Dasar Teori

BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Dasar Teori

2.1.1 Pengertian Perpindahan Panas

Kalor adalah bentuk energi yang secara alami berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah ketika kedua benda bersentuhan. Kalor yang diberikan pada suatu benda dapat menyebabkan kenaikan suhu benda atau mengubah wujud benda.

2.1.2 Cara-cara Perpindahan Panas

Ada tiga cara perpindahan kalor yaitu (a) perpindahan kalor konduksi, (b) perpindahan kalor konveksi dan (c) perpindahan kalor radiasi :

A. Perpindahan kalor secara konduksi

Perpindahan kalor konduksi adalah perpindahan kalor melalui zat tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Konduksi kalor melalui zat padat yang melalui benda padat lebih baik dari pada konduksi melalui cairan ataupun gas, hal ini disebabkan karena jarak antar partikel dalam zat padat lebih berdekatan.

Pada umumnya logam adalah konduktor, yaitu penghantar kalor yang baik. Sedangkan zat atau benda padat yang lain seperti kertas, plastik, wol dan kayu adalah isolator, yaitu penghantar kalor yang buruk. Perpindahan kalor konduksi dalam logam jauh lebih baik dari pada zