B. Perpindahan panas secara konveksi Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan kalor yang terjadi pada zat
yang dapat mengalir seperti zat-zat cair dan gas. Perpindahan kalor konveksi dimanfaatkan untuk beberapa sistem seperti pada sistem pendingin mesin mobil yaitu
radiator mobil, pada sistem suplai air panas rumah tangga dan pada lemari es. Macam-macam perpindahan panas secara konveksi :
1. Konveksi bebas Konveksi bebas adalah perpindahan kalor yang terjadi secara alami yang
diakibatkan perbedaan suhu dan beda rapat massa serta tidak ada tenaga dari luar atau alat bantu yang mendorongnya.
2. Konveksi paksa Konveksi paksa adalah perpindahan kalor pada aliran gas ataupun fluida yang
disebabkan adanya tenaga dari luar. Tenaga dari luar di dapatkan dari alat bantu seperti blower, pompa, kipas.
• Perpindahan panas konveksi yang terjadi pada water heater :
1. Perpindahan kalor dari udara panas ke permukaan luar pipa pemanas.
Gambar 2.3 kalor dari udara panas berpindah ke pipa pemanas
2. Perpindahan kalor dari udara panas ke permukaan tabung water heater.
Gambar 2.4 kalor dari udara panas ke permukaan tabung water heater.
C. Perpindahan panas secara radiasi Perpindahan kalor radiasi atau pancaran adalah perpindahan kalor yang tidak
memerlukan zat perantara medium, sehingga perpindahan kalor radiasi dapat terjadi di dalam ruangan hampa atau vakum. Dalam perpindahan kalor radiasi sumber kalor
menyalurkan energinya dalam bentuk radiasi infra merah yang merupakan bagian dari spektrum gelombang elektromagnetik. Permukaan yang hitam kusam dapat
menyerap kalor radiasi dengan baik sekaligus pemancar kalor radiasi yang baik. Perpindahan kalor secara radiasi yang terjadi di water heater gas LPG adalah
kalor dari api hasil pembakaran ke permukaan luar pipa dan kalor dari tabung dalam mengalir ke tabung luar dari water heater.
2.1.3 Perancangan Pipa Saluran Air
Kebanyakan dalam pembuatan water heater gas, saluran air yang digunakan menggunakan saluran air yang berbentuk lingkaran. Dalam perancangan pipa yang
berfungsi sebagai saluran air ada beberapa pertimbangan yang harus diperhatikan. A. Pemilihan material pipa
Bahan yang digunakan pipa untuk saluran air dalam water heater mempunyai konduktivitas termal yang tinggi. Jika bahan yang digunakan mempunyai
konduktivitas termal yang tinggi, maka akan mudah untuk menghantarkan serta mengalirkan panas. Material pipa yang cocok adalah berbahan tembaga yang
memiliki kemampuan menghantarkan kalor yang baik serta harga yang terjangkau. Tabel 2.1 Konduktivitas Termal Beberapa Bahan Logam Holman,1993
Bahan Konduktifitas Termal k
Wm
o
C Btuh.ft.
o
F Perak
410 237
Tembaga 385
223 Aluminium
202 117
Nikel 93
54 Besi
73 42
Baja Karbon 43
25
Bahan yang dipilih juga harus memiliki titik lebur yang tinggi agar ketika dipergunakan bahan tidak melebur atau meleleh. Selain itu bahan pipa tidak mudah
berkarat. Karena jika terjadi karat, air akan kotor dan saluran air dapat menjadi buntu.
B. Diameter pipa yang digunakan Diameter pipa diusahakan tidak berukuran terlalu kecil, karena jika diameter
pipa terlalu kecil akan mengakibatkan hambatan yang terjadi pada laju aliran air. Maka ukuran pipa yang digunakan berukuran 0,5 inci, ini bertujuan agar hambatan
yang terjadi dalam pipa tidak terjadi dan juga harganya juga tidak terlalu mahal. C. Hambatan yang terjadi dalam pipa
Hambatan yang terjadi dalam aliran air mengalir di dalam pipa diusahakan sekecil mungkin. Dalam perancangan dan pembuatan saluran pipa air diusahakan
tidak mengalami pembelokan, jika ada pembelokan diusahakan sudut pembelokannya besar, merata dan dengan radius tertentu atau saluran air yang dirancang dengan
bentuk melingkar.
