PENINGKATAN EFISIENSI SISTEM PEMANAS AIR KAMAR MANDI MENGGUNAKAN INJEKSI GELEMBUNG UDARA
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Nilai koefisien perpindahan kalor merupakan besaran penentu
kinerja sebuah alat penukar kalor. Kesalahan dalam memprediksi
koefisien perpindahan kalor akan menyebabkan dimensi peralatan
tersebut tidak sesuai lagi dengan kapasitasnya. Kecenderungan
banyak dilakukan dalam perancangan alat penukar kalor
yang
adalah
memperbesar dimensi untuk menjamin temperatur hasil yang dikehendaki,
hal ini berakibat borosnya penggunaan enrgi kalor.
Penelitian-penelitian yang berhubungan dengan upaya mencari
peningkatan koefisien perpindahan kalor terus dilakukan. Salah satu cara
peningkatan koefisien perpindahan kalor yang banyak dilakukan adalah
dengan memodifikasi permukaan saluran baik permukaan luar maupun
permukaan
dalam.
Modifikasi
permukaan
luar
saluran
dengan
pemasangan sirip telah banyak diterapkan pada alat penukar kalor.
Konstruksi sistem pemanas air kamar mandi menggunakan dua
jenis sumber energi yaitu energi listrik dan LPG. Sistem pemanas air
kamar mandi yang menggunakan energi LPG proses perpindahan kalor
berlangsung antara dua fluida air dan gas hasil pembakaran, peningkatan
efisiensi perpindahan kalor dilakukan dengan pemasangan sirip pada
permukaan luar saluran air. Sistem pemanas air kamar mandi yang
menggunakan energi listrik transfer kalor berlangsung dari heater
berbentuk pipa yang dipasang dalam saluran air. Kondisi ini menyebabkan
modifikasi permukaan dalam saluran menggunakan sirip tidak menjadi
pilihan. Penerapan modifikasi permukaan dalam saluran menggunakn sirip
akan
menimbulkan
masalah baru yaitu kesulitan pabrikasi yang
menyebabkan konstruksi menjadi mahal. Hambatan lain dari modifikasi ini
akan meningkatkan pressure drop yang menyebabkan peningkatan
penggunaan energi untuk mengalirkan fluida kerja air.
1
Peneliti telah melakukan penelitian mengenai penginjeksian udara
pada aliran air dalam pipa yang dipanaskan, hasil penelitian menunjukkan
bahwa terjadi peningkatan koefisien perpindahan kalor yang signifikan
pada aliran gelembung air-udara dibanding aliran fasa tunggal air.
Berdasarkan informasi ini peneliti akan menerapkan hasil penelitian yang
telah diperoleh untuk memperbaiki desain sistem pemanas air kamar
mandi yang banyak digunakan di hotel, rumah sakit dan rumah tangga
tertentu.
B. Perumusan Masalah
Bagaimanakah hubungan perubahan
dimensi anulus terhadap
waktu pemanasan dan peningkatan temperatur hasil air?. Bagaimanakah
hubungan dari perubahan debit air dan debit udara pada anulus terhadap
waktu pemanasan dan peningkatan temperatur hasil air?
2
DAFTAR PUSTAKA
Al-Fahed, S. and Chakrun, W., 1996, Effect of Tube-Tape Clearence on
Heat Transfer for Fully-Developed Turbulent Flow in A
Horizontal Isothermal Tube, Int. J. Heat Fluid Flow, 17..
Ayub, Z.H. and Al-Fahed, S.F., 1993, The Effect of Gap Width Between
Horizontal Tube and Twisted-Tape on The Pressure Drop in
Turbulent Water Flow, Int. J. Heat Fluid Flow, 14.
Budiman, A., 1988, Analisis Perpindahan Kalor dan Aliran Fluida dalam
Pipa yang Diisi Pelat Dipilin dengan Suhu Dinding Tetap, Tesis
S2 UGM, Yogyakarta
Burmeister, L.C., 1983, Convective Heat Transfer, John Wiley & Sons,
New York.
Fernandez, J.L. and Poulter, R., 1987, Heat Transfer Enchancement by
Means of Flag-Type Insert in Tube, Int. J. Heat Transfe,r 30.
Ghajar, A.J., 2004, Systematic Heat Transfer Measurements For Air-Water
Two-Phase Flow In A Horizontal And Slightly Upward Inclined
Pipe, Proccedings of the 10th Brazilion Congress of Thermal
Science and Engineering-ENCIT 2004 Braz. Soc. Of
Mechanical Sciences and Engineering-ABCM, Rio de Janeiro
Nov. 29-Dec. 03, 2004.
Ghajar, A.J., 2004, Two-Phase Heat Transfer In Gas-Liquid Non-Boiling
Pipe Flows, HEFA 2004 3rd International Conference on Heat
Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics 21-24 June
2004, Cape Town.
Ishikawa, T. and Kamiya, T., 1994, Limits of Reynold Number for Effective
Use of Heat Transfer Promoters-Twisted Tape and Static Mixer,
Heat Transfer Japanese Researh, 23.
Kamal, S. 2000, Studi Eksperimental Koefisien Perpindahan Kalor Aliran
Dua Fasa pada Pipa Vertikal dalam Bentuk Aliran Kantung
(Slug Flow) Menggunakan Aliran Udara-Air, Teknosains,
16B(1), 97-109. UGM, Yogyakarta.
Manglik, R.M. and Bergles, A.E., 1993, Heat Transfer and Pressure Drop
Correlations for Twisted-Tape Insert in Isothermal Tube: Part IITransition and Turbulent Flows, Int. J. Heat Transfer, 115.
41
Mudjijono, 2007, Studi Eksperimental Perpindahan Kalor Aliran Dua Fase
Air-Udara Searah ke Atas dalam Pipa Anulus yang Dipanaskan,
Tesis S2 UGM, Yogyakarta.
Putro, S., 2006, Studi Eksperimental Perpindahan Kalor Aliran Dua Fase
Air-Udara Berlawanan Arah dalam Pipa yang Dipanaskan,
Tesis S2 UGM, Yogyakarta.
Sekoguchi, K., Fukui, H., and Sato, Y., 1981, Flow Characteristics And
Heat Transfer In Vertical Bubble Flow, ed. Bergles, A.E., and
Ishigai, S., Two-Phase Flow Dynamics, Hemisphere Publishing
Corporation, New York.
Sucipta, M., 2004, Perancangan Alat Pemanas Air Tenaga Surya dengan
Kolektor Pelat Paralel, Poros Volume 7 Nomor 3, Universitas
Tarumanegara, Jakarta.
Wardoyo, 2006, Koefisien Perpindahan Kalor Aliran Dua Fase Air-Udara
Aliran Gelembung Searah ke Atas dalam Pipa yang
Dipanaskan, Tesis S2 UGM, Yogyakarta.
42
REKAYASA
LAPORAN PENELITIAN HIBAH BERSAING
PENINGKATAN EFISIENSI
SISTEM PEMANAS AIR KAMAR MANDI
MENGGUNAKAN INJEKSI GELEMBUNG UDARA
Peneliti :
Ir. Sartono Putro, M.T.
Ir. H. Sarjito, M.T.
Ir. Jatmiko, M.T.
Dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi,
Departemen Pendidikan Nasional Sesuai dengan
Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Penelitian
074/SP2H/PP/DP2M/IV/209, Tertanggal 06 April 2009
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Oktober 2009
RINGKASAN PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan memperbaiki desain sistem water heater
kamar mandi yang ada di pasaran dengan injeksi gelembung udara sehingga
didapatkan desain sistem pemanas air kamar mandi
baru yang memiliki
efisiensi perpindahan kalor yang lebih besar yang mampu meminimalisasi
konsumsi energi pemanasnya. Kegiatan ini merupakan salah satu upaya
melakukan penghematan konsumsi energi tak terbarukan melalui peningkatan
efisiensi alat.
Penelitian diawali dengan meneliti kinerja pemanas air yang ada di
pasaran, pemanas air merk Lakoni Emilia mewakili water heater metode pool
boiling. Sedangkan water heater metode flow boiling diuji water heater merk
Prime Lifestyle dan merk Miyako. Hasil pengujian merupakan data: dimensi,
konstruksi dan kinerja, selanjutnya digunakan sebagai acuan pembuatan model
water heater eksperimen untuk metode pool boiling dan flow boiling.
Hasil pengujian pool boiling adalah:
1. Kebutuhan energi untuk mencapai temperatur kerja water heater pada posisi
vertikal lebih rendah bila dibanding dengan posisi horisontal, kondisi ini
berlangsung pada penambahan debit udara Qg 0 lpm, 2,5 lpm dan 5 lpm.
Adapun pada penambahan debit udara Qg 6,5 lpm kebutuhan energi
pemanas pada posisi vertikal dan horisontal hampir berimpit. Alasan yang
dapat dikemukakan dari fenomena ini adalah adanya perbedaan sirkulasi air
dalam pemanas air selama pemanasan berlangsung akibat gerakan
gelembung dan posisi pipa heater.
2. Kandungan kalor yang dimiliki air hasil pemanasan berbeda pada setiap
variasi pengujian. Hasil yang diberikan pada pengujian water heater Lakoni
Emilia pada posisi horizontal dengan Qg 6,5 lpm hampir sama dengan hasil
yang diberikan pada model water heater eksperimen dengan Qg 9 lpm untuk
Ql yang sama 4 lpm. Adapun kandungan kalor yang dimiliki air hasil
pemanasan tanpa penambahan gelembung lebih rendah bila dibanding hasil
pemanasan menggunakan gelembung.
Adapun pengujian pemanas air metode flow boiling menunjukkan
bahwa,
dimensi
pipa
pemanas
dan
iii
penambahan
injeksi
gelembung
berpengaruh terhadap kinerja pemanas air. Penjelasan dari kesimpulan ini
adalah:
1. Peningkatan diameter pemanas 1,25 inchi memberikan peningkatan
temperatur hasil yang lebih besar bila dibandingkan hasil dari pemanas
dengan diameter 0,75 mm, hal ini berlaku untuk debit udara Qg 2,5 lpm.
