KARAKTERISTIK WATER HEATER DENGAN PANJANG PIPA 12 METER, DIAMETER 0,5 INCI, DAN PENANGKAP KALOR GAS BUANG

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

KARAKTERISTIK WATER HEATER DENGAN PANJANG PIPA 12 METER, DIAMETER 0,5 INCI, DAN PENANGKAP KALOR GAS BUANG

SKRIPSI

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

Diajukan oleh

FRANSISKUS DONATUS FAAN NIM:105214033

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2015

i


CHARACTERISTIC OF WATER HEATER WITH PIPE 12 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

FRANSISKUS DONATUS FAAN Student Number : 105214033

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2015

ii


iii


iv


v


vi


KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-Nya yang telah diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 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 “ Karakteistik Water Heater Dengan Panjang Pipa Pemanas 12 Meter dan Diameter 0,5 Inchi dan Penangkap Kalor Gas Buang ” Dalam 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. Ir. PK. Purwadi,M.T, selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan selaku Dosen Pembimbing Skripsi. 2. Dr. Asan Damanik selaku Dosen Pembimbing Akademik. 3. Seluruh Staf Pengajar di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma. 4. Manase Faan dan Anastasia Sri Widanarti serta Ari Suryono sebagai orang tua dan orang tua wali, atas semua dukungan baik secara materi maupun spiritual selama belajar di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.

vii


viii


DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL................................................................................................i TITLE PAGE...........................................................................................................ii LEMBAR PERSETUJUAN...................................................................................iii LEMBAR PENGESAHAN....................................................................................iv HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA.............................................v HALAMAN PERNYATAAN PEMPUBLIKASIKAN KARYA..........................vi KATA PENGANTAR...........................................................................................vii DAFTAR ISI...........................................................................................................ix DAFTAR GAMBAR.............................................................................................xii DAFTAR TABEL.................................................................................................xvi ABSTRAK...........................................................................................................xvii ABSTRACT.......................................................................................................xviii BAB I. PENDAHULUAN.......................................................................................1 1.1.

Latar Belakang.................................................................................1

1.2.

Perumusan Masalah.........................................................................3

1.3.

Tujuan..............................................................................................3

1.4.

Batasan Masalah..............................................................................3

1.5.

Manfaat Penelitian...........................................................................4

BAB II. DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA.......................................5 2.1.

DASAR TEORI...............................................................................5 2.1.1. Perpindahan Kalor...............................................................5

ix


2.1.2. Perancangan Pipa.................................................................8 2.1.3. Isolator dan Konduktor......................................................10 2.1.4

Sirip....................................................................................12

2.1.5. Saluran Udara Masuk.........................................................12 2.1.6. Kebutuhan Udara...............................................................13 2.1.7. Sumber Api........................................................................14 2.1.8. Bahan Bakar.......................................................................16 2.1.9. Proses Pembakaran LPG....................................................18 2.1.10. Saluran Gas Buang.............................................................19 2.1.11. Laju Aliran Kalor...............................................................19 2.1.12. Efisiensi Water Heater.......................................................21 2.2.

Tinjauan Pustaka............................................................................21 2.2.1. Spesifikasi Beberapa Water Heater yang ada di pasaran..21 2.2.2. Kontruksi Water Heater yang ada di pasaran....................25 2.2.3. Hasil Penelitian..................................................................29

BAB III. PEMBUATAN WATER HEATER..........................................................33 3.1.

Persiapan........................................................................................33

3.2.

Bahan Water Heater......................................................................33

3.3.

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

3.4..

Proses Pembuatan Alat..................................................................41

BAB IV. METODOLOGI PENELITIAN.............................................................50 4.1.

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

4.2.

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

x


4.3.

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

4.4.

Variasi Penelitian...........................................................................54

4.5.

Cara Mendapatkan Data.................................................................54

4.6.

Cara Mengolah Data dan Melakukan Pembahasan.......................55

4.7.

Cara Mendapatkan Kesimpulan.....................................................55

BAB V. HASIL PENELITIAN, PERHITUNGAN 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 (Um)..........................60 5.2.3. Perhitungan laju aliran massa air (mair)..............................63 5.2.4. Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air..................64 5.2.5. Efisiensi Water Heater.......................................................65

5.3.

Hasil perhitungan pengujian alat pada Water Heater....................66

5.4.

Pembahasan....................................................................................73

BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN..............................................................78 6.1.

Kesimpulan....................................................................................78

6.2.

Saran..............................................................................................79

DAFTAR PUSTAKA............................................................................................80

xi


DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Perpindahan kalor secara konduksi pada contoh saluran pipa.........6 Gambar 2.2.

Perpindahan kalor secara konveksi pada contoh salura pipa...........7

Gambar 2.3. Perpindahan kalor sacara radiasi pada contoh saluran pipa.............8 Gambar 2.4. Media pembakar yang menggunakan bahan bakar LPG...............14 Gambar 2.5. Kompor portable RT......................................................................15 Gambar 2.6. Kompor gas 2 tungku.....................................................................15 Gambar 2.7. Aliran fluida dalam saluran air......................................................20 Gambar 2.8. Water Heater gas LPG tipe WH1..................................................22 Gambar 2.9. Water Heater gas LPG tipe WH2..................................................23 Gambar 2.10. Water Heater gas LPG tipe WH3..................................................24 Gambar 2.11. Water Heater model 1....................................................................25 Gambar 2.12. Water Heater model 2....................................................................26 Gambar 2.13. Water Heater model 3....................................................................27 Gambar 2.14. Water Heater model 4....................................................................28 Gambar 3.1. Pipa tembaga panjang....................................................................34 Gambar 3.2. Plat galvanum.................................................................................34 Gambar 3.3. Besi strip........................................................................................34 Gambar 3.4. Baut dan mur..................................................................................35 Gambar 3.5. Nako besi.......................................................................................35 Gambar 3.6. Paku keling.....................................................................................35

xii


Gambar 3.7. Bor..................................................................................................36 Gambar 3.8. Gerinda...........................................................................................36 Gambar 3.9. Las tembaga...................................................................................37 Gambar 3.10. Las listrik.......................................................................................37 Gambar 3.11. Kunci pas.......................................................................................38 Gambar 3.12. Pemotong pipa tembaga.................................................................38 Gambar 3.13. Penekuk pipa tembaga...................................................................39 Gambar 3.14. Tang...............................................................................................39 Gambar 3.15. Gunting plat...................................................................................40 Gambar 3.16. Meteran..........................................................................................40 Gambar 3.17. Jangka sorong.................................................................................41 Gambar 3.18. Pembentukan pipa tembaga menjadi spiral....................................42 Gambar 3.19. Pembentukan lingkaran..................................................................43 Gambar 3.20. Penyambungan kerangka water heater..........................................43 Gambar 3.21. Pengerjaan lubang untuk paku keling............................................44 Gambar 3.22. Membuat lubang udara..................................................................44 Gambar 3.23. Membuat tabung bagian dalam......................................................45 Gambar 3.24. Pemasangan sirip...........................................................................45 Gambar 3.25. Pemasangan pipa penangkap kalor gas buang...............................46 Gambar 3.26. Pengerjaan tabung bagian luar.......................................................47 Gambar 3.27. Proses penyambungan pipa............................................................47 Gambar 3.28. Proses pembuatan penutup tabung.................................................48 Gambar 3.29. Proses membuat tabung diameter 100 mm....................................49

xiii


Gambar 3.30. Hasil akhir dari pembuatan water heater.......................................49 Gambar 4.1. Water heater yang siap diuji (ukuran dalam mm).........................50 Gambar 4.2. Pipa tembaga yang sudah dirol (ukuran dalam mm).....................51 Gambar 4.3. Water heater tampak dari atas (ukuran dalam mm).......................51 Gambar 4.4. Skema rangkaian alat penelitian....................................................52 Gambar 5.1. Hubungan debit air dengan suhu air keluar (kondisi gas maksimum)................................................................69 Gambar 5.2. Hubungan debit air dengan suhu air keluar (kondisi gas medium).....................................................................69 Gambar 5.3. Hubungan debit air dengan suhu air keluar (kondisi gas low)............................................................................70 Gambar 5.4. Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (kondisi gas maksimum)................................................................70 Gambar 5.5. Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (kondisi gas medium).....................................................................71 Gambar 5.6. Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (konidisi gas low)...........................................................................71 Gambar 5.7. Hubungan debit air dengan efisiensi (kondisi gas maksimum).....72 Gambar 5.8. Hubungan debit air dengan efisiensi (kondisi gas medium)..........72 Gambar 5.9. Hubungan debit air dengan efisiensi (kondisi gas low).................73 Gambar 5.10. Hubungan debit air dengan suhu air keluar (Tout) pada kondisi gas maksimum, medium, dan low..................................................75 Gambar 5.11. Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air

xiv


(qair) pada kondisi gas maksimum, medium, dan low....................76 Gambar 5.12. Hubungan debit air dengan efisiensi (η) water heater pada kondisi gas maksimum, medium, dan low..................................................77

xv


DAFTAR TABEL

Tabel

2.1. Nilai konduktifitas termal/bahan....................................................10

Tabel

2.2. Sifat-sifat bahan bukan logam.......................................................11

Tabel

2.3. Sifat-sifat bahan logam pada suhu 20oC........................................11

Tabel

2.4. Komposisi udara dalam keadaan normal.......................................13

Tabel

4.1. Data volume air dan selang waktu pengukuran.............................56

Tabel

4.2. Tabel berat gas dan selang waktu pengukuran..............................56

Tabel

5.1. Hasil pengujian kondisi gas pada proses pembakaran gas.............57

Tabel

5.2. Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas maksimum..............57

Tabel

5.3. Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas maksimum..............58

Tabel

5.4. Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas low..........................58