2.1.4 Saluran Udara Masuk
Udara digunakan untuk pembakaran gas LPG, karena proses pembakaran memerlukan oksigen. Oksigen sangat mudah didapatkan dari udara luar. Jika proses
pembakaran kekurangan oksigen, maka pembakaran yang terjadi tidak mencapai hasil yang maksimal dan juga kalor yang diinginkan tidak terjadi. Maka dari itu dalam
merancang saluran udara pada mesin pemanas air harus di desain sedemikian rupa agar udara yang masuk tepat sesuai kebutuhan. Cara merancang saluran udara adalah
dengan cara memberikan lubang pada sisi dalam dan sisi luar pada water heater agar oksigen atas dapat masuk langsung kedalamnya sehingga udara dapat membantu
terjadinya proses pembakaran.
Tabel 2.2 Komposisi Udara Kering Sumber : http:ft.unsada.ac.idwp- contentuploads201004bab4-tm2.pdf
Komponen Udara Presentase Mol
Nitrogen 78,08
Oksigen 20,95
Argon 0,93
Karbon dioksida 0,03
Neon, helium, metana, dll 0,01
2.1.5 Sirip
Sirip memiliki fungsi sebagai isolator untuk. Jika pipa air dalam kontruksi water heater di pasangi sirip maka sirip-sirip tersebut akan membantu menyalurkan
kalor hasil pembakaran gas LPG ke pipa saluran air. Semakin banyak sirip yang terpasang di dalam kontruksi pipa maka semakin cepat pula proses penyaluran panas
yang terjadi dan berpengaruh terhadap suhu air keluar water heater. Bahan atau material dari sirip juga harus dipilih dari bahan yang mudah menyalurkan panas
seperti dari bahan tembaga. Semakin besar konduktivitas termal dari bahan sirip maka semakin besar pula kalor yang dapat ditangkap dan salurkan oleh sirip-sirip
tersebut.
2.1.6 Sumber Api
Sumber api yang digunakan untuk memanaskan water heater menggunakan kompor gas LPG. Jaman sekarang banyak bentuk dan jenis kompor gas. Setiap
kompor gas memiliki nyala api yang berbeda sesuai dengan kebutuhannya. Ada kompor gas yang menghasilkan nyala api yang besar dan juga ada kompor gas yang
menghasilkan nyala api yang sedang. Pada perancangan ini dipilih kompor gas yang
mengasilkan nyala api yang besar. Jika api yang dihasilkan besar, maka akan menghasilkan kalor yang banyak sehingga penyerapan kalor lebih cepat.
Gambar 2.5 Kompor gas LPG
2.1.7 Gas LPG
Pada umumnya water heater gas menggunakan gas\ LPG sebagai sumber energy untuk pembakaran. Kepanjangan dari LPG adalah Liquified Petroleum Gas
dimana gas ini diproduksi dan didistribusikan oleh pertamina. Gas LPG memiliki komposisi yang terdiri dari gas propana
dan butana dengan komposisi
kurang lebih sebesar 99 , selebihnya adalah gas Pentana yang dicairkan.
Perbandingan komposisi Propana dan Butana adalah 30 : 70. Gas LPG memiliki nilai kalori sekitar : 21.000 BTUlb. Pada gas LPG ditambahkan zat mercaptan.
Penambahan zat mercaptan bertujuan untuk memberikan bau khas dari gas LPG,
supaya jika terjadi kebocoran gas LPG dapat segera terdeteksi dengan cepat sehingga mudah dikenali dan dapat segera ditanggulangi.
Reaksi pembakaran propana
8 3
H C
, jika proses pembakaran terjadi dengan
sempurna adalah sebagai berikut :
8 3
H C
+ 5
2
O
→ 3
2
CO
+ 4
O H
2
+ kalor propana + oksigen
→ karbondioksida + uap air + kalor Reaksi pembakaran butana
10 4
H C
, jika proses pembakaran terjadi dengan sempurna adalah sebagai berikut :
2
10 4
H C
+ 13
2
O
→ 8
2
CO
+ 10
O H
2
+ kalor butana + oksigen
→ karbondioksida + uap air + kalor
Tabel 2.3 Daya Pemanasan Dan Efisiensi alat masak dengan gas LPG Dan Bahan Bakar Lainnya
Sumber:aptogaz.files.wordpress.com200707peranan-lpg-di-dapur- anda.pdf
Bahan bakar Daya
Pemanasan Efisiensi
alat masak
Kayu Bakar 4000 kkalkg
15 Arang
8000 kkalkg 15
Minyak Tanah 11000 kkalkg
40 Gas Kota
45000 kkalkg 55
Listrik 860 kkalkg
60 LPG
11900 kkalkg 60
2.1.8 Saluran Gas Buang Sisa Pembakaran
Pembakaran gas LPG dalam water heater akan menghasilkan sisa
pembakaran. Maka dari itu dalam membuat water heater harus dibuatkan saluran pembuangan gas sisa pembakaran. Dalam pembuatannya yang perlu diperhatikan
adalah volume gas yang dibuang, posisi arah pembuangan diusahakan mengarah ke atas.
