Karakteristik water heater dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inci, dan penangkap kalor gas buang - USD Repository

  

KARAKTERISTIK WATER HEATER DENGAN PANJANG

PIPA 14 METER, DIAMETER 0,5 INCI, DAN PENANGKAP

KALOR GAS BUANG

SKRIPSI

  Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin Diajukan oleh

  

ADITYA SRI YUNIANTO

NIM : 105214012

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

CHARACTERISTIC OF WATER HEATER WITH PIPE

  

14 METERS IN LENGTH, 0.5 INCHES IN DIAMETER, AND

AN EXHAUST GAS HEAT CATCHER

FINAL PROJECT

  As partial fulfilment of the requirement to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering By

  

ADITYA SRI YUNIANTO

Student Number : 105214012

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

KARAKTERISTIK WATER HEATER DENGAN PANJANG PIPA 14 METER, DIAMETER 0,5 INCI, DAN PENANGKAP KALOR GAS BUANG

  Dipersiapkan dan disusun oleh : NAMA : ADITYA SRI YUNIANTO NIM : 105214012

  Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji Pada tanggal 9 September 2014

  Susunan Dewan Penguji Nama lengkap Tanda tangan

  Ketua ::: Dr. Asan Damanik ……………………… Sekretaris : Doddy Purwadianto, S.T., M.T.

  ……………………… Anggota : Ir. PK Purwadi, M.T. ………………………

  Skripsi ini telah diterima sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Yogyakarta, 9 September 2014

  Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Dekan

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

  Yogyakarta, 9 September 2014 Aditya Sri Yunianto

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN

AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma: Nama : Aditya Sri Yunianto Nomor Mahasiswa : 105214012

  Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul:

  

Karakteristik water heater dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inci,

dan penangkap kalor gas buang

  Beserta perangkat yang diperlukan. Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media yang lain, mengelolanya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberi royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

  Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

  Yogyakarta, 9 September 2014 Yang menyatakan Aditya Sri Yunianto

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus dan Bunda Maria atas anugerah dan karunia-Nya yang telah dilimpahkan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini dengan baik.

  Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana S-1 Teknik Mesin di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Judul yang diangkat oleh penulis untuk Skripsi ini adalah

  “ Karakteristik Water Heater Dengan Panjang Pipa 14 Meter,

  Diameter 0,5 Inchi dan Penangkap Kalor Gas Buang

  ”

  Dalam penyelesaian Skripsi ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih sebesar-besarnya kepada : 1.

  Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

  2. Ir. PK. Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan selaku Dosen Pembimbing Skripsi.

  3. A Prasetyadi, S.Si., M.Si., selaku Dosen Pembimbing Akademik.

  4. Seluruh Staf Pengajar di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

  5. Yohanes Rushariyanto dan Monica Sri Sutarmi sebagai orang tua, atas semua dukungan baik secara materi maupun spiritual selama belajar di Program

  6. Kekasih hati Errika Damayanti atas dukungan moral pengertian selama mendapat kesulitan.

  7. FX. Bramantya Sri Febriyanto sebagai adik, serta keluarga besar Mitro Hardjono dan Broto Rahardjo yang selalu memberikan dukungan sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.

  8. Keluarga Besar Mahasiswa Teknik Mesin, terimakasih atas kebersamaannya dalam menempuh proses akademik dan perkuliahan.

  9. Keluarga kos Wisma Tenang (Edy, Bendot, Hendri, Virly, Novri, Yudi, Sigit), terimakasih dalam kebersamaannya.

  10. Seluruh Staf Sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi USD.

  11. Semua pihak yang telah membantu dalam proses penyelesaian Skripsi ini.

  Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian penelitian dan penyusunan Skripsi ini masih banyak kekurangan yang perlu diperbaiki, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak untuk dapat membantu dalam penyempurnaan Skripsi ini. Akhir kata, penulis mengharapkan semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi pihak yang telah membacanya dan dapat memberikan pengetahuan khususnya dalam bidang Teknik.

  Yogyakarta, 9 September 2014 Penulis,

  

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL ............................................................................................. i TITLE PAGE ........................................................................................................ ii LEMBAR PERSETUJUAN.................................................................................. iii LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................. iv HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .......................................... v HALAMAN PERNYATAAN PEMPUBLIKASIAN KARYA ........................... vi KATA PENGANTAR .......................................................................................... vii DAFTAR ISI…………………………………………………….………….….…ix DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ xii DAFTAR TABEL ................................................................................................. xv ABSTRACT .......................................................................................................... xvi ABSTRAK .......................................................................................................... xvii

  BAB I. PENDAHULUAN .................................................................................... 1 1.1. Latar Belakang ................................................................................... 1 1.2. Tujuan Penelitian ............................................................................... 3

  1.3. Batasan Masalah ................................................................................ 4

  1.4. Manfaat .............................................................................................. 5

  BAB II. DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ..................................... 6

  2.1. Dasar Teori ........................................................................................ 6

  2.2.1. Perpindahan Kalor ....................................................................... 6

  2.1.2. Perancangan Pipa ......................................................................... 9

  2.1.3. Konduktor dan Isolator ................................................................ 11

  2.1.4. Sirip ............................................................................................. 13

  2.1.5. Perancangan Tabung Water Heater ............................................. 13

  2.1.6. Bahan Bakar ................................................................................ 14

  2.1.7. Proses Pembakaran LPG ............................................................. 15

  2.1.8. Saluran Udara Masuk .................................................................. 17

  2.1.9. Saluran Gas Buang ...................................................................... 17

  2.1.11. Laju Aliran Kalor ....................................................................... 20

  2.1.12. Efisiensi Water Heater .............................................................. 21

  2.2. Tinjauan Pustaka................................................................................ 21

  2.2.1. Model Water Heater yang ada di pasaran ................................... 22

  2.2.2. Spesifikasi Water Heater yang ada di pasaran ............................ 26

  2.2.3. Hasil Penelitian ............................................................................ 30

  BAB III. PEMBUATAN ALAT ......................................................................... 34

  3.1. Persiapan ............................................................................................ 34

  3.2. Bahan Water Heater .......................................................................... 34

  3.3. Alat Water Heater ............................................................................. 36

  3.4. Proses Pembuatan Alat ...................................................................... 42

  BAB IV. METODOLOGI PENELITIAN .......................................................... 50

  4.1. Objek yang diteliti ............................................................................. 50

  4.2. Skematik Alat Penelitian ................................................................... 52

  4.3. Alat Bantu Penelitian ......................................................................... 53

  4.4. Alur Penelitian ................................................................................... 54

  4.5. Variasi Penelitian ............................................................................... 55

  4.6. Cara Mendapatkan Data .................................................................... 55

  4.7. Cara Mengolah Data dan Pembahasan .............................................. 55

  4.8. Cara Mendapatkan Kesimpulan ......................................................... 56

  BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 57

  5.1. Hasil Penelitian .................................................................................. 57

  5.2. Perhitungan ........................................................................................ 58

  5.2.1. Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas LPG ................ 59

  5.2.2. Perhitungan Kecepatan air rata-rata (U m ) .................................... 61

  5.2.3. Perhitungan laju aliran massa air (m air ) ....................................... 63

  5.2.4. Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air ........................... 64