Tabel

5.6. Hasil perhitungan water heater pada kondisi gas maksimum.......67

Tabel

5.7. Hasil perhitungan water heater pada kondisi gas medium............67

Tabel

5.8. Hasil perhitungan water heater pada kondisi gas low...................68

xvi


ABSTRAK

Dipasaran, informasi tentang efisiensi water heater biasanya tidak dicantumkan demikian juga informasi yang terkait dengan karakteristik water heater itu. Karena itu, dalam penelitian ini dilakukan (a) perancangan dan pembuatan water heater berbahan bakar LPG, dan (b) analisis karakteristik nya penelitian dilakukan di laboratorium Teknin Mesin Universitas Sanata Dharma. Adapun batasan masalah dalam pembuatan water heater dengan penangkap kalor gas buang dan berbahan bakar LPG antara lain (a) suhu air yang masuk water heater sama dengan suhu air sumur (b) bahan yang digunakan adalah pipa tembaga dengan diameter dalam 0,5 inci dan panjang 12 meter (c) suhu air panas yang dihasilkan berkisar (370C - 410C) dengan debit minimal 6 liter per menit (d) menggunakan 2 lapisan tabung dengan bahan galvanum dan berlubang (e) menggunakan lilitan pipa tembaga 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 diameter 0,5 inci dan panjang 0,25 meter (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 sehingga nantinya mampu bersaing dengan water heater yang ada dipasaran. (a) efisiensi water heater pada kondisi gas maksimum mampu mencapai 57,58%, (b) pada kondisi medium mampu mencapai 49,39% dan (c) pada kondisi gas low mampu mencapai 38,95%, (d) laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi gas masksimum menghasilkan debit 16,08 liter/menit (e) pada kondisi medium mampu menghasilkan debit 10,68 liter/menit dan (f) pada kondisi low mampu menghasilkan debit 5,4 liter/menit.

xvii


ABSTRACT

In the market, information on the efficiency of the water heater is usually not included as well as information relating to the characteristics of the water heater. Therefore, in this research (a) the design and manufacture of LPG-fueled water heater, and (b) the research characteristics is conducted in the laboratory of Mechanical Engineering the University of Sanata Dharma. The limit problem in the manufacturing of water heater with heat trapping exhaust gas and LPG-fueled among other things (a) the temperature of water entering the water heater is equal to the water temperature wells (b) the materials used are copper pipes with an inner diameter of 0.5 inches and a length 12 meters (c) the temperature of hot water produced range (370C - 410C) with a debit of at least 6 liters per minute (d) using 2 layers of tubes with a material galvanum and perforated (e) using a coil of copper pipe with a length of 3 meters to be heated by exhaust gas before entering the water heater (f) given a water pipe from the pipe material copper fins having a diameter of 0.5 inches and a length of 0.25 meters (g) a source of heat energy from the gas LPG. Variations made to the size of the incoming water flow with 10 variations of discharge into the water heater with a gas discharge maximum, medium, and low so it will be able to compete with the water heater in the market. (a) the efficiency of the water heater on maximum gas conditions are able to achieve 57.58%, (b) the condition of the medium is able to achieve 49.39% and (c) the condition of low gas capable of achieving 38.95%, (d) the rate of heat flow received water conditions resulted in the discharge gas maximum 16.08 liters / minute (e) under conditions capable of producing discharge medium 10.68 liters / min and (f) at conditions of low flow is capable of producing 5.4 liters / minute.

xviii


BAB I PENDAHULUAN 1.1.

Latar Belakang Dengan kemajuan zaman yang semakin berkembang dan pertambahan

penduduk yang semakin meningkat, berbagai cara ditemukan untuk meningkatkan kualitas hidup manusia. Salah satu caranya adalah menciptakan alat pemanas air untuk keperluan mandi air hangat. Kebutuhan manusia yang sangat mendasar adalah kebutuhan air hangat yang digunakan untuk keperluan mandi. Teknologi yang dapat menghasilkan air hangat di kenal dengan pemanas air atau water heater. Ditinjau dari sumber energi yang di pergunakan menjadi 3 macam diantara lain yang pertama water heater tenaga matahari ke dua menggunakan tenaga listrik dan yang ke tiga tenaga gas LPG. Masing-masing kelompok mempunyai keuntungan dan kerugian nya sendiri-sendiri. Dari ke tiga jenis water heater tersebut, water heater dengan menggunakan sumber energi gas LPG memiliki beberapa keunggulan. Keunggulan water heater dengan sumber energi gas LPG adalah dapat digunakan kapan pun dan dimanapun selama gas LPG tersedia, dan aliran air tersedia. Dapat dipergunakan dimanapun karena water heater ini dapat dipakai ditempat umum seperti rumah sakit, hotel, perindustrian, rumah tangga dan kantor. Dapat dikatakan dipergunakan kapanpun karena water heater jenis gas LPG dapat digunakan ketika terjadi pemadaman listrik, dapat digunakan disiang hari atau malam hari di saat hujan atau di saat hari cerah. Water heater dengan gas LPG lebih cepat dalam memanaskan air, sehingga tidak memerlukan waktu yang lama

1

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 2

untuk menggunakan air hangat. Kapasitas air hangat yang di hasilkan dan dapat digunakan untuk keperluan mandi juga tidak terbatas selama ada air yang mengalir dan selama ada gas LPG air panas dapat dihasilkan. Bila dibandingkan dengan water heater energi surya, water heater dengan gas LPG kurang ramah lingkungan, karena water heater dengan gas LPG dapat menghasilkan gas buang hasil dari proses pembakaran gas LPG. Selain itu gas LPG dapat habis bila digunakan terus menerus sehingga memerlukan pengisisan gas LPG kembali. Berbeda dengan energi surya yang sumber energi nya tidak akan pernah habis meski demikian, energi surya tidak dapat di gunakan pada malam hari cuaca mendung. Dibandingkan dengan water heater energi listrik, water heater dengan gas LPG lebih hemat listrik akan tetapi memerlukan biaya dalam pembeliaan gas LPG. Kekurangan dari gas LPG adalah tidak ramah lingkungan dan harus hati hati dalam penggunaannya agar tidak terjadi ledakan gasLPG. Dengan latar belakang tersebut, penulis terpancing untuk mendalami water heater gas LPG dengan cara melakukan pembuatan dan penelitian terhadap water heater gas LPG. Diharapkan hasil dari pembuatan dan penelitian efisiensi dari water heater yang dihasilkan dapat bersaing dengan water heater yang berada di pasaran atau dapat menghasilkan suhu air yang keluar lebih tinggi dibandingkan dengan water heater yang ada dipasaran dengan debit air yang sama.


1.2.

Perumusan Masalah Di pasaran, informasi tentang efisiensi water heater tidak tercantum pada

name plate dari water heater yang di jual jual di pasaran, demikian juga informasi secara detail tentang suhu air keluar dari water heater jika debit sudah di pilih. Informasi itu sangat penting bagi konsumen untuk menentukan water heater sesuai dengan yang diinginkan. 1.3.

Tujuan Tujuan dari penelitian dan pembuatan pemanas air atau water heater

dengan sumber energi panas LPG adalah : a.

Membuat dan merancang water heater dengan sumber energi gas LPG.

b.

Mengetahui karakteristik dari water heater dengan sumber energi gas LPG yang telah dibuat : 1. Mengetahui hubungan antara debit air yang masuk dengan suhu air yang keluar dari water heater. 2. Mengetahui hubungan antara debit air dengan laju perpindahan kalor yang diterima. 3. Mengetahui efisiensi dari water heater gas LPG.

1.4.

Batasan Masalah Batasan-batasan masalah yang diambil dalam pembuatan peralatan

penelitian ini adalah : a.

Suhu air yang masuk water heater sama dengan suhu air yang berada di kamar mandi.


b.

Bahan pipa yang digunakan adalah tembaga dengan diameter dalam 0,5 inci dan panjang pipa 12 meter.

c.

Temperatur suhu air panas yang dihasilkan minimal 370C - 400C dengan debit minimal 6 liter per menit.

d.

Menggunakan pipa tembaga 3 meter dengan berdiameter 0,5 inci untuk pemanasan awal air yang akan masuk water heater dengan memanfaatkan gas buang.

e.

Menggunakan 2 lapisan tabung dan berlubang.

1.5.

Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah :

a.

Dapat menjadi bahan referensi bagi para peneliti lain yang ingin mendalami tentang water heater.

b.

Dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan tentang penukar kalor dan khususnya bagi water heater.

c.

Dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan air hangat.


BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA

2.1.

Dasar Teori

2.1.1. Proses Perpindahan Kalor Perpindahan kalor merupakan ilmu untuk meramalkan perpindahan energi dalam bentuk kalor yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Dalam proses perpindahan energi tersebut tentu ada kecepatan perpindahan kalor yang terjadi, atau yang lebih dikenal dengan laju perpindahan kalor. Maka ilmu perpindahan panas juga merupakan ilmu untuk meramalkan laju perpindahan kalor yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Perpindahan kalor dapat didefinisikan sebagai suatu proses berpindahnya suatu energi (kalor) dari satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan temperatur pada daerah tersebut. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. a.

Perpindahan Kalor Secara Konduksi Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor

dimana kalor mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antar medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung sehingga terjadi pertukaran energi dan momentum. Laju perpindahan kalor yang terjadi pada perpindahan kalor konduksi adalah berbanding dengan gradien suhu normal sesuai dengan persamaan.

5


Tembaga Fluida

Gambar 2.1 Perpindahan kalor secara konduksi pada contoh saluran pipa Contoh perpindahan kalor secara konduksi pada water heater, dimana kalor berpindah dari dinding luar pipa tembaga menuju ke bagian dalam dinding pipa tembaga. b.

Perpindahan Kalor Secara Konveksi Konveksi adalah perpindahan panas karena adanya gerakan/aliran/

pencampuran dari bagian panas ke bagian yang dingin. Contohnya adalah kehilangan panas dari radiator mobil, pendinginan dari secangkir kopi dan sebaginya. Menurut cara aliran menggerakkan alirannya, perpindahan panas konveksi diklasifikasikan menjadi dua yakni konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Bila gerakan fluida disebabkan karena adanya perbedaan kerapatan karena perbedaan suhu, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi bebas (free/natural convection). Bila gerakan fluida disebabkan oleh gaya pemaksa/eksitasi dari luar, misalkan dengan pompa atau kipas yang menggerakkan fluida sehingga fluida mengalir di atas permukaan, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi paksa (forced convection).


Tembaga Fluida

Gambar 2.2 Perpindahan kalor secara konveksi pada contoh saluran pipa Contoh peprindahan kalor secara konveksi terjadi pada dinding dalam water heater ke fluida (air). c.