Adapun peningkatan debit udara Qg 2,5 lpm menjadi Qg 5 lpm
menyebabkan
perubahan
hubungan
kebutuhan
daya
dan
kenaikan
temperatur air hasil.
2. Kinerja model pemanas eksperimen dengan Qg 6 lpm lebih baik bila
dibanding dengan kinerja pemanas air merk Prime Lifestyle.
SUMMARY
The aim of the research is to improve the design of bathroom water
heater available in market by enhancing the efficiency of heat transfer which
means minimizing energy consumption. This research is one of efforts for
reduce non-renewable energy consumption by improving efficiency.
The initial stage of the research is to investigate the water heaters
available in market in terms of dimension, construction and performance.
Lakoni Emilia brand represents pool boiling method of water heater, meanwhile
Prime Lifestyle and Miyako brand represent flow boiling method.
The data
collected is used as reference point for designing water heater experiment
apparatus for both methods.
The test result of pool boiling is:
1. Energy consumption for achieving working temperature of water heater in
vertical position is lower than that in horizontal position. This condition
occurs during the increase of air debit, Qg, 0 lpm, 3 lpm and 6 lpm. On the
other hand, in air debit level of 7,5 lpm the energy consumption are closely
in the same level for both conditions. The different results show the level of
water circulation in water heater during heating process.
2. Heated water has different heat content in every test variation. The results
shows that there is similarity between horizontal water heater of Lakoni
Emilia with Qg 7,5 lpm and water heater experiment apparatus with Qg 9
iv
lpm. Both have the same for Ql 4 lpm. Heat content of the heated water
without air bubble injection is lower than that with air bubble injection.
From the test of flow boiling water heater it can be seen that the
dimension of pipe and the increase of air bubble injection have impacts on
water heater performance. The explanation is that:
1.The temperature resulted from heating process in pipe with 1,25 inch diameter
is higher than that in pipe with 0,75 inch diameter, in the same air debit Qg
2,5 lpm. The increase of air debit from 2,5 lpm to 5 lpm causes the change
of correlation between power consumption and the increase of water
temperature.
2. The performance of water heater experiment apparatus with Qg 6 lpm is
better than the performance of Prime Lifestyle brand of water heater.
v
PRAKATA
Bismillahirrahmaanirrahim
Penelitian ini bertujuan untuk memperbaiki desain sistem pemanas air
kamar mandi yang ada di pasaran dengan injeksi gelembung udara sehingga
didapatkan desain sistem pemanas air kamar mandi
baru yang memiliki
efisiensi perpindahan kalor yang lebih besar yang mampu meminimalisasi
konsumsi energi pemanasnya. Penelitian ini menjadi penting saat harga energi
listrik dan LPG semakin tinggi yang mana kedua energi ini merupakan sumber
energi yang digunakan dalam sistem pemanas air kamar mandi.
Keberhasilan penelitian ini dalam memperoleh desain sistem pemanas
air kamar mandi yang efisien merupakan keberhasilan untuk mengurangi
penggunaan energi tak terbarukan. Dengan telah terlaksananya kegiatan ini,
pelaksana kegiatan mengucapkan terimakasih kepada:
1. Direktorat
Jendral
Pendidikan
Tinggi
melalui
Direktorat
Pembinaan
Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat yang telah membiayai kegiatan
ini.
2. Lembaga Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat
Universitas
Muhammadiyah Surakarta atas segala fasilitas dan bimbingan yang telah
diberikan untuk suksesnya penyelenggaraan kegiatan ini.
Menyadari akan keterbatasan pengetahuan dan pengalaman selama
pelaksanaan kegiatan ini, maka laporan kegiatan ini masih belum sempurna.
Untuk itu demi pengembangan dan penyempurnaan di bidang ini, pelaksana
kegiatan mengharapkan saran dan kritik.
Surakarta, 30 Oktober 2009
Pelaksana Kegiatan
vi
DAFTAR ISI
halaman
HALAMAN PENGESAHAN ........................................................
i
RINGKASAN DAN SUMMARY ..................................................
ii
PRAKATA ...................................................................................
v
DAFTAR ISI ................................................................................
vi
DAFTAR TABEL..... ....................................................................
viii
DAFTAR GAMBAR.....................................................................
ix
DAFTAR LAMPIRAN..................................................................
xi
BAB I
PENDAHULUAN
A.
Latar Belakang ............................................................
1
B.
Perumusan Masalah ...................................................
2
BAB II
STUDI PUSTAKA
A. Penelitian Pendukung ..................................................
3
B. Landasan Teori ............................................................
5
C. Hasil yang Sudah Dicapai ...........................................
6
BAB III TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN
A. Tujuan Utama ...............................................................
8
B. Detail Tujuan ..............................................................
8
C. Manfaat Penelitian........................................................
8
BAB IV METODE PENELITIAN
A. Bahan dan Peralatan yang Digunakan .......................
10
B. Desain Penelitian..........................................................
11
C. Pengujian Water Heater Merk Lakoni Emilia ...............
12
D. Pengujian Water Heater Merk Prime Lifestyle ………..
15
E. Pengujian Water Heater Merk Miyako .........................
16
F. Pengujian Model Water Heater Eksperimen ................
18
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Pengujian Water Heater Metode Pool Boiling ...............