  5.2.5. Efisiensi Water Heater ................................................................ 66

  5.3. Hasil perhitungan pengujian alat pada water heater ......................... 67

  5.4. Pembahasan ....................................................................................... 74

  6.1. Kesimpulan ........................................................................................ 82

  6.2. Saran .................................................................................................. 84

  6.3. Daftar Pustaka.................................................................................... 86

  6.4. Lampiran ............................................................................................ 87

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perpindahan kalor konduksi dari titik A menuju B ......................... 7Gambar 2.2 Perpindahan kalor konveksii dari titik B menuju C ........................ 8Gambar 2.3 Perpindahan kalor radiasi dari udara lingkungan menuju titik A.... 9Gambar 2.4 Media pembakar dengan bahan bakar LPG, low pressure .............. 19Gambar 2.5 Media pembakar menggunakan bahan bakar LPG, high pressure .. 19Gambar 2.6 Aliran fluida dalam saluran air ........................................................ 20Gambar 2.7 Water heater tipe A ......................................................................... 22Gambar 2.8 Water heater tipe B ......................................................................... 23Gambar 2.9 Water heater tipe C ......................................................................... 24Gambar 2.10 Water heater tipe A ........................................................................ 25Gambar 2.11 Water heater gas LPG tipe A ......................................................... 26Gambar 2.12 Water heater gas LPG tipe B ......................................................... 28Gambar 2.13 Water heater gas LPG tipe C ......................................................... 29Gambar 3.1 Pipa tembaga diameter 0,5 inci ....................................................... 34Gambar 3.2 Plat galvalum ................................................................................... 35Gambar 3.3 Baut dan mur ................................................................................... 35Gambar 3.4 Besi strip .......................................................................................... 35Gambar 3.5 Besi nako ......................................................................................... 36Gambar 3.6 Stik Tembaga................................................................................... 36Gambar 3.7 Gerinda ............................................................................................ 37Gambar 3.8 Bor ................................................................................................... 37Gambar 3.9 Las listrik ......................................................................................... 38Gambar 3.10 Las tembaga.................................................................................... 38Gambar 3.11 Kunci pas ........................................................................................ 39Gambar 3.12 Pemotong pipa ................................................................................ 39Gambar 3.13 Penekuk pipa tembaga .................................................................... 40Gambar 3.14 Tang ................................................................................................ 40Gambar 3.15 Gunting plat .................................................................................... 40Gambar 3.17 Meteran........................................................................................... 41Gambar 3.18 Jangka sorong ................................................................................. 42Gambar 3.19 Memotong pipa tembaga ................................................................ 42Gambar 3.20 Pembentukan pipa tembaga ............................................................ 43Gambar 3.21 Pembentukan lingkaran .................................................................. 44Gambar 3.22 Penyambungan kerangka................................................................ 44Gambar 3.23 Membuat lubang untuk paku keling ............................................... 45Gambar 3.24 Membuat lubang tabung water heater ........................................... 45Gambar 3.25 Tabung bagian dalam ..................................................................... 46Gambar 3.26 Pemasangan pipa penangkap kalor gas buang ............................... 46Gambar 3.27 Memasang tabung bagian luar........................................................ 47Gambar 3.28 Penyambungan dua pipa dengan las tembaga ................................ 48Gambar 3.29 Membuat tutup tabung ................................................................... 48Gambar 3.30 Membuat tabung diameter 100 mm ............................................... 49Gambar 3.31 Hasil akhir pembuatan water heater .............................................. 49Gambar 4.1 Pipa tembaga yang sudah diroL ...................................................... 50Gambar 4.2 Pipa penangkap kalor gas buang dan tabung bagian dalam ............ 51Gambar 4.3 Water heater tampak bawah ............................................................ 51Gambar 4.4 Water heater tampak samping atas .................................................. 52Gambar 4.5 Skema penelitian water heater ........................................................ 53Gambar 5.1 Hubungan debit air dengan suhu air keluar

  (kondisi gas maksimum, m gas max = 0,028 kg/menit) ....................... 70

Gambar 5.2 Hubungan debit air dengan suhu air keluar

  (kondisi gas medium, m gas med = 0,022 kg/menit) ............................ 70

Gambar 5.3 Hubungan debit air dengan suhu air keluar

  (kondisi gas low, m gas low = 0,013 kg/menit) .................................. 71

Gambar 5.4 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (kondisi gas maksimum, m gas max = 0,028 kg/menit) ................. 71Gambar 5.5 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (kondisi gas medium, m = 0,022 kg/menit) ...................... 72

  gas med

  air (kondisi gas low, m gas low = 0,013 kg/menit) ............................. 72

Gambar 5.7 Hubungan debit air dengan efisiensi (kondisi gas maksimum, m

  gas max

  = 0,028 kg/menit) ........................................... 73

Gambar 5.8 Hubungan debit air dengan efisiensi (kondisi gas medium, m gas med = 0,022 kg/menit) ............................................... 73Gambar 5.9 Hubungan debit air dengan efisiensi (kondisi gas low, m

  gas low

  = 0,013 kg/menit) ...................................................... 74

Gambar 5.10 Hubungan debit air dengan suhu air keluar (T out ) pada kondisi gas maksimum, medium, dan low ........................... 79Gambar 5.11 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (q air ) pada kondisi gas maksimum, medium dan low .............. 80Gambar 5.12 Hubungan debit air dengan efisiensi (η) water heater pada kondisi gas maksimum, medium, dan low ........................... 81

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Nilai konduktivitas termal/bahan ........................................................ 10Tabel 2.2 Sifat

• – sifat bahan logam pada suhu 20 °C ......................................... 11

Tabel 2.3 Sifat

• – sifat bahan bukan logam .......................................................... 12

