BAB II. DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Dasar Teori
2.1.1. Perpindahan kalor
Perpindahan kalor atau heat transfer adalah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Kalor suatu benda tergantung pada suhu benda tersebut. Semakin tinggi suhu benda, maka semakin besar kalor yang dikandungnya. Kalor berpindah dari tempat yang bersuhu tinggi ke tempat yang bersuhu rendah. Perpindahan kalor ada 3 cara yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
a. Perpindahan Kalor Konduksi
Perpindahan kalor konduksi menurut Kreith adalah proses di mana panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam satu medium baik dalam bentuk padat, cair, dan gas atau antara medium-medium/ benda-benda yang berlainan bersinggungan menjadi satu. Berdasarkan teori partikel, partikel penyusun benda yang bersuhu tinggi mempunyai energi kinetik yang tinggi pula. Hal ini berarti partikelnya bergerak dengan cepat. Sebaliknya pada benda yang bersuhu rendah, partikel-partikelnya bergerak lebih lambat. Dari hasil percobaan para ahli, ternyata ditemukan ada benda yang dapat menghantarkan kalor dengan baik dan ada benda yang sukar menghantarkan kalor. Pada water heater perpindahan kalor secara konduksi terjadi pada permukaan luar pipa ke permukaan bagian dalam pipa, dari sirip ke permukaan pipa.
Gambar 2.1 Perpindahan kalor konduksi dari titik A menuju B
b. Perpindahan Kalor Konveksi
Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan energi kalor yang diikuti gerak partikel-partikel zat perantara atau mediumnya. Konveksi terjadi akibat adanya ekspansi thermal dan konduksi. Konveksi merupakan fluida yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu di fluida tersebut. Ekspansi thermal adalah sifat yang berasal dari sustansi yang bersuhu tinggi di mana partikel-partikel sustansi tersebut volumenya meluas atau membesar akibat kalor yang diterima. Pada perpindahan kalor ini dapat terjadi pada zat cair dan gas. Contoh perpindahan kalor konveksi pada zat cair adalah pada saat kita memasak air, meskipun yang dipanaskan hanya air bagian bawah namun air bagian atas dapat berubah suhunya. Hal ini menunjukkan bahwa terjadi aliran kalor dari air bagian bawah ke air bagian atas. Sedangkan perpindahan kalor konveksi di udara adalah terjadinya angin laut pada siang hari dan angin darat pada malam hari. Angin laut dan darat terjadi karena adanya perbedaan suhu antara laut dengan darat yang
tembaga air
B
A A
A A
B B
B
menyebabkan perbedaan massa jenis udara diatas permukaan darat dan permukaan laut. Pada water heater perpindahan kalor secara konveksi dapat ditemukan pada permukaan dalam pipa yang mengalirkan panas ke air di dalam pipa.
Gambar 2.2 Perpindahan kalor konveksi dari titik B menuju C
c. Perpindahan Kalor Radiasi
Perpindahan kalor radiasi menurut Koestoer, R. A adalah perpindahan kalor melalui gelombang elektromagnet atau paket-paket energi (photon) yang dapat mengalir atau berpindah sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium atau tanpa bersinggungan. Contoh perpindahan kalor radiasi adalah panas sinar matahari yang sampai ke bumi dan kalor yang sampai ke tubuh kita saat kita menyalakan api unggun. Pada water heater perpindahan kalor secara radiasi terjadi pada tabung bagian dalam menuju ke bagian luar pipa pemanas, tabung bagian dalam menuju tabung bagian luar, dari tabung bagian luar ke udara di sekitar alat pemanas air.