26
B. Pengujian Water Heater Metode Flow Boiling ..............
34
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan ..................................................................
vii
39
B. Saran ..........................................................................
40
DAFTAR PUSTAKA
41
LAMPIRAN
43
viii
DAFTAR TABEL
halaman
Tabel 1.
Kebutuhan Daya dan Peningkatan Temperatur Hasil
Air Pada Water Heater Prime Lifestyle dan Miyako
35
Tabel 2.
Kebutuhan Daya dan Peningkatan Temperatur Hasil
Air Pada Water Heater Prime Lifestyle dan Model
Eksperimen
35
ix
DAFTAR GAMBAR
halaman
Gambar 1.
Desain Penelitian Tahun Pertama
11
Gambar 2.
Skema Instalasi Pengujian Water Heater Merk
Lakoni Emilia
12
Gambar 3.
Skema Konstruksi Water Heater Merk Lakoni Emilia
13
Gambar 4.
Instalasi Pengujian Water Heater Merk Lakoni
Emilia
14
Gambar 5.
Instalasi Pengujian Water Heater Merk Prime
Lifestyle
15
Gambar 6.
Water Heater Merk Prime Lifestyle
15
Gambar 7.
Skema Water Heater Merk Miyako
16
Gambar 8.
Instalasi Pengujian Water Heater Merk Miyako
17
Gambar 9.
Water Heater Merk Miyako
18
Gambar 10.
Skema Instalasi Pengujian Model Water Heater
Anulus Panjang 750 mm, Diameter Pipa Heater
0,75 inchi dan 1,25 inchi
18
Gambar 11.
Skema Model Water Heater Pipa Anulus Panjang
750 mm, Diameter Pipa Heater 0,75 inchi dan 1,25
inchi.
20
Gambar 12.
Instalasi Pengujian Model Water Heater Anulus
Panjang 750 mm, Diameter Pipa Heater 0,75 inchi
dan 1,25 inchi
21
Gambar 13.
Skema Instalasi Pengujian Model Water Heater
Anulus Panjang 210 mm, Diameter 60 mm.
22
Gambar 14.
Skema Model Water Heater Pipa Anulus Panjang
210 mm Diameter 60 mm
20
Gambar 15.
Model Water Heater Pipa Anulus Panjang 210 mm
Diameter 60 mm
23
Gambar 16.
Skema Model Water Heater Anulus Panjang 280
mm, Diameter 205 mm.
24
Gambar 17.
Instalasi Pengujian Model Water Heater Anulus
Panjang 280 mm Diameter 205 mm
25
Gambar 18
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Daya, Posisi
Vertikal
26
Gambar 19
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Daya, Posisi
Horisontal
27
Gambar 20
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 0 lpm
28
x
Gambar 21
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 2,5 lpm
28
Gambar 22
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 5 lpm
29
Gambar 23
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 6,5 lpm
29
Gambar 24
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Water Heater Lakoni Emilia Posisi Vertikal
31
Gambar 25
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 0 lpm Water Heater Lakoni E Posisi Vertikal dan
Horisontal, serta Model Water Heater Eksperimen
31
Gambar 26
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 2,5 lpm, 3 lpm Water Heater Lakoni E Posisi
Vertikal dan Horisontal, serta Model Water Heater
Eksperimen
32
Gambar 27
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 5 lpm, 6 lpm, Water Heater Lakoni E Posisi
Vertikal dan Horisontal, serta Model Water Heater
Eksperimen
32
Gambar 28
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 6,5, 9 lpm, Pemanas Air Lakoni E Posisi Vertikal
dan Horisontal, serta Model Water Heater
Eksperimen
33
Gambar 29
Hubungan Waktu Aliran
Temperatur Aliran Hasil Air
dengan
33
Gambar 30
Pengaruh Perubahan daya Terhadap Peningkatan
Temperatur Air yang Dipanaskan Pada Prime L,
Miyako, dan Model Eksperimen dengan Qg 6 lpm
34
Gambar 31
Pengaruh Perubahan daya Terhadap Peningkatan
Temperatur Air yang Dipanaskan Pada Miyako
35
Gambar 32
Pengaruh Perubahan daya Terhadap Peningkatan
Temperatur Air yang Dipanaskan Pada Model
Water Heater Anulus Panjang 750 mm, Diameter
Heater 0,75 inchi dan 1,25 inchi, Qg 2,5 lpm.
36
Pengaruh Perubahan daya Terhadap Peningkatan
Temperatur Air yang Dipanaskan Pada Model
Water Heater Anulus Panjang 750 mm, Diameter
Heater 0,75 inchi dan 1,25 inchi, Qg 5 lpm.
37
xi
Hasil
Air
DAFTAR LAMPIRAN
halaman
Lampiran 1.
Biodata Peneliti
44
Lampiran 2.
