Transfer panas secara konveksi dan perannya terhadap kebakaran

Postingan kali ini kita akan membahas salah satu metode transfer panas yaitu konveksi. Konveksi merupakan mekanisme utama penyebaran api jika terjadi kebakaran di suatu bangunan, terutama kebakaran di gedung bangunan tinggi. Pada saat dimulai proses terbentuknya api atau kebakaran, terjadi pergerakan udara panas yang luar biasa yang mengarah ke bagian atas struktur dan menjauhi lokasi awal api (panas selalu berjalan ke suhu yang lebih dingin). Pada saat penyebaran, semakin banyak bahan bakar yang terpanaskan sehingga udara panas ini membawa gas mudah terbakar jauh dari lokasi awal api ke lokasi yang lebih banyak oksigennya

Secara konsep, konveksi adalah distribusi panas atau perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain melalui fluida. Oh ya fluida itu adalah suatu zat yang bisa mengalami perubahan-perubahan bentuknya secara terus menerus bila terkena tekanan atau gaya walaupun relative kecil atau bisa juga dikatakan suatu zat yang mengalir. Fluida mencakup zat cair, gas, air dan udara karena zat ini dapat mengalir dan berubah rubah. Pada umumnya, konveksi terjadi di udara atau cairan, dan pastinya tidak terjadi di material padat. Tetapi konveksi juga berperan untuk perpindahan panas dari material padat ke udara atau gas dan begitu sebaliknya. 

Sebagai contoh konveksi, ketika air dipanaskan, suhu air dapat cepat meningkat meskipun air mempunyai kemampuan transfer panas yang rendah. Hal ini dikarenakan air yang terpanaskan di bagian bawah wadah mengembang dan menjadi lebih ringan densitasnya (kurang rapat), karena menjadi lebih ringan, maka air yang terpanaskan ini bergerak ke atas dan sisi bawah wadah digantikan oleh air dingin yang lebih besar densitas nya. Contoh lainnya adalah pemanas ruangan, biasanya pemanas ruangan ini berasal dari api kecil yang diletakkan di suatu lokasi di bangunan, panas dari api ini terdistribusi melalui pipa melalui metode konveksi. Cerobong asap juga menerapkan perpindahan panas ini ketika udara panas keluar dari tungku perapian naik ke cerobong.

Udara Panas tidak dapat bergerak sendiri bila tidak memiliki daya penggerak, sehingga dibutuhkan suatu penggerak dan penggeraknya adalah buoyancy. Daya apung atau Buoyancy terkait dengan molekul udara yang suhunya lebih hangat. Ketika udara dipanaskan maka kerapatannya menurun (jarak antara molekulnya merenggang), sehingga massa jenisnya (massa per satuan volume) menjadi lebih ringan, dan udara pun bergerak (mengapung) ke atas.

Pada saat terjadi kebakaran di bangunan, udara yang sudah terpanaskan oleh api menjadi berkembang dan menjauhi sumber dan mengarah ke atas, hal ini terkait dengan penjelasan bouyancy di atas. Saat udara panas naik, udara ini membawa asap, gas (termasuk gas beracun) dan produk pembakaran lainnya. Udara panas ini terus naik hingga titik tertinggi dan terhenti ketika terdapat halangan horizontal. Udara panas ini akan menyebar secara horizontal atau mengarah ke samping yang mengakibatkan penyebaran kebakaran menyebar ke area lain. 

Ilutrasi penyebaran panas konveksi 

Terkait dengan penyebaran udara panas ini, selain digerakkan oleh daya bouyancy dari hasil proses terjadinya api itu sendiri, penyebaran panas ini dapat menjadi luas akibat adanya pergerakan udara yang disebabkan oleh stack effect dan sistem aliran udara dari bangunan tersebut (contoh HVAC).

Stack effect atau Chimney effect atau efek cerobong merupakan pergerakan alami udara di bangunan tinggi yang diakibatkan oleh perbedaan suhu antara suhu di dalam bangunan dan di luar bangunan. Udara dalam bangunan ini akan naik ataupun turun secara bervariasi tergantung dari besarnya perbedaan suhu. Efek ini akan bisa dilihat atau dirasakan pada bangunan dengan tinggi di atas 18 meter dan efek ini akan semakin kuat ketika bangunan tersebut semakin tinggi dan perbedaan suhu semakin besar. Kaitannya dengan penyebaran udara panas, stack effect ini membuat penyebaran panas menjadi lebih luas ke arah vertikal, penyebaran vertikal dapat melalui shaft lift, tangga darurat yang terbuka, sistem pendingin udara maupun melalui celah dari penetrasi pipa dan kabel yang mengarah ke lantai atas. Sehingga jika terjadi kebakaran di lantai 1, maka udara panas ini bisa menyebar ke lantai atas dengan cepat dan ada kasus dimana penyebaran panas bisa naik puluhan lantai di atas dari lokasi awal kebakaran.

Pada kebakaran yang sangat besar, khususnya di area terbuka, pergerakan udara panas ke atas sangat besar dan berkontribusi terhadap terbentuknya badai api (fire storm). Ketika badai api terjadi, terbentuk aliran udara masuk ke arah pusat kebakaran dimana aliran udara ini akan menghisap semua bahan bakar yang ringan yang ada di darat yang akan membuat api menjadi semakin besar. Buoyancy kemudian mengangkat sekumpulan gas hasil pembakaran dan puing puing padat puluhan meter ke atas ke udara. Puing puing padat yang telah terbakar jatuh sebagai sumber api yang baru mengikuti arah angin. Kumpulan gas yang terbakar ini (jika dalam jumlah yang masif) dapat membentuk suatu masa api yang terpisah yang biasa di kenal sebagai fireball. Intensitas kebakaran dari firestorm ini terkadang sangat besar sehingga radiasi panas yang dihasilkan bisa memanaskan bahan bakar ke titik menyalanya yang berjarak jauh dari sumber api.  


Referensi:

• DeHaan, John D. 2007. Kirks's Fire Investigation sixth edition. Pearson Prentice Hall
• Ladwig,, Thomas H. 1990. Industrial Fire Prevention and Protection. Van Nostrand Reinhold
• Fitzgerald, Robert W. 2004. Building Fire Performace Analysis 1st Edition. Wiley
• Klinoff, Robert W. 2006. Introduction to Fire Protection 3rd Edition. Cengage Learning
• Latifah, ST. MT, Nur Laela. 2015. Fisika Bangunan 1. Gaya Kreasi.