BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Dasar Teori
2.1.1 Pengertian Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor dapat terjadi jika ada perbedaan suhu. Kalor berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah dengan melalui atau tanpa zat perantara. Perpindahan kalor adalah suatu proses yang dinamis, yaitu kalor dipindahkan secara spontan dari satu kondisi ke kondisi lain yang suhunya lebih rendah. Kecepatan perpindahan kalor ini bergantung pada perbedaan suhu antar kedua kondisi. Semakin besar perbedaan, maka semakin besar kecepatan berpindahnya kalor.
2.1.2 Perpindahan Kalor
Kalor dapat berpindah dari suatu tempat / benda ke tempat lain melalui tiga cara, yaitu secara konduksi, secara konveksi, dan secara radiasi.
a. Perpindahan kalor konduksi
Perpindahan kalor konduksi adalah perpindahan kalor yang dihasilkan dari kontak langsung antara permukaan – permukaan benda. Konduksi terjadi hanya bila dengan menyentuh atau menghubungkan permukaan – permukaan yang berbeda suhunya. Setiap benda mempunyai konduktivitas termal (kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan mempengaruhi kalor yang dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin. Semakin tinggi nilai konduktivitas benda, semakin cepat mengalirkan kalor yang diterima dari satu sisi ke sisi yang lain. Contoh perpindahan kalor secara konduksi adalah menaruh batang besi
membara ke batang besi lain yang dingin. Kalor dari besi yang membara berpindah ke besi yang dingin sehingga besi yang semula dingin akan menjadi panas. Pemanfaatan perpindahan panas konduksi dalam kehidupan sehari – hari bisa ditemukan, misalnya pada water heater. Proses perpindahan panas konduksi terjadi pada aliran kalor dari permukaan luar pipa tembaga mengalir ke dalam permukaan dalam pipa tembaga, dan dari permukaan tabung dalam ke permukaan luar dari tabung luar.
b. Perpindahan kalor Konveksi
Perpindahan kalor konveksi merupakan perpindahan panas ( kalor ) yang disertai dengan berpindahnya zat perantara. Perpindahan kalor secara konveksi bisa terjadi pada zat cair dan gas. Contoh perpindahan kalor konveksi pada zat cair dapat ditemukan dalam kehidupan sehari – hari dan dapat dilihat pada proses pemasakan air, saat air dimasak maka air pada bagian bawah akan terlebih dahulu panas, saat air dibawah panas maka akan bergerak ke atas ( dikarenakan terjadi perubahan massa jenis air ) sedangkan air di atas akan bergerak ke bawah begitu seterusnya sampai seluruh bagian air panas. Sedangkan untuk perpindahan panas konveksi melalui udara disebabkan karena partikel udara akan mengalami perubahan massa jenis akibat pengaruh kalor. Karena massa jenisnya kecil, udara yang bersuhu tinggi tersebut akan naik. sebaliknya udara yang bersuhu lebih rendah akan mempunyai massa jenis yang besar, maka udara tersebut akan turun. Contoh perpindahan kalor konveksi udara dapat ditemui pada ventilasi ruangan dan cerobong asap. Proses perpindahan kalor secara konveksi yang terjadi pada
water heater terjadi pada saat kalor dipindahkan dari permukaan dalam pipa ke air yang sedang mengalir.
c. Perpindahan Kalor Radiasi
Merupakan perpindahan kalor yang dapat terjadi tanpa menggunakan zat perantara, jika sebuah benda di dalam sebuah ruangan, dan suhu dinding – dinding pengurung lebih rendah daripada suhu benda, maka suhu benda tersebut akan turun sekalipun dalam ruangan tersebut hampa. Proses perpindahan panas dari suatu benda terjadi berdasarkan suhunya, tanpa bantuan dari zat perantara disebut dengan perpindahan kalor radiasi. Contoh lain adalah matahari yang memancarkan panas (kalor) ke bumi dan api yang memancarkan hangat ke tubuh yang berada disekitarnya. Kalor di radiasikan melalui bentuk gelombang cahaya, gelombang radio dan gelombang elektromagnetik. Radiasi juga dapat dikatakan sebagai perpindahan kalor melalui media atau ruang yang akhirnya diserap oleh benda lain. Contoh radiasi dalam kehidupan sehari-hari dapat dilihat saat menyalakan api unggun, siapa yang berada di dekat api unggun akan merasakan hangat. Proses perpindahan panas secara radiasi yang terjadi di dalam water heater terjadi pada permukaan luar tabung water heater dengan udara sekitarnya, atau dari api ke permukaan luar dari pipa aliran air.