Dalam pembuatan water heater ini aliran gas buang dialirkan ke atas dengan membuatkan lubang ada bagian tutup. Karena tutup yang rapat tidak memungkinkan
gas buang dialirkan kesamping.
2.1.9 Laju Aliran Kalor
Ketika air mengalir dalam pipa maka air tersebut memiliki kecepatan aliran. Kecepatan aliran air dapat dihitung dengan mempergunakan persamaan 2.1
=
2
. .
r m
A m
π ρ
ρ =
2.1 Laju aliran massa air dapat dihitung dengan mempergunakan Persamaan 2.2
air
m
=
m
u r
2
π ρ
2.2 Pada Persamaan 2.1 dan 2.2 :
m = laju aliran massa kgs
= massa jenis air yang mengalir kg
= kecepatan aliran air ms r
= jari-jari pipa air m
Gambar 2.6 Laju Aliran Kalor Yang Terjadi Dalam Pipa Saluran Air Laju aliran kalor yang diterima oleh air yang mengalir dalam water heater dapat
dihitung dengan Persamaan 2.3
out in
air air
air
T T
c m
q −
=
2.3
pada Persamaan 2.3 :
air
q
= laju aliran kalor yang diterima air watt
air
m
= laju aliran massa air masuk kg detik
air
c
= kalor jenis air J kg
o
C T
in
= suhu air masuk water heater
o
C T
out
= suhu air keluar water heater
o
C Laju aliran kalor yang didapat dari proses pembakaran gas LPG dapat
dihitung dengan persamaan 2.4
gas
q
=
gas gas
C m
2.4
pada Persamaan 2.4 :
gas
m
= massa gas LPG yang terpakai kgs
gas
C
= kapasitas panas gas LPG Jkg, 1kkal = 4186,6 J Tabel 2.4 Daya Pemanasan Dan Efisiensi alat masak dengan gas LPG Dan Bahan
Bakar Lainnya Sumber:aptogaz.files.wordpress.com200707peranan-lpg-di-dapur-
anda.pdf
LPG 11900 kkalkg
60
2.1.10 Efisiensi Dari Water Heater
Efisiensi dari water heater dapat dihitung dengan persamaan 2.5
100 x
q q
gas air
= η
2.5 Pada Persamaan 2.6 :
η
= Efisiensi dari water heater dalam
air
q
= Laju aliran kalor yang diterima air watt
gas
q
= Laju aliran kalor yang diberikan gas watt
2.2 Tinjauan Pustaka 2.2.1 Water Heater Yang Dipasarkan
Dipasaran saat ini banyak tersedia berbagai jenis water heater gas LPG dengan model yang beragam dan kapasitas air panas yang dihasilkan pun beragam.
Biasanya dalam penggunaan untuk rumah tangga water heater yang digunakan berkapasaitas mulai 5 liter sampai 10 loter. Sedangkan dalam industri, rumah sakit
maupun hotel menggunakan kapasitas lebih dari 10 liter. Berikut ini merupakan beberapa contoh water heater yang dijual dipasaran.
Saat ini di pasaran tersedia banyak jenis water heater gas LPG dengan beberapa model rancangan. Setiap rancangan dari water heater yang ada saat ini
memiliki keunggulan dan kekurangan serta memiliki cara kerja yang berbeda juga. Di bawah ini di perlihatkan beberapa model rancangan water heater gas LPG beserta
bagian bagian utama dari setiap rancangan water heater gas LPG dan juga cara kerjanya.
