PERANCANGAN SISTEM MEKANIKAL PENYEDIA AIR PANAS SENTRAL (STUDI KASUS KAWASAN PERUMAHAN BATUNUNGGAL INDAH BANDUNG)
TUGAS SARJANA Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Institut Teknologi Bandung
Oleh TRESNANINGSIH 13103115
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
i
Tugas Sarjana PERANCANGAN SISTEM MEKANIKAL PENYEDIA AIR PANAS SENTRAL Judul
(STUDI KASUS KAWASAN
Tresnaningsih
PERUMAHAN BATUNUNGGAL INDAH BANDUNG) Program Studi
Teknik Mesin
13103115
Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Abstrak Mandi merupakan salah satu kebutuhan manusia. Tetapi seringkali mandi dilaksanakan pada saat temperatur udara dingin, sehingga mandi dengan menggunakan air hangat dirasakan lebih nyaman daripada mandi dengan menggunakan air dingin. Sistem penyediaan air panas dalam rumah sudah banyak dikembangkan. Mulai dari penjerangan air dengan kompor yang menggunakan bahan bakar, pemanas air tenaga listrik, juga pemanas air tenaga surya. Tetapi seiring dengan perkembangan zaman , pemakaian energi tersebut masih berpeluang untuk dihemat. Perancangan sistem mekanikal penyedia air panas sentral diharapkan mampu menghemat energi yang diperlukan pada saat peyediaan air panas untuk mandi di suatu kawasan. Perumahan Batununggal Indah Bandung digunakan sebagai contoh lokasi perancangan. Salah satu bentuk penghematan energi yang dilakukan adalah dengan memanfaatkan panas buang dari kondensor chiller mesin refrigerasi sebagai pemanas awal air sampai temperaturnya mencapai 35°C. Selanjutnya air akan melalui sistem pemanasan lanjut dengan menggunakan boiler dan penukar panas shell and tube, sehingga temperatur air dapat mencapai kebutuhannya 65°C. Sistem diharapkan dapat bekerja sehari penuh, sehingga setiap saat air panas harus selalu tersedia, oleh karena itu digunakan sistem sirkulasi tertutup. Kemudian, bentuk penghematan lain yang dilakukan adalah penggunaan tanki tekan sebagai pendamping operasi pompa, sehingga pompa tidak perlu beroperasi selama sehari penuh. Hasil perancangan menunjukkan bahwa kebutuhan air panas 503.260 liter perhari dengan temperatur 65°C dapat diakomodasi dengan menggunakan dua buah boiler dan empat penukar panas. Sistem penampungan air sementara dalam sistem pembangkitan diakomodasi dengan menggunakan tanki penampung. Sedangkan sistem distribusi air menuju ke rumah akan dilakukan oleh pompa, tanki tekan dan sistem pemipaan yang terpisah untuk setiap tahap perumahan. Kata kunci : air panas, penurunan tekanan, boiler, penukar panas, tangki tekan, pompa.
ii
Final Project DESIGN OF MECHANICAL SYSTEM Title
APPLICATION FOR HOT WATER SUPPLY AT BATUNUNGGAL INDAH
Tresnaningsih
ESTATE BANDUNG Major
Mechanical Engineering
13103083
Faculty of Mechanical Engineering and Aerospace Institute of Technology Bandung
Abstract Bathing is one of every human’s basic necessities. But bathing is done mostly in cold air temperature, so bathing with warm air seems more comfortable than cold water. Many hot water supplying methods for domestic houses are already developed. From water boiling with stoves powered by fuel, electric water heaters, to solar powered water heaters. But coinciding with the times, the energy usage is still has an opportunity to be economized. The design of a central mechanical hot water supplying system is deemed to save energy needed to supply hot water demands in a housing area. Batununggal Indah Bandung housing area is used as a reference design location. One form of energy saving done is by using the exhaust heat from a condenser of a refrigeration chiller machine as the water’s initial heater until 35°C. Then the water will undergo another stage of heating system, such boiler and heat exchanger until it reached the necessary temperature, 65°C. System is hoping to run full day, so every time needed, hot water is available. Because of that, closed circulation system is used. Another form of saving is by using pressure tanks to complement the pumps operation, so that the pumps don’t have to operate for a full day. Design results shows that the water demand of 504.260 liters with temperature of 65°C can be accommodated by using two boilers and four heat exchangers. Storage tank will accommodate the temporary water storage needed. Then, water distribution system is done by pump, pressure tank and pipeline, which are separated for every stage of the housing area. Key words: hot water, pressure drop, boiler, heat exchanger, pressure tank, pump.