Foto-foto Kegitan Penelitian
49
xii
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Nilai koefisien perpindahan kalor merupakan besaran penentu
kinerja sebuah alat penukar kalor. Kesalahan dalam memprediksi
koefisien perpindahan kalor akan menyebabkan dimensi peralatan
tersebut tidak sesuai lagi dengan kapasitasnya. Kecenderungan
banyak dilakukan dalam perancangan alat penukar kalor
yang
adalah
memperbesar dimensi untuk menjamin temperatur hasil yang dikehendaki,
hal ini berakibat borosnya penggunaan enrgi kalor.
Penelitian-penelitian yang berhubungan dengan upaya mencari
peningkatan koefisien perpindahan kalor terus dilakukan. Salah satu cara
peningkatan koefisien perpindahan kalor yang banyak dilakukan adalah
dengan memodifikasi permukaan saluran baik permukaan luar maupun
permukaan
dalam.
Modifikasi
permukaan
luar
saluran
dengan
pemasangan sirip telah banyak diterapkan pada alat penukar kalor.
Konstruksi sistem pemanas air kamar mandi menggunakan dua
jenis sumber energi yaitu energi listrik dan LPG. Sistem pemanas air
kamar mandi yang menggunakan energi LPG proses perpindahan kalor
berlangsung antara dua fluida air dan gas hasil pembakaran, peningkatan
efisiensi perpindahan kalor dilakukan dengan pemasangan sirip pada
permukaan luar saluran air. Sistem pemanas air kamar mandi yang
menggunakan energi listrik transfer kalor berlangsung dari heater
berbentuk pipa yang dipasang dalam saluran air. Kondisi ini menyebabkan
modifikasi permukaan dalam saluran menggunakan sirip tidak menjadi
pilihan. Penerapan modifikasi permukaan dalam saluran menggunakn sirip
akan
menimbulkan
masalah baru yaitu kesulitan pabrikasi yang
menyebabkan konstruksi menjadi mahal. Hambatan lain dari modifikasi ini
akan meningkatkan pressure drop yang menyebabkan peningkatan
penggunaan energi untuk mengalirkan fluida kerja air.
1
Peneliti telah melakukan penelitian mengenai penginjeksian udara
pada aliran air dalam pipa yang dipanaskan, hasil penelitian menunjukkan
bahwa terjadi peningkatan koefisien perpindahan kalor yang signifikan
pada aliran gelembung air-udara dibanding aliran fasa tunggal air.
Berdasarkan informasi ini peneliti akan menerapkan hasil penelitian yang
telah diperoleh untuk memperbaiki desain sistem pemanas air kamar
mandi yang banyak digunakan di hotel, rumah sakit dan rumah tangga
tertentu.
B. Perumusan Masalah
Bagaimanakah hubungan perubahan
dimensi anulus terhadap
waktu pemanasan dan peningkatan temperatur hasil air?. Bagaimanakah
hubungan dari perubahan debit air dan debit udara pada anulus terhadap
waktu pemanasan dan peningkatan temperatur hasil air?
2
DAFTAR PUSTAKA
Al-Fahed, S. and Chakrun, W., 1996, Effect of Tube-Tape Clearence on
Heat Transfer for Fully-Developed Turbulent Flow in A
Horizontal Isothermal Tube, Int. J. Heat Fluid Flow, 17..
Ayub, Z.H. and Al-Fahed, S.F., 1993, The Effect of Gap Width Between
Horizontal Tube and Twisted-Tape on The Pressure Drop in
Turbulent Water Flow, Int. J. Heat Fluid Flow, 14.
Budiman, A., 1988, Analisis Perpindahan Kalor dan Aliran Fluida dalam
Pipa yang Diisi Pelat Dipilin dengan Suhu Dinding Tetap, Tesis
S2 UGM, Yogyakarta
Burmeister, L.C., 1983, Convective Heat Transfer, John Wiley & Sons,
New York.
Fernandez, J.L. and Poulter, R., 1987, Heat Transfer Enchancement by
Means of Flag-Type Insert in Tube, Int. J. Heat Transfe,r 30.
Ghajar, A.J., 2004, Systematic Heat Transfer Measurements For Air-Water
Two-Phase Flow In A Horizontal And Slightly Upward Inclined
Pipe, Proccedings of the 10th Brazilion Congress of Thermal
Science and Engineering-ENCIT 2004 Braz. Soc. Of
Mechanical Sciences and Engineering-ABCM, Rio de Janeiro
Nov. 29-Dec. 03, 2004.
Ghajar, A.J., 2004, Two-Phase Heat Transfer In Gas-Liquid Non-Boiling
Pipe Flows, HEFA 2004 3rd International Conference on Heat
Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics 21-24 June
2004, Cape Town.
Ishikawa, T. and Kamiya, T., 1994, Limits of Reynold Number for Effective
Use of Heat Transfer Promoters-Twisted Tape and Static Mixer,
Heat Transfer Japanese Researh, 23.
