34
L
A
mm
ALR&
&=
=ALR 0.04674497
2. Dari hasil perhitungan pada aliran udara dan aliran CWM untuk nozzle dengan
variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar 1,5 mm pada tekanan CWM
konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2 bar diketahui laju aliran massa udara
0.001679 (kg/s) dan laju aliran massa CWM 0.03 (kg/s), maka:
L
A
mm
ALR&
&=
=ALR 0.05596667
Untuk perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan
udara yang lainnya dilakukan sama seperti contoh diatas, sehingga dapat diketahui
nilai-nilai Air/Liquid Ratio (ALR) untuk tiap variasi.
Adapun data hasil perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR) untuk tiap variasinya dapat
dilihat pada tabel 4.7 dibawah ini.
Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Air/Liquid Ratio (ALR)
No.
Variasi Tekanan Udara Dan Ketebalan (Depth)
Tip nozzle
Laju Aliran Massa Udara(kg/s).(10-2)
Laju Aliran Massa CWM
(kg/s).(10-2)
Air/Liquid Ratio
(ALR)
1 2 BAR, 1.5 mm 0.1393 2.98 0.046 2 2.4 BAR, 1.5 mm 0.1679 3.0 0.056 3 2.8 BAR, 1.5 mm 0.1981 3.01 0.065 4 2 BAR, 3 mm 0.1398 3.24 0.043 5 2.4 BAR, 3 mm 0.1690 3.26 0.051 6 2.8 BAR, 3 mm 0.1994 3.29 0.060 7 2 BAR, 4.5 mm 0.1407 3.88 0.036 8 2.4 BAR 4.5 mm 0.1709 3.92 0.044 9 2.8 BAR, 4.5 mm 0.2019 3.95 0.051
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
35
4.1.4 Perhitungan Diameter Rata-rata Sauter (Sauter Mean Diameter/SMD)
A. Perhitungan Sauter Mean Diameter (SMD)
Untuk menghitung nilai Sauter Mean Diameter (SMD) dengan
menggunakan persamaan 2.6, yaitu:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
A
L
L
L
A
L
ALA mmd
mm
USMD
&
&
&
&1
..
127,01.
19,05,0
0225,035,0
σρµ
ρρσ
Dengan menghitung ukuran droplet rata-rata menggunakan persamaan
empiris SMD diatas (Bambang, 2003), maka nilai Sauter Mean Diameter (SMD)
(µm) dapat diketahui.
Contoh perhitungan Sauter Mean Diameter (SMD):
1. Dari hasil perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar
1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2 bar diketahui
UA= 5.4 m/s, σ = 0.0589 kg/m2, Lρ = 1200 kg/m3, Udaraρ = 2.28 kg/m3, Lµ =
0.0000169 kg/m.s, m = 0.001393 kg/s, = 0.0298 kg/s dan = 0.0015 m,
maka:
L& Am& 0d
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
A
L
L
L
A
L
ALA mmd
mm
USMD
&
&
&
&1
..
127,01.
19,05,0
0225,035,0
σρµ
ρρσ
=SMD 0.004586 m
2. Dari hasil perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle sebesar
1,5 mm pada tekanan CWM konstan 2,8 bar dan tekanan udara 2.4 bar
diketahui UA= 5.44 m/s, σ = 0.0589 kg/m2, Lρ = 1200 kg/m3, Udaraρ = 2.73
kg/m3, Lµ = 0.0000169 kg/m.s, = 0.001679 kg/s, = 0.03 kg/s dan =
0.0015 m, maka:
Lm& Am& 0d
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
A
L
L
L
A
L
ALA mmd
mm
USMD
&
&
&
&1
..
127,01.
19,05,0
0225,035,0
σρµ
ρρσ
=SMD 0.004707 m
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
36
Untuk perhitungan dengan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle dan tekanan
udara yang lainnya dilakukan sama seperti contoh diatas, sehingga dapat diketahui
nilai-nilai Sauter Mean Diameter (SMD) untuk tiap variasi.
Adapun data hasil perhitungan Sauter Mean Diameter (SMD) untuk tiap
variasinya dapat dilihat pada tabel 4.8 dibawah ini.