Perpindahan Kalor Radiasi Peprindahan kalor secara radiasi menurut Joseph Stefan peprindahan kalor

dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Pada radiasi, kalor atau energi merambat tanpa membutuhkan zat perantara, berbeda halnya dengan konduksi atau konveksi yang selalu membutuhkan medium. Sebenarnya setiap benda memancarkan dan menyerap energi radiasi. Benda panas ada yang berpijar dan ada juga yang tidak berpijar. Kedua benda tersebut memancarkan/meradiasikan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan berbagai panjang gelombang. Stefan (1879) menemukan bahwa laju rambat kalor secara radiasi tiap satu satuan luas permukaan benda bergantung pada sifat dan suhu permukaan benda. Benda yang mengkilap lebih sukar memancarkan kalor dari pada benda yang hitam dan kusam. Jadi dapat dikatakan bahwa benda hitam dan kusam merupakan pemancar dan penyerap kalor yang baik.


udara luar

udara luar

Tembaga Fluida

Gambar 2.3 Perpindahan kalor secara radiasi pada contoh saluran pipa Contoh perpindahan kalor secara radiasi, dimana perpindahan kalor terjadi dari lingkungan luar menuju ke dalam water heater. 2.1.2. Perancangan Pipa a.

Pemiihan bentuk pipa pemanas Dalam perancangan atau pembuatan water heater menggunakan pipa yang

dibentuk seperti spiral atau melingkar, hal ini disebabkan karena alasan berbentuk spiral adalah : 1.

Hambatan sedikit, sehingga daya pompa tidak besar, seperti diketahui untuk mendapatkan hambatan-hambatan yang kecil saat fluida mengalir di dalam pompa adalah:

2.



Menghindari belokan-belokan yang tajam



Menghindari percabangan

Supaya energi yang bersumber dari api, dapat diserap dengan baik oleh air, semua pipa kena api atau radiasi api langsung. Hambatan yang terjadi ketika air mengalir diusahakan sangat kecil. Dalam pembentukan saluran pipa tidak dibuat pipa yang melengkung tajam agar


hambatan yang dihasilkan tidak begitu 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 yang diperlukan untuk mendorong air lebih kecil. Dengan alasan tersebut, saluran pipa di buat berbentuk spiral. b.

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 sumber 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 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.


Tabel 2.1 Nilai Konduktifitas termal/bahan (Stefan, (1879) buku perpindahan kalor) No.

Bahan

Nilai konduktivitas termal Watt/m.ºC

Titik lebur

1

Timbal (murni)

35

327oC

2

Tembaga (murni)

385

600oC

3

Aluminium (murni)

202

400 oC

4

Besi (murni)

73

1200 oC

5

Nikel (murni)

93

1455 oC

6

Baja karbon 1% C

43

1200 oC

7

Perak (murni)

410

400 oC

Pertimbangan dalam pemilihan bahan pipa yang lain adalah : 1.

Harganya terjangkau, agar biaya yang di keluarkan tidak banyak.

2.

Bahan pipa tidak berkarat, jika berkarat akan dapat mengotori air yang akan di pergunakan untuk mandi selain kotor juga bau.

3.

Titik didih bahan pipa tinggi, bahan pipa tidak melebur atau meleleh saat di pergunakan.

C.

Pemilihan diameter pipa Pemilihan diameter pipa juga merupakan hal yang sangat penting, semakin

kecil diameter pipa yang dipakai, semakin besar dayanya. Semakin kecil diameter, semakin besar hambatannya. Ukuran diameter pipa dipilih sedemikian sehingga tidak menghasilkan daya yang besar, selain itu harga jual water heater dapat terjangkau. 2.1.3. Isolator dan Konduktor Berdasarkan kemampuan dalam menghantarkan kalor benda dibedakan menjadi dua jenis : (a) Isolator dan (b) konduktor


a.

Isolator Isolator adalah benda-benda yang tidak mampu atau tidak dapat

menghantarkan kalor dari suatu tempat ke tempat yang berbeda dengan baik. Contoh benda yang disebut isolator adalah : kayu, kain dan gabus. Pada percobaan ini memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah, isolator diperlukan agar kalor hasil proses pembakaran bahan bakar tidak banyak keluar dari water heater. Tabel 2.2 Sifat-sifat bahan bukan logam (Holman,1993) No Bahan k (W/mºC) c (kJ/kg.˚C) ρ (kg/m3) 1 Asbes 0,154 0,816 470-570 2 Gabus 0,045 1,88 45-120 3 Gelas 0,78 0,84 2700 4 Bata bangunan 0,69 0,84 1600 1,0266 3,601 5 Udara 0,009246

α (m2/s) 3,3-4 x 10-7 2-5,3 x 10-7 3,4 x 10-7 5,2 x 10-7 25,01 x 10-7

Pada pembuatan Water Heater ini dipilih Isolator nya adalah udara. b.

Konduktor Konduktor adalah bahan yang bersifat dapat menghantarkan kalor dengan

baik. Konduktor yang baik adalah yang memiliki nilai konduktivitas termal yang tinggi, pada umumya logam. Tabel 2.3 Sifat-sifat bahan logam pada suhu 200C (Holman,1993) No

Bahan

k (W/mºC)

cp (kJ/kg.˚C)

ρ (kg/m3)

α (m2/s)

1 2 3 4 5 6

Perak Tembaga Alumunium Seng Besi Baja

419 386 204 112 73 54

0,2340 0,091 0,208 0,091 0,11 0,465

10524 8954 2707 7144 7897 7833

17,004 x 10-5 4,42 x 10-5 3,33 x 10-5 1,60 x 10-5 0,63 x 10-5 1,474 x 10-5


2.1.4. 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 dengan cepat perpindahan panas dari sumber api ke air. Semakin besar dan banyak sirip yang dipasang maka semakin besar pula kalor yang dipindahkan. 2.1.5. Saluran Udara Masuk Untuk memenuhi persyaratan agar proses pembakaran terjadi, api membutuhkan oksigen yang terkandung di udara agar panas yang dihasilkan dapat maksimal. Saluran udara yang terdapat di water heater terdapat pada bagian permukaan water heater dengan lubang-lubang. Hal ini dimaksudkan agar udara dapat masuk kedalam ruang water heater disekitar tempat pembakaran berlangsung.

Apabila

water

heater

kekurangan

udara

dalam

proses

pembakarannya maka hasil pembakaran tidak dapat maksimal. Karena sifat api yang membutuhkan oksigen untuk proses pembakarannya api akan cenderung mengarah keluar dari water heater jika pasokan udara tidak ada didalam water heater. Didalam keadaan normal komposisi oksigen di dalam udara berkisar 20, 95% dari komposisi udara di bumi pada keadaan normal.


2.1.6. Kebutuhan Udara Didalam

proses

pembakaran

memerlukan

oksigen.

Pada

proses

pembakaran bahan bakar untuk pemanas air dapat mempergunakan oksigen yang dapat diambil dari lingkungan (udara bebas). Aliran udara yang diperlukan harus disesuaikan dengan ukuran tabung pemanas air dan pipa yang digunakan dengan kata lain aliran udara yang diperlukan harus dikondisikan sedemikian rupa agar api yang diperlukan dalam proses pembakaran mendapatkan kebutuhan udara yang cukup. Kekurangan oksigen dapat mengakibatkan nyala api tidak sesuai dengan apa yang diinginkan. Kekurangan kebutuhan udara dapat menyebabkan kalor yang dipindahkan ke air kurang. Kelebihan oksigen juga mengakibatkan kecilnya panas yang dapat diserap oleh pipa. Bentuk api atau nyala api diusahakan mampu memberikan kalornya secara efisien ke fluida air yang mengalir di dalam saluran pipa. Dengan kata lain, akan didapatkan suhu air keluar dari pemanas air kurang tinggi. Tabel 2.4Komposisi udara dalam keadaan normal (Sumber : Buku komposisi udara dalam keaaan normal) No.

Unsur

Presentase %

1 2 3 4

Nitrogen Oksigen Karbon dioksida Argon

78,1 20,93 0,31 0,94


2.1.7. 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 2.4 Media pembakar yang menggunakan bahan bakar LPG Spesifikasi media pembakar pada Gambar 2.4 sebagai berikut : Dimensi (mm)

: 570 x 315 x 168 (PLT)

Daya pemanasan

: 21.8 kW/h High Pressure

Bahan

: Besi tuang


Gambar 2.5 Kompor portable RT Dimensi (mm)

: 3442 x 275 x 85 (PLT)

Daya pemanas

: 0,15 kg/h

Bahan

: Gas butana

Gambar 2.6 Kompor gas 2 tungku Kompor gas pada Gambar 2.6 memiliki spesifikasi sebagai berikut Dimensi

: 720 x 415 x 201, mm

Daya pemanas

: 3,6 - 3,8, kW/h


2.1.8. 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 C 3 H 8  dan butana C 4 H 10  , dengan komposisi kurang lebih sebesar 99 %,selebihnya adalah gas pentana

C5 H 12 

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 kg

cm 2

. Nilai kalori sekitar : 21.000 BTU/lb. zat

mercaptan umumnya ditambahkan ke LPG untuk memberikan bau khas, supaya kalau terjadi kebocoran, dapat segera terdeteksi dengan cepat dan mudah. Reaksi pembakaran propana

C3 H 8 

, jika terbakar sempurna adalah

sebagai berikut :

C3 H 8

+

5 O2

propana + oksigen

→

3 CO2

+ 4 H 2 O + panas

→ karbondioksida + uap air + panas

Menurut wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut setara dengan 46000000 J/kg atau 46MJ/kg. Reaksi pembakaran butana C 4 H 10  ,jika terbakar sempurna sebagai berikut :


2 C 4 H 10

+

butana +

13 O2 oksigen

8 CO2

→ →

+ 10 H 2 O + panas

karbondioksida + uap air + panas

Menurut wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut hampir sama dengan propana setara dengan 46 MJ/kg. 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 J/gr 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 2.4 DayaPemanasan dan Efisiensi berbagai macam bahan bakar (sumber: Intan Pariwara (2010) buku efisiensi berbagai macam bahan bakar)