Gambar 2.7 Rancangan Water Heater Gas LPG Tipe 1
Pada kontruksi water heater gas LPG tipe 1, seperti yang terlihat pada Gambar 2.7 Rancangan water heater Gas LPG tipe 1 ini memiliki model lilitan pipa
saluran air yang melekat pada sebuah tabung. Saluran pipa air tidak terkena langsung panas api dari proses pembakaran, melainkan tabung bagian dalamlah yang dipanasi
oleh api. Bagian luar dari tabung terdapat lilitan pipa saluran air. Jika tabung mengalami peningkatan suhu maka pipa saluran air dari water heater itu juga akan
mengalami peningkatan suhu. Suhu air yang mengalir dalam pipa pun meningkat dan menjadi air panas.
Pada kontruksi water heater gas LPG tipe 1, seperti yang terlihat pada Gambar 2.7 Rancangan water heater Gas LPG tipe 1 ini memiliki model lilitan pipa
saluran air yang melekat pada sebuah tabung. Saluran pipa air tidak terkena langsung panas api dari proses pembakaran, melainkan tabung bagian dalamlah yang dipanasi
oleh api. Bagian luar dari tabung terdapat lilitan pipa saluran air. Jika tabung mengalami peningkatan suhu maka pipa saluran air dari water heater itu juga akan
mengalami peningkatan suhu. Suhu air yang mengalir dalam pipa pun meningkat dan menjadi air panas.
Water heater tipe 1 ini memakai alat bantu tambahan berupa blower. Agar api hasil pembakaran dapat naik ke atas dan panas hasil pembakaran bisa merata
memanasi dinding tabung bagian dalam yang dililiti pipa saluran air water heater.
Keuntungan dari rancangan water heater tipe 1 ini adalah air panas yang dihasilkan memiliki debit yang tetap serta suhu yang tetap, sehingga air panas dapat
terus mengalir secara kontinyu.
Gambar 2.8 Rancangan Water Heater Gas LPG Tipe 2 Pada Gambar 2.8 rancangan water heater gas LPG tipe 2 terlihat bahwa pipa
saluran air water heater kontak langsung dengan api. Jadi rancangan water heater tipe 2 ini memakai model pipa saluran air yang langsung dipanasi oleh api hasil
pembakaran gas LPG. Pada rancangan water heater tipe 2 ini juga menggunakan alat bantu berupa
fan atau kipas udara. Tujuan agar api hasil pembakaran menjadi besar dan dapat memanasi seluruh pipa saluran air water heater.
Keuntungan dari rancangan water heater tipe 1 ini adalah air panas yang dihasilkan memiliki debit yang tetap serta suhu yang tetap, sehingga air panas dapat
terus mengalir secara kontinyu.
Gambar 2.9 Rancangan Water Heater Gas LPG Tipe 3 Pada Gambar 2.9 rancangan water heater gas LPG tipe 3 terlihat model dari
water heater ini berbentuk silinder atau tabung dan tidak memiliki saluran pipa air yang melingkar. Pada rancangan water heater gas tipe 3 ini, water heater hanya
mempunyai 2 pipa saluran air masuk dan keluar yang terletak di atasnya. Cara kerja water heater tipe 3 ini lebih sederhana dari tipe sebelumnya, hanya
seperti memasak air. Prinsip kerjanya air panas masuk kedalam water heater hingga mencapai jumlah tertentu. Setelah air memenuhi penampung air yang ada di dalam
water heater, api di bawahnya memanasi penampung air tersebut hingga suhu air
meningkat dan air menjadi panas. Api yang digunakan dalam proses tersebut adalah hasil pembakaran gas LPG. Model rancangan water heater tipe 3 ini memiliki
kekurangan. Kurangannya adalah debit dan suhu air panas yang dihasilkan tidak bisa tetap atau kontinyu, karena air harus ditampung terlebih dahulu baru kemudian
dipanasi oleh api hasil pembakaran gas LPG.
Gambar 2.10 Rancangan Water Heater Gas LPG Tipe 4 Pada Gambar 2.10 rancangan water heater gas LPG tipe 4 terlihat model
rancangan water heater memiliki bentuk silinder serta tidak mengunakan saluran pipa air yang melingkar namun menggunakan penampung air. Modelnya sama
dengan rancangan water heater gas LPG tipe 3 yang disajikan dalam Gambar 2.10. Walaupun modelnya sama namun rancangan water hater tipe 4 memiliki
variasi tambahan yaitu spiral heat excharger. Spiral heat excharger berfugsi
