DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA

Pipa saluran air yang digunakan untuk mengalirkan air ini berada di dalam tabung, dibuat spiral dan kontak langsung dengan api atau gas buang yang bersuhu tinggi. Terdapat fan yang berfungsi untuk mengalirkan oksigen dari luar. Air yang dipanaskan adalah air yang mengalir di dalam pipa yang langsung kontak dengan api atau gas buang yang bersuhu tinggi. d. Water heater model 4 Cara kerja water heater model 4 ini hampir sama dengan water heater model 2. Air yang dipanaskan berada di dalam penampung air. Perbedaannya terdapat pada caranya membuang gas buang yang dipergunakan untuk memanaskan air. Gambar 2.4 Water heater model 4 Di dalam saluran gas buang terdapat spiral yang mengarahkan jalan keluarnya gas buang. Dengan adanya spiral ini, diharapkan gas buang tidak langsung keluar. Gas buang dibuat berada lebih lama di dalam saluran, agar semua panas dapat dipindahkan ke pipa saluran air. Suhu keluar gas buang ketika keluar water heater tidak tinggi dan suhu air di dalam saluran pipa menjadi lebih tinggi bila dibandingkan dengan water heater model 2. 2.1.2. Perpindahan Kalor Kalor adalah energi yang dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lainnya. Perpindahan kalor ini disebabkan adanya perbedaan suhu di antara kedua tempat tersebut. Ada tiga cara perpindahan kalor, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. a. Perpindahan Kalor Konduksi Perpindahan kalor konduksi adalah perpindahan kalor melalui zat tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat perantara. Peristiwa perpindahan kalor secara konduksi terjadi bila benda yang bersuhu tinggi bersentuhan dengan benda yang bersuhu rendah. Berdasarkan teori partikel, partikel penyusun benda yang bersuhu tinggi mempunyai energi kinetik yang tinggi pula. Hal ini berarti partikelnya bergerak dengan cepat. Sebaliknya pada benda yang bersuhu rendah, partikel-partikelnya bergerak lebih lambat. Dari hasil percobaan para ahli, ternyata ditemukan ada benda yang dapat menghantarkan kalor dengan baik dan ada benda yang sukar menghantarkan kalor. Pada water heater perpindahan kalor secara konduksi terjadi pada permukaan luar pipa ke permukaan bagian dalam pipa, dari sirip ke permukaan pipa. b. Perpindahan Kalor Konveksi Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan energi kalor yang diikuti gerak partikel-partikel zat perantara atau mediumnya. Pada perpindahan kalor ini dapat terjadi pada zat cair dan gas. Sebagai contoh perpindahan kalor konveksi pada zat cair adalah pada saat kita memasak air, meskipun yang dipanaskan hanya air bagian bawah namun air bagian atas dapat berubah suhunya. Hal ini menunjukkan bahwa terjadi aliran kalor dari air bagian bawah ke air bagian atas. Sedangkan perpindahan kalor konveksi di udara adalah terjadinya angin laut pada siang hari dan angin darat pada malam hari. Terjadi angin laut dan darat karena adanya perbedaan suhu antara laut dengan darat yang menyebabkan perbedaan massa jenis udara diatas permukaan darat dan permukaan laut. Pada water heater perpindahan kalor secara konveksi terjadi dari permukaan dalam pipa menuju air yang ada di dalam pipa. c. Perpindahan Kalor Radiasi Perpindahan kalor radiasi adalah perpindahan kalor yang dapat terjadi tanpa melalui zat perantara. Ketika matahari bersinar terik pada siang hari, maka udara akan terasa panas. Atau saat berada di sekitar api unggun, orang yang berada di sekitar api unggun akan merasakan hangat walaupun