Kayu bakar

Daya Pemanasan kkal/kg 4000

Efisiensi alat masak % 15

Arang

8000

15

Minyak tanah

11000

40

Gas kota

4500

55

LPG Listrik

11900 860 kcal/kwh

60 60

Bahan Bakar


2.1.9. Proses Pembakaran LPG Pembakaran adalah reaksi kimia antara oksigen dengan unsur bahan bakar. Oksigen didapat dari udara luar yang merupakan campuran dari berbagai senyawa kimia antara lain LPG (Liquefied Petroleum Gas) yaitu gas alam yang dicairkan. LPG merupakan campuran dari berbagai unsur hidrokarbon yang berasal dari gas alam yang dicairkan. Komponen LPG paling banyak adalah gas propana C 3 H 8  dan butana C 4 H 10  , dengan komposisi kurang lebih sebesar 99 %, selebihnya adalah gas pentana C 5 H 12  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

kg

cm 2

. Nilai kalori sekitar : 21.000 BTU/lb. Untuk mengatasi terjadi kebocoran

sehingga dapat terdeteksi dengan cepat dan mudah maka LPG ditambahkan zat mercaptan. Reaksi pembakaran propana

C3 H 8 

, jika terbakar sempurna adalah

sebagai berikut :

C3 H 8

+

5 O2

propana + oksigen

→

3 CO2

+ 4 H 2 O + panas

→ karbondioksida + uap air + panas

Dari sumber wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut setara dengan 46000000 J/kg atau 46MJ/kg


Reaksi pembakaran butana C 4 H 10  ,jika terbakar sempurna adalah sebagai berikut : 2 C 4 H 10 butana +

13 O2

+

oksigen

→ →

8 CO2

+ 10 H 2 O + panas

karbondioksida + uap air + panas

Dari sumber wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut hampir sama dengan propana setara dengan 46 MJ/kg. 2.1.10. 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 2.1.11. 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 2.7 Aliran fluida dalam saluran air

mair = (massa jenis) (luas penampang) (kecepatan air) mair   r 2 u m 

...(2.1)

q air  mair c air Ti  To 

...(2.2)

Pada persamaan (2.1) dan (2.2)

q air

: laju aliran kalor yang diterima air, watt

mair

: laju aliran massa air, kg/detik

c air

: kalor jenis air, 4179 J/kgoC.

Tin

: suhu air masuk water heater, oC

Tout

: suhu air keluar water heater, oC.

um

: kecepatan rata-rata fluida mengalir, m /s



: massa jenis fluida yang mengalir, kg/ m 3

d

: diameter saluran, m

Laju aliran kalor yang diberikan gas dapat dihitung dengan persamaan (2.3) q gas = m gas C gas

Pada persamaan (2.3) : m gas : massa gas elpiji yang terpakai (kg/s)

...(2.3)


c gas : nilai kalor jenis elpiji ( J/kg), (1kkal = 4186,6 J)

2.1.12. Efisiensi Water Heater Efisiensi Water Heater dapat dihitung dengan persamaan (2.4)



q air x100% q gas

... (2.4)

Pada persamaan (2.4) :



: Efisiensi water heater (%)

q air

: Laju aliran kalor yang diterima air, watt

q gas

: Laju aliran kalor yang diberikan gas, watt

2.2.

Tinjauan Pustaka Saat ini banyak water heater yang beredar di pasaran. Bermacam – macam

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 heater yang beredar di pasaran, seperti pada gambar berikut : 2.2.1. Spesifikasi Beberapa Water Heater yang ada di pasaran a.

Water Heater gas LPG tipe WH1


Gambar 2.8 Water heater gas LPG tipe WH1 (sumber www.modena.com) 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 (kcal/h)

:8600

•

Input gas (kg/h)

:0,78

Dimensi Produk : •

Panjang (cm)

:30

•

Lebar (cm)

:4,6

•

Tinggi (cm)

:44

•

Berat (kg)

:13


b.


Gambar 2.9 Water heater gas LPG tipe WH 2 (sumber www.erabangun.com.) Spesifikasi : 

Lebar

: 290 mm



Pemasangan : Eksternal/ Internal*



Panjang

: 369 mm



Berat

: 6, 1 Kg



Kapasitas air panas

: 5 ltr/ mnt



Gas Input

: 0, 5 Kg/ h



Ignition

: Baterai



Tekanan Gas

: 280 mm H2O



Suhu maksimum

: 60oC



Outlet Gas

: 0,5inch



Outlet Air Dingin

: 0,5 inch



Outlet Air Panas

: 0,5 inch



Tekanan Air Minimum

: 0, 2 kgf/ cm2


Instant Warm System



c.

: No


Gambar 2.10 Water heater gas LPG tipe WH 3 (sumber www.malen.com) Spesifikasi Warna

: putih

Kapasitas maksimum

: 6 Liter/menit

Berat

: 37 kg

Dimensi luar

: 740 x 430 x 248, mm

Temperatur maksimum

: 40OC - 80OC

Tipe gas

: LPG

2.2.2. Kontruksi Water Heater yang ada di pasaran a.

Water heater model 1


Semua Water heater memiliki cara kerja yang sederhana yaitu sama seperti memasak air. Perbedaannya adalah terletak pada kondisi/keadaan air yang dipanaskan dan rangkaian dari water heater tersebut.

Gambar 2.11 Water Heater model 1 Untuk mendapatkan air panas dari water heater model ini adalah dengan cara melilitkan saluran pipa pada tabung yang panas. Tabung bisa menjadi panas karena adanya proses pembakaran di bagian bawah tabung. Pada model ini saluran pipa air tidak kontak langsung dengan api atau tidak kontak langsung dengan gas buang. Air yang dipanaskan yaitu air yang mengalir di dalam pipa. Pada model ini terdapat fan atau kipas yang berfungsi untuk membantu proses pembakaran dengan cara mengalirkan oksigen yang ada di udara. Gas buang hasil pembakaran yang sudah dingin dibuang melewati saluran yang berada di atas water heater


b.

Water heater model 2 Pada water heater model 2 ini prinsip kerjanya sama seperti memasak air

tetapi ada pipa untuk aliran air. Berbeda dengan water heater model 1, pada water heater model 2 ini terdapat penampung air. Air dingin mengalir masuk melalui saluran masuk dan setelah panas keluar melalui saluran keluar.

Gambar 2.12 Water heater model 2 Dari Gambar 2.12 terlihat bahwa pipa aliran air masuk berwarna biru sedangkan pipa aliran keluar berwarna merah. Di dalam penampung air juga terdapat pipa untuk aliran gas buang. Jika dibandingkan dengan water heatermodel 1, water heater model 2 ini proses awal untuk memanaskan air lebih lama karena air berada pada penampung air dengan jumlah yang banyak sedangkan air pada water heater model 1 air yang dipanaskan lebih sedikit karena berada pada pipa yang langsung dipanaskan. c.

Water heater model 3


Untuk mendapatkan air panas dari Water Heater model 3 dilakukan dengan cara memanaskan saluran pipa air secara langsung dengan api atau gas buang yang bersuhu tinggi.

Gambar 2.13 Water heater model 3 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 2.14 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).


2.2.3. Hasil Penelitian Sebelumnya Suparno (2014) melakukan penelitian tentangkarakteristik water heater dengan panjang 12 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip, diameter pada dinding dalam 20 cm, panjang pipa 12 meter, diameter bahan pipa 0,5 inci, 150 lubang masuk udara pada dinding luar, 1005 lubang pada dinding dalam water heater, dan 4 buah sirip dari pipa berdiameter 0,5 inci yang bertujuan untuk (a) membuat alat water heaterdengan sumber energi gas LPG, (b) Mengetahui karakteristik dari water heater dengan sumber energi gas LPG yang telah dibuat : (1) mengetahui hubungan antara debit air yang masuk dengan suhu air yang keluar dari water heater, (2) mengetahui hubungan antara debit air dengan laju perpindahan kalor yang diterima air , (3) mengetahui efisiensi dari water heater. Penelitian ini memperoleh hasil (a) water heater dapat dibuat dengan baik dan mampu bersaing dengan water heater yang ada di pasaran. Pada kondisi ditutup rapat debit aliran : 11,4 liter/menit dan dengan suhu air yang keluar sebesar 42,6 ˚C, (b) Hubungan antara debit air yang masuk dengan temperatur air yang mengalir saat kondisi ditutup rapat dinyatakan dengan persamaan : (debit)–0,36. (liter/ menit)0,36(

m air

dalam liter/menit,

T out

T

out=

108,8

dalam ˚C ) R2 = 0,984, (c)

Hubungan antara debit air yang masuk dengan laju aliran kalor yang diperlukan pada kondisi ditutup rapat dinyatakan dengan persamaan : (liter/ menit)-0,079 (

m air

dalam liter/menit,

Q air

Q air

= 10,92 (debit)0,079.

dalam Joule), (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 mair2 + 14,24 mair+ 31,04 (mair dalam liter/menit, n dalam %) R2 = 0,967. Putra (2012) telah melakukan penelitian water heater gas LPG yang berjudul “Water heater Dengan Panjang Pipa 20 meter dan 300 Lubang Masuk Udara Pada Dinding Luar” Yang bertujuan: (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 perpindahan aklor yang diterima oleh air, (d) Mendapatkan hubungan antara debit air dengan efesiensi water heater. Penelitian tersebut dilakukan dengan batasan-batasan sebagai berikut: (a) Water heater yang dibuat memiliki dimensi tinggi 90 cm, (b) Diameter pada diding luar 25 cm, (c) Diameter pada diding dalam 20 cm, (d) Panjang pipa 20 meter, (e) Diameter bahan pipa 3/8 inci, (f) 300 lubang masuk udara pada dinding luar, (g) 1005 Lubang pada dinding dalam water heater, (h) 6 buah sirip pada pipa berdiameter 3/8 inci, (i) Variasi dilakukan pada besarnya debit air masuk water heater. Dari hasil penelitian tersebut didapatkan (a) Water heater yang dibuat mampu bersaing dengan water heater yang ada dipasaran, yang mampu menghasilkan panas dengan temperatur 42,9oC pada debit 10 liter/menit, (b) Hubungan antara debit air yang mengalir (m) dengan temperatur air keluar water heater (To) dapat dinyatakan dengan persamaan To = -0,027 m3 + 1,126 m2 - 16,52 m + 129,9 ( m dalam liter/menit, To dalam oC) dan R2=0,997. (c) Hubungan antara debit air yang mengalir dengan laju perpindahan kalor dinyatakan dengan persamaan Qair =17,09 m3 + 489 m2 + 439 m + 3654 (mdalam liter/menit, Qair dalam watt) dan R2 = 0,94. (d) Hubungan antara debit air yang


mengalir dengan efesiensi water heater dapat dinyatakan dengan persemaan η= 0,077 m3 – 2,208 m2 + 19,84 m + 16,50 (m dalam liter/menit, η dalam %) dan R2 = 0,94. Setiawan (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 3/8 inci, 150 lubang masuk udara pada dinding luar, 1005 lubang pada dinding dalam water heater, dan 6 buah sirip dari pipa berdiameter 3/8 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 liter/menit 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=

0,297mair 2 – 9,566

m

air

+ 121,9 (

m air

dalam liter/menit,

T out

dalam

˚C ) R2 = 0,990, (c) Hubungan antara debit air yang masuk dengan laju aliran kalor yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan : qair = - 171,9 mair2+ 3154 mair + 6873 ( mair dalam liter/menit,

q air

dalam watt) R2 = 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 mair2 + 14,24 mair+ 31,04 (mair dalam liter/menit, n dalam %) R2 = 0,967.