Kamal, S. 2000, Studi Eksperimental Koefisien Perpindahan Kalor Aliran
Dua Fasa pada Pipa Vertikal dalam Bentuk Aliran Kantung
(Slug Flow) Menggunakan Aliran Udara-Air, Teknosains,
16B(1), 97-109. UGM, Yogyakarta.
Manglik, R.M. and Bergles, A.E., 1993, Heat Transfer and Pressure Drop
Correlations for Twisted-Tape Insert in Isothermal Tube: Part IITransition and Turbulent Flows, Int. J. Heat Transfer, 115.
41
Mudjijono, 2007, Studi Eksperimental Perpindahan Kalor Aliran Dua Fase
Air-Udara Searah ke Atas dalam Pipa Anulus yang Dipanaskan,
Tesis S2 UGM, Yogyakarta.
Putro, S., 2006, Studi Eksperimental Perpindahan Kalor Aliran Dua Fase
Air-Udara Berlawanan Arah dalam Pipa yang Dipanaskan,
Tesis S2 UGM, Yogyakarta.
Sekoguchi, K., Fukui, H., and Sato, Y., 1981, Flow Characteristics And
Heat Transfer In Vertical Bubble Flow, ed. Bergles, A.E., and
Ishigai, S., Two-Phase Flow Dynamics, Hemisphere Publishing
Corporation, New York.
Sucipta, M., 2004, Perancangan Alat Pemanas Air Tenaga Surya dengan
Kolektor Pelat Paralel, Poros Volume 7 Nomor 3, Universitas
Tarumanegara, Jakarta.
Wardoyo, 2006, Koefisien Perpindahan Kalor Aliran Dua Fase Air-Udara
Aliran Gelembung Searah ke Atas dalam Pipa yang
Dipanaskan, Tesis S2 UGM, Yogyakarta.
42
REKAYASA
LAPORAN PENELITIAN HIBAH BERSAING
PENINGKATAN EFISIENSI
SISTEM PEMANAS AIR KAMAR MANDI
MENGGUNAKAN INJEKSI GELEMBUNG UDARA
Peneliti :
Ir. Sartono Putro, M.T.
Ir. H. Sarjito, M.T.
Ir. Jatmiko, M.T.
Dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi,
Departemen Pendidikan Nasional Sesuai dengan
Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Penelitian
074/SP2H/PP/DP2M/IV/209, Tertanggal 06 April 2009
Universitas Muhammadiyah Surakarta
Oktober 2009
RINGKASAN PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan memperbaiki desain sistem water heater
kamar mandi yang ada di pasaran dengan injeksi gelembung udara sehingga
didapatkan desain sistem pemanas air kamar mandi
baru yang memiliki
efisiensi perpindahan kalor yang lebih besar yang mampu meminimalisasi
konsumsi energi pemanasnya. Kegiatan ini merupakan salah satu upaya
melakukan penghematan konsumsi energi tak terbarukan melalui peningkatan
efisiensi alat.
Penelitian diawali dengan meneliti kinerja pemanas air yang ada di
pasaran, pemanas air merk Lakoni Emilia mewakili water heater metode pool
boiling. Sedangkan water heater metode flow boiling diuji water heater merk
Prime Lifestyle dan merk Miyako. Hasil pengujian merupakan data: dimensi,
konstruksi dan kinerja, selanjutnya digunakan sebagai acuan pembuatan model
water heater eksperimen untuk metode pool boiling dan flow boiling.
Hasil pengujian pool boiling adalah:
1. Kebutuhan energi untuk mencapai temperatur kerja water heater pada posisi
vertikal lebih rendah bila dibanding dengan posisi horisontal, kondisi ini
berlangsung pada penambahan debit udara Qg 0 lpm, 2,5 lpm dan 5 lpm.
Adapun pada penambahan debit udara Qg 6,5 lpm kebutuhan energi
pemanas pada posisi vertikal dan horisontal hampir berimpit. Alasan yang
dapat dikemukakan dari fenomena ini adalah adanya perbedaan sirkulasi air
dalam pemanas air selama pemanasan berlangsung akibat gerakan
gelembung dan posisi pipa heater.
2. Kandungan kalor yang dimiliki air hasil pemanasan berbeda pada setiap
variasi pengujian. Hasil yang diberikan pada pengujian water heater Lakoni
Emilia pada posisi horizontal dengan Qg 6,5 lpm hampir sama dengan hasil
yang diberikan pada model water heater eksperimen dengan Qg 9 lpm untuk
Ql yang sama 4 lpm. Adapun kandungan kalor yang dimiliki air hasil
pemanasan tanpa penambahan gelembung lebih rendah bila dibanding hasil
pemanasan menggunakan gelembung.
Adapun pengujian pemanas air metode flow boiling menunjukkan
bahwa,
dimensi
pipa
pemanas
dan
iii
penambahan
injeksi
gelembung
berpengaruh terhadap kinerja pemanas air. Penjelasan dari kesimpulan ini
adalah:
1. Peningkatan diameter pemanas 1,25 inchi memberikan peningkatan
temperatur hasil yang lebih besar bila dibandingkan hasil dari pemanas
dengan diameter 0,75 mm, hal ini berlaku untuk debit udara Qg 2,5 lpm.