Tabel 4.8 Hasil Perhitungan Sauter Mean Diameter (SMD)
No.
Variasi Tekanan
Udara Dan Ketebalan (Depth) Tip
nozzle
Outer
Diameter
of
Pressure
Nozzle
(m).(10-3)
Laju Aliran Massa Udara
(kg/s).(10-2)
Laju Aliran Massa CWM
(kg/s).(10-2)
Sauter Mean Diameter
/SMD (m)
1 2 BAR, 1.5 mm 1.5 0.1393 2.98 0.004586 2 2.4 BAR, 1.5 mm 1.5 0.1679 3.0 0.004707 3 2.8 BAR, 1.5 mm 1.5 0.1981 3.01 0.00487 4 2 BAR, 3 mm 1.5 0.1398 3.24 0.00465 5 2.4 BAR, 3 mm 1.5 0.1690 3.26 0.0048 6 2.8 BAR, 3 mm 1.5 0.1994 3.29 0.004937 7 2 BAR, 4.5 mm 1.5 0.1407 3.88 0.004792 8 2.4 BAR 4.5 mm 1.5 0.1709 3.92 0.004943 9 2.8 BAR, 4.5 mm 1.5 0.2019 3.95 0.005081
4.1.5 Visualisasi Atomisasi (Pengabutan) CWM
A. Proses Visualisasi Atomisasi (Pengabutan) CWM
Proses visualisasi pengabutan (atomisasi) pada studi eksperimental ini
yang dilakukan untuk mengamati karakteristik semprotan CWM diambil dari
samping nozzle (pengabut) dengan menggunakan kamera digital dengan kualitas
gambar yang baik.
Adapun visualisasi pengabutan (atomisasi) CWM untuk tiap variasinya dapat
dilihat pada tabel 4.9 dibawah ini.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
37
Tabel 4.9 Visualisasi Pengaruh Tekanan Udara dan Ketebalan (Depth) dari Tip
Nozzle terhadap Hasil Atomisasi.
Ketebalan (Depth) dari Tip Nozzle dengan Tekanan CWM Konstan 2,8 Bar Tekanan
Udara 1,5 mm 3 mm 4,5 mm
2 bar
Deskripsi: • dengan ketebalan tip nozzle paling kecil (1.5 mm) adalah paling buruk atomisasinya. • Sudut atomisasi 15.10
Deskripsi: • Atomisasi masih belum baik • Butiran-butiran droplet masih besar. • Sudut atomisasi 18.720
Deskripsi: • Atomisasi masih belum baik • Butiran-butiran droplet masih beasr.. • Sudut atomisasi 20.480
2,4 bar
Deskripsi: • Atomisasi mulai membaik. • Butiran-butiran dropletmulai halus. • Sudut atomisasi 21.520
Deskripsi: • Sudut atomisasi mulai membesar • Atomisasi mulai membaik • Sudut atomisasi 22.320
Deskripsi: • Sudut atomisasi membesar • Butiran-butiran droplet tampak halus. • Sudut atomisasi 25.520
2,8 bar
Deskripsi: • Butiran droplet mulai lebih halus lagi. • Sudut atomisasi meningakat. • Sudut atomisasi 23.520
Deskripsi: • Butiran droplet terlihat merata. • Sudut atomisasi meningkat. • Sudut atomisasi 27.60
Deskripsi: • dengan ketebalan tip nozzle paling kecil (4.5 mm) adalah paling buruk atomisasinya. • Sudut atomisasi30.620
4.2 Analisa Data
4.2.1 Stabilitas Campuran Batubara Serbuk-Air (Coal-Water Mixture/
CWM)
Pada pengujian stabilitas campuran CWM dengan komposisi batubara
serbuk, air tawar dan aditif CMC (carboxyl methyl cellulose), dilakukan dengan
kandungan prosentase (% massa) batubara dibuat tetap yaitu 40% begitu juga
kandungan prosentase air tawar dibuat tetap yaitu 60% dan dibuat variasi
kandungan CMC dengan prosentase (% massa) sebesar 1%, 2%, 3% dan 4 % dari
jumlah prosentase berat batubara serbuk dalam campuran CWM. Emulsi dari
slurry dikatakan tidak stabil, jika terbentuk lapisan minyak dibagian atas dengan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
38
tebal >1 mm, terbentuk lapisan pasta dibagian bawah dengan tebal >1 mm atau
terbentuknya lapisan endapan partikel pada bagian bawah dengan tebal >1 mm
(Benter, 1997).
Setelah dilakukan pengamatan secara visual setiap harinya, didapatkan
bahwa campuran CWM dengan kandungan prosentase CMC sebesar 3% dari
jumlah prosentase berat batubara serbuk dalam campuran CWM stabil sampai 14
hari, setelah itu campuran CWM terlihat adanya batubara serbuk yang
mengendap. Sedangkan campuran CWM dengan kandungan prosentase CMC
sebesar 4% dari jumlah prosentase berat batubara serbuk dalam campuran CWM
hanya stabil sampai 7 hari, setelah itu campuran CWM terlihat adanya lapisan
minyak yang cukup tebal pada lapisan bagian atas. Hasil visualisasi pengamatan
stabilitas CWM dapat dilihat di halaman lampiran. Dan untuk mengetahui
stabilitas komposisi CWM yg optimum dengan berbagai prosentase kandungan
CMC (%) dari berat batubara dapat dilihat pada Gambar 4.1 dibawah ini.
Gambar 4.1 Stabilitas Komposisi CWM dengan Berbagai Prosentase Kandungan
CMC (%) dari Berat Batubara.
Dari Gambar 4.1 didapatkan bahwa pada kandungan CMC sebesar 1%,
2% dan 4%, CWM hanya stabil masing-masing selama 2 hari, 5 hari dan 7 hari.
Sedangkan pada kandungan CMC sebesar 3 %, CWM dapat stabil selama 14 hari.
Dengan semakin sedikit kandungan CMC maka partikel batubara serbuk akan
lebih cepat mengendap, dan dengan semakin besar kandungan CMC maka
semakin mudah ketidakstabilan dengan terbentuknya lapisan minyak dibagian atas
campuran yang cukup tebal. Dengan pertimbangan lama stabilitas dan nilai
ekonomis, maka untuk komposisi CWM dengan berat batubara serbuk 40%, air
tawar 60% dan dengan penambahan aditif CMC sebesar 3 % yang akan dipakai
dalam studi eksperimental ini.
4.2.2 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip nozzle dan Tekanan Udara
Terhadap Nilai Debit Udara dan Debit CWM
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
39
A. Pengaruh Tekanan Udara Terhadap Debit Udara
Pengaruh tekanan udara (bar) terhadap debit udara (m3/s) seperti yang
ditunjukkan pada grafik dibawah ini.
Gambar 4.2 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Debit Udara (m3/s)
Tekanan udara mempunyai pengaruh hubungan berbanding lurus dengan
ukuran debit udara, ketika tekanan udara meningkat maka nilai debit udara juga
akan meningkat dan ketika tekanan udara menurun maka nilai debit udara juga
akan menurun.
B. Pengaruh Tekanan Udara Terhadap Debit CWM
Pengaruh tekanan udara (bar) terhadap debit CWM (m3/s) seperti yang
ditunjukkan pada grafik dibawah ini.
Gambar 4.3 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Debit CWM (m3/s)
Tekanan udara mempunyai pengaruh hubungan berbanding lurus dengan
ukuran debit CWM, ketika tekanan udara meningkat maka nilai debit CWM juga
akan meningkat dan ketika tekanan udara menurun maka nilai debit CWM juga
akan menurun.
4.2.3 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip nozzle dan Tekanan Udara
Terhadap Nilai Air/Liquid Ratio (ALR)
A. Pengaruh Tekanan Udara Terhadap Air/Liquid Ratio (ALR)
Pengaruh tekanan udara terhadap air-liquid ratio (ALR) seperti yang
ditunjukkan pada grafik dibawah ini.
