## PERILAKU RAMBAT API PREMIXED PENYALAAN BAWAH
CAMPURAN GAS METANA-UDARA INHIBITOR NITROGEN (N 2 )

## Djoko Wahyudi
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Panca Marga Jl. Yos Sudarso 107 Pabean Dringu Probolinggo 67271 Email : djokowahyudi@gmail.com

## ABSTRAK
Komposisi  gas  metana  dalam  kandungan  biogas  salah  satu  dengan  menurunkan  gas  nitrogennya.  Nitrogen dalam  campuran  bahan  bakar  gas  merupakan  inhibitor  yang  efektif.  Misalkan  pengaruh  nitrogen  pada  kecepatan pembakaran dari gas metana-udara mengalami penurunan. Seberapa besar pengaruh kadar nitrogen jika ditinjau dari perilaku  rambat  api,  maka  perlu  adanya  suatu  pengamatan  atau  penelitian.  Dalam  penelitian  ini  variabel  bebasnya adalah  prosentase  campuran  Nitrogen  10%-50%  dan  titik  penyalaan  dari  bawah.  Prosentase  nitrogen  diambil  dari prosentase  gas  metana,  misal  10%  nitrogen  maka  90%  gas  metana.  Campuran  udara  dan  CH 4 tetap  stoikiometri (9.5:1).  Untuk  mendapatkan  nitrogen  pada  campuran  stoikiometri  dengan  menghitung  jumlah  volume  dari helle shaw cell , kemudian menentukan prosentase nitrogen yang masuk ke ruang bakar, sesuai variasi prosentase nitrogen. Pola rambat api  yang dibentuk dari campuran  gas  metana-udara dan  nitrogen  menunjukkan perubahan  yang beda- beda dan berbentuk parabola yang mendatar dan akhirnya pecah menjadi beberapa parabola yang kecil-kecil.
Kata kunci : Bahan Bakar Gas, Metana, Nitrogen, Pembakaran, Stoikiometri.

## ABSTRACT
The composition of the gas methane in the biogas deposits one by  lowering the nitrogen. The Nitrogen in the fuel mixture gas is an effective inhibitor. Suppose the influence of nitrogen on burning velocity of methane-air gas has decreased. How big is the influence of the nitrogen levels if the behavior of the  fire, then the vines need for an observation or research. Free variables in this study is the percentage of Nitrogen mix 10%-50% and point lighting from  below.  Percentage  of  nitrogen  derived  from  the  percentage  of  methane  gas,  e.g.  10%  nitrogen  and  90% methane  gas.  The  mixture  of  air  and  CH4  fixed  stoichiometry  (9.5:  1).  To  get  the  nitrogen  in  the  mix  with stoichiometry calculate the amount of volume of helle shaw cell, then specify the percentage of nitrogen that enters the  combustion  chamber,  according  to  the  percentage  of  variation  in  nitrogen.  Flame  vines  pattern  formed  from methane gas-mixture of air and nitrogen shows different changes in different and parabolic horizontally and finally breaks into several small parabolic.
Key words : Fuel Gas, Methane, Nitrogen, Combustion, Stoichiometric

