dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

of 59 /59
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

Upload: dangnhu

Post on 12-Jan-2017

231 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 2: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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.

Page 3: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 4: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 5: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 6: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 7: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 8: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 9: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 10: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 11: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 12: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 13: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 14: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 15: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 16: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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?”

Page 17: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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.

Page 18: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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.

Page 19: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 20: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 21: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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)

Page 22: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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&

Page 23: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 24: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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)

Page 25: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 26: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 27: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 28: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 29: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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.

Page 30: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe 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

Page 31: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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:

Page 32: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 33: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 34: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 35: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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.

Page 36: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 37: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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).

Page 38: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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).

Page 39: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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.

Page 40: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 41: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 42: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 43: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 44: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 45: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 46: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 47: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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:

Page 48: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 49: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 50: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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.

Page 51: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 52: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 53: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 54: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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.

Page 55: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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:

Page 56: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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.

Page 57: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 58: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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

Page 59: dari tip nozzle dan tekanan udara pada tipe air-assisted nozzle

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)