iii
KATA PENGANTAR Bismillahirrahmaanirrahiim, Assalamu’alaikum Wr.Wb Alhamdulillah dipanjatkan pada Allah SWT atas semua nikmat yang senantiasa diberikan kepada penyusun. Hanya atas izin, ridha dan rahmat-Nya tugas akhir ini dapat diselesaikan. Tugas akhir ini merupakan sebuah kajian mengenai sistem penyedia air panas sentral yang penulis harapkan dapat memberikan masukan dalam hal penghematan dan pemanfaatan energi terbuang.
Mungkin masih terdapat
kekurangan dalam tugas akhir ini yang merupakan keterbatasan penyusun untuk menjawab semua permasalahan yang ada sehingga diperlukan pengembangan lebih lanjut. Penyusunan tugas akhir ini banyak sekali mendapatkan bantuan, baik moril maupun materil, dari berbagai pihak. Untuk itu penyusun mengucapkan terima kasih dan penghargaan setinggi-tingginya. Secara khusus penyusun sampaikan terima kasih kepada : 1. Ibu dan bapak yang senantiasa mengiringi hari penyusun dengan doa, pengorbanan dan kasih sayang yang tak akan pernah ternilai harganya. Juga atas contoh dan pelajaran tentang syukur, sabar dan ikhtiar yang penyusun tidak akan pernah lupa. 2. Bapak Prihadi Setyo Darmanto sebagai pembimbing. Mungkin penyusun sering lupa atas pelajaran kuliah yang diajarkan Bapak, tetapi penulis tidak akan lupa atas pelajaran kehidupan yang Bapak berikan. 3. Kakak dan adik, dimanapun kalian berada, yang senantiasa membantu, memberikan semangat, menghibur dan menemani penyusun sejak kecil hingga sekarang. 4. Acid, Pai dan Riri yang selama empat tahun terakhir ini sudah bersedia menjadi sahabat penyusun. Kalian adalah orang-orang yang hebat. 5. Vicky dan Manan, teman terakhir penyusun di ruang asisten, yang telah menemani penyusun untuk menyelesaikan tugas akhir ini. Juga Rafles, Merly dan Fauzi, teman penyusun di Lab. Pendingin
iv
6. Ipen, Riza, Inu, Taurino, Adhicahyo, dan 139 rekan M03 lainnya yang telah menjadi teman penyusun untuk dapat menyelesaikan OS dan tugas kuliah selama ini.Selamat berjuang. 7. Gusto, Sandhy, Yuan dan Munif yang telah memberikan kesempatan kepada penyusun untuk bergabung dalam divisi Robotika HMM. Semoga suatu hari nanti robot kita dapat beraplikasi dengan baik. 8. Rekan mesin ITB yang menjadi partner penyusun selama 4,5 tahun terakhir ini. 9. Seluruh dosen pengajar yang telah memberikan arahan selama berlangsungnya proses perkuliahan. 10. Staf tata usaha dan perpustakaan mesin ITB yang telah membantu selama masa perkuliahan dan penyusunan tugas akhir. 11. Rully Husnie dan keluarga atas bantuannya kepada penyusun sampai saat ini. Suatu kebahagiaan dalam hidup dapat bertemu dan mengenal Anda semua, semoga Allah SWT menilai setiap detik yang diluangkan sebagai suatu amal kebaikan di jalan-Nya. Aamiin. Akhirnya, selain berharap atas saran, kritik dan sapa yang membangun untuk perbaikan tugas akhir ini, penyusun sertakan doa semoga kita dapat menjadi orang yang sukses dan bermanfaat.