BAB III PEMBUATAN WATER HEATER

3.1.

Persiapan Pada persiapan awal pembuatan water heater dengan panjang pipa 12

meter dan diameter 0,5 inci merupakan pembuatan water heater dengan tiga tabung yaitu tabung bagian dalam, tabung bagian tengah dan tabung bagian luar. Proses persiapan selanjutnya adalah pengukuran terhadap desain water heater meliputi rangka dalam, rangka luar, tabung dalam, tabung luar dan penutup water heater mengikuti diameter pembakaran atau burner. 3.2.

Bahan Water Heater

Bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan water heater adalah : a.

Pipa tembaga dengan panjang pipa 12 meter, dengan berdiameter 0,5 inci

b.

Plat Galvanum

c.

Besi strip

d.

Baut dan mur

e.

Nako besi 10 mm x 10 mm

f.

Paku keling Bahan-bahan pembuatan water heater di sajikan dalam bentuk pada

Gambar (3.1), Gambar (3.2), Gambar (3.3), Gambar (3.4), Gambar (3.5), dan Gambar (3.6).

33


Gambar 3.1 Pipa tembaga panjang

Gambar 3.2 Plat galvanum

Gambar 3.3 Besi strip


Gambar 3.4 Baut dan mur

Gambar 3.5 Nako besi

Gambar 3.6 Paku keling


3.3

Alat water heater Alat-alat yang digunakan dalam pembuatan water heater adalah :

a.

Bor Alat ini berfungsi untuk membuat lubang udara pada casing water heater

Gambar 3.7 Bor b.

Gerinda Alat ini berfungi sebagai pemotong sekaligus merapikan dinding water heater

Gambar 3.8 Gerinda


c.

Las tembaga Las tembaga berfungsi sebagai penyambungan dalam pipa tembaga

Gambar 3.9. Las tembaga d.

Las listrik Las listrik berfungsi sebagai penyambung dalam pembuatan rangka water heater.

Gambar 3.10. Las listrik


e.

Kunci pas Kunci pas berfungsi berguna untuk memasang dan mengencangkan mur dan baut dalam pengerjaan rangka water heater.

Gambar 3.11. Kunci pas f.

Pemotong pipa tembaga Alat ini berfungsi sebagai pemotong pipa tembaga

Gambar 3.12. Pemotong pipa tembaga


g.

Penekuk pipa tembaga Alat ini digunakan untuk menekuk atau membekokkan pipa tembaga

Gambar 3.13. Penekuk pipa tembaga h.

Tang Tang berguna dalam menjepit tembaga untuk pembuatan sirip water heater

Gambar 3.14. Tang


i.

Gunting plat Alat ini digunakan untuk memotong plat galvanum.

Gambar 3.15. Gunting plat j.

Meteran Meteran berfungsi dalam menentukan ukuran plat galvanum, panjang rangka water heater dan besi nako.

Gambar 3.16. Meteran k.

Jangka sorong Jangka sorong digunakan dalam mengukur pada bagian water heater secara lebih teliti dan detail.


Gambar 3.17. Jangka sorong 3.4.

Proses Pembuatan Alat

a.

Merancang bentuk water heater Dalam merancang dan pembuatan gambar bentuk water heater dengan

variasi menggunakan penangkap kalor gas buang, dapat dilakukan dengan proses manual ataupun dapat menggunakan software. Dalam perancangan bentuk water heater perlu diberikan ukuran pada setiap bagian water heater. b.

Memotong pipa tembaga Dalam pemotongan pipa tembaga menggunakan alat pemotong pipa

tembaga yang bertujuan agar pipa yang dipotong hasilnya lebih baik dan sesuai dengan hasil yang diinginkan. Selain hail potongan pipa tetap berdiameter bulat, cacat yang diahasilkan juga hampir tidak ada. Pipa tembaga yang dipotong sepanjang 12 meter. c.

Proses pelingkaran pipa tembaga Pipa tembaga yang awalnya berbentuk lurus dibentuk melingkar dengan

ukuran diameter dalam 160 mm dan diameter luar 190 mm sampai hasilnya berbentuk spiral. Pada pengerjaan ini, pelingkaran pipa menggunakan alat penekuk pipa tembaga dengan bantuan panci sebagai titik poros tengah agar menjadi silinder dan hasilnya lebih rapi.


Setelah proses pelingkaran pipa tembaga selesai, dilanjutkan dengan proses pemasangan empat pasang sirip dengan panjang sirip masing-masing 250 mm diluruskan atau dipipihkan dan diberi lubang pada ujung tiap sirip. Kemudian baut dimasukkan ke dalam lubang yang ada pada sirip tersebut, lalu dikencangkan dengan mur untuk pemasangan sirip pada pipa tembaga yang telah dibuat berbentuk spiral. Pemasangan sirip pada pipa dibuat arah vertikal terhadap lingkaran pipa tembaga.

Gambar 3.18. Pembentukan pipa tembaga menjadi spiral d.

Membuat kerangka water heater Water heater ini menggunakan dua tabung yaitu tabung bagian luar dan

tabung bagian dalam satu tabung di dalam pipa tembaga yang dibuat spiral, jadi kerangkan water heater dibuat dua bagian. Membuat kerangka bertujuan agar membantu water heater dapat kokoh dan dan tabung yang di pakai dapat menjadi rapi. Tahapan pertama yang dilakukan yaitu membuat lingkaran dengan besi naco.


Gambar 3.19. Pembentukan Lingkaran Setelah proses pembentukan besi naco menjadi lingkaran untuk bagian atas dan bawah kerangka water heater, pengerjaan selanjutnya yaitu menyambungkan dua lingkaran atas dan lingkaran bawah dengan menggunakan plat strip yang dilakukan dengan proses las listrik.

Gambar 3.20. Penyambungan kerangka water heater Pengerjaan tahap terakhir yaitu dengan memasang galvanum untuk melapisi dinding luar kerangka. Agar galvanum dapat menempel dengan kuat diperlukan paku keling, sebelum mengunakan paku, galvanum dipasang pada kerangka dan dilubangi agar mendapatkan lubang yang digunakan untuk tempat paku.


Gambar 3.21. Pengerjaan lubang untuk paku keling e.

Memasukkan pipa tembaga yang sudah berbentuk spiral ke dalam rangka

Setelah proses pengerjaan rangka water heater selesai pipa tembaga yang berfungsi sebagai tempat jalannya air yang sudah dibentuk spiral lalu dimasukkan ke dalam rangka. f.

Membuat lubang udara Membuat lubang udara bertujuan agar terjadi sirkulasi udara yang baik,

dengan menggunakan galvanum yang dilubangi menggunakan bor. Proses melubangi dilakukan dari tabung dalam hingga tembus sampai ke tabung luar.

Gambar 3.22. Membuat lubang udara


g.

Membuat tabung bagian dalam Dibutuhkan plat galvanum untuk tabung diameter dalam berukuran 870

mm x 350 mm, yang dilekatkan dengan besi strip yang berfungsi sebagai penyangga lalu dilakukan proses pelubangan berjumlah 5 titik dan dipasang dengan paku keling.

Gambar 3.23. Membuat tabung bagian dalam h.

Pemasangan sirip Sirip yang digunakan 4 buah yang juga terbuat dari pipa tembaga itu

sendiri, yang ditempel pada pipa tembaga yang sudah dirol di bagian dalam dan luar, pemasangan sirip ini menggunakan baut dan mur yang sebelumnya telah dilubangi terlebih dahulu.

Gambar 3.24. Pemasangan sirip


i.

Memasukkan pipa penangkap kalor gas buang ke dalam rangka Setelah proses pengerjaan rangka water heater dan dinding dalam selesai,

selanjutnya dimasukkan pipa tembaga. Pipa ini berfungsi sebagai penangkap kalor gas buang.

Gambar 3.25. Pemasangan pipa penangkap kalor gas buang j.

Membuat tabung bagian luar Pengerjaan tabung bagian luar hampir sama dengan proses pengerjaan

tabung bagian dalam. Menggunakan plat galvanum berukuran 975 mm x 360 mm. Plat galvanum dilekatkan pada besi strip peyangga rangka yang sudah dilubangi. Setelah plat galvanum sudah menutupi seluruh rangka bagian luar lalu plat galvanum dilekatkan dengan menggunakan paku keling kembali agar terpasang dengan sempurna.


Gambar 3.26. Pengerjaan tabung bagian luar k.

Prose penyambungan pipa pemanas dengan pipa penangkap kalor Setelah proses pengerjaan dinding luar dan dinding dalam selesai

kemudian dilanjutkan dengan proses penyambungan antara pipa pemanas dengan pipa penangkap kalor gas buang, proses penyambungan menggunakan las tembaga dan stik tembaga.

Gambar 3.27. Proses penyambungan pipa l.

Proses pembuatan penutup tabung Penutup tabung dibuat dengan menggunakan plat galvanum yang sudah

dipotong berbentuk lingkaran dengan diameter 300 mm, kemudian ditengahnya


dipotong lagi dengan berbentuk lingkaran dengan ukuran 100 mm dan rangka untuk penutup tabung ini terbuat dari besi strip dibentuk silang dengan ukuran 300 mm. Proses selanjutnya dilakukan pemasangan rangka penutup dan penutup tabung yang terbuat dari plat galvanum dengan menggunakan paku keling.