2.1.3 Perancangan Pipa Saluran Air
Ada beberapa pertimbangan dalam menentukan perancangan pipa saluran air diantaranya adalah hambatan pipa, kehalusan permukaan saluran pipa, bahan pipa, diameter pipa saluran air.
a. Hambatan pipa saluran air
Hambatan pipa saluran air diusahakan sekecil mungkin supaya ketika air mengalir didalam pipa, penurunan tekanan yang terjadi kecil. Karenanya saluran pipa diusahakan tidak mengalami pembelokan. Kalaupun mungkin terjadi pembelokan diusahakan sudut pembelokan di buat besar ( lebih dari 90 º). Semakin besar sudut pembelokan, semakin kecil penurunan tekanan yang terjadi. Dan pembelokan saluran pipa yang dibuat melingkar – lingkar akan menghasilkan penurunan tekanan yang kecil. Jika penurunanya kecil, maka daya pompa yang dibutuhkan untuk mendorong air juga berdaya kecil.
b. Kehalusan Permukaan Saluran Pipa
Bagian dalam pipa tembaga juga dipilih yang baik. Semakin halus permukaan pipa bagian dalam, semakin kecil gesekan yang terjadi, sehingga aliran air menjadi lancar. Untuk menganalisa hubungan bilangan Reynold terhadap kerugian – kerugian yang ditimbulkan akibat gesekan aliran fluida didalam pipa digunakan rumus sebagai berikut :
Gambar 2.1 Diagram Moody
c. Bahan Pipa
Bahan pipa dipilih yang baik dalam hal kemampuan dalam memindahkan kalor. Bahan pipa diusahakan mampu mengalirkan energi kalor konduksi yang besar, mampu memindahkan kalor yang diterima dari api ke fluida air yang mengalir didalam pipa. Alasan menggunakan pipa tembaga adalah karena pipa tembaga mampu menahan kebocoran karena memiliki tekstur yang kuat dan tidak mudah pecah, kemudian mampu menahan karat karena tembaga merupakan bahan anti karat sehingga mampu menghilangkan masalah air keruh / cokelat karena
karat. Pipa tembaga juga tahan lama dan mampu bertahan sampai lebih dari 50 tahun, dan pipa tembaga sangat mudah di tekuk / dibentuk. Tembaga memiliki kekuatan tarik sebesar 345-689 Mpa dan untuk keuletannya sebesar 5 - 50%, dan titik lebur dari tembaga adalah 1080º Celcius. Bila dibandingkan dengan kekuatan tarik alumunium, tembaga mempunyai kekuatan yang lebih besar dari alumunium, begitu pula dengan keuletan dan titik leburnya. Sehingga pipa tembaga mampu bertahan lebih lama bila dibandingkan denganpipa alumunium.
Tabel 2.1 Tabel perbandingan kekuatan material antara tembaga dan jenis
material yang lain. (Sumber:Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor)
Tabel 2.2 Nilai konduktivitas termal (Sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor)
Bahan Nilai konduktivitas termal J/m.s.ºC Kkal/m.s.ºC
2 Perak 420 1000 x 10 -4
3 Tembaga 380 920 x 10 -4
4 Alumunium 200 500 x 10 -4
5 Gabus 0,042 0,1 x 10 -4
d. Diameter Pipa Saluran Air
Diameter pipa saluran air harus dipilih sedemikian rupa. Semakin kecil diameter pipa, semakin besar hambatan yang terjadi. Semakin kecil diameter ukuran pipa semakin besar daya pompa yang diperlukan. Disisi lain, semakin kecil diameter saluran, suhu air yang dihasilkan (suhu yang keluar dari water heater) akan semakin besar.