Tabel 2.4 Daya pemanasan dan efisiensi berbagai macam bahan bakar ............. 15Tabel 2.5 Komposisi udara dalam keadaan kering ............................................. 16Tabel 5.1 Hasil pembakaran gas ......................................................................... 57Tabel 5.2 Hasil pengujian pada kondisi gas maksimum ..................................... 57Tabel 5.3 Hasil pengujian pada kondisi gas medium .......................................... 58Tabel 5.4 Hasil pengujian pada kondisi gas low ................................................. 58Tabel 5.5 Hasil pengujian pada kondisi gas maksimum, medium, dan low ....... 59Tabel 5.6 Data hasil perhitungan water heater pada kondisi gas maksimum ..... 68Tabel 5.7 Data hasil perhitungan water heater pada kondisi gas medium ......... 68Tabel 5.8 Data hasil perhitungan water heater pada kondisi gas low ................ 69

  

ABSTRACT

  The purpose of the LPG water heater with exhaust gas catcher with as follows (a) to make a water heater with an energy source called LPG (b) to determine the characteristic of LPG water heater that has been made, for the example : (1) to determine the rate of heat flow given by LPG (2) to determine the relation between water debit which enter the water heater and the temperature which go out from the water heater (3) to determine the relationship between water discharge rate of heat transfer to the water received (4) to determine the efficiency

• – of the water heater that produces water exit temperature of the water heater by 37 41 °C.

  Research and implementation in Mechanical Engineering Laboratory USD, while the limits in the manufacture of LPG water heater with exhaust gas catcher, such as (a) intake temperature of water which enter the water heater equal with water temperature in wells (b) pipe material which is used in this device is a pipe copper with an inner diameter of 0.5 inches and a length of 14 meters (c) the temperature of the hot water is in range 37

• – 41 °C with a minimum flow of 6 liters per minute (d) using 2 layers of tube with perforated material galvalum and (e) using coil with 3 meter long pipe to be heated by the exhaust gas before entering the water heater (f) water pipeline was given a copper pipe fins from materials that have a length of 0.25 meters and inside diameter 0.5 inches (g) source of thermal energy from LPG. Variation was made depend on the size of the incoming flow of water with 10 variations of discharge into the water heater with a gas discharge maximum, medium, and low (a) water heater with a gas condition of maximum, medium, and low are made to compete with the existing water heater in the market and able to meet the target with the minimum of 6 liters discharge outlet temperature range 37
• – 41 °C (b) the rate of LPG heat flow supplied to the condition of maximum of 0.028 kg/minute, the rate of LPG heat flow supplied to the medium condition of 0.022 kg/minute, LPG heat flow supplied to the low condition of 0.013 kg/minute (c) the best results among the intake water flow to the outflow water temperature of the water heater is a water heater with a maximum gas conditions the best result among the incoming water discharge with a flow rate of heat received water is the water heater with the maximum gas conditions (e) best results between the incoming water discharge with efficiency of the water heater is water heater with maximum gas conditions (f) at water temperature between
• – 41 °C water heater with the condition of maximum discharge capable of producing gas 19,68 liters/minute with efficiency of 74.29 %, on the conditions of gas medium able to produce 13.2 liters/minute with the efficiency of 64,92 %, on the conditions of gas low capable to of producing 5,52 liters/minute with efficiencies of 41,32 %.

  Keywords: water heater, heat catcher exhaust gas, LPG.

  

ABSTRAK

  Tujuan water heater dengan penangkap kalor gas buang berbahan bakar LPG adalah sebagai berikut (a) membuat water heater dengan sumber energi gas LPG (b) mengetahui karakteristik dari water heater gas LPG yang telah dibuat antara lain (1) mengetahui laju aliran kalor yang diberikan gas LPG (2) mengetahui hubungan antara debit air yang masuk dengan suhu air yang keluar dari water heater (3) mengetahui hubungan antara debit air dengan laju perpindahan kalor yang diterima air (4) mengetahui efisiensi dari water heater yang menghasilkan suhu air keluar water heater sebesar 37