Wassalamu’alaikum Wr. Wb. Bandung, Februari 2008
Penyusun
v
DAFTAR ISI
ABSTRAK ………………………………………………………………………….
i
ABSTRACT ………………………………………………………………………...
ii
KATA PENGANTAR ………………………………………………………………
iii
DAFTAR ISI ………………………………………………………………………..
v
DAFTAR GAMBAR ……………………………………………………………….
viii
DAFTAR TABEL …………………………………………………………………..
ix
BAB I
PENDAHULUAN ……………………………………………………….
1
1.1 Latar belakang …………………………………………………………...
1
1.2 Tujuan Penulisan ………………………………………………………...
2
1.3 Ruang Lingkup Pembahasan …………………………………………….
2
1.4 Metode Pembahasan ……………………………………………………..
3
BAB II
TEORI DASAR …………………………………………………………
4
2.1 Perancangan Sistem Penyediaan Air Panas ……………………………..
4
2.1.1 Kualitas Air Panas ……………………………………………….
4
2.1.2 Satuan Kalor ……………………………………………………..
4
2.1.3 Pengaruh Kualitas Air dan Temperatur ………………………….
4
2.2 Penyediaan Air Panas ……………………………………………………
5
2.2.1 Sistem Penyediaan Air Panas ……………………………………
5
2.2.1.1 Instalasi Lokal ………………………………………….
5
2.2.1.2 Instalasi Sentral ………………………………………...
5
2.2.2 Cara Pemanasan ………………………………………………….
6
2.2.2.1 Pemanasan Langsung …………………………………..
6
2.2.2.2 Pemanasan Tidak Langsung ……………………………
6
2.2.3 Temperatur Air Panas ……………………………………………
6
2.2.4 Laju Aliran Air Panas ……………………………………………
8
2.2.4.1 Kebutuhan Berdasarkan Jumlah Orang ………………...
9
2.2.4.2 Kebutuhan Berdasarkan Jumlah Alat Plambing ………
9
2.3 Aliran Dalam Pipa ……………………………………………………….
10
vi 2.3.1 Ukuran Pipa Air Panas …………………………………………..
10
2.3.2 Jenis aliran dalam pipa ………………………………………….
10
2.3.2.1 Aliran Laminar dan Turbulen ………………………….
10
2.3.2.2 Fully Developed Flow ....................................................
11
2.3.3 Persamaan Energi ………………………………………………..
12
2.3.4 Aliran seri dan parallel …………………………………………..
12
2.4 Perpindahan Panas ………………………………………………………
13
2.4.1 Balans energi …………………………………………………….
13
2.4.2 Perpindahan panas dalam saluran ………………………………..
14
2.4.3 Perpindahan panas diluar saluran ………………………………..
14
2.4.4 Perpindahan Panas Dua Fasa Dalam Saluran …………………...
15
2.4.5 Alat Penukar Panas ………………………………………………
16
BAB III
PERANCANGAN SISTEM DAN ANALISIS …………………………
19
3.1
Kawasan Perumahan Batununggal Indah ………………………………..
19
3.2
Perancangan Sistem Pemanasan …………………………………………
19
3.3
Perhitungan kebutuhan air hangat ………………………………………
22
3.4
Perhitungan kebutuhan air panas ………………………………………..
22
3.5
Perhitungan ukuran pipa air panas ………………………………………
23
3.6
Perhitungan penurunan tekanan sepanjang jalur pemipaan ……………..
23
3.7
Perhitungan tebal insulasi pipa …………………………………………..
24
3.8
Perhitungan tebal tanki tekan ……………………………………………
25
BAB IV
PEMILIHAN SISTEM PEMANASAN AIR ……………………………
27
4.1
Pemilihan Sistem Pemanasan Air………………………………………..