## PENDAHULUAN
Penelitian terhadap penggunaan dan pengembangan  sumber  alam  adalah  merupakan suatu  kegiatan  ilmiah  yang  baik  dalam  rangka mengurangi  penggunaan  bahan  bakar  minyak. Pemanfaatan  energi  alternatif  merupakan  salah satu  solusi  yang  harus  diterapkan.  Biogas merupakan  salah  satu  energi  alternatif  yang murah dan ramah lingkungan.
Untuk  meningkatkan  komposisi  gas  metana dalam  kandungan  biogas  salah  satu  dengan menurunkan  gas  nitrogennya.  Nitrogen  dalam campuran  bahan  bakar  gas  merupakan  inhibitor yang  efektif.  Misalkan  pengaruh  nitrogen  pada kecepatan  pembakaran  dari  gas  metana-udara
mengalami  penurunan.  Seberapa  besar  pengaruh kadar  nitrogen  jika  ditinjau  dari  perilaku  rambat api,  maka  perlu  adanya  suatu  pengamatan  atau penelitian.
Beberapa peneliti yang melakukan penelitian tentang  pembakaran  adalah  Tenaya  [1]  meneliti tentang  pengaruh  pemanasan  campuran  bahan bakar gas – udara terhadap kecepatan rambat api premixed pada  ruang  bakar  model helle-shaw cell .  Bahan  Bakar  Gas  (BBG)  diperoleh  dari Natural  Gas  PT.  Lapindo  Brantas  dengan kandungan  98,4%  metana  (CH 4 )  dan  1,4% nitrogen  (N 2 ).  Hasil  penelitiannya  menunjukkan bahwa  semakin  tinggi  temperatur  pemanasan campuran  bahan  bakar  gas  dan  udara  warna  api
semakin  biru,  bentuk  api  semakin  mendatar  dan terpecah  menjadi  parabola  kecil-kecil  dan kecepatan  rambat  api  semakin  cepat.  Hubungan temperatur pemanasan campuran bahan bakar gas dengan udara deformasi api.
Karakteristik  perambatan  api  melalui  celah sempit  dengan  bahan  bakar  campuran    LPG  dan oksigen  menunjukkan  bahwa  tekanan  awal  dari gas  sangat  mempengaruhi  kecepatan  rambat  api, semakin tinggi tekanan awal campuran gas maka semakin tinggi pula kecepatan rambat api. Hal ini menyebabkan api mampu melewati celah sempit. Dan  jika  lebah  celah  terlalu  sempit,  maka pembakarannya  daerah downstream akan  terjadi karena jet ignition .
Nurhadi  [3]  menambahkan  inhibitor  CO 2 terhadap batas mampu nyala refrigerant hidrokarbon  dengan  kandungan  propane  99,5%, menunjukkan  bahwa  penambahan  inhibitor  CO 2 menurunkan  kecepatan  rambat  api  pembakaran karena molekul CO 2 menghambat reaksi tumbukan antara molekul refrigerant hidrokarbon dengan  molekul  udara  dan  juga  mempengaruhi batas  mampu  nyala  refrigerant  hidrokarbon  pada berbagai  AFR.  Pada  AFR  miskin  penambahan 3%  CO 2 menyebabkan  campuran  tidak  mampu terbakar. Pada AFR stoikiometri penambahan 4% CO 2 menyebabkan  campuran  tidak  mampu terbakar  dan  pada  AFR  kaya  penambahan  6% CO 2 menyebabkan  campuran  tidak  mampu terbakar.
Pembakaran  adalah  reaksi  kimia  antara bahan  bakar  dan  pengoksidasian  (oksigen  atau udara) yang menghasilkan panas dan cahaya [4]. Proses pembakaran bisa berlangsung jika ada: 1. Bahan bakar
2. Pengoksidasi (oksigen atau udara)
3. Panas atau energi aktivasi.
Panas  atau  energi  di  sini  diperlukan  untuk mengaktifkan  molekul-molekul  bahan  bakar. Panas atau energi yang dipakai untuk mengaktifkan  molekul-molekul  bahan  bakar disebut  energi  aktivasi.  Pada  proses  pembakaran kontinyu,  umumnya  energi  aktivasi  diambil  dari panas  hasil  pembakaran  lewat  cara  radiasi  atau lewat cara konveksi (sirkulasi balik).
Proses pembakaran memiliki bentuk bermacam-macam.  Walaupun  demikian,  dua  hal selalu terjadi apabila proses pembakaran langsung. Kedua hal tersebut adalah:
1. Komposisi spesies campuran berubah terhadap waktu, dan perubahan ini disebabkan oleh  proses pada tingkat molekuler.
2. Ikatan-ikatan  molekul  yang  lemah  lepas kemudian  digantikan  oleh  ikatan  yang  lebih kuat.  Kelebihan  energi  ikatan  dilepas  ke dalam  sistem,  yang  biasanya  menyebabkan kenaikan temperatur yang sangat tinggi.
Ada dua hal yang sangat penting yang harus dipenuhi agar proses pembakaran bisa berlangsung yaitu:
- Kesetimbangan massa, dan
- Kesetimbangan energi.
Keseimbangan  massa  yang  diperlukan tersebut oleh para ahli kimia disebut stoikiometri dimana  kata  ini  berasal  dari  bahasa  Yunani stoicheion yang  berarti  elemen  atau  prinsip utama.  Sedangkan  kesetimbangan  energi  yang diterapkan ketika proses pembakaran berlangsung  diturunkan  dari  prinsip-prinsip termokimia.

## METODE PENELITIAN
Metode  penelitian  yang  dilakukan  adalah penelitian eksperimental, yaitu melakukan pengamatan langsung untuk mengetahui hubungan  sebab-akibat  dengan  menggunakan satu atau lebih kelompok perlakuan.
Ada  dua  buah  variabel  yang  digunakan dalam penelitian ini, yaitu
a. Variabel  bebas  adalah  variabel  yang besarnya  ditentukan  oleh  peneliti  dan ditentukan sebelum penelitian dilakukan.
Dalam  penelitian  ini  variabel  bebasnya adalah  prosentase  campuran  Nitrogen  10%- 50%  dan  titik  penyalaan  dari  bawah. Prosentase  nitrogen  diambil  dari  prosentase gas  metana,  misal  10%  nitrogen  maka  90% gas  metana.  Campuran  udara  dan  CH 4 tetap stoikiometri (9.5:1).
b. Variabel  terikat  adalah  variabel  yang besarnya  tergantung  dari  variabel  bebas  dan diketahui  setelah  penelitian  dilakukan. Dalam  penelitian  ini  variabel  terikatnya adalah pola rambat api premixed .