tidak bersentuhan dengan api secara langsung. Pada water heater perpindahan kalor secara radiasi terjadi pada tabung bagian dalam menuju tabung bagian luar, dari tabung bagian luar ke udara di sekitar alat pemanas air 2.1.3. Perancangan pipa saluran air Untuk aliran air pada water heater ini menggunakan pipa tembaga yang dibentuk seperti spiral. Ada berbagai hal yang dipertimbangkan dalam pembuatan saluran air ini, diantaranya adalah : a. Pemilihan bahan Pipa yang dipilih harus memiliki nilai konduktivitas termal yang tinggi. Sehingga bahan mampu mengalirkan kalor konduksi yang besar, mampu memindahkan kalor yang diterima dari api menuju fluida yang mengalir di dalam pipa. Konduktivitas termal suatu benda adalah kemampuan suatu benda untuk memindahkan kalor melalui benda tersebut. Benda yang memiliki konduktivitas termal k besar merupakan penghantar kalor yang baik konduktor termal yang baik. Sebaliknya, benda yang memiliki konduktivitas termal kecil merupakan penghantar kalor yang buruk konduktor termal yang buruk. Semakin tinggi nilai konduktivitas termal bahan, semakin besar laju aliran kalornya. Selain itu dalam pemilihan saluran air juga harus mempertimbangkan harga dari saluran pipanya. Tabel 2.1 Nilai konduktivitas termalbahan sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor No Bahan Nilai konduktifitas termal Wattm.ºC 1 Baja 40 2 Perak 419 3 Tembaga 380 4 Alumunium 204 5 Gabus 0,042 Berdasarkan Tabel 2.1, dipilih bahan pipa dari tembaga yang memiliki nilai konduktivitas yang tinggi dengan harga yang terjangkau. b. Pemilihan diameter pipa Pemilihan diameter pipa juga merupakan hal yang penting, semakin kecil diameter pipa, semakin besar daya pompa. Semakin kecil diameter, semakin besar hambatannya. Ukuran diameter pipa dipilih sedemikian sehingga tidak menghasilkan daya pompa yang besar, tetapi harga jual water heater dapat terjangkau. c. Hambatan pipa Hambatan yang terjadi ketika air mengalir diusahakan kecil. Dalam pembentukan saluran pipa tidak dibuat pipa yang melengkung tajam agar hambatan yang dihasilkan tidak besar. Apabila terjadi pembelokan saluran, sudut pembelokan diusahakan lebih besar dari sudut 90°. Hal ini dimaksudkan agar gesekan yang terjadi antara fluida dan pipa semakin kecil dan daya pompa yang diperlukan untuk mendorong air lebih kecil. Dengan alasan tersebut, saluran pipa di buat berbentuk spiral. 2.1.4. Bahan Bakar Pada penelitian ini proses pembakarannya menggunakan bahan bakar dari gas yaitu gas LPG Liquified Petroleum Gas. Di Indonesia ada tiga macam LPG yang diproduksi dan dipasarkan oleh PT. Pertamina yaitu bahan bakar gas LPG untuk rumah tangga, gas LPG Propana dan gas LPG Butana. Komponen utama bahan bakar LPG dari hasil produksi kilang minyak dan gas adalah gas propana   8 3 H C dan butana   10 4 H C , dengan komposisi kurang lebih sebesar 99 , selebihnya adalah gas pentana   12 5 H C yang dicairkan. Perbandingan komposisi propana dan butana adalah 30 : 70. LPG lebih berat dari udara dengan berat jenis sekitar 2,01 dibandingkan dengan udara. Tekanan uap LPG cair dalam tabung sekitar 5 – 6,2 2 cm kg . Nilai kalori sekitar : 21.000 BTUlb. zat mercaptan umumnya ditambahkan ke LPG untuk memberikan bau khas, supaya kalau terjadi kebocoran, dapat segera terdeteksi dengan cepat dan mudah. Reaksi pembakaran propana   8 3 H C , jika terbakar sempurna adalah sebagai berikut : 8 3 H C + 5 2 O → 3 2 CO + 4 O H 2 + panas propana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas Menurut