Adapun peningkatan debit udara Qg 2,5 lpm menjadi Qg 5 lpm
menyebabkan
perubahan
hubungan
kebutuhan
daya
dan
kenaikan
temperatur air hasil.
2. Kinerja model pemanas eksperimen dengan Qg 6 lpm lebih baik bila
dibanding dengan kinerja pemanas air merk Prime Lifestyle.
SUMMARY
The aim of the research is to improve the design of bathroom water
heater available in market by enhancing the efficiency of heat transfer which
means minimizing energy consumption. This research is one of efforts for
reduce non-renewable energy consumption by improving efficiency.
The initial stage of the research is to investigate the water heaters
available in market in terms of dimension, construction and performance.
Lakoni Emilia brand represents pool boiling method of water heater, meanwhile
Prime Lifestyle and Miyako brand represent flow boiling method.
The data
collected is used as reference point for designing water heater experiment
apparatus for both methods.
The test result of pool boiling is:
1. Energy consumption for achieving working temperature of water heater in
vertical position is lower than that in horizontal position. This condition
occurs during the increase of air debit, Qg, 0 lpm, 3 lpm and 6 lpm. On the
other hand, in air debit level of 7,5 lpm the energy consumption are closely
in the same level for both conditions. The different results show the level of
water circulation in water heater during heating process.
2. Heated water has different heat content in every test variation. The results
shows that there is similarity between horizontal water heater of Lakoni
Emilia with Qg 7,5 lpm and water heater experiment apparatus with Qg 9
iv
lpm. Both have the same for Ql 4 lpm. Heat content of the heated water
without air bubble injection is lower than that with air bubble injection.
From the test of flow boiling water heater it can be seen that the
dimension of pipe and the increase of air bubble injection have impacts on
water heater performance. The explanation is that:
1.The temperature resulted from heating process in pipe with 1,25 inch diameter
is higher than that in pipe with 0,75 inch diameter, in the same air debit Qg
2,5 lpm. The increase of air debit from 2,5 lpm to 5 lpm causes the change
of correlation between power consumption and the increase of water
temperature.
2. The performance of water heater experiment apparatus with Qg 6 lpm is
better than the performance of Prime Lifestyle brand of water heater.
v
PRAKATA
Bismillahirrahmaanirrahim
Penelitian ini bertujuan untuk memperbaiki desain sistem pemanas air
kamar mandi yang ada di pasaran dengan injeksi gelembung udara sehingga
didapatkan desain sistem pemanas air kamar mandi
baru yang memiliki
efisiensi perpindahan kalor yang lebih besar yang mampu meminimalisasi
konsumsi energi pemanasnya. Penelitian ini menjadi penting saat harga energi
listrik dan LPG semakin tinggi yang mana kedua energi ini merupakan sumber
energi yang digunakan dalam sistem pemanas air kamar mandi.
Keberhasilan penelitian ini dalam memperoleh desain sistem pemanas
air kamar mandi yang efisien merupakan keberhasilan untuk mengurangi
penggunaan energi tak terbarukan. Dengan telah terlaksananya kegiatan ini,
pelaksana kegiatan mengucapkan terimakasih kepada:
1. Direktorat
Jendral
Pendidikan
Tinggi
melalui
Direktorat
Pembinaan
Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat yang telah membiayai kegiatan
ini.
2. Lembaga Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat
Universitas
Muhammadiyah Surakarta atas segala fasilitas dan bimbingan yang telah
diberikan untuk suksesnya penyelenggaraan kegiatan ini.
Menyadari akan keterbatasan pengetahuan dan pengalaman selama
pelaksanaan kegiatan ini, maka laporan kegiatan ini masih belum sempurna.
Untuk itu demi pengembangan dan penyempurnaan di bidang ini, pelaksana
kegiatan mengharapkan saran dan kritik.
Surakarta, 30 Oktober 2009
Pelaksana Kegiatan
vi
DAFTAR ISI
halaman
HALAMAN PENGESAHAN ........................................................
i
RINGKASAN DAN SUMMARY ..................................................
ii
PRAKATA ...................................................................................
v
DAFTAR ISI ................................................................................
vi
DAFTAR TABEL..... ....................................................................
viii
DAFTAR GAMBAR.....................................................................
ix
DAFTAR LAMPIRAN..................................................................
xi
BAB I
PENDAHULUAN
A.
Latar Belakang ............................................................
1
B.
Perumusan Masalah ...................................................
2
BAB II
STUDI PUSTAKA
A. Penelitian Pendukung ..................................................
3
B. Landasan Teori ............................................................
5
C. Hasil yang Sudah Dicapai ...........................................
6
BAB III TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN
A. Tujuan Utama ...............................................................
8
B. Detail Tujuan ..............................................................
8
C. Manfaat Penelitian........................................................
8
BAB IV METODE PENELITIAN
A. Bahan dan Peralatan yang Digunakan .......................
10
B. Desain Penelitian..........................................................
11
C. Pengujian Water Heater Merk Lakoni Emilia ...............
12
D. Pengujian Water Heater Merk Prime Lifestyle ………..
15
E. Pengujian Water Heater Merk Miyako .........................
16
F. Pengujian Model Water Heater Eksperimen ................
18
BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Pengujian Water Heater Metode Pool Boiling ...............
