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