## Alat dan Bahan
1. Ruang bakar model Helle Shaw Cell
2. Pemantik
3. Kamera Video
4. Komputer
5. Gas Metana
6. Gas Nitrogen
7. Kompresor/Pompa Angin Manual
8. Selang gas
9. Katup masuk

## Gambar 1. Dimensi Helle Shaw Cell
Gambar 1. menunjukkan dimensi helle shaw cell dengan panjang 580 mm dan lebar 280 mm. Ruang  bakar  mempunyai  ukuran  volume  500  x 200 x 10 mm. Akrilik tersusun tiga lapis dengan ketebalan  masing-masing  10  mm  sehingga ketebalan  keseluruhan  30  mm.  Pada  dinding samping  terdapat  beberapa  lubang  sebagai (tempat baut dan mur) pengikat akrilik, selain itu juga untuk menghindari kebocoran pada saat gas metana,  nitrogen  dan  udara  bercampur,  sehingga tekanan  dalam  ruang  bakar  tetap  konstan.  Dua lubang  vertical  diatas  sebagai  tempat  masuk  gas dan udara. Enam lubang dibawah sebagai lubang pelimpah.
Untuk mendapatkan nitrogen pada campuran stoikiometri  dengan  menghitung  jumlah  volume dari helle  shaw  cell ,  kemudian  menentukan prosentase  nitrogen  yang  masuk  ke  ruang  bakar, sesuai variasi prosentase nitrogen.
Urutan  pelaksanaan  pengambilan  data  pada campuran  stoikiometri  dan  nitrogen  sebagai berikut:
1. Mempersiapkan  semua  peralatan  yang diperlukan  dan  disusun  sesuai  dengan gambar instalasi yang direncanakan.
2. Mengisi ruang bakar dengan air.
3. Kamera  video  diatur  dudukannya  diatas threepod .
4. Penyala dihubungkan pada terminal.
5. CH 4 ,  N 2 dan  udara  dimasukkan  secara bergantian  melalui  katub  sesuai  dengan skala  pada  ruang  bakar  untuk  memperoleh perbandingan  CH 4 ,  N 2 dan  udara  tertentu yang  akan  diuji.  Masuknya  CH 4 ,  N 2 dan udara  yang  bertekanan  akan  menekan  air dalam ruang bakar turun sampai batas skala yang ditetapkan dan air akan keluar melalui selang mengisi tabung pelimpahan yang ada di samping.
6. Setelah ruang bakar terisi campuran CH 4 , N 2 dan udara, kamera dihidupkan.
7. Tombol  pemantik  ditekan  sampai  api menyala.  Gambar  rambatan  api  ruang  bakar diambil.
8. Setelah  gambar  rambatan  api  terekam kamera  kemudian  dimatikan  dan  gas  hasil pembakaran  yang  tersisa  dalam  ruang  bakar dibuang dengan membuka katup atas.
9. Kemudian dilakukan langkah-langkah seperti diatas untuk tiap-tiap variasi perbandingan campuran CH 4 , N 2 dan udara.
Hasil  rekaman  dari  kamera  video  file.MOV ditransfer ke komputer menjadi file.AVI menggunakan  software Total  Video  Converter . Dengan menggunakan Software Ulead 8 mengedit  hasil  rekaman  untuk  mengambil  video hanya  proses  pembakaran,  sehingga  waktu pembakaran  tiap  ledakan  dapat  diketahui.  Dari gambar bergerak diekstrasi menjadi gambar diam dalam  sejumlah  frame  yang  tersusun  berurutan dari  saat  menyala  pertama  sampai  padam digunakan  software Free  Video  to  JPG Converter .
Setiap  variasi  dari  perbandingan  campuran Stoikiometri  N 2 akan  menampilkan  gambar bentuk  dan  pola  rambatan  yang  berbeda-beda dalam  setiap  framenya.  Dari  hasil  gambar  ini dilakukan  pengukuran  jarak  api  setiap  frame menggunakan software lunak ImageJ . Kecepatan kamera  yang  digunakan  adalah  25  frame/detik, maka  waktu  yang  diperlukan  untuk  satu  frame adalah  1/25  detik.  Dengan  demikian  kecepatan rambat  api  bisa  didapat  dengan  jalan  membagi jarak  api  pada  setiap  frame  dengan  waktu. Dengan  menggunakan  software  Excel  diperoleh tabel  kecepatan  yang  kemudian  dibuat  grafik hubungan-hubungan  yang  dicari.  Bentuk  serta pola  rambat  api  dapat  ditampilkan  dalam  bentuk gambar  transparan  yang  diproses  menggunakan software Adobe Photoshop CS3 .

