Ruang bakar (Combustion Chamber/COmbustor)

Ruang bakar (combustion chamber) paling mudah dijumpai pada turbin gas pembangkit listrik atau bahkan pada mesin jet pesawat terbang. Input energi kalor dari turbin gas berasal dari sebuah ruang bakar (combustion chamber). Ruang bakar menerima udara dari kompresor dan membakarnya sehingga menghasilkan energi kalor dan mengirimkannya ke turbin.

Prinsip pembakaran secara sederhana adalah reaksi kimia antara karbon atau hidrogen, dan oksigen. Kalor muncul saat reaksi berlangsung. Hasil dari pembakaran secara ideal adalah karbon dioksida dan air (H₂O). Secara rumus stoikiometri dapat ditulis menjadi:

CH₄ (Metana) + 4O (Oksigen) -> 2H₂O (air) + CO₂ (Karbon dioksida) + Heat (kalor)

4 mol oksigen diperlukan untuk membakar 1 mol metana. Hasil pembakaran adalah 1 mol karbon dioksida dan 2 mol air.

Prinsip kerja ruang bakar pada turbin gas hampir mirip seperti ruang bakar pada engine kendaraan bermotor. Saluran bahan bakar akan disemprotkan menuju ruang bakar bersamaan dengan udara bertekanan dari kompressor. Kemudian percikan api dari spark plug dinyalakan sehingga campuran bahan bakar, udara, dan percikan api spark plug terbakar dan menghasilkan udara panas bertekanan sangat tinggi. Lalu udara panas bertekanan ini akan diteruskan ke turbin untuk menghasilkan buangan udara jet dan memutar kompressor.

Pertimbangan perancangan combustion chamber/ruang bakar:

• Panjang ruang bakar. Rasio panjang dan diameter pada ruang bakar akan memengaruhi performa pembakaran.
• Penurunan tekanan (Pressure drop). Pressure drop dari ruang bakar akan memengaruhi besarnya daya sistem yang diperlukan. Semakin besar total pressure drop, semakin besar daya yang diperlukan sehingga biaya perancangan dan material cenderung lebih mahal.
• Keandalan material. Pada proses pembakaran di ruang bakar, terdapat banyak sekali getaran, transfer kalor, dan perubahan tekanan yang dapat menyebabkan material menjadi korosi, retak, atau berlubang. Jadi , ruang bakar membutuhkan material yang kuat.
• Laju aliran udara dan bahan bakar.
• Kesetimbangan stoikiometri pada komposisi bahan bakar dan udara. Dengan mengatur komposisi pembakaran, pembakaran yang terjadi akan menjadi lebih sempurna.
• Lower Heating Value (LHV). LHV adalah nilai jumlah kandungan H₂O yang tidak terkondensasi pada pembakaran.

Kemampuan ruang bakar ditentukan oleh efisiensi pembakaran. Efisiensi pembakaran adalah rasio entalpi aktual dan entalpi teori. Efisiensi dapat dituliskan dengan rumus:

Efisiensi = Pertambahan entalpi aktual : Pertambahan entalpi teori = {[m_(g)+m_(f)]} : [m_(f).LHV]

• Efisiensi (%)
• m_(g) , m_(f) : Laju aliran massa udara dan bahan bakar. (kg/s)
• LHV : Lower Heating Value (kj/kg)

Pertimbanggan interaksi aliran fluida yang kompleks serta reaksi kimia pembakaran membuat desain combustor menjadi cukup chalenging dilakukan secara murni analitis. Menggunakan eksperimen juga kita perlu mempertimbangkan faktor safety baik karena suhu yang tinggi atau emisi gas yang belum kita ketahui karakteristiknya. Oleh karena itu, teknologi Computational Fluid Dynamics (CFD) menjadi salah satu tools yang sangat powerfull untuk mendesain combustion chamber.

>> KLIK DI SINI UNTUK SIMULASI CFD PADA COMBUSTION CHAMBER!

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Boyce, Meherwan P. 2002. Gas Turbines Engineering Handbook: Second Edition. Texas: Gulf Professional Publishing.

https://www.csidesigns.com/blog/articles/what-is-pressure-drop-and-how-does-it-affect-your-processing-system (diakses pada tanggal 6 April 2021)

Author: admin