Gambar 3.28. Proses pembuatan penutup tabung Langkah selanjutnya membuat tabung berdiameter 100 mm dan diberi lubang-lubang pada permukaan tabung dengan bertujuan mendapatkan sirkulasi udara yang baik, yang akan di sambungkan pada penutup tabung. Dibagian bawah tabung ini ditutup dengan menggunakan plat besi, setelah tabung selesai dikerjakan lalu dipasang pada penutup tabung.


Gambar 3.29. Proses membuat tabung diameter 100 mm . Gambar 3.30 menyajikan gambar hasil akhir dari water heater

Gambar 3.30. hasil akhir dari pembuatan water heater


BAB IV METODOLOGI PENELITIAN

4.1

Objek yang diteliti Objek yang akan diteliti adalah water heater hasil rancangan sendiri

Gambar 4.1, Gambar 4.2 dan Gambar 4.3 yang memperlihatkan water heater yang diteliti.

300 mm

Air masuk

480 mm

Air keluar

Gambar 4.1 Water heater yang siap diuji (ukuran dalam mm).

50


190

350

Air keluar Air masuk 160

Gambar 4.2 Pipa tembaga yang sudah dirol (ukuran dalam mm)

Gambar 4.3 Water heater tampak dari atas (ukuran dalam mm)


4.2.

Skematik Alat Penelitian Skematik pengujian water heater di perlihatkan seperti pada Gambar 4.4

5 5

4 3

8

7

9

2

6 6

Gambar 4.4 Skema rangkaian alat penelitian.

Posisi posisi dimana diletakkan alat ukur suhu ditunjukkan pada garis berwarna merah dimana disitu diletakan penempatan alat ukur suhu dengan 2 penempatan yang pertama di ujung selang air masuk dan yang ke dua di tempat keluarnya air panas. Stopwatch digunakan sebagai penentu batas waktu saat pengambilan volume air panas masuk ke dalam gelas ukur. Keterangan pada Gambar 4.4 : 1.

Kran air.

2.

Tabung gas.

3.

Termokopel.

4.

Termokopel.

1


5.

Water heater.

6.

Gelas ukur.

7.

Stopwatch.

8.

Selang gas dan regulator.

9.

Alat ukur berat digital. Air mengalir yang akan digunakan untuk penelitian water heater berasal

dari air keran yang dihubungkan menggunakan selang menuju water heater. Kran berfungsi sebagai pengatur aliran air masuk ke water heater. Air yang masuk ke water heater diukur suhu nya menggunakan termokopel. Air yang masuk ke pipa spiral akan dipanaskan oleh kompor gas LPG. Air yang keluar dari water heater diukur suhu nya menggunakan termokopel. Untuk mengukur banyaknya air yang mengalir di dalam water heater persatuan waktu dipergunakan : gelas ukur dan stopwatch. 4.3.

Alat Bantu Penelitian Alat - alat bantu yang digunakan dalam penelitian water heater berbahan

bakar gas LPG sebagai berikut : a.

Kran, sebagai pengatur aliran air yang masuk ke water heater.

b.

Selang air yang berfungsi sebagai saluran air dari kran menuju water heater.

c.

Kompor dan tabung berisi gas LPG 12 kg sebagai api dan sumber bahan bakar gas LPG.

d.

Klem selang, sebagai pengunci sambungan selang.

e.

Termokopel, sebagai pengukur suhu air masuk dan air keluar.


f.

Stopwatch, sebagai pengukur selang waktu.

g.

Kalkulator dan alat tulis digunakan untuk menghitung dan menulis data.

h.

Gelas ukur digunakan untuk mengukur volume air panas yang keluar dari water heater, dalam selang waktu yang ditentukan.

i.

Alat ukur berat digital digunakan untuk menimbang berat gas pada tabung gas baik sebelum digunakan maupun sesudah digunakan.

4.4.

Variasi Penelitian Variasi peneltian yang dilakukan adalah :

a.

Variasi debit air

b.

Variasi laju aliran gas LPG untuk proses pembakaran

4.5.

1.

Laju aliran massa gas maksimum (mgas max)

2.

Laju aliran massa gas medium (mgas med)

3.

Laju aliran massa gas low (mgas low)

Cara Mendapatkan Data Data diperoleh dari penelitian langsung, untuk suhu air masuk dan air

keluar water heater didasarkan pada apa yang ditampilkan alat ukur suhu. a.

Debit air Untuk mendapatkan debit air, volume air yang ditampung pada gelas ukur dibagi dengan selang waktu yang diperlukan air masuk tertampung di dalam gelas ukur. Data volume air per selang waktu dan selang waktu di sajikan seperti data Tabel 4.1.


b.

Debit gas Debit gas didapatkan dari berat awal tabung gas dikurangi berat akhir tabung berisi gas dibagi dengan waktu yang di perlukan untuk membakar gas yang dipergunakan. (Tabel 4.2)

4.6 .

Cara Mengolah Data dan Melakukan Pembahasan Data-data hasil penelitian kemudian diolah untuk mendapatkan debit air,

laju aliran massa air, laju aliran massa gas, Qair dan efisiensi, Qgas sehingga dapat diperoleh : a.

Hubungan antara debit air dengan suhu air yang keluar dari water heater.

b.

Hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor yang keluar dari water heater.

c.

Hubungan antara debit air dengan efisiensi water heater. Untuk memudahkan pengolahan data hubungan-hubungan tersebut

disajikan dalam bentuk grafik. Dari hasil pengolahan data, lalu dilakukan pembahasan terhadap hasilhasil penelitian tersebut. Dengan mengaitkan terhadap tujuan-tujuan penelitian didalam pembahasan. Pembahasan juga mempertimbangkan terhadap hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya. 4.7.

Cara Mendapatkan Kesimpulan Untuk mendapatkan kesimpulan, kesimpulan didapat dari hasil pengolahan

data-data dan dari hasil pembahasan. Kesimpulan harus dapat menjawab tujuan dari penelitian.


Tabel 4.1 Data Volume Air dan Selang Waktu Pengkuran No.

Volume air yang tertampung dalam gelas ukur (ml)

Selang waktu (detik)

1 2 3 4 5

Tabel 4.2 Tabel Berat Gas dan Selang Waktu Pengukuran No.

Kondisi gas

1

Maksimum

2

Medium

3

Low

Berat awal gas (kg)

Berat akhir gas (kg)

Selang waktu (menit)

ar

250

300


BAB V HASIL PENELITIAN, PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

5.1.

Hasil Penelitian Hasil penelitian water heater dengan panjang pipa 14 meter dan diameter

0,5 inci yang meliputi : berat awal gas, berat akhir gas, selang waktu, debit air, suhu air masuk (Tin), suhu air keluar (Tout) disajikan pada Tabel 5.1 sampai Tabel 5.4. Penelitian dilakukan dengan kondisi aliran gas berbeda : (a) kondisi gas maksimum, (b) kondisi gas medium dan (c) kondisi gas low. Tabel 5.1 Hasil pengujian kondisi gas pada proses pembakaran gas No. 1 2 3

Kondisi gas Maksimum Medium Low

Berat awal gas (kg)

Berat akhir gas (kg)

Selang waktu (detik)

24,86 24,58 24,36

24,58 24,36 24,23

10 10 10

Tabel 5.2 Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas maksimum No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Debit air (liter/menit) 26,76 18,84 16,08 12,00 9,24 7,2 5,88 4,2 3,48 2,64

Suhu air masuk Tin (oC) 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8

Suhu air keluar Tout (oC) 33,7 37,5 39,8 43,3 47,4 52,6 62,8 67,6 79,3 93,6

∆T (oC) Tout - Tin 5,9 9,7 12,0 15,5 19,6 24,8 35,0 39,8 51,5 65,8


Tabel 5.3 Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas medium No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10




∆T (oC) Tout - Tin 5,7 8,5 12,2 16,5 19,3 25,4 30,6 45,8 56,0 68,6

Tabel 5.4 Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas low No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5.2.




∆T (oC) Tout - Tin 5,3 9,4 11,3 16,3 20,5 25,0 34,9 45,2 54,0 68,7

Perhitungan Pehitungan kecepatan air rata-rata um , laju aliran massa air mair dan laju

aliran kalor q yang diserap air dilakukan dengan menggunakan data-data yang tersaji pada Tabel 5.1. Data lain yang dipergunakan adalah : Massa jenis air ( pair)

= 1000 kg/m3


Kalor jenis air (Cp)

= 4179 J/(kgoC)

Jari jari pipa saluran (r)

= 0,25 inci = 0,00635 m

Kapasitas panas gas (Cgas)

= 1190 kkal/kg = (1190 x 4186,6 J/kg)

(catatan) :

1 kkal/kg = 4186,6 J/kg

Laju aliran gas dapat dihitung dengan mempergunakan persamaan : (5.1). Contoh perhitungan di lakukan untuk data pada gas maksimum. m gas 

berat awal gas selang waktu



24 ,86  24 , 58  0 , 028 10 menit

Tabel 5.1 Hasil perhitungan laju aliran gas pada kondisi gas maksimum, medium, dan low. No. 1 2 3

Berat awal gas (kg) 24,86 24,58 24,36

Kondisi gas Maksimum Medium Low

Berat Selang waktu akhir gas (menit) (kg) 24,58 10 24,36 10 24,23 10

laju aliran gas (kg/menit) 0,028 0,022 0,013

5.2.1. Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas LPG Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan oleh gas di luar saluran pipa mempergunakan Persamaan (2.3)

a.

q gas

= m gas x C

q gas

= (laju aliran massa gas x kapasitas panas gas)

...(2.3)

Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi gas maksimum Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi gas maksimum :


q gas max

b.

=

[(0,028 kg/menit /(60)] x (11900 x 4186,6 J/kg)

=

23249,58 W

=

23,25 kW

Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi gas medium Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi gas medium: q gas med

c.

=

[(0,022 kg/menit /(60)] x (11900 x 4186,6 J/kg)

=

18267,53 W

=

18,27 kW

Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi gas low Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi gas low : q gas low

=

[(0,013 kg/menit /(60)] x (11900 x 4186,6 J/kg)

=

10794,45 W

=

10,79 kW

5.2.2. Perhitungan Kecepatan air rata-rata (um) Perhitungan kecepatan air rata rata um yang mengalir di dalam saluran pipa air tembaga berukuran 0,5 inci mempergunakan Persamaan (5.1) um 

debit air debit air  luas penampang pipa r 2

m/s

...(5.1)


a.

