Teknik Pembakaran

Teknik Pembakaran adalah salah satu cabang ilmu termofluida terapan yang digunakan untuk menyelidiki, menganalisis serta mempelajari tentang proses pembakaran (combustion), bahan bakar (fuel), serta sifat dan kelakuan nyala api (flame). Bahan bakar yang ditelaah dalam tinjauan pembakaran dapat merupakan bahan bakar gas, cair atau padat. Terdapat banyak definisi terkait dengan pembakaran. Secara umum pembakaran dapat diartikan sebagai suatu proses yang melibatkan reaksi kimia antara material mampu bakar (combustible) dan oksigen yang teradung di dalamnya [Drysdale, 2004]. Definisi lain mengatakan bahwa pembakaran adalah suatu transisi dari bentuk tidak reaktif ke bentuk reaktif dimana stimuli eksternal menyebabkan terjadinya suatu proses thermochemical yang diikuti oleh transisi sangat cepat ke pembakaran yang stabil. Stimuli dari pembakaran sendiri terbagi menjadi tiga jenis, yaitu energi termal, kimia dan mekanis. Namun demikian, semua definisi dari pembakaran mengarah pada penekanan akan pentingnya reaksi kimia yang terjadi, dimana pembakaran mengubah energi yang tersimpan dalam ikatan kimia menjadi panas (heat) yang dapat digunakan dalam berbagai macam aplikasi. Sehingga terdapat dua variabel penting dalam proses pembakaran, yaitu reaksi kimia antara bahan bakar dan oxidizer, serta adanya pelepasan energi panas (reaksi bersifat eksotermis).

Bahan bakar adalah semua substansi yang melepaskan energi ketika dioksidasi, sedangkan oxidizer adalah semua substansi yang mengandung oksigen (contohnya : udara) yang bereaksi dengan bahan bakar. Jenis bahan bakar yang dapat digunakan untuk melakukan inisiasi pembakaran sangat banyak, mulai dari gas hidrokarbon dengan rantai karbon paling sederhana sampai pada benda padat dengan nilai berat molekul yang tinggi dan kompleksitas kimia yang rumit. Semua bahan bakar tersebut akan terbakar dalam suatu kondisi pembakaran yang sesuai, bereaksi dengan oksigen dari udara, menghasilkan produk pembakaran, dan melepaskan panas. Reaksi pembakaran biasanya terjadi dalam suatu fraksi kecil dari volum yang tersedia di dalam zona reaksi atau nyala api (flame). Ini adalah tipe reaksi yang cepat. Reaksi pembakaran menengah (intermediates) dapat menghasilkan suatu chemiluminesce atau partikel-partikel berpendar dan memberi warna pada nyala api. Pembakaran juga mungkin terjadi dekat dengan permukaan katalitik pada temperatur rendah, dikenal dengan tipe pembakaran lambat. Di dalam nyala api terkandung pergerakan fluida, difusi panas dan massa, pelepasan kalor dan fenomena kimia. Sehingga, studi dari pembakaran didasari oleh bidang-bidang kompleks seperti termodinamika, kinetika kimia, perpindahan panas dan massa, serta mekanika fluida.

Terjadinya proses pembakaran bergantung pada tiga faktor utama yang dikenal dengan “3T”, yaitu time (waktu), turbulence (turbulensi aliran), dan temperature (suhu). Artinya tercapainya suatu fase pembakaran harus memenuhi waktu penyalaan (time to ignition) yang bergantung pada berapa suhu ideal agar pembakaran dapat terjadi dan bagaimana kondisi aliran fluidanya. Semakin turbulen aliran fluida yang terjadi, maka proses transfer panas juga akan semakin cepat. Pada proses pembakaran dengan proses penyalaan api yang normal, dibutuhkan tiga komponen utama untuk tercapainya suatu fase pembakaran, yaitu panas, bahan bakar, dan oksigen (gambar 1). Ketiganya merupakan elemen-elemen yang harus ada untuk mewujudkan terjadinya proses pembakaran, sehingga jika salah satu elemen ditiadakan maka proses pembakaran yang ditandai dengan adanya nyala api dapat terhenti. Konsep inilah yang kemudian dijadikan dasar dalam mengontrol nyala api dari pembakaran. Tetapi, pada dasarnya keberadaan tiga elemen itu saja belum cukup untuk memenuhi syarat terjadinya nyala api pembakaran. Gambar 1 menunjukkan adanya satu faktor penting lagi yang harus ada dalam proses pembakaran, yaitu reaksi campuran antara oksigen dan bahan bakar harus berada pada fase yang sama (fase gas) dan telah mencapai panas yang cukup untuk terjadinya pembakaran. Komposisi udara dan bahan bakar ini akan mencapai nilai tertinggi pada daerah stoikiometri.