## HASIL dan PEMBAHASAN
Setelah  memproses  gambar  transparan dengan menggunakan software Adobe Photoshop CS3 maka  akan  didapatkan  gambar  bentuk  dan pola rambatan api.
Gambar 2. Pola Rambat Api Campuran Gas Metana-Udara dan N 2 10%
Gambar 3. Pola Rambat Api Campuran Gas Metana-Udara dan N 2 20%
Gambar 4. Pola Rambat Api Campuran Gas Metana-Udara dan N 2 30%
Gambar 5. Pola Rambat Api Campuran Gas Metana-Udara dan N 2 40%
Gambar 6. Pola Rambat Api Campuran Gas Metana-Udara dan N 2 50%
Bentuk  rambatan  api  yang dihasilkan  akibat variasi  campuran  prosentase  nitrogen  dan  gas metana-udara yang dilakukan ternyata menunjukkan perubahan yang berbeda-beda.
Dari  bentuk  framenya,  pada  umumnya  pola rambatan  api  adalah  berbentuk  parabola,  dari parabola  yang  kecil  didekat  pemantik  terus berkembang  menjadi  parabola  yang  besar, bahkan  semakin  jauh  dari  pemantik  awalnya berbentuk  parabola  yang  mendatar  dan  akhirnya pecah  menjadi  beberapa  parabola  yang  kecil- kecil,  hal  ini  dipengaruhi  daya  dorong  dari  gaya apung yang cukup besar.
Dari jumlah framenya, dapat diketahui pada N 2 10%  jumlahnya  8,  N 2 20%  jumlahnya  6,  N 2 30%  jumlahnya  15,  N 2 40%  jumlahnya  10,  dan N 2 50% jumlahnya 15.
Dari  warna  apinya,  pada  N 2 10%  -  50% warna  api  umumnya  menunjukkan  warna  biru, tetapi  pada  N 2 50%  warna  birunya  semakin pudar.  Warna  api  biru  disebabkan  oleh  kondisi campuran  yang  kaya  bahan  bakar.  Dengan pencampuran  N 2 yang  semakin  besar  sehingga warna  biru  semakin  pudar,  hal  ini  menunjukkan proses  pembakaran  dalam  campuran  tersebut berlangsung sempurna.
Dari  beberapa  perilaku  rambat  api  diatas dapat  diketahui  bahwa  N 2 sebagai  inhibitor sangat berpengaruh sekali dalam proses pembakaran.  Jumlah  N 2 pada  campuran  gas metana-udara  mengakibatkan  panas  yang  dilepas pada  reaksi  pembakaran  rendah.  Rendahnya panas  hasil  pembakaran  juga  diakibatkan  karena produk gas dari hasil pemakaran tak sempurna

## SIMPULAN
Rambat  api  yang  dibentuk  dari  campuran gas  metana-udara  dan  nitrogen  menunjukkan perubahan  yang  beda-beda  dan  berbentuk parabola  yang  mendatar  dan  akhirnya  pecah menjadi  beberapa  parabola  yang  kecil-kecil  dan warna apinya biru.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Tenaya, 2010. Pengaruh Pemanasan Campuran Bahan Bakar Gas-Udara
terhadap  Kecepatan  Rambat  Api  Premixed pada  Ruang  Bakar  Model  Helle-Shaw  Cell .
Seminar  Nasional  Tahunan  Teknik  Mesin (SNTTM) ke-9. Palembang.
[2] Sentanuhady,  Prabowo,  Rachmat,  2010. Karakteristik Perambatan Api melalui Celah Sempit  dengan  Bahan  Bakar  Campuran LPG  dan  Oksigen .  Seminar  Nasional Tahunan  Teknik  Mesin  (SNTTM)  ke-9. Palembang.
[3] Nurhadi,  2011. Pengaruh  Penambahan
Inhibitor CO2 terhadap Batas Mampu Nyala Refrigeran Hidrokarbon dengan Kandungan Propane 99.5% . Tesis. Universitas
Brawijaya Malang.
[4] Wardana, 2008. Bahan Bakar dan Teknologi Pembakaran. PT.  Danar  Wijaya.  Brawijaya
University Press. Malang.
[5] Tenaya,  2010. Pengaruh  Pemanasan  Campuran Bahan  Bakar  Gas-Udara  terhadap  Kecepatan Rambat Api Premixed pada Ruang Bakar Model
Helle-Shaw  Cell .  Seminar  Nasional  Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9. Palembang.