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 panas adalah suatu proses yang dinamis, yaitu panas
dipindahkan secara spontandari satukondisi ke kondisi lain yang suhunya lebih
rendah. Kecepatan perpindahan panas ini akan tergantung pada perbedaan
suhu antar kedua kondisi, Semakin besar perbedaan maka semakin besar
kecepatan pindah panasnya.
2.1.2 Perpindahan Kalor
Ada 3 cara perpindahan kalor dari suatu tempat ke tempat lain dapat
terjadi melalui, yaitu secara konduksi, secara konveksi, dan secara radiasi.
a. Perpindahan panas konduksi
Perpindahan panas konduksi adalah perpindahan panas yang dihasilkan
dari kontak langsung antara permukaan – permukaan benda. Konduksi terjadi hanya bila dengan menyentuh atau menghubungkan permukaan – permukaan yang mengandung panas. Setiap benda mempunyai konduktivitas termal
(kemampuan mengalirkan panas) tertentu yang akan mempengaruhi panas yang
dihantarkan dari sisi yang panas ke sisi yang lebih dingin. Semakin tinggi nilai
sisi ke sisi yang lain. Contoh perpindahan panas secara konduksi adalah menaruh
batang besi membara ke batang besi lain yang dingin. Besi membara itu bergerak,
tetapi tiba – tiba besi yang semula dingin akan menjadi panas. Pemanfaatan perpindahan panas konduksi dalam kehidupan sehari – hari bisa dengan mudah ditemukan, misalnya saja saat memasak air maka kalor akan perpindah dari api
(kompor) ke panci dan membuat air mendidih. Proses perpindahan panas
konduksi yang terjadi pada water heater terletak pada saat nyala api menyentuh
sirip – sirip tembaga, kemudian panas yang diterima oleh sirip – sirip tembaga diteruskan / dialirkan menuju pipa tembaga.
b. Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas konveksi merupakan perpindahan panas (kalor) yang
disertai dengan berpindahnya zat perantara. Konveksi sebenarnya mirip dengan
induksi, hanya saja perindahan panas konduksi adalah perpindahan panas tanpa
disertai zat perantara, sedangkan perpindahan panas konveksi disertai
berpindahnya zat perantara. Perpindahan kalor secara konveksi bisa terjadi pada
zat cair dan gas. Contoh perpindahan panas 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 diatas akan bergerak ke bawah begitu
seterusnya sampai seluruh bagian air panas. Sedangkan untuk perpindahan panas
konveksi melalui udara disebabkan karena partikel udara akan mengalami
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 panas konveksi udara dapat ditemui pada ventilasi ruangan
dan cerobong asap. Proses perpindahan panas secara konveksi yang terjadi pada
water heater ini terletak pada saat panas yang diterima oleh pipa tembaga dari
nyala api, kemudian panas diterima oleh air yang mengalir melalui pipa tembaga
tersebut.
c. Perpindahan Panas Radiasi
Merupakan perpindahan panas yang dapat terjadi tanpa menggunakan zat
perantara, jika sebuah benda di dalam sebuah ruangan, dan suhu dinding –
dinding pengurung lebih rendah dari pada 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 panas radiasi.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 ini terletak pada perpindahan panas antara dinding
permukaan tabung dalam dengan permukaan tabung luar water heater.
2.1.3 Perancangan Saluran Air
Saluran air pada alat water heater biasanya menggunakan pipa. Ada
antaranya adalah kehalusan permukaan saluran pipa, bahan pipa, diameter pipa
saluran air, dan hambatan pipa.
a. Kehalusan Permukaan Saluran Pipa
Bagian dalam pipa tembaga juga dipilih yang baik. Semakin halus
permukaan pipa bagian dalam, semakin kecil pula gesekan yang terjadi,
sehingga aliran air menjadi lancar.
b. Bahan Pipa
Bahan pipa dipilih yang baik dalam hal kemampuan dalam memindahkan
kalor. Bahan pipa juga harus mampu menjadi konduktor yang baik, sehingga
mampu memindahkan kalor yang deterima dari api ke fluida air yang mengalir di
dalam pipa. Alasan menggunakan pipa tembaga adalah karena pipa tembaga
termasuk konduktor yang baik dalam menghantarkan panas. Menurut Holman
(1963), tembaga mempunyai nilai konduktifitas sebesar 385 W/m.oC. Selain itu
juga tidak mudah melebur jika dipanasi, tidak mudah pecah, tahan terhadap
korosi, sehingga mampu menghilangkan masalah air keruh / coklat karena karat,
dan pipa tembaga sangat mudah ditekuk / dibentuk. Tembaga memiliki kekuatan
tarik sebesar 345-689 Mpa dan untuk keuletannya sebesar 5-50 %, dan titik lebur
dari tembaga adalah 10830C. 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
Tabel 2.1Tabel perbandingan kekuatan material antara tembaga dan jenis material yang lain.