2.1.4 Saluran Udara Untuk Kebutuhan Pembakaran
Proses pembakaran memerlukan oksigen yang diambil dari udara bebas. Kekurangan oksigen dapat mengakibatkan bentuk api yang tidak sesuai yang diinginkan. Akibatnya energi dalam bentuk kalor kurang optimal, sehingga kalor / panas sedikit teralirkan ke fluida air yang mengalir didalam pipa. Akibatnya akan didapatkan suhu air keluar yang kurang tinggi dan water heater yang dihasilkan kurang baik. Untuk merancang sistem saluran udara yang baik di usahakan diameter lubang saluran udara dibuat merata pada semua permukaan dinding water heater agar udara bisa masuk merata ke dalam water heater dan diameter lubang saluran udara tidak terlalu besar agar udara yang masuk tidak terlalu berlebihan.
2.1.5 Sirip
Fungsi sirip adalah untuk memperluas permukaan dari benda yang dipasangi sirip sehingga pelepasan panas bisa berlangsung lebih cepat. Jika sirip dipasang di saluran air yang akan di panaskan, maka akan menangkap panas api yang di berikan kompor sehingga mampu memanaskan pipa saluran air dengan lebih cepat maka dari itu pemasangan sirip juga berpengaruh terhadap suhu keluar air dari water heater. Dalam water heater penggunaan sirip digunakan untuk membantu mempercepat terjadinya kenaikan suhu dipermukaan pipa - pipa penyalur air, karena sirip water heater terbuat dari tembaga yang memiliki sifat konduksi yang baik. Pemilihan bahan pembuatan sirip tidaklah sembarangan karena berpengaruh terhadap panas yang dihantarkan. Semakin besar nilai konduktivitas termal bahan sirip, semakin besar kalor yang dapat ditangkap oleh sirip.
L.3/2 (h/k A)1/2
Gambar 2.2 Efisiensi sirip siku empat dan segitiga ( sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor)
Gambar 2.3 Efisiensi sirip siku empat ( sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor)
2.1.6 Isolator
Isolasi termal adalah metode atau proses yang digunakan untuk mengurangi perpindahan kalor. Bahan yang digunakan untuk mengurangi laju perpindahan kalor itu disebut isolator. Energi panas (kalor) dapat ditransfer secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Panas dapat lolos meskipun ada upaya untuk menutupinya, tapi isolator mengurangi panas yang lolos tersebut.
Isolasi termal dapat menjaga wilayah tertutup seperti bangunan atau tubuh agar terasa hangat lebih lama dari yang sewajarnya, tetapi itu tidak mencegah hasil akhirnya, yaitu masuknya air dingin dan keluarnya air panas. Isolator juga dapat bekerja sebaliknya, yaitu menjaga bagian dalam suatu wadah terasa dingin lebih lama dari biasanya. Oleh karena itu di dalam water heater diberikan semacam isolator agar panas hasil pembakaran tidak keluar. Isolator tersebut adalah udara, karena udara merupakan isolator yang murah, dan sangat mudah
didapatkan maka dari itu water heater diberikan lubang – lubang udara yang berfungsi sebagai pemasukan udara untuk kebutuhan pembakaran sekaligus sebagai isolator. Benda – benda yang merupakan isolator panas adalah kertas, plastik, kayu, karet, udara, dll.