Gambar 4.4 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Air/Liquid Ratio (ALR)
Pada umumnya dengan menaikkan rasio udara/liquid dan atau menaikkan
gaya dinamik dapat mengurangi ukuran rata-rata dari droplet. Beberapa penelitian
merekomendasikan batasan proses pengoperasian untuk ALR mulai dari 0.1
sampai dengan 10, atau 2 sampai dengan kurang dari 5. Fraser, menyarankan
batas atas dari ALR yaitu 1.5. Karena apabila dibawah dari batas ALR kualitas
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
40
dari atomisasi akan memburuk, dan apabila diatas dari batas ALR akan
menyebabkan pemborosan energi udara sehingga efisiensi atomisasi akan turun.
4.2.4 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip nozzle dan Tekanan Udara
Terhadap Nilai Sauter Mean Diameter (SMD)
A. Pengaruh Tekanan Udara Terhadap Nilai SMD
Pengaruh laju aliran massa udara terhadap ukuran droplet (SMD) seperti
yang ditunjukkan pada grafik dibawah ini.
Gambar 4.5 Grafik Tekanan Udara (bar) vs SMD
Parameter laju aliran massa udara ini berhubungan langsung dengan
ukuran droplet (SMD), semakin meningkat tekanan udara akan memperbesar
ukuran droplet (SMD), dan semakin menurun tekanan udara maka ukuran droplet
(SMD) juga akan mengecil.
B. Pengaruh Laju Aliran Massa Udara Terhadap SMD
Pengaruh laju aliran massa udara terhadap ukuran droplet (SMD) seperti
yang ditunjukkan pada grafik dibawah ini.
Gambar 4.6 Grafik Laju Aliran Massa Udara vs SMD
Parameter laju aliran massa udara ini berhubungan langsung dengan
ukuran droplet (SMD), semakin meningkat laju aliran massa udara akan
memperbesar ukuran droplet (SMD), dan semakin menurun laju aliran massa
udara maka ukuran droplet (SMD) juga akan mengecil.
C. Pengaruh Laju Aliran Massa CWM Terhadap SMD
Pengaruh laju aliran massa CWM terhadap ukuran droplet (SMD) seperti
yang ditunjukkan pada grafik dibawah ini.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
41
Gambar 4.7 Grafik Laju Aliran Massa CWM vs SMD
Parameter laju aliran massa CWM ini berhubungan langsung dengan
ukuran droplet (SMD), semakin meningkat laju aliran massa CWM akan
memperbesar ukuran droplet (SMD), dan semakin menurun laju aliran massa
CWM maka ukuran droplet (SMD) juga akan mengecil.
4.2.5 Pengaruh Ketebalan (Depth) dari Tip nozzle dan Tekanan Udara
Terhadap Karakteristik Atomisasi (Pengabutan) CWM
A. Pengaruh Sudut Atomisasi (Pengabutan) Terhadap Ukuran Droplet
(SMD)
Pengaruh tekanan udara terhadapsudut atomisasi (pengabutan) seperti
yang ditunjukkan pada grafik dibawah ini.
Gambar 4.8 Grafik Tekanan Udara (bar) vs Sudut Atomisasi (derajat)
Tekanan udara mempunyai pengaruh hubungan berbanding lurus dengan
sudut atomisasi, ketika tekanan udara meningkat maka sudut atomisasi akan
membesar dan ketika tekanan udara menurun maka sudut atomisasi akan
mengecil.
B. Analisa Atomisasi (Pengabutan) CWM
Dari serangkaian kegiatan penelitian yang telah dilakukan, yaitu meliputi
eksperimen dan perhitungan analitis dapat dilakukan analisa sebagai berikut:
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
42
1. Rancangan studi eksperimental yang telah dibuat dengan variasi tekanan udara
(2, 2.4 dan 2.8 bar) dan variasi ketebalan (depth) dari tip nozzle (1.5; 3 dan 4.5
mm) dengan tekanan CWM yang konstan (2.8 bar), diuji untuk mengetahui
pengaruh tekanan udara dan ketebalan tip nozzle terhadap hasil karakteristik
atomisasi dan sudut atomisasi untuk pengujian dingin.
2. Pada nozzle dengan sudut atomisasi paling kecil (150) terlihat jelas butiran-
butiran droplet masih tampak berbentuk ligament yang belum terpecah. Hal ini
disebabkan karena gaya aerodinamik yang kurang bisa untuk memecah
lembaran-lembaran cairan/ liquid menjadi butiran-butiran droplet halus.