• – 41 °C. Penelitian dan pelaksanaan di Laboratorium Teknik Mesin USD, adapun batasan
• – batasan dalam pembuatan water heater menggunakan penangkap kalor gas buang berbahan bakar LPG antara lain (a) suhu air yang masuk water heater sama dengan suhu air sumur (b) bahan pipa yang digunakan adalah pipa tembaga dengan diameter dalam 0,5 inci dan panjang 14 meter (c) suhu air panas yang dihasilkan berkisar
• – 41 °C) dengan debit minimal 6 liter per menit (d) menggunakan 2 lapisan tabung dengan bahan galvalum dan berlubang (e) menggunakan lilitan pipa dengan panjang 3 meter yang akan dipanaskan oleh gas buang sebelum masuk water heater (f) saluran pipa air diberi sirip dari bahan pipa tembaga yang mempunyai panjang 0,25 meter dan diameter dalam 0,5 inci (g) sumber energi panas dari gas LPG. Variasi dilakukan terhadap besar kecilnya debit air yang masuk dengan 10 variasi debit yang masuk ke dalam water heater dengan debit gas maksimum, medium, dan low (a) water heater dengan kondisi gas maksimum, medium, dan low yang dibuat mampu bersaing dengan water heater yang ada di pasaran dan mampu memenuhi target dengan debit minimal 6 liter pada suhu keluar berkisar 37
• – 41 °C (b) laju aliran kalor yang diberikan gas LPG untuk kondisi maksimum sebesar 0,028 kg/menit, laju aliran kalor yang diberikan gas LPG untuk kondisi medium sebesar 0,022 kg/menit, aliran kalor yang diberikan gas LPG untuk kondisi low sebesar 0,013 kg/menit (c) hasil terbaik antara debit air yang masuk dengan suhu air yang keluar dari water heater adalah

  

water heater dengan kondisi gas maksimum (d) hasil terbaik antara debit air yang

  masuk dengan laju aliran kalor yang diterima air adalah water heater dengan kondisi gas maksimum (e) hasil terbaik antara debit air yang masuk dengan efisiensi dari water heater adalah water heater dengan kondisi gas maksimum (f) pada suhu air keluar antara 37

• – 41 °C water heater dengan kondisi gas maksimum mampu menghasilkan debit 19,68 liter/menit dengan efisiensi sebesar 74,29 %, pada kondisi gas medium mampu menghasilkan debit 13,2 liter/menit dengan efisiensi sebesar 64,92 %, pada kondisi gas low mampu menghasilkan 5,52 liter/menit dengan efisiensi sebesar 41,32 %.

  Kata Kunci : water heater, penangkap kalor gas buang, LPG.

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pada saat ini perkembangan di bidang teknologi mengalami kemajuan. Dengan kemajuan teknologi manusia semakin mudah memenuhi kebutuhan hidupnya untuk mendapatkan kenyamanan dan kualitas hidup yang lebih baik. Kemajuan teknologi dapat menyelesaikan masalah-masalah terhadap penyediaan kebutuhan bagi masyarakat yang menginginkan kualitas hidup yang lebih baik. Salah satu kebutuhan masyarakat tersebut adalah kebutuhan akan tersedianya air

  panas. Kebutuhan akan air panas saat ini tidak dapat dipungkiri, banyak orang memerlukan air panas baik untuk kebutuhan pribadi, rumah tangga, dan produksi.

  Air panas untuk kebutuhan pribadi misalnya untuk membuat minuman panas dan makanan cepat saji. Air panas dalam skala rumah tangga banyak digunakan untuk mandi para orang yang sudah tua, untuk bayi, untuk orang sakit, dan untuk mandi para pekerja yang pulang malam. Mandi air hangat dapat memberikan kehangatan pada tubuh serta dapat melebarkan pori-pori kulit tubuh. Untuk keperluan produksi, air panas dapat digunakan untuk mensterilkan botol minuman pada pabrik produsen minuman botol, untuk membersihkan peralatan-peralatan yang dipergunakan di ruang operasi di rumah sakit, untuk mengisi kolam renang air panas dan untuk melepaskan bulu-bulu ayam di tempat pemotongan ayam.

  Salah satu alat yang digunakan untuk menghasilkan air panas adalah pemanas air atau water heater. Pembuatan alat ini berdasarkan akan kebutuhan air teknologi, semakin banyak pula penemuan alat pemanas air modern yang lebih canggih, efektif dan efisien.

  Di pasaran ada beberapa model water heater yaitu water heater dengan sumber panas tenaga surya atau matahari, listrik, dan water heater dengan sumber panas dari gas LPG. Water heater dari gas LPG memiliki beberapa keunggulan dalam pemanasan air bila dibandingkan dengan water heater yang lain.