27
4.1.1 Alternatif berdasarkan jenis instalasi …………………………….
27
4.1.1.1 Instalasi Lokal ………………………………………….
27
4.1.1.2 Instalasi Sentral Terbuka ……………………………….
27
4.1.1.3 Instalasi Sentral Tertutup ………………………………
27
4.1.2 Alternatif berdasarkan cara pemanasan ………………………….
28
4.1.2.1 Pemanasan Langsung …………………………………..
28
4.1.2.2 Pemanasan Tidak Langsung ……………………………
28
4.1.3 Hasil Pemilihan …………………………………………………..
28
vii 4.2
Pemilihan Tanki Tekan ………………………………………………….
30
4.3
Perhitungan Kapasitas Pemanasan Boiler ……………………………….
31
4.4
Pemilihan Penukar Panas ………………………………………………..
33
4.4.1 Perhitungan Perpindahan panas ………………………………….
33
4.4.1.1 Fasa Uap Superheated ………………………………….
35
4.4.1.2 Fasa Campuran …………………………………………
35
4.4.1.3 Fasa Air Subcooled……………………………………..
35
4.4.2 Pemilihan Jenis Penukar Panas …………………………………..
36
4.4.2.1 Double Pipe Heat Exchanger ………………………….
36
4.4.2.1 Shell and Tube Heat Exchanger ……………………….
38
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN ………………………………………….
40
5.1
Kesimpulan ………………………………………………………………
40
5.2
Saran ……………………………………………………………………..
40
DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………………….
41
LAMPIRAN ………………………………………………………………………
42
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1
Diagram alir metode pembahasan
3
Gambar 2.1
Balans energi aliran
13
Gambar 2.2
Penukar panas parallel flow
16
Gambar 2.3
Penukar panas counter flow
16
Gambar 2.4
Penukar panas cross flow
17
Gambar 2.5
Shell and Tube Heat Exchanger
17
Gambar 3.1
Skema sistem pemanasan air
20
Gambar 3.2
Diagram ladder sistem control
21
Gambar 3.3
Pandangan depan penampang pipa
24
Gambar 3.4
Rangkaian termal pipa
24
Gambar 3.5
Tanki Tekan
26
Gambar 3.6
DBB tegangan hoop
26
Gambar 3.7
DBB tegangan aksial
26
Gambar 4.1
Penmpang tanki dan isolasi
31
Gambar 4.2
Rangkaian termal tanki
31
Gambar 4.3
Pandangan depan dan rangkaian termal DPHE
37
Gambar 4.4
Pandangan depan dan rangakaian termal STHE
38
ix DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Standard temperatur air panas menurut jenis pemakaiannya
7
Tabel 2.2
Jumlah air panas yang dibutuhkan dalam campuran untuk
8
mendapatkan air hangat Tabel 2.3
Persentase air panas dalam campuran untuk mendapatkan air hangat
8
Tabel 2.4
Faktor pengali pemakaian air panas pada temperature 60°C
9
Tabel 3.1
Kondisi awal elemen
21
Tabel 3.2
Contoh perhitungan penurunan tekanan
23
Tabel 4.1
Laju kebutuhan air panas per tahap perumahan
32
Tabel 4.2
Laju energi pada fasa superheated
34
Tabel 4.3
Laju energi pada fasa campuran
34
Tabel 4.4
Laju energi pada fasa subcooled, temperatur akhir 50°C
34
Tabel 4.5
Perhitungan massa air yang dipanaskan pada iterasi 1
34
Tabel 4.6
Laju energi pada fasa subcooled, temperatur akhir 80°C
34
Tabel 4.7
Perhitungan massa air yang dipanaskan pada iterasi 2
35
Tabel 4.8
Perhitungan kenaikan temperature air pada fasa superheated
35
Tabel 4.9
Perhitungan kenaikan temperature air pada fasa campuran
35
Tabel 4.10
Perhitungan kenaikan temperature air pada fasa superheated
36
Tabel 4.11
Perhitungan diameter DPHE
36
Tabel 4.12
Panjang DPHE setiap fasa
37
Tabel 4.13
Perhitungan diameter STHE
38
Tabel 4.14
Perhitungan diameter hidrolik
38
Tabel 4.15
Panjang STHE setiap tahap
39