tembaga air
B
B
C
B
B
C
udara lingkungan udara lingkungan Gambar 2.3 Perpindahan kalor radiasi dari udara lingkungan menuju titik A
2.1.2. Perancangan Pipa
Ada beberapa hal yang dipertimbangkan dalam perancangan saluran air, diantaranya adalah (a) pemilihan bahan (b) pemilihan diameter pipa (c) pemilihan geometri pipa pemanas
a. Pemilihan bahan
Pemilihan bahan pipa harus memiliki nilai konduktivitas termal yang tinggi. Sehingga bahan mampu mengalirkan kalor konduksi yang besar, mampu memindahkan kalor yang diterima dari api menuju fluida yang mengalir di dalam pipa. Konduktivitas termal suatu benda adalah kemampuan suatu benda untuk memindahkan kalor melalui benda tersebut. Benda yang memiliki konduktivitas termal (k) besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik). Sebaliknya, benda yang memiliki konduktivitas termal kecil merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk). Semakin tinggi nilai
tembaga
air
A
A A
konduktivitas termal bahan, semakin besar laju aliran kalornya. Pemilihan saluran air juga harus mempertimbangkan harga dari bahan saluran pipanya. Artinya harga terjangkau. Selain itu bahan pipa juga tidak boleh berkarat, sebab kalau berkarat, akan dapat mengotori air yang mengalir dan pipa akan dapat cepat bocor. Titik lebur bahan pipa juga harus tinggi, agar ketika dibakar bahan pipa tidak melebur atau meleleh.
Tabel 2.1 Nilai konduktivitas termal/bahan (Holman, 1995)
No Bahan Nilai konduktivitas termal Suhu titik lebur
Watt/m.ºC °C 1 Perak (murni) 410 400 2 Tembaga (murni) 385 600 3 Aluminium (murni) 202 400 4 Nikel (murni) 93 1455 5 Besi (murni) 73 1200 6 Baja karbon, 1% C 43 1200 7 Timbal (murni) 35 327
Berdasarkan Tabel 2.1, dipilih bahan pipa dari tembaga yang memiliki nilai konduktivitas termal yang tinggi dengan harga yang terjangkau.
b. Pemilihan diameter pipa
Pemilihan diameter pipa juga merupakan hal yang penting karena semakin kecil diameter pipa, daya pompanya semakin besar. Semakin kecil diameter pipa akan semakin besar hambatannya. Ukuran diameter pipa dipilih sedemikian sehingga tidak menghasilkan daya pompa yang besar, tetapi harga jual water heater dapat terjangkau.
Dalam perancangan water heater dibuat pipa dengan bentuk spiral karena akan meminimalkan hambatan yang terjadi ketika air mengalir. Dalam pembentukan saluran pipa tidak dibuat pipa yang melengkung tajam agar hambatan yang dihasilkan tidak besar. Apabila terjadi pembelokan saluran, sudut pembelokan diusahakan lebih besar dari sudut 90°. Hal ini dimaksudkan agar gesekan yang terjadi antara fluida dan pipa semakin kecil dan daya pompa yang diperlukan untuk mendorong air lebih kecil.
Dengan saluran air berbentuk spiral, proses perpindahan kalor dari api ke permukaan luar pipa pemanas dapat berlangsung dengan baik. Seluruh permukaan luar pipa akan terkena api atau aliran gas panas hasil proses pembakaran.
2.1.3.Konduktor dan Isolator
Dari hasil percobaan para ahli, ternyata ditemukan ada benda yang dapat menghantarkan kalor dengan baik dan ada benda yang sukar menghantarkan kalor. Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor tersebut, benda dibedakan menjadi dua yaitu : (a) Konduktor dan (b) Isolator
a. Konduktor
Konduktor adalah benda-benda yang mudah menghantarkan kalor dari suatu tempat ke tempat yang lain. Contohnya adalah besi, alumunium, tembaga, seng. Nilai sifat-sifat dari berbagai bahan dari logam dapat dilihat pada Tabel 2.2
Tabel 2.2 Sifat - sifat bahan logam pada suhu 20°C Holman1995)
No Bahan k (W/mºC) cp (kJ/kg.˚C) ρ (kg/m3) α (m2
/s)
1 Perak 419 0,2340 10524 17,004 x 10-5
Lanjutan Tabel 2.2 No Bahan k (W/mºC) cp (kJ/kg.˚C) ρ (kg/m3) α (m2/s) 3 Alumunium 204 0,896 2707 8,418 x 10-5 4 Seng 112,2 0,3843 7144 4,106 x 10-5 5 Besi 73 0,452 7897 2,034 x 10-5 6 Baja 54 0,465 7833 1,474 x 10-5 b. Isolator
Isolator adalah benda-benda yang tidak dapat menghantarkan kalor dari suatu tempat ke tempat yang lain. Contoh benda yang termasuk isolator adalah kayu, kain, gabus, dan air. Pada penelitian ini isolator diperlukan agar kalor hasil proses pembakaran bahan bakar tidak banyak keluar dari water heater. Isolator yang digunakan adalah udara karena udara tidak menghambat suplai oksigen dari luar water heater masuk ke dalam water heater melalui saluran udara masuk.
Water heater ini memiliki tiga tabung yang berdiameter berbeda. Proses pembakaran terjadi di dalam tabung yang berdiameter kecil. Agar panas yang dihasilkan tidak banyak keluar diperlukan isolator. Yang dapat digunakan sebagai isolator adalah udara yang terdapat diantara tabung berdiameter kecil dan tabung berdiameter besar.
Tabel 2.3 Sifat-sifat bahan bukan logam (Holman, 1995)
No Bahan k (W/mºC) c (kJ/kg.˚C) ρ (kg/m3) α (m2 /s) 1 Asbes 0,154 0,816 470-570 3,3-4 x 10-7 2 Gabus 0,045 1,88 45-120 2-5,3 x 10-7 3 Gelas 0,78 0,84 2700 3,4 x 10-7 4 Bata bangunan 0,69 0,84 1600 5,2 x 10-7 5 Kayu Pinus 0,147 2,8 640 0,82 x 10-7 6 Udara 0,009246 1,0266 3,601 25,01 x 10-7
2.1.4. Sirip
Pada umumnya sirip sering digunakan pada alat penukar kalor untuk mendistribusikan kalor yang memiliki suhu tinggi ke suhu rendah melalui media. Material sirip biasanya harus mempunyai konduktivitas termal yang tinggi sehingga dapat membantu perpindahan panas dari sumber api ke air. Semakin besar dan banyak sirip yang dipasang maka semakin besar pula kalor yang dipindahkan. Sirip dalam water heater digunakan untuk membantu mempercepat terjadinya kenaikan suhu di permukaan pipa-pipa penyalur air, karena sirip water heater terbuat dari tembaga yang memiliki sifat konduksi yang baik, sirip menyerap panas dari pembakar dengan baik kemudian menyalurkan pada pipa-pipa penyalur air untuk menaikkan suhu pada air yang mengalir di dalam pipa-pipa.
Sirip mengakibatkan luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida menjadi lebih besar, sehingga proses perpindahan kalor konveksi menjadi lebih besar. Kalor konveksi berpindah dari udara panas ke pipa saluran air.
2.1.5. Perancangan Tabung Water Heater
Ada beberapa hal yang dipertimbangkan dalam perancangan tabung water heater, diantaranya adalah (a) pemilihan bahan (b) pemilihan diameter tabung.
a. Pemilihan bahan
Dalam perancangan tabung water heater dipilih bahan dari galvalum. Galvalum merupakan material berbahan dasar besi dengan campuran aluminium dan zinc. Galvalum dipilih karena mampu menahan kalor pada suhu yang sangat tinggi dan tahan karat.
Dalam perancangan water heater dibuat tabung dengan bentuk silinder karena disesuaikan dengan bentuk pipa pemanas yang berbentuk spiral dan disesuaikan juga dengan kompor yang berbentuk melingkar. Tabung water heater
yang berbentuk silinder dimaksudkan agar proses pembakaran akan menjadi maksimal. Tabung water heater juga dibuat lubang-lubang untuk mensuplai oksigen agar masuk kedalam yang akan digunakan dalam proses pembakaran. Semakin banyak lubang pada tabung water heater maka proses pembakaran akan semakin maksimal.