2.1.7 Bahan Bakar / Sumber Energi
Ada beberapa macam bahan bakar / sumber energi yang bisa di gunakan untuk water heater antara lain energi matahari, energi listrik, dan gas LPG. Akan tetapi sumber energi yang paling sering digunakan adalah sumber energi gas LGP (Liquified Petroleum Gas ). LPG adalah campuran dari berbagai macam unsur hidrokarbon yang berasal dari gas alam. Dengan menambah tekanan dan menurunkan suhunya , gas berubah menjadi cair. Ada tiga macam jenis LPG yang di produksi oleh Pertamina antara lain, LPG untuk keperluan rumah tangga, LPG gas propana dan LPG gas butana. Untuk sumber energi gas yang di gunakan oleh water heater menggunakan LPG untuk keperluan rumah tangga karena memiliki komposisi campuran antara propana
C3H8
dan butana
C4H10
Perbandingan gas propana dan butana adalah sekitar 30 : 70 dengan komposisi sebesar 99% dan selebihnya adalah gas petana
C5H12
dan etana (C2H6) yang dicairkan. Tekanan uap LPG cair di dalam tabung sekitar 5 – 6,22
cm
kg . Agar mempunyai bau yang khas dan dan untuk mengetahui bila terjadi
kebocoran maka, LPG umumnya ditambah dengan zat marcaptan.
Reaksi pembakaran propana
C3H8
, jika terbakar sempurna adalah sebagai berikut :8
3H
C + 5O2 → 3CO2 + 4H2O + panas propana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Dan untuk Reaksi pembakaran butana
C4H10
, jika terbakar sempurna adalah sebagai berikut :2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O + panas butana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas Menurut wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut hampir sama dengan propana setara dengan 46 MJ/kg
Tabel 2.3 di bawah ini menyajikan daya pemanasan dari efisiensi alat masak LPG dengan bahan bakar gas. Terlihat bahwa efisiensi alat masak dengan gas LPG berkisar sebesar 60 %.
Tabel 2.3 Daya pemanasan dan efisiensi alat masak dengan gas LPG dan bahan bakar lainnya.
(Sumber:aptogaz.files.wordpress.com/2007/07/peranan-lpg -di-dapur-anda.pdf)
Bahan Bakar Daya Pemanasan Efisiensi alat masak
Kayu bakar 4.000 kkal/kg 15 %
Arang 8.000 kkal/kg 15 %
Minyak Tanah 11.000 kkal/kg 40 %
Gas Kota 4500 kkal/m3 55 %
Listrik 860 kkal/kWh 60 %
2.1.8 Kebutuhan Udara
Pada kenyataanya proses pembakaran itu tidak bisa sempurna. Agar di dalam proses pembakaran bisa mencapai optimal maka, di perlukan udara. Pada proses pemanasan pada water heater dapat menggunakan udara yang diambil dari udara bebas disekitar melalui lubang – lubang udara yang berada pada dinding water heater. Jumlah lubang udara juga berpengaruh terhadap proses pemanasan pada water heater. Oleh karena itu aliran udara yang diperlukan harus dikondisikan dengan ukuran tabung water heater agar api yang diperlukan dalam proses pemanasan mendapatkan kebutuhan udara yang cukup. Kekurangan udara bisa menyebabkan kurang optimalnya panas yang dipindahkan ke air yang dihasilkan water heater, karena nyala api menjadi lebih kecil atau tidak sesuai dengan yang diharapkan. Kelebihan udara juga bisa menyebabkan kurang optimalnya panas yang diserap oleh pipa.
Tabel 2.4 Komposisi udara dalam keadaan normal (Sumber : repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/16641/4/Chapter %20I.pdf)
No Komposisi Udara Prosentase (%)
1 Nitrogen 78,1
2 Oksigen 20,93
3 Karbon dioksida 0,03
2.1.9 Saluran Gas Buang
Hasil pembakaran bahan bakar akan menghasilkan gas buang. Gas buang yang dihasilkan berupa gas dan uap air yang keluar. Kemudian gas buang atau gas asap harus diberikan jalan untuk keluar dari water heater agar nyala api tidak terganggu. Dalam perancangan saluran gas buang, diusahakan agar gas buang dapat mengalir keluar dengan lancar. Perlu diperhatikan juga, penempatan lubang keluar dari gas buang, harus dipilih sedemikian rupa agar tidak mengganggu pengguna dari water heater. Suhu gas buang akan menguntungkan jika suhu gas buang hampir sama dengan suhu udara atau tidak begitu besar perbedaannya antara suhu gas buang dengan suhu udara. Semakin kecil perbedaan kalor yang diberikan sumber pemanas, maka semakin banyak kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu air. Oleh karena itu, dalam perancangan dan pembuatan saluran gas buang, diusahakan sedemikian rupa, sehingga tidak banyak energi yang terbuang secara percuma. Ukuran lubang dan posisi lubang keluaran sangat menentukan besarnya suhu gas asap yang keluar dari water heater. Perancangan saluran gas buang ternyata juga menentukan nyala api pembakaran yang dihasilkan. Jika saluran gas tidak terancang dengan baik, misalnya gas buang tidak dapat keluar, maka tekanan gas buang yang dihasilkan akan dapat menyebabkan api terdorong keluar dari ruang bakar. Api tidak berfungsi dengan baik untuk memanaskan air. Tentunya dalam perancangan ini dibutuhkan nyala api yang mampu memindahkan kalor yang besar ke dalam air.
2.1.10 Sumber Api
Sumber api atau sumber energi yang digunakan pada water heater ini adalah kompor. Ada berbagai macam jenis kompor yang tersedia dipasaran, dari mulai bentuk, dan bahan bakar yang digunakan. Ada kompor yang mampu memberikan api yang besar tetapi ada pula yang mampu memberikan api yang kecil. Perbedaan nyala api tersebut salah satunya disebabkan oleh bahan bakar yang digunakan oleh setiap kompor berbeda – beda. Sumber api atau kompor yang digunakan untuk penelitian ini adalah kompor bertekanan tinggi ( high pressure ) yang menggunakan bahan bakar LPG. Karena api yang ditimbulkan oleh kompor bertekanan tinggi ini mampu menyentuh pipa saluran air dengan siripnya, dan api yang dihasilkan kompor jenis ini sangat besar sehingga mempercepat proses pemanansan air.
Spesifikasi kompor sebagai berikut :
Dimensi : 570 (Panjang) x 315 (Lebar) x 168 (Tinggi) Daya pemanasan : 21.8 kW/h High Pressure
Bahan : Besi Tuang
2.1.11 Laju Aliran Kalor
Ketika air mengalir dalam pipa maka air tersebut memiliki kecepatan aliran, kecepatan aliran air dapat dihitung dengan persamaan ( 2.1 ) :
= 2 . . r m A m ....( 2.1 )
Laju aliran massa air dapat dihitung dengan persamaan dengan
m = laju aliran massa (kg/s) ρ = massa jenis air (kg/m3)
m
u = kecepatan aliran (m/s) r = jari – jari pipa (m) d = diameter pipa air (m)
Gambar 2.5 laju aliran kalor yang terjadi dalam pipa saluran air
i o
a ir a ir
a ir m c T T
ṁair = ρ (πr2
)(Um ) ...(2.3) Pada persamaan (2.2) dan (2.3):
a ir
q : laju aliran kalor yang diterima air, watt ṁair : laju aliran massa, kg/detik
a ir
c : kalor jenis air, J/kgoC.
Ti : suhu air masuk water heater, oC To : suhu air keluar water heater, oC.
m
u : kecepatan rata-rata fluida mengalir, m/s
: massa jenis air yang mengalir, kg/ 3
m r : jari - jari dalam saluran, m
2.1.12 Laju aliran kalor yang diberikan gas
Laju aliran kalor yang diberikan gas bisa dihitung dengan persamaan (2.4) :
ga s
q = mga sCga s ……….………...…………. (2.4) Pada persamaan (2.4) :
ga s
m : massa gas LPG yang terpakai persatuan waktu (kg/s)
ga s
C : Kapasitas Panas ( J/kg), (1kkal = 4186,6 J), tersaji pada Tabel 2.3
2.1.13 Efisiensi
Efisiensi water heater dapat dihitung dengan persamaan (2.5) :
% 100 x q q ga s a ir ..………...…….…(2.5)
Pada Persamaan (2.5) :
: Efisiensi water heater (%)
a ir
q : Laju aliran kalor yang diterima air, (watt)
ga s
q : Laju aliran kalor yang diberikan gas, (watt)