  Keunggulan water heater dari gas LPG adalah pemanasan air yang terjadi mempunyai waktu yang relatif lebih singkat dan dapat digunakan dimanapun dan kapanpun sehingga kebutuhan akan air panas dapat tercukupi. Dikatakan dapat dipergunakan dimanapun karena water heater gas LPG ini dapat dipakai di berbagai tempat, seperti di hotel, rumah sakit, perindustrian, dan rumah tangga. Dapat dikatakan kapanpun karena water heater gas LPG dapat digunakan ketika listrik padam atau di daerah yang tidak ada aliran listrik, di malam hari atau siang hari pada saat cuaca yang mendung. Selain itu water heater gas LPG, lebih cepat memanaskan air, sehingga tidak perlu waktu untuk menunggu. Demikian juga tidak terbatas dengan jumlah air panas yang akan dipergunakan untuk mandi.

  Dibandingkan dengan pemanas energi surya, water heater gas LPG kurang ramah lingkungan, karena menghasilkan gas buang hasil pembakaran gas LPG.

  Selain itu gas LPG akan habis bila dipakai terus menerus sehingga memerlukan waktu untuk pengisian gas kembali, berbeda dengan energi surya yang tidak akan pernah habis. Bila dibandingkan dengan pemanas energi listrik, water heater gas LPG lebih hemat listrik, tetapi ada biaya yang dipergunakan untuk membeli gas LPG. Selain itu untuk memanaskan air, penggunaan gas LPG lebih cepat dari penggunaan energi listrik karena energi kalor yang dihasilkan dari pembakaran gas LPG lebih besar daripada energi kalor yang dihasilkan oleh energi listrik, hanya saja kurang ramah lingkungan. Dalam perancangan water heater gas LPG, panjang pipa mempengaruhi panas atau kalor yang dihasilkan water heater, karena permukaan yang terpapar oleh api akan semakin banyak dan suhu air akan meningkat dengan cepat. Hal itu akan berdampak pada meningkatnya efisiensi terhadap waktu dan efektifitas terhadap kerja yang dilakukan tersebut.

  Dengan latar belakang di atas penulis termotivasi dan terdorong untuk mendalami water heater gas LPG dengan cara melakukan pembuatan dan penelitian tentang water heater. Panjang pipa yang dipakai 14 meter, diameter 0,5 inci dan dengan lilitan pipa sepanjang 3 meter untuk menangkap kalor dari gas buang. Diharapkan water heater yang dihasilkan dapat bersaing dengan water

  

heater yang ada di pasaran atau dapat menghasilkan suhu air keluar water heater

  lebih tinggi dari suhu air keluar water heater yang ada di pasaran dengan debit yang sama.

1.2. Tujuan Penelitian

  Tujuan dari penelitian tentang water heater dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inci dan dengan lilitan pipa pemanas sepanjang 3 meter untuk menangkap kalor dari gas buang adalah mengetahui karakteristik water heater yang meliputi : a. Membuat alat water heater dengan sumber energi gas LPG.

  b. Mengetahui karakteristik dari water heater gas LPG yang telah dibuat :

  1. Mengetahui laju aliran kalor yang diberikan gas LPG.

  2. Mengetahui hubungan antara debit air yang masuk dengan suhu air yang keluar dari water heater.

  3. Mengetahui hubungan antara debit air dengan laju perpindahan kalor yang diterima air.

  4. Mengetahui hubungan antara debit air dengan efisiensi dari water heater .

  5. Mengetahui besarnya debit air dan efisiensi water heater yang menghasilkan suhu air keluar water heater sebesar 37 - 41 °C.

1.3. Batasan Masalah

  Batasan-batasan masalah yang diambil dalam pembuatan peralatan penelitian ini adalah : a. Suhu air yang masuk water heater sama dengan suhu air sumur.

  b. Bahan pipa yang digunakan adalah pipa tembaga dengan diameter dalam 0,5 inci dan panjang 14 meter.

  c. Suhu air panas yang dihasilkan berkisar (37

• – 41 °C) dengan debit minimal 6 liter per menit.

  d. Menggunakan 2 lapisan tabung dengan bahan galvalum dan berlubang.

  e. Menggunakan lilitan pipa dengan panjang 3 meter yang akan dipanaskan oleh gas buang sebelum masuk water heater.

  f. Saluran pipa air diberi sirip dari bahan pipa tembaga yang mempunyai panjang 0,25 meter dan diameter dalam 0,5 inci.

  g. Sumber energi panas dari gas LPG.