2.1.6. Bahan Bakar
Proses pembakaran pada penelitian ini menggunakan bahan bakar dari gas yaitu gas LPG (Liquified Petroleum Gas). Liquified Petroleum Gas atau LPG adalah campuran dari beberapa unsur hidrokarbon yang berasal dari gas alam. Di dalam LPG terdapat gas yang dipampatkan yang berubah ke fasa cair karena tekanan di dalam tabung LPG ditingkatkan dan suhu diturunkan. Di dalam LPG terdapat komponen yaitu propana
C3H8
dan butana
C4H10
, dengan komposisi kurang lebih sebesar 99 %, selebihnya adalah gas pentana
C5H12
yang dicairkan. Perbandingan komposisi propana dan butana adalah 30 : 70. LPG lebih berat dari udara dengan berat jenis sekitar 2,01 (dibandingkan dengan udara).Tekanan uap LPG cair dalam tabung sekitar 5 – 6,2 2
cm kg
. Nilai kalori sekitar : 21.000 BTU/lb. zat mercaptan umumnya ditambahkan ke LPG untuk memberikan bau khas, supaya kalau terjadi kebocoran, dapat segera terdeteksi dengan cepat dan mudah.
LPG memiliki daya pemanasan yang lebih baik jika dibandingkan dengan minyak tanah, arang, kayu bakar, dan gas kota karena memiliki daya pemanasan sebesar 11900 kkal/kg dengan efisiensi sebesar 60 %.
Tabel 2.4 Daya pemanasan dan efisiensi berbagai macam bahan bakar (sumber:
htpp://kemahasiswaan.um.ac.id/wp- content/uploads/2010/pkm/alL-10-um-intan-tips-menggunakan-tabung-lpg-.pdf)
Bahan Bakar Daya Pemanasan Efisiensi alat masak
%
Kayu bakar 4000 kkal/kg 15
Arang 8000 kkal/kg 15
Minyak tanah 11000 kkal/kg 40
Gas kota 4500 kkal/kg 55
LPG 11900 kkal/kg 60
Listrik 860 kkal/kwh 60
2.1.7. Proses Pembakaran LPG
Pembakaran adalah reaksi kimia antara oksigen dengan unsur bahan bakar. Oksigen didapat dari udara luar yang digunakan untuk berlangsunya poroses pembakaran. Sedangkan unsur bahan bakarnya adalah 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
C3H8
dan butana
C4H10
, dengan komposisi kurang lebih sebesar 99 %, selebihnya adalah gas pentana
C5H12
yang dicairkan. Perbandingan komposisi propana dan butana adalah 30 : 70. LPG lebih berat dari udara dengan berat jenis sekitar 2,01 (dibandingkan dengan
udara). Tekanan uap LPG cair dalam tabung sekitar 5 – 6,2 2
cm kg
. Nilai kalori sekitar : 21.000 BTU/lb. Untuk mengatasi terjadi kebocoran sehingga dapat terdeteksi dengan cepat dan mudah maka LPG ditambahkan zat mercaptan.
Tabel 2.5 Komposisi udara dalam keadaan kering (sumber: htpp: www.scribd.com/doc/48627618/komposisi-udara-hasan-44-dan-gadis-21) Komponen Volume (%) Ppm Nitrogen 78,08 780,8 Oksigen 20,95 209,5 Argon 0,934 9,34 Karbon Dioksida 0,314 314 Neon 0,00182 18 Helium 0,000534 5 Metana 0,0002 2 Kripton 0,000114 1
Reaksi pembakaran propana
C3H8
, jika terbakar sempurna adalah sebagai berikut :8 3H
C + 5O2 → 3CO2 + 4H2O + panas
propana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Dari sumber wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut setara dengan 46000000 J/kg atau 46MJ/kg.
Reaksi pembakaran butana
C4H10
, jika terbakar sempurna adalah sebagai berikut :butana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Dari sumber wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut hampir sama dengan propana setara dengan 46 MJ/kg.