wikipedia panas yang dihasilkan LHV reaksi tersebut setara dengan 46000000 Jkg atau 46MJkg Reaksi pembakaran butana   10 4 H C , jika terbakar sempurna adalah sebagai berikut : 2 10 4 H C + 13 2 O → 8 2 CO + 10 O H 2 + panas butana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas Menurut wikipedia panas yang dihasilkan LHV reaksi tersebut hampir sama dengan propana setara dengan 46 MJkg. Sebagai gambaran : Untuk menaikkan 1 gram air sebesar 1°C dibutuhkan energi sebesar 4,186 J. Untuk menaikkan suhu 1 liter air dari suhu ruangan 30°C akan dibutuhkan energi sebesar 293,020 J. Pada tahap ini, air baru mencapai suhu 100°C dan belum mendidih. Diperlukan energi sebesar 2257 Jgr air untuk merubah air menjadi uap. Pada kondisi udara luar 1 kg propana memiliki volume sekitar 0,543. Satu Kg LPG memiliki energi yang setara untuk mendidihkan air 90 liter. Tabel 2.2 menyajikan daya pemanasan dari efisiensi alat masak LPG dengan bahan bakar gas. Terlihat bahwa efisiensi alat masak dengan gas LPG berkisar sebesar 60 Tabel 2.2 Daya pemanasan dan efisiensi alat masak dengan gas LPG dan bahan bakar lainnya Sumber : http:aptogaz.files.wordpress.com200707peranan-lpg-di- dapur-anda.pdf Bahan Bakar Daya Pemanasan Efisiensi alat masak Kayu bakar 4.000 kkalkg 15 Arang 8.000 kkalkg 15 Minyak tanah 11.000 kkalkg 40 Gas kota 4.500 kkalm3 55 Listrik 860 kkalkWh 60 LPG 11.900 kkalkg 60 2.1.5 Sumber Api Sumber nyala api dapat diambil dari kompor. Ada berbagai macam kompor dengan bentuk geometri dan bahan bakar kompor yang berbeda. Bahan bakar kompor juga menentukan titik nyala api. Ada kompor yang mampu memberikan api yang besar tetapi ada pula yang mampu memberikan api yang kecil. Pada kenyataanya setiap kompor menghasilkan bentuk api dan besar api yang khas. Semakin banyak api yang mampu dihasilkan kompor dan semakin banyak api yang mampu menyentuh sistem saluran pipa air dengan siripnya, tentu akan semakin besar kalor yang dapat dipindahkan ke dalam air melalui saluran pipa air. Dengan catatan proses pembakaran yang terjadi dalam peralatan water heater berlangsung dengan sempurna. Berikut ini adalah contoh sumber api berbahan bakar gas LPG yang terdapat di pasaran. Gambar 2.5 Kompor gas Gambar 2.6 Selang regulator 2.1.6. Isolator dan konduktor Dari hasil percobaan para ahli, ternyata ditemukan ada benda yang dapat menghantarkan kalor dengan baik dan ada benda yang sukar menghantarkan kalor. Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor tersebut, benda dibedakan menjadi dua yaitu : a Konduktor dan b Isolator a. Konduktor adalah benda-benda yang mudah menghantarkan kalor dari suatu tempat ke tempat yang lain. Contohnya adalah besi, alumunium, tembaga, seng. Nilai sifat-sifat dari berbagai bahan dari logam dapat dilihat pada tabel 2.3 Tabel 2.3 Sifat-sifat bahan logam pada suhu 20 C sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor No Bahan k WmºC c p kJ.kg.˚C ρ kgm 3 α m 2 sx10 2 1 Perak 419 0,2340 10,524 17,004 2 Tembaga 385 0,091 558 4,42 3 Alumunium 204 0,208 169 3,33 4 Seng 112 0,091 446 1,60 5 Besi 58 0,11 474 0,63 6 Baja 54 0,465 7,833 1,474 b. Isolator adalah benda-benda yang tidak dapat menghantarkan kalor dari suatu tempat ke tempat yang lain. Contoh benda yang termasuk isolator adalah kayu, kain, gabus, dan air. Pada penelitian ini isolator diperlukan agar hasil pembakaran bahan bakar tidak banyak keluar dari water heater. Pemanas air ini memiliki tiga tabung yang berdiameter berbeda. Proses pembakaran terjadi di dalam tabung yang berdiameter kecil. Agar panas yang dihasilkan tidak banyak keluar diperlukan isolator. Yang dapat digunakan sebagai isolator adalah udara yang terdapat diantara tabung berdiameter kecil dan tabung berdiameter besar. Tabel 2.4 Sifat-sifat bahan bukan logam sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor No Bahan k WmºC c kJkg.