 

Gambar 1. Segitiga Api

Nyala api yang terbentuk dari proses pembakaran sampel minyak pelumas merupakan fenomena yang terjadi dalam fase gas, karena proses pembakaran baru terjadi apabila campuran udara dan bahan bakar sudah berada pada fase yang sama (fase gas). Sehingga pembakaran yang menghasilkan nyala api dengan bahan bakar cair dan padat harus didahului dengan proses perubahan fase bahan bakar menjadi fase gas terlebih dahulu untuk dapat bercampur dengan udara. Untuk bahan bakar cair, proses ini pada umumnya berupa penguapan sederhana dari hasil pendidihan pada permukan bahan bakar. Pada dasarnya, vaporisasi dari bahan bakar cairan hanya akan terjadi pada tingkat temperatur permukaan tertentu dari cairan itu sendiri. Selanjutnya, uap mampu bakar hasil vaporisasi tersebut akan bercampur dengan oksigen yang terkandu di dalam udara (oxidizer) untuk membentuk campuran yang dapat terbakar. Udara merupakan oxidizer alami dimana pada keadaan normal memiliki kandungan oksigen sebesar 21 %. Setelah bahan bakar berubah fase menjadi gas dan bersifat mudah terbakar (volatile), bahan bakar akan dengan mudah bercampur dengan udara sebagi oksidator, kemudian ketika reaksi campuran udara dan bahan bakar sudah cukup panas, nyala api akan terbentuk sebagai tanda terjadinya proses pembakaran dengan atau tanpa pemantikan menggunakan electrical spark igniter. Ilustasi dari bentuk nyala api hasil pembakaran bahan bakar cair dapat dilihat pada gambar 2.

 Gambar 2. Bentuk nyala api dari permukaan cairan yang terbakar

Dari gambar 2 terlihat bahwa nyala api dari hasil pembakaran bahan bakar cair bersifat turbulen dan secara matematis sulit diprediksi. Aliran turbulen pada nyala api pembakaran ini terjadi sebagai hasil dari kondisi instabilitas di dalam aliran yang tidak dapat diredam dengan baik oleh suatu aksi viscous dan kecepatan aliran pada setiap titik di nyala api berfluktuasi secara acak (gambar 2d dan 2e). Fenomena tersebut juga terjadi pada tingkat ketinggian nyala dari api, sehingga diperlukan perata-rataan dalam fungsi ruang dan waktu (averaging in time and space) untuk mendapatkan representasi dari kecepatan maupun tinggi dari nyala api. Pada masa awal pembakaran, nyala api masih sangat pendek dan sangat dekat dengan permukaan bahan bakar (2a), dimana seiring berjalannya waktu bertambahnya uap mampu bakar akibat vaporisasi bahan bakar mengakibatkan api semakin tinggi. Laju pembakaran tidak mungkin konstan disepanjang permukaan horizontal bahan bakar. Penguapan dari bahan bakar cair didekat perimeter lebih besar dibandingkan pada bagian tengah. Hal ini konsisten dengan fakta bahwa nyala api pada suatu pool yang kecil tidak terlalu berpendar (low luminosity) dan konveksi akan sangat mendominasi perpindahan kalor (2a). Seiring dengan ukuran pool dan temperatur yang meningkat, efek radiasi yang akan mendominasi aspek perpindahan kalor. Kondisi ini menyebabkan laju pembakaran justru lebih cepat di bagian tengah.