Sedangkan pada nozzle dengan sudut atomisasi yang paling besar (30.620)
adalah yang paling baik dari pengujian ini. Terlihat adanya butiran-butiran
droplet yang halus dan sudut atomisasi yang besar. Dengan tekanan udara
yang mendekati dengan tekanan CWM konstan (2.8 bar) dan penggunaan
ketebalan tip nozzle paling besar (4.5 mm) aliran CWM yang disemprotkan
menjadi lebih terarah sehingga pencampuran udara dan CWM dalam internal
mixing chamber menjadi lebih baik.
3. Secara umum visualisasi atomisasi CWM yang diambil dari arah samping
semprotan ini tidak dapat menggambarkan evolusi droplet-droplet, tetapi
hanya melihat perubahan ukuran droplet oleh adanya pengaruh tekanan udara
dan penggunaan ketebalan (depth) dari tip nozzle yang berbeda-beda.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
43
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian, pengujian dan analisa data dapat diambil
beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Komposisi CWM yang optimum dalam penelitian ini yaitu dalam % massa
terdiri dari, batubara serbuk 40% dengan ukuran 112,5 µm (mesh 150) dan air
tawar 60% dengan penambahan aditif CMC (Carboxyl Methyl Cellulose)
sebesar 3% dari berat batubara.
2. Pada tekanan udara yang sama, penggunaan nozzle dengan ketebalan tip
nozzle dari yang paling kecil (1,5 mm) ke yang lebih besar (4,5 mm)
menghasilkan debit udara dan debit CWM yang semakin besar. Dan kenaikan
tekanan udara pada masing-masing ketebalan tip nozzle menghasilkan
kenaikan debit udara dan juga debit CWM.
3. Dampak dari kenaikan tekanan udara pada masing-masing tip nozzle
menghasilkan:
a. Kenaikan debit udara dan debit CWM, sehingga rasio udara/CWM
meningkat dengan demikian gaya aerodinamik yang bekerja semakin
besar.
b. Kenaikan rasio udara/ CWM pada nozzle, sehingga dengan ketebalan tip
nozzle yang lebih besar adalah paling besar nilai ALR-nya.
4. Dengan meningkatnya nilai ALR maka atomisasi yang terbentuk semakin
banyak, dan droplet halus yang terbentuk juga semakin banyak, dengan kata
lain SMD semakin kecil membuat kualitas atomisasi meningkat.
5. Pada rasio udara/ CWM yang hampir sama, nozzle dengan ketebalan tip nozzle
yang lebih kecil memiliki bentuk liquid containing core yang lebih pendek
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
44
dan lebih lebar terutama pada daerah didekat discharge orifice dan kenaikan
rasio udara/ CWM menghasilkan pembesaran sudut semprotan.
5.2 Saran
Berdasarkan proses pengujian dan hasil penelitian dapat diberikan beberapa
saran sebagai berikut:
1. Dari hasil penelitian dapat diketahui bahwa penggunaan tip nozzle dengan
ketebalan yang paling besar (4.5 mm) dapat memperluas penyebaran ligament
didalam pengabutan (atomisasi) dan dengan tekanan udara yang relatif lebih
besar (2.8 bar) dapat membuat ligament-ligament didalam atomisasi menjadi
semakin menyebar yang ditunjukkan dengan semakin meningkatnya gaya
aerodinamik yang bekerja sehingga droplet-droplet yang terbentuk cenderung
lebih kecil dan seragam ukurannya., maka disarankan untuk menggunakan
ketebalan tip nozzle dan tekanan udara yang relatif lebih besar.
49
2. Untuk mengukur SMD pada atomisasi CWM untuk pengujian selanjutnya
maka disarankan untuk menggunakan alat ukur yang lebih baik dan akurat
sehingga dapat dibuat analisis yang lebih akurat tentang pengaruh desain
nozzle terhadap distribusi ukuran droplet
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
45
ambar Grafik Beda Ketinggian Manometer Air/ ∆h (mm) vs Debit Udara/ Q
(m3/s)