1.4. Manfaat

  Manfaat penelitian tentang peralatan pemanas air dengan sumber panas dari gas LPG ini meliputi : a. Manfaat Teoritis

  1. Memperoleh data karakteristik tentang water heater buatan sendiri dengan spesifikasi panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inci, dan lilitan pipa sepanjang 3 meter untuk menangkap kalor dari gas buang.

  2. Menjadi pedoman dan referensi bagi peneliti lain yang akan melakukan penelitian tentang water heater.

  b. Manfaat Praktis

  1. Dapat memberikan sumbangan bagi pengembangan ilmu pengetahuan tentang penukar kalor khususnya tentang water heater.

  2. Dapat digunakan untuk menghasilkan kebutuhan air panas untuk memenuhi kebutuhan hidup masyarakat.

BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Dasar Teori 2.1.1. Perpindahan kalor Perpindahan kalor atau heat transfer adalah ilmu untuk meramalkan

  perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Kalor suatu benda tergantung pada suhu benda tersebut. Semakin tinggi suhu benda, maka semakin besar kalor yang dikandungnya. Kalor berpindah dari tempat yang bersuhu tinggi ke tempat yang bersuhu rendah.

  Perpindahan kalor ada 3 cara yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

  a. Perpindahan Kalor Konduksi Perpindahan kalor konduksi menurut Kreith adalah proses di mana panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam satu medium baik dalam bentuk padat, cair, dan gas atau antara medium-medium/ benda-benda yang berlainan bersinggungan menjadi satu.

  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

  A A

  tembaga

  B B air

  B B A A

Gambar 2.1 Perpindahan kalor konduksi dari titik A menuju B

  b. Perpindahan Kalor Konveksi Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan energi kalor yang diikuti gerak partikel-partikel zat perantara atau mediumnya. Konveksi terjadi akibat adanya ekspansi thermal dan konduksi. Konveksi merupakan fluida yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu di fluida tersebut. Ekspansi thermal adalah sifat yang berasal dari sustansi yang bersuhu tinggi di mana partikel- partikel sustansi tersebut volumenya meluas atau membesar akibat kalor yang diterima. Pada perpindahan kalor ini dapat terjadi pada zat cair dan gas. 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. Angin laut menyebabkan perbedaan massa jenis udara diatas permukaan darat dan permukaan laut. Pada water heater perpindahan kalor secara konveksi dapat ditemukan pada permukaan dalam pipa yang mengalirkan panas ke air di dalam pipa.

   tembaga B

  B

  air

  C C B B

Gambar 2.2 Perpindahan kalor konveksi dari titik B menuju C

  c. Perpindahan Kalor Radiasi Perpindahan kalor radiasi menurut Koestoer, R. A adalah perpindahan kalor melalui gelombang elektromagnet atau paket-paket energi (photon) yang dapat mengalir atau berpindah sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium atau tanpa bersinggungan. Contoh perpindahan kalor radiasi adalah panas sinar matahari yang sampai ke bumi dan kalor yang sampai ke tubuh kita saat kita menyalakan api unggun. Pada water heater perpindahan kalor secara radiasi terjadi pada tabung bagian dalam menuju ke bagian luar pipa pemanas, tabung bagian dalam menuju tabung bagian luar, dari tabung bagian luar ke udara di

  A A

  tembaga air

  A A

  udara lingkungan udara lingkungan

Gambar 2.3 Perpindahan kalor radiasi dari udara lingkungan menuju titik A 2.1.2.

   Perancangan Pipa

  Ada beberapa hal yang dipertimbangkan dalam perancangan saluran air, diantaranya adalah (a) pemilihan bahan (b) pemilihan diameter pipa (c) pemilihan geometri pipa pemanas

  a. Pemilihan bahan Pemilihan bahan pipa 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 konduktivitas termal bahan, semakin besar laju aliran kalornya. Pemilihan saluran air juga harus mempertimbangkan harga dari bahan saluran pipanya. Artinya harga terjangkau. Selain itu bahan pipa juga tidak boleh berkarat, sebab kalau berkarat, akan dapat mengotori air yang mengalir dan pipa akan dapat cepat bocor. Titik lebur bahan pipa juga harus tinggi, agar ketika dibakar bahan pipa tidak melebur atau meleleh.