˚C ρ kgm 3 α m 2 sx10 7 1 Asbes 0,154 0,816 470-570 3,3-4 2 Gabus 0,045 1,88 45-120 2-5,3 3 Gelas 0,78 0,84 2700 3,4 4 Bata bangunan 0,69 0,84 1600 5,2 5 Udara 0,009246 1.0266 3.601 0.02501 2.1.7. Sirip Sirip sering digunakan pada alat penukar kalor untuk meningkatkan luasan perpindahan kalor antara permukaan utama dengan fluida di sekitarnya. Sirip biasa digunakan dalam pengkondisian udara dan juga peralatan elektronik, motor listrik dan lain-lain. Dalam semua peralatan tersebut udara digunakan sebagai media perpindahan panas. Idealnya, material sirip harus mempunyai konduktivitas termal yang tinggi sehingga dapat membantu perpindahan panas dari sumber api ke air. Semakin besar dan banyak sirip yang dipasang maka semakin besar pula kalor yang dipindahkan. Gambar 2.7 memperlihatkan contoh penggunaan sirip di evaporator yang merupakan alat penukar kalor. Gambar 2.7 Penggunaan sirip pada pendingin ruangan Gambar 2.8 Penggunaan sirip pada CPU komputer Pada penelitian ini, sirip yang digunakan berbahan dari pipa tembaga yang dipotong dan dikaitkan pada pipa saluran air. Gambar 2.9 Sirip yang dipasang pada saluran air Gambar 2.10 Efisiensi sirip siku empat dan segitiga sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor Gambar 2.11 Grafik efisiensi sirip siku empat sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor 2.1.8. Saluran udara masuk Pada proses pembakaran diperlukan oksigen yang diambil dari udara bebas. Karena sumber api berada di bawah alat pemanas air sehingga harus ada saluran udara, agar udara bisa masuk sehingga proses pembakaran dapat terjadi dengan sempurna. Jika kekurangan oksigen dapat menyebabkan proses pembakaran yang tidak sempurna dan panas yang dihasilkan tidak sesuai yang diharapkan. Sehingga diantara alat pemanas air dengan sumber api diberi jarak atau celah yang bertujuan untuk memberikan ruang atau saluran udara masuk. 2.1.9. Saluran gas buang Pada proses pembakaran selain menghasilkan panas juga menghasilkan gas buang. Gas buang yang dihasilkan berupa gas dan uap air. Agar nyala api tidak terganggu oleh gas buang maka harus dibuat saluran gas buang supaya gas buang bisa keluar. Dalam perancangan saluran gas buang perlu mempertimbangkan besar kecilnya debit gas buang yang terjadi dan diusahakan gas buang dapat mengalir keluar dengan lancar. Selain itu perancangan saluran gas buang harus dipilih sedemikian rupa sehingga tidak menggangu pengguna dari water heater . Perancangan saluran gas buang juga menentukan nyala api yang dihasilkan. Jika saluran gas buang terancang dengan baik maka api akan berfungsi dengan baik untuk memanaskan air 2.1.10. Laju aliran kalor Laju aliran kalor yang diterima air ketika mengalir di dalam pipa dapat dihitung dengan persamaan 2.2. Sedangkan untuk menghitung laju aliran massa air menggunakan persamaan 2.1 Gambar 2.12 Aliran fluida dalam saluran air     air kecepatan penampang luas jenis massa m air  air m     m u r 2    2.1   o i air air air T T c m q   2.2 Pada persamaan 2.1 dan 2.2 air q : laju aliran kalor yang diterima air, watt air m : laju aliran massa air, kgdetik air c : kalor jenis air, 4179 Jkg o C. T in : suhu air masuk water heater, o C T out : suhu air keluar water heater, o C. m u : kecepatan rata-rata fluida mengalir, m s  : massa jenis fluida yang mengalir, kg 3 m d : diameter saluran, m Laju aliran kalor yang diberikan gas dapat dihitung dengan persamaan 2.3 gas q = gas gas c m 2.3 Pada persamaan 2.3 : gas m : massa gas elpiji yang terpakai kgs gas c : nilai kalor jenis elpiji Jkg, 1kkal = 4186,6 J 2.1.11. Efisiensi Water Heater Efisiensi Water Heater dapat dihitung dengan persamaan 2.4 100 x q q gas air   2.4 Pada persamaan 2.4 :  : Efisiensi water heater air q : Laju aliran kalor yang diterima air, watt gas q : Laju aliran kalor yang diberikan gas, watt 2.2.1. Tinjauan Pustaka Saat ini banyak water heater yang beredar di pasaran. Bermacam – macam juga yang ditawarkan dari model bentuk, kapasitas air yang mengalir, suhu yang dihasilkan dan bahan bakar yang digunakan. Referensi pembuatan water heater dengan bahan bakar gas LPG pada penelitian ini mengacu pada beberapa water yang beredar di pasaran, seperti pada gambar yang tersaji berikut : a. Water Heater gas LPG tipe WH1 Gambar 2.13 Water heater gas LPG tipe WH1 Spesifikasi : • Jenis : Instan • Pemasangan : Vertikal • Sumber pemanas : Gas LPG • Bahan pipa saluran air : Tembaga Fitur Teknis :: • Kapasitas liter : 6 liter menit • Tekanan air maksimum bar : 0.8 • Diameter pipa koneksi inch : 0.4 • Suhu °celcius : 75 • Kalori kcalh : 8600 • Input gas kgh : 0.78 Dimensi Produk :: • Panjang cm : 30 • Lebar cm : 4.6 • Tinggi cm : 44 • Berat kg : 13 b. Water Heater gas LPG tipe WH2 Gambar 2.14 Water heater gas LPG tipe WH 2 Spesifikasi : • Jenis : Instan • Pemasangan : Vertikal • Sumber pemanas : Gas • Bahan pipa saluran air : Tembaga Fitur Teknis :: • Kapasitas liter : 6 liter menit • Tekanan air maksimum bar : 0.8 • Diameter pipa koneksi inch : 0.4 • Suhu °celcius : 75 • Kalori kcalh : 8600 • Input gas kgh : 0.78 Dimensi Produk : • Panjang cm : 30 • Lebar cm : 4.6 • Tinggi cm : 44 • Berat kg : 13 c. Water Heater gas LPG tipe WH3 Gambar 2.15 Water heater gas LPG tipe WH 3 Spesifikasi :  Ukuran PxLxT mm :  Pemasangan : Eksternal Internal  P369 x L290 x T138  Berat : 6, 1 Kg  Kapasitas air panas : 5 ltr mnt  Gas Input : 0, 5 Kg h  Ignition : Baterai  Tekanan Gas : 280 mm H2O  Suhu : 60 o C  Outlet Gas : 1 2  Outlet Air Dingin : 1 2  Outlet Air Panas : 1 2  Tekanan Air Minimum : 0, 2 kgf cm 2  Instant Warm System : No d. Water Heater gas LPG tipe WH4 Gambar 2.16 Water heater gas LPG tipe WH 4 Spesifikasi :  Instalasi : Eksternal Internal  Kapasitas : 5 ltrmnt  Ignition : Baterai ukuran D  Tekanan Gas : 280mm H20  Suhu : 60 o C  Outlet Gas : ½”  Outles Air Dingin : ½”  Outlet Air Panas : ½”  Tekanan Air Minimum : 0,2 kgfcm² 2.2.2. Hasil penelitian Putra, P.H 2012 melakukan penelitian tentang karakteristik water heater dengan dimensi tinggi 90 cm, diameter pada dinding luar 25 cm, diameter pada dinding dalam 20 cm, panjang pipa 20 meter, diameter bahan pipa 38 inci, 300 lubang masuk udara pada dinding luar, 1005 lubang pada dinding dalam water heater , dan 6 buah sirip dari pipa berdiameter 38 inci. Penelitian bertujuan a merancang dan membuat water heater, b mendapatkan hubungan antara debit air dengan suhu air yang keluar dari water heater, c mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju perpindahan kalor yang diterima air dan d mendapatkan hubungan antara debit air dengan efisiensi water heater. Penelitian memperoleh hasil a water heater yang dibuat mampu bersaing