Perhitungan kecepatan air rata rata (um) pada kondisi gas maksimum Sebagai contoh perhitungan, diambil data-data hasil pengujian saat debit

aliran air sebesar 16,08 liter/menit. (Data lain pada Tabel 5.2). Satuan debit air diubah dalam satuan m3/s. debit air 





16 , 08 liter 16 , 08 x10  3 m 3   0 , 268 x10  3 m 3 / s 60 s  menit

Kecepatan air rata rata um :

um 

debit air r 2

um 

0 , 268 x10  3 m 3 / s 3 ,14 x 0 , 00635 2 m 2

um 

0 , 268 x10  3 m 3 / s 0 , 0001266 m 2

um = 2,11 m/s Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.6 b.

Perhitungan kecepatan air rata rata (um) pada kondisi gas medium Sebagai contoh perhitungan, diambil data- data hasil pengujian saat debit

aliran air sebesar 10,68 liter/menit. (Data lain pada Tabel 5.3). Satuan debit air diubah dalam satuan m3/s.


debit air 





10 , 68 liter 10 , 68 x10  3 m 3   0 ,178 x10  3 m 3 / s 60 s  menit


um 

debit air r 2

um 

0 ,178 x10  3 m 3 / s 3 ,14 x 0 , 0 , 00635 2 m 2

um 

0 ,178 x10  3 m 3 / s 0 , 0001266 m 2

um = 1,40 m/s Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.7 c.

Perhitungan kecepatan air rata-rata (um) pada kondisi gas low Sebagai contoh perhitungan, diambil data-data hasil pengujian saat debit

aliran air sebesar 5,4 liter/menit. (Data lain pada Tabel 5.4). Satuan debit air diubah dalam satuan m3/s. debit air 


um 





5 , 4 liter 5 , 4 x10  3 m 3   0 , 09 x10  3 m 3 / s 60 s  menit

debit air r 2


um 

0 , 09 x10  3 m 3 / s 3 ,14 x 0 , 0 , 00635 2 m 2

um 

0 , 09 x10  3 m 3 / s 0 , 0001266 m 2

um = 0,71 m/s Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.8. 5.2.3. Perhitungan laju aliran massa air (ṁair) Perhitungan laju aliran massa air ṁair di dalam saluran pipa air menggunakan persamaan (2.1). ṁair = (massa jenis )(luas penampang)(kecepatan) ṁair = (ρ)(πr2)(Um) a.

Perhitungan laju aliran massa air (ṁair) pada kondisi gas maksimum Laju aliran massa air (mair) pada kondisi gas maksimum, untuk debit aliran

16,08 liter/menit. ṁair = (1000)(3,14x0,006352)(2,11) kg/s = 0,267 kg/s Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.6 b.

Perhitungan laju aliran massa air (ṁair) pada kondisi gas medium Laju aliran massa air (mair) pada kondisi gas medium, untuk debit aliran

10,68 liter/menit. ṁair = (1000)(3,14x0,006352)(1,40) kg/s = 0,177 kg/s


Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.7 c.

Perhitungan laju aliran massa air (ṁair) pada kondisi gas low Laju aliran massa air (mair) pada kondisi gas low, untuk debit aliran 5,4

liter/menit. ṁair = (1000)(3,14x0,006352)(0,71) kg/s = 0,089 kg/s Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.8 5.2.4. Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air Perhitungan laju aliran kalor yang diserap oleh air di dalam saluran pipa mempergunakan Persamaan (2.2) a.

Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi gas maksimum Laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi gas maksimum: qair = (mair cp)(Tout - Tin) qair = (laju aliran massa)(kalor jenis air)(Tout - Tin)

Sebagai contoh perhitungan untuk debit air = 16,08 liter/menit (Tabel 5.2) qair = (0,267)(4179)(39,8 - 27,8) = (1115,793)(12) J/s = 13389,516 W = 13,389516 kW Hasil perhitungan untuk data yang lain secara lengkap terdapat pada Tabel 5.6  Catatan : 1 watt = J/s


b.

Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi gas medium Laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi gas medium : qair = (mair cp)(Tout - Tin) qair = (laju aliran massa)(kalor jenis air)(Tout - Tin)

Sebagai contoh perhitungan untuk debit air = 10,68 liter / menit (Tabel 5.3) qair = (0,177)(4179)(40 - 27,8) = (739,683)(12,2) J/s = 9024,1326 W = 9,0241326 kW Hasil perhitungan untuk data yang lain secara lengkap terdapat pada Tabel 5.7  Catatan : 1 watt = J/s c.

Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi gas low Laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi gas low : qair = (mair cp)(Tout - Tin) qair = (laju aliran massa)(kalor jenis air)(Tout - Tin)

Sebagai contoh perhitungan untuk debit air =5,4 liter / menit (Tabel 5.4) qair = (0,089)(4179)(39,1 - 27,8) = (371,931)(11,3) J/s = 4202,8203 W = 4,2028203 kW Hasil perhitungan untuk data yang lain secara lengkap terdapat pada Tabel 5.8  Catatan : 1 watt = J/s


5.2.5. Efisiensi Water Heater Perhitungan Efisiensi (η) water heater menggunakan Persamaan (2.4) a.

Efisiensi Water Heater pada posisi gas maksimum



qair x100% q gas

 

13 ,389516 x100 % 23 , 25

 57 ,58 %

b.

Efisiensi Water Heater pada posisi gas medium



qair x100% q gas

 

9 , 0241326 x100 % 18 , 27

 49 ,39 %

c.

Efisiensi Water Heater pada posisi gas low



qair x100% q gas

 

4 , 2028203 x100 % 10 , 79

 38 ,95 %

Hasil semua perhitungan dari data-data yang diperoleh disajikan pada Tabel 5.6, Tabel 5.7, dan Tabel 5.8. 5.3.

Hasil perhitungan pengujian alat pada water heater Tabel 5.6, Tabel 5.7, dan Tabel 5.8 menampilkan hasil perhitungan dari

data-data penelitian water heater


Tabel 5.6 Hasil perhitungan water heater pada kondisi gas maksimum No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Debit air Tin (liter/menit) (oC) 26,76 18,84 16,08 12 9,24 7,2 5,88 4,2 3,48 2,64

27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8

Tout (oC)

∆T (oC)

mair (kg/s)

33,7 37,5 39,8 43,3 47,4 52,6 62,8 67,6 79,3 93,6

5,9 9,7 12 15,5 19,6 24,8 35 39,8 51,5 65,8

0,446 0,314 0,268 0,2 0,154 0,12 0,098 0,07 0,058 0,044

um (m/s) 3,52 2,48 2,12 1,58 1,22 0,95 0,77 0,55 0,46 0,35

qair (kW)

qgas (kW)

η (％)

11,00 12,73 13,44 12,95 12,61 12,44 14,33 11,64 12,48 12,10

23,25 23,25 23,25 23,25 23,25 23,25 23,25 23,25 23,25 23,25

47,30 54,75 57,81 55,72 54,25 53,49 61,65 50,08 53,69 52,04

Tabel 5.7 Hasil perhitungan water heater pada kondisi gas medium No

Debit air (liter/menit)

Tin (oC)

Tout (oC)

∆T (oC)

mair (kg/s)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

22,92 14,4 10,68 8,16 6,84 5,16 4,2 2,88 2,28 1,8

27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8

33,5 36,3 40,0 44,3 47,1 53,2 58,4 73,6 83,8 96,4

5,7 8,5 12,2 16,5 19,3 25,4 30,6 45,8 56,0 68,6

0,382 0,24 0,178 0,136 0,114 0,086 0,07 0,048 0,038 0,03

um η qair qgas (m/s) (kW) (kW) (％) 3,02 9,10 18,27 49,80 1,90 8,53 18,27 46,66 1,41 9,08 18,27 49,67 1,07 9,38 18,27 51,33 0,90 9,19 18,27 50,33 0,68 9,13 18,27 49,97 0,55 8,95 18,27 49,00 0,38 9,19 18,27 50,29 0,30 8,89 18,27 48,67 0,24 8,60 18,27 47,07

Tabel 5.8 Hasil perhitungan water heater pada kondisi gas low


No

Debit air (liter/menit)

Tin (oC)

Tout (oC)

∆T (oC)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11,76 7,92 5,40 4,68 4,14 3,36 2,40 2,04 1,20 0.72

27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8 27,8

33,1 37,2 39,1 44,1 48,3 52,8 62,7 73,0 81,8 96,5

5,3 9,40 11,3 16,3 20,5 25 34,9 45,2 54 68,7

um mair (kg/s) (m/s) 0,196 1,55 0,132 1,04 0,09 0,71 0,078 0,62 0,069 0,54 0,056 0,44 0,04 0,32 0,034 0,27 0,02 0,16 0,012 0,09

qair (kW)

qgas (kW)

η (％)

4,34 5,19 4,25 5,31 5,91 5,85 5,83 6,42 4,51 3,45

10,79 10,79 10,79 10,79 10,79 10,79 10,79 10,79 10,79 10,79

40,23 48,06 39,39 49,24 54,78 54,22 54,07 59,52 41,83 31,93

Dari Tabel 5.6, Tabel 5.7, dan Tabel 5.8, hubungan debit air dengan suhu air yang keluar dapat disajikan dalam bentuk grafik seperti terlihat pada Gambar 5.1, Gambar 5.2, dan Gambar 5.3. Hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor water heater dapat disajikan dalam bentuk grafik seperti terlihat pada Gambar 5.4, Gambar 5.5, dan Gambar 5.6, Gambar 5.7, Gambar 5.8, Gambar 5.9 memberikan informasi tentang hubungan efisiensi water heater dengan debit air. Gambar 5.1, 5.4, dan 5.7 dihasilkan water heater pada kondisi penggunaan gas maksimum. Gambar 5.2, 5.5, dan 5.8 dihasilkan water heater pada kondisi penggunaan gas medium. Sedangkan Gambar 5.3, 5.6, dan 5.9 dihasilkan water heater pada kondisi penggunaan gas low.


Gambar 5.1 Hubungan debit air dengan suhu air keluar (kondisi gas maksimum).