Tabel 2.1 Nilai konduktivitas termal/bahan (Holman, 1995)

  Nilai konduktivitas termal Suhu titik lebur No Bahan

  Watt/m.ºC °C 400

  1 Perak (murni) 410 600

  2 Tembaga (murni) 385 400

  3 Aluminium (murni) 202 1455

  4 Nikel (murni)

  93 1200

  5 Besi (murni)

  73 1200

  6 Baja karbon, 1% C

  43 327

  7 Timbal (murni)

  35 Berdasarkan Tabel 2.1, dipilih bahan pipa dari tembaga yang memiliki nilai konduktivitas termal yang tinggi dengan harga yang terjangkau.

  b. Pemilihan diameter pipa Pemilihan diameter pipa juga merupakan hal yang penting karena semakin kecil diameter pipa, daya pompanya semakin besar. Semakin kecil diameter pipa akan semakin besar hambatannya. Ukuran diameter pipa dipilih sedemikian sehingga tidak menghasilkan daya pompa yang besar, tetapi harga jual water

  heater dapat terjangkau.

  c. Pemilihan geometri pipa pemanas

  Dalam perancangan water heater dibuat pipa dengan bentuk spiral karena akan meminimalkan hambatan yang terjadi ketika air mengalir. 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 saluran air berbentuk spiral, proses perpindahan kalor dari api ke permukaan luar pipa pemanas dapat berlangsung dengan baik. Seluruh permukaan luar pipa akan terkena api atau aliran gas panas hasil proses pembakaran.

2.1.3. Konduktor dan Isolator

  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

  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 2.2

Tabel 2.2 Sifat - sifat bahan logam pada suhu 20 °C Holman1995)

  3

  2 No Bahan k (W/mºC) c p (kJ/ ) /s)

  kg.˚C) ρ (kg/m α (m

• 5

  1 Perak 419 0,2340 10524 17,004 x 10

• 5

  2 Tembaga 386 0,3831 8954 11,234 x 10 Lanjutan Tabel 2.2

  3

  2 No Bahan k (W/mºC) c p (kJ/ ) /s)

  kg.˚C) ρ (kg/m α (m

• 5

  3 Alumunium 204 0,896 2707 8,418 x 10

• 5

  4 Seng 112,2 0,3843 7144 4,106 x 10

• 5

  5 Besi 73 0,452 7897 2,034 x 10

• 5

  6 Baja 54 0,465 7833 1,474 x 10

  b. Isolator 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 kalor hasil proses pembakaran bahan bakar tidak banyak keluar dari water heater. Isolator yang digunakan adalah udara karena udara tidak menghambat suplai oksigen dari luar water heater masuk ke dalam water heater melalui saluran udara masuk.

  

Water heater 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 2.3 Sifat-sifat bahan bukan logam (Holman, 1995)

  3

  2 No Bahan k (W/mºC) ) /s)

  c (kJ/kg.˚C) ρ (kg/m α (m

• 7

  1 Asbes 0,154 0,816 470-570 3,3-4 x 10

• 7

  2 Gabus 0,045 1,88 45-120 2-5,3 x 10

• 7

  3 Gelas 0,78 0,84 2700 3,4 x 10

• 7

  4 Bata bangunan 0,69 0,84 1600 5,2 x 10

• 7

  2,8 640 0,82 x 10

  5 Kayu Pinus 0,147

• 7

  6 Udara 0,009246 1,0266 3,601 25,01 x 10

  2.1.4. Sirip

  Pada umumnya sirip sering digunakan pada alat penukar kalor untuk mendistribusikan kalor yang memiliki suhu tinggi ke suhu rendah melalui media.

  Material sirip biasanya 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. Sirip dalam water heater digunakan untuk membantu mempercepat terjadinya kenaikan suhu di permukaan pipa-pipa penyalur air, karena sirip water

  

heater terbuat dari tembaga yang memiliki sifat konduksi yang baik, sirip

  menyerap panas dari pembakar dengan baik kemudian menyalurkan pada pipa- pipa penyalur air untuk menaikkan suhu pada air yang mengalir di dalam pipa.