dengan water heater yang ada di pasaran, mampu menghasilkan air panas dengan temperatur 42,9 °C pada debit 10 litermenit, b hubungan antara debit air yang mengalir m dengan temperatur air keluar water heater To dapat dinyatakan dengan persamaan T o = -0,027 m 3 + 1,126 m 2 – 16,52 m + 129,9 m dalam litermenit, T o dalam ° C dan R 2 = 0,997, c hubungan antara debit air yang mengalir dengan laju perpindahan kalor dinyatakan dengan persamaan Q air = 17,09 m 3 – 489 m 2 + 439 m + 3654 m dalam litermenit, Q air dalam watt dan R 2 = 0,94 d hubungan antara debit air yang mengalir dengan efisiensi water heater dapat dinyatakan dengan persamaan η = 0,077 m 3 -2,208 m 2 + 19,84 m + 16,50 m dalam litermenit, η dalam persen dan R 2 = 0,94 Setiawan, Eko 2012 melakukan penelitian tentang pemanas air dengan dimensi tinggi 90 cm, diameter pada dinding luar 25 cm, diameter pada dinding dalam 20 cm, panjang pipa 20 meter, diameter bahan pipa 38 inci, 150 lubang masuk udara pada dinding luar, 1005 lubang pada dinding dalam water heater, dan 6 buah sirip dari pipa berdiameter 38 inci yang bertujuan untuk a merancang dan membuat water heater, b mendapatkan hubungan antara debit air dengan suhu air keluar water heater, c mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor, d menghitung kalor yang diterima water heater e menghitung kalor gas LPG dan f menghitung efisiensi water heater. Penelitian ini memperoleh hasil a water heater dapat dibuat dengan baik dan mampu bersaing dengan water heater yang ada di pasaran. Pada debit aliran : 14 litermenit dan dengan suhu air yang keluar sebesar 45 ˚C, b Hubungan antara debit air yang masuk dengan temperatur air yang mengalir dinyatakan dengan persamaan : T out = 0,297 m air 2 – 9,566 m air + 121,9 m air dalam litermenit, T out dalam ˚C R 2 = 0,990, c Hubungan antara debit air yang masuk dengan laju aliran kalor yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan : q air = - 171,9 m air 2 + 3154 m air + 6873 m air dalam litermenit, q air dalam watt R 2 = 0,967, d kalor yang diterima air dari water heater berkisar antara : 17551,8 – 14216,96 watt. Jumlah kalor terbesar 17551,8 watt, e kalor yang diberikan gas LPG sebesar : 22142,46 watt, f Hubungan antara debit air yang masuk dengan efisiensi water heater yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan : n = - 0,776 m air 2 + 14,24 m air + 31,04 m air dalam litermenit, n dalam R 2 = 0,967 29

BAB III PEMBUATAN ALAT

3.1. Persiapan Persiapan-persiapan yang dilakukan sebelum pembuatan alat antara lain : a. Membuat rancangan atau bentuk water heater b. Menentukan dan membeli bahan yang akan digunakan c. Menyiapkan beberapa peralatan yang digunakan 3.2. Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan adalah : a. Alat rol pipa b. Pemotong pipa Gambar 3.2 Alat pemotong pipa Alat ini digunakan untuk memotong pipa c. Mesin las Digunakan untuk menyambung besi naco dalam pembuatan kerangka maupun tutup water heater Gambar 3.3 Mesin las d. Gunting plat Gambar 3.4 Gunting plat Alat ini digunakan untuk memotong plat galvalum e. Bor tangan Alat ini digunakan untuk membuat lubang pada plat galvalum Gambar 3.5 Bor tangan f. Gerinda tangan Gambar 3.6 Gerinda tangan Alat ini digunakan untuk merapikan hasil las g. Penggaris Gambar 3.7 Penggaris Alat ini digunakan untuk mengukur bahan-bahan yang digunakan. h. Kunci pas Gambar 3.8 Kunci pas Alat ini digunakan untuk memasang baut untuk menempelkan sirip pada pipa i. Paku rivet Gambar 3.9 Paku rivet