Gambar 5.2 Hubungan debit air dengan suhu air keluar (kondisi gas medium).


Gambar 5.3 Hubungan debit air dengan suhu air keluar (kondisi gas low).

Gambar 5.4 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (kondisi gas maksimum).


Gambar 5.5 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (kondisi gas medium).

Gambar 5.6 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (kondisi gas low).


Gambar 5.7 Hubungan debit air dengan efisiensi (kondisi gas maksimum).

Gambar 5.8 Hubungan debit air dengan efisiensi (konidisi gas medium).


Gambar 5.9 Hubungan debit air dengan efisiensi (kondisi gas low). 5.4.

Pembahasan Pada hasil penelitian dan perhitungan pada Tabel 5.6, 5.7, dan 5.8 water

heater yang dibuat mampu menghasilkan suhu temperatur air keluar 33,1oC 96,5oC dengan kapasitas 0,72 liter/menit - 26,76 liter/menit. Dengan memperhatikan spesifikasi water heater yang ada di pasaran, maka hasil rancangan pemanas air pada kondisi maksimum, medium, low yang dibuat mampu bersaing dengan water heater yang ada di pasaran. Water heater pada kondisi maksimum mampu menghasilkan suhu air keluar sebesar 39,8oC pada debit 16,08 liter/menit. Pada kondisi medium mampu menghasilkan suhu air keluar sebesar 40oC pada debir air 10,68 liter/menit. Pada kondisi low, water heater masih mampu bersaing dengan yang ada di pasaran, karena masih mampu menghasilkan suhu air keluar sebesar 39,1oC pada debit air sebesar 5,4 liter/menit. Water heater yang di pasaran hanya mampu menghasilkan rata-rata suhu sebesar 40oC dengan debit air sebesar 5 - 6 liter/menit. Keuntungan water heater yang


dibuat dengan yang ada di pasaran yaitu water heater yang dibuat lebih fleksibel seperti untuk pengisian kolam pemandian air panas atau mensterilkan alat-alat medis di rumah sakit. Selain itu water heater yang dibuat perawatannya lebih gampang dari pada water heater yang ada di pasaran. Pada Tabel 5.5 tercantum water heater yang dibuat memerlukan konsumsi gas yang lebih banyak dari pada yang di pasaran, untuk water heater yang dibuat pada kondisi maksimum memerlukan konsumsi gas 0,028 kg/menit, untuk kondisi medium memerlukan konsumsi gas 0,013 kg/menit, sedangkan water heater yang ada di pasaran memerlukan konsumsi gas 0,0083 kg/menit - 0,013 kg/menit. Dari Gambar 5.1 didapatkan informasi bahwa debit air berpengaruh terhadap tinggi rendahnya suhu air keluar dari water heater. Semakin kecil debit air yang masuk ke water heater maka temperatur air yang keluar semakin tinggi, sebaliknya jika debit air yang masuk ke water heater tinggi maka temperatur air yang keluar semakin rendah. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut, jika debit air rendah maka volume air persatuan waktu yang dipindahkan kecil. Jika kalor dialirkan oleh bahan bakar gas LPG dipertahankan tetap besar, maka kalor tersebut menjadikan perbedaan suhu antara air masuk dengan air keluar besar. Water heater hasil rancangan dapat digunakan untuk keperluan mandi orang dewasa, suhu air panas yang digunakan untuk keperluan mandi sekitar 37oC sampai 41oC. Dari Gambar 5.7 didapatkan informasi bahwa debit air yang mengalir berpengaruh terhadap nilai efisiensi water heater. Nilai efisiensi terbesar sebesar 61,65 % terdapat pada kondisi water heater dalam keadaan kondisi gas maksimum karena dapat menyerap kalor lebih banyak.


Pada Tabel (2.4), (5.6), (5.7), dan (5.8) nilai efisiensi water heater yang dibuat pada kondisi maksimum dan medium masih diatas dari efisiensi alat masak yang menggunakan bahan bakar kayu bakar, arang, minyak tanah, gas kota, LPG, dan listrik. Sedangkan untuk kondisi low, efisiensinya masih di bawah dari efisiensi alat masak dengan bahan bakar gas kota, LPG, dan listrik. Nilai efisiensi water heater tidak dapat mencapai 100 % karena kalor yang dihasilkan dari pembakar ada yang terbuang ke udara luar melalui lubang pada bagian penutup water heater dan sebagian diserap oleh tabung water heater (suhu gas buang masih tinggi). Sebagian hilang karena konveksi dan radiasi tabung-tabung water heater ke udara di sekitar water heater.

Gambar 5.10 Hubungan debit air dengan suhu air keluar (Tout) pada kondisi gas maksimum, medium, dan low Pada Gambar 5.10 menunjukkan perbandingan suhu air keluar (Tout) dengan debit air water heater untuk kondisi : kondisi gas maksimum, medium, dan low. Untuk penggunaan produktivitas dengan debit air yang tinggi dan suhu mencapai target


dalam rata-rata penggunaan, maka penggunaan dengan variasi pada kondisi gas maksimum adalah variasi terbaik hasil dari hubungan dua variabel antara debit air dengan kondisi dengan suhu air keluar pada kondisi gas maksimum lebih tinggi dari pada kondisi gas medium dan kondisi gas low karena perbedaan laju aliran kalor yang diberikan gas LPG lebih besar. Untuk penggunaan water heater untuk keperluan mandi dengan debit air lebih dari 6 liter/menit dan suhu keluar 37oC 41oC maka variasi yang baik adalah menggunakan kondisi gas medium karena laju aliran kalornya lebih kecil dari pada variasi dengan kondisi gas maksimum.

Gambar 5.11 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (qair) pada kondisi gas maksimum, medium, dan low Pada Gambar 5.11 menunjukkan perbandingan debit air dengan laju aliran kalor yang Diterima air (qair) memiliki beberapa perbedaan yang sangat signifikan. Untuk penggunaan produktivitas dengan debit air yang tinggi dengan laju aliran kalor yang diterima air (qair) yang cukup memuaskan dalam rata-rata penggunaan dengan variasi pada kondisi gas maksimum yang terbaik.


Gambar 5.12 Hubungan debit air dengan efisiensi (η) water heater pada kondisi gas maksimum, medium, dan low Pada Gambar 5.12 menunjukkan perbandingan efisiensi water heater untuk variasi kondisi gas. Untuk penggunaan produktivitas dengan debit air yang tinggi dan tingkat efisiensi yang cukup memuaskan dalam rata-rata penggunaan, maka penggunaan dengan variasi pada kondisi gas maksimum adalah pilihan terbaik kemudian di ikuti dengan hasil medium dan terakhir kondisi low. Untuk penggunaan water heater keperluan mandi dengan debit air lebih dari 6 liter/menit dan suhu keluar 37oC - 41oC maka variasi yang baik adalah menggunakan kondisi gas maksimum karna dapat menghasilkan debit yang besar juga tingkat efisiensi nya yang lebih memuaskan dari pada dua variasi lainnya.


BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

6.1.

Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan

yaitu: 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 oC - 41 oC. Pada kondisi gas maksimum mampu menghasilkan air panas dengan temperatur 39,8 oC pada debit 16,08 liter/ menit. Pada kondisi gas medium mampu menghasilkan air panas dengan temperatur 40 o

C pada debit 10,68 liter/menit. Pada kondisi gas low mampu

menghasilkan air panas dengan temperatur 39,1 oC pada debit 5,4 liter/menit. b.

Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi gas maksimum lebih besar dibandingkan dengan kondisi medium dan low. 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. Untuk laju aliran kalor yang diberikan gas LPG untuk kondisi low sebesar 0,013 kg/menit. Hubungan antara debit air yang masuk dengan suhu air yang keluar dari

c.

Kondisi efisiensi water heater sesuai dengan tekanan gas yang diberikan : 1.

Kondisi aliran gas maksimum (0,028 kg/menit) : η = 54,64%

78


6.2.

2.

Kondisi aliran gas medium (0,022 kg/menit) : η = 48,71%

3.

Kondisi aliran gas low (0,013 kg/menit): η = 43,785

Saran Dari proses penelitian yang telah dilakukan, ada beberapa saran yang

dapat dikemukakan : a.

Pada saat pengambilan data diusahakan terhindara dari gangguan angin agar hasil data menjadi lebih maksimal.

b.

Penelitian dapat dikembangkan dengan menambah panjang pipa penangkap kalor agar lebih dapat menyerap kalor dari gas buang.

c.

Penelitian juga dapat dikembangkan dengan variasi jumlah sirip atau posisi penempatan sirip pada water heater.

d.

Penelitian juga dapat dikembangkan dengan variasi bentuk dan model penutup water heater.

e.

Penelitian juga dapat dikembangkan dengan variasi bentuk dan model water heater itu sendiri.


DAFTAR PUSTAKA

Holman, J .P., 1995, Perpindahan Kalor, Edisi Keenam. Erlangga; Jakarta. htpp://www.JosephStefan.com htpp://www.erabangunan.com/index.php?index=detail&itemid=1934 htpp://modena.co.id/pruduct-modena/hot-water-solution htpp://malen.co.id/pruduct-malen/hot-water-solution htpp://www.scribd.com/doc/48627618/komposisi-udara-hasan-44-dan-gadis-21 Kreith, F., 1997, Prinsip - prinsip Peroindahan Kalor, Edisi Ketiga; Penerbit Erlangga, Jakarta. Suparno (2013), karakteristik Water Heater dengan panjang pipa 12 meter, diameter 0,5 inch dan bersirip, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma: Yogyakarta. Putra, P.H., 2012, Water Heater Dengan Panjang Pipa 20 Meter dan 300 Lubang Masuk Udara Pada Dinding Luar, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma: Yogyakarta. Setiawan, E., 2012, 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 3/8 inci, 150 lubang masuk udara pada dinding luar, 1005 lubang pada dinding dalam water heater, dan 6 buah sirip dari pipa berdiameter 3/8 inci, Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma: Yogyakarta.

80


LAMPIRAN

A.

Nilai sifat-sifat logam

81


B.


82


C.


83

KARAKTERISTIK WATER HEATER DENGAN PANJANG PIPA 12 METER, DIAMETER 0,5 INCI, DAN PENANGKAP KALOR GAS BUANG

Recommend Documents