2.1.8. Saluran udara masuk
Proses pembakaran memerlukan oksigen yang diambil dari udara bebas agar panas dapat maksimal. Karena sumber api berada di bawah alat pemanas air sehingga harus ada saluran udara yang berfungsi agar udara bisa masuk sehingga proses pembakaran dapat terjadi dengan sempurna. Jika kekurangan oksigen dapat menyebabkan proses pembakaran yang tidak sempurna dan panas yang dihasilkan tidak sesuai yang diharapkan. Saluran udara di water heater terdapat pada bagian dinding atau selimut water heater dengan celah atau lubang-lubang. Hal ini dimaksudkan agar udara dapat masuk ke ruang dalam water heater di sekitar proses pembakaran berlangsung. Apabila water heater kekurangan udara dalam proses pembakaran maka panas hasil pembakaran menjadi tidak maksimal. Karena proses pembakaran yang membutuhkan oksigen maka api akan cenderung mengarah keluar dari water heater jika tidak ada pasokan oksigen di dalam water heater. Pada keadaan normal komposisi oksigen di dalam udara berkisar 20,95 % dari komposisi udara di bumi. Sehingga diantara alat pemanas air dengan sumber api diberi jarak atau celah yang bertujuan untuk memberikan ruang atau saluran udara masuk .
2.1.9. Saluran gas buang
Pada proses pembakaran selain menghasilkan panas juga menghasilkan gas buang. Gas buang yang dihasilkan berupa gas dan uap air. Agar nyala api
tidak terganggu oleh gas buang maka harus dibuat saluran gas buang supaya gas buang bisa keluar. Saluran udara keluar pada water heater biasanya berada di bagian atas water heater. Sebagaimana fluida, panas atau kalor juga dapat mengalir dan berpindah tempat. Jika terjadi perbedaan temperatur, panas atau kalor akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Panas juga dapat mengalir ke atas karena perbedaan berat jenis. Proses pembakaran di water heater menyebabkan udara panas memiliki berat jenis lebih rendah sehingga udara panas mengalir ke atas, maka dari itu dibuat saluran udara keluar di bagian atas water heater. 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 mengganggu dan membahayakan 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 dan hasilnya lebih maksimal.
2.1.10.Media Pembakar
Media pembakar adalah sebuah media atau sarana yang menghasilkan api atau panas untuk proses pembakaran. Media pembakar mempunyai banyak variasi yaitu ada yang menggunakan LPG atau minyak tanah sebagai sumber bahan bakar. Media pembakar dengan bahan bakar LPG memiliki keunggulan yang lebih dibanding dengan minyak tanah, listrik, dan kayu bakar yaitu pemanasan yang terjadi cepat serta daya pemanasan LPG lebih besar dibanding yang lainnya.
Gambar 2.4 Media pembakar dengan bahan bakar LPG, low pressure Media pembakar yang ada di pasaran adalah sebagai berikut :
Dimensi : 580 mm (Panjang) x 340 mm (Lebar) x 125 mm (Tinggi) Jenis : Low Pressure
Bahan : Besi Tuang
Contoh spesifikasi media pembakar adalah sebagai berikut :
Dimensi : 570 mm (Panjang) x 315 mm (Lebar) x 168 mm (Tinggi) Jenis : High Pressure
Bahan : Besi Tuang
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 2.6 Aliran fluida dalam saluran air
massajenis
luaspenampang
kecepatanair
mair air
m
r2
um ……(2.1)……(2.2) Pada persamaan (2.1) dan (2.2)
air
q : laju aliran kalor yang diterima air, watt
: laju aliran massa air, kg/detik
air
c : kalor jenis air, 4179 J/kgoC. Tin : suhu air masuk water heater, oC
q
air = ṁair Cair (Tout– Tin)Tout : suhu air keluar water heater, oC.
m
u : kecepatan rata-rata fluida mengalir, m/detik
: massa jenis fluida yang mengalir, kg/m3
d : diameter saluran, m
Laju aliran kalor yang diberikan gas dapat dihitung dengan persamaan (2.3)
gas
q = mgasCgas
……(2.3) Pada persamaan (2.3) :
gas
m : massa gas elpiji yang terpakai (kg/s)
gas
C : nilai kalor gas elpiji (11900 kkal/kg), (1kkal = 4186,6 J)
2.1.12.Efisiensi Water Heater
Efisiensi Water Heater dapat dihitung dengan persamaan (2.4)
% 100 x q q gas air ……(2.4) Pada persamaan (2.4) :
: Efisiensi water heater (%)
air
q : Laju aliran kalor yang diterima air, watt
gas
q : Laju aliran kalor yang diberikan gas, watt