26
B. Pengujian Water Heater Metode Flow Boiling ..............
34
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan ..................................................................
vii
39
B. Saran ..........................................................................
40
DAFTAR PUSTAKA
41
LAMPIRAN
43
viii
DAFTAR TABEL
halaman
Tabel 1.
Kebutuhan Daya dan Peningkatan Temperatur Hasil
Air Pada Water Heater Prime Lifestyle dan Miyako
35
Tabel 2.
Kebutuhan Daya dan Peningkatan Temperatur Hasil
Air Pada Water Heater Prime Lifestyle dan Model
Eksperimen
35
ix
DAFTAR GAMBAR
halaman
Gambar 1.
Desain Penelitian Tahun Pertama
11
Gambar 2.
Skema Instalasi Pengujian Water Heater Merk
Lakoni Emilia
12
Gambar 3.
Skema Konstruksi Water Heater Merk Lakoni Emilia
13
Gambar 4.
Instalasi Pengujian Water Heater Merk Lakoni
Emilia
14
Gambar 5.
Instalasi Pengujian Water Heater Merk Prime
Lifestyle
15
Gambar 6.
Water Heater Merk Prime Lifestyle
15
Gambar 7.
Skema Water Heater Merk Miyako
16
Gambar 8.
Instalasi Pengujian Water Heater Merk Miyako
17
Gambar 9.
Water Heater Merk Miyako
18
Gambar 10.
Skema Instalasi Pengujian Model Water Heater
Anulus Panjang 750 mm, Diameter Pipa Heater
0,75 inchi dan 1,25 inchi
18
Gambar 11.
Skema Model Water Heater Pipa Anulus Panjang
750 mm, Diameter Pipa Heater 0,75 inchi dan 1,25
inchi.
20
Gambar 12.
Instalasi Pengujian Model Water Heater Anulus
Panjang 750 mm, Diameter Pipa Heater 0,75 inchi
dan 1,25 inchi
21
Gambar 13.
Skema Instalasi Pengujian Model Water Heater
Anulus Panjang 210 mm, Diameter 60 mm.
22
Gambar 14.
Skema Model Water Heater Pipa Anulus Panjang
210 mm Diameter 60 mm
20
Gambar 15.
Model Water Heater Pipa Anulus Panjang 210 mm
Diameter 60 mm
23
Gambar 16.
Skema Model Water Heater Anulus Panjang 280
mm, Diameter 205 mm.
24
Gambar 17.
Instalasi Pengujian Model Water Heater Anulus
Panjang 280 mm Diameter 205 mm
25
Gambar 18
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Daya, Posisi
Vertikal
26
Gambar 19
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Daya, Posisi
Horisontal
27
Gambar 20
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 0 lpm
28
x
Gambar 21
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 2,5 lpm
28
Gambar 22
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 5 lpm
29
Gambar 23
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 6,5 lpm
29
Gambar 24
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Water Heater Lakoni Emilia Posisi Vertikal
31
Gambar 25
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 0 lpm Water Heater Lakoni E Posisi Vertikal dan
Horisontal, serta Model Water Heater Eksperimen
31
Gambar 26
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 2,5 lpm, 3 lpm Water Heater Lakoni E Posisi
Vertikal dan Horisontal, serta Model Water Heater
Eksperimen
32
Gambar 27
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 5 lpm, 6 lpm, Water Heater Lakoni E Posisi
Vertikal dan Horisontal, serta Model Water Heater
Eksperimen
32
Gambar 28
Hubungan Waktu Pemanasan dengan Energi pada
Qg 6,5, 9 lpm, Pemanas Air Lakoni E Posisi Vertikal
dan Horisontal, serta Model Water Heater
Eksperimen
33
Gambar 29
Hubungan Waktu Aliran
Temperatur Aliran Hasil Air
dengan
33
Gambar 30
Pengaruh Perubahan daya Terhadap Peningkatan
Temperatur Air yang Dipanaskan Pada Prime L,
Miyako, dan Model Eksperimen dengan Qg 6 lpm
34
Gambar 31
Pengaruh Perubahan daya Terhadap Peningkatan
Temperatur Air yang Dipanaskan Pada Miyako
35
Gambar 32
Pengaruh Perubahan daya Terhadap Peningkatan
Temperatur Air yang Dipanaskan Pada Model
Water Heater Anulus Panjang 750 mm, Diameter
Heater 0,75 inchi dan 1,25 inchi, Qg 2,5 lpm.
36
Pengaruh Perubahan daya Terhadap Peningkatan
Temperatur Air yang Dipanaskan Pada Model
Water Heater Anulus Panjang 750 mm, Diameter
Heater 0,75 inchi dan 1,25 inchi, Qg 5 lpm.
37
xi
Hasil
Air
DAFTAR LAMPIRAN
halaman
Lampiran 1.
Biodata Peneliti
44
Lampiran 2.
Foto-foto Kegitan Penelitian
49
xii