Tabel 2.2 Tabel Nilai konduktivitas termal
Bahan Konduktifitas termal (k)
W/m.oC Btu/h.ft.oF Logam Perak (murni) 410 237 Tembaga (murni) 385 223 Alumunium (murni) 202 117 Nikel (murni) 93 54 Besi (murni) 73 42 Baja karbon, 1%C 43 25 Timbal (murni) 35 20,3 Baja krom-nikel (18% Cr, 8% Ni) 16,3 9,4
Bahan Konduktifitas termal (k)
W/m.oC Btu/h.ft.oF
Gas
Hidrogen 0,175 0,101
Helium 0,141 0,081
Udara 0,024 0,0139
Uap air (jenuh) 0,0206 0,0119
c. 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.
d. Hambatan Pipa Saluran
Hambatan pipa saluran air diusahakan sekecil mungkin supaya ketika air
mengalir di dalam pipa, penurunan tekanan yang terjadi kecil. Karenanya saluran
pipa diusahakan tidak mengalami pembelokan. Kalaupun mungkin terjadi
pembelokan diusahakan sudut pembelokan dibuat besar (lebih dari 900). Semakin
besar sudut pembelokan, semakin kecil penurunan tekanan yang terjadi. Dan
geometri saluran pipa yang dibuat melingkar-lingkar agar penurunan tekanan
yang terjadi menjadi kecil. Jika penurunannya kecil, maka daya pompa yang
dibutuhkan untuk medorong air juga berdaya kecil.
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
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 dipanaskan, maka akan menangkap panas api
yang diberikan kompor sehingga mampu memanaskan pipa saluran air dengan
lebih cepat. Maka dari itu pemasangan sirip juga berpengaruh terhadap suhu
keluar air dari water heater. 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.
2.1.6 Isolator
Isolasi termal adalah metode atau proses yang digunakan untuk
mengurangi perpindahan panas (kalor). Bahan yang digunakan untuk mengurangi
laju perpindahan panas itu disebut isolator. Energi panas (kalor) dapat ditransfer
secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Panas dapat lolos meskipun ada upaya
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
Tabel 2.3 Konduktifitas termal beberapa media (Sumber : Holman,J.P, 1988)
Media Konduktifitas termal (k)
W/m.oC Gabus 0,042 Wool 0,040 Kayu 0,08 – 0,16 Bata 0,84 Udara 0,023 2.1.7 Kebutuhan Udara
Pada kenyataanya proses pembakaran itu tidak bisa sempurna. Agar di
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
No Komposisi Udara Prosentase (%)
1 Nitrogen 78,1
2 Oksigen 20,95
3 Karbon dioksida 0,03
4 Gas lain 0,94
2.1.8 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
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.
2.1.9 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 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.
Gambar 2.1 Kompor high pressure Spesifikasi kompor sebagai berikut :
Dimensi : 570 (Panjang) x 315 (Lebar) x 168 (Tinggi) Daya pemanasan : 21,8 kW/h High Pressure
Bahan : Besi Tuang
2.1.10 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
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 propane
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
Tabel 2.5 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 4000 kkal/kg 15 %
Arang 8000 kkal/kg 15 %
Minyak Tanah 11000 kkal/kg 40 %
Gas Kota 4500 kkal/m3 55 %
Listrik 860 kkal/kWh 60 %
L P G 11900 kkal/kg 60 %
Tabel 2.4 di atas menyajikan daya pemanasan dari efisiensi alat masak LPG dengan bahan bakar gas. Terlihat bahwa efisiensi alat masak dengan gas LPG sebesar 60 %
2.1.11 Laju Aliran Kalor
Laju aliran kalor yang diterima air ketika mengalir di dalam saluran pipa
dapat dihitung dengan persamaan (2.1) :
Gambar 2.2 Aliran fluida
i o
air air air m c T T q ...(2.1) air m = d )um 4 . ( 2 ...(2.2) 2 .r air debit um ……….………...(2.3)Pada persamaan (2.1) , (2.2) dan (2.3):
qair = laju aliran kalor yang diterima air (watt)
mair= laju aliran massa (kg/detik)
Cair = kalor jenis air (J/kg°C)
Ti = suhu air masuk water heater (ºC)
To = suhu air keluar water heater (ºC)
um = kecepatan rata – rata fluida mengalir (m/s) ρ = massa jenis fluida yang mengalir (kg/m3)
r = jari - jari dalam pipa saluran air (m)
d = diameter massa pipa
2.1.12 Laju aliran kalor yang diberikan gas
Laju aliran kalor yang diberikan gas bisa dihitung dengan persamaan (2.4) :
gas
q = mgasCgas ……….………...…………....(2.4)
Pada persamaan (2.4) :
gas
m : massa gas elpiji yang terpakai persatuan waktu (kg/s)
gas
C : nilai kalor jenis elpiji ( J/kg), (1kkal = 4186,6 J), tersaji pada Tabel 2.4
2.1.13 Efisiensi
Efisiensiwater heater dapat dihitung dengan persamaan (2.5) :
% 100 x q q gas air ..………...,……..….……(2.5)
Pada persamaan (2.5) :
: Efisiensi water heater (%)
air
q : Laju aliran kalor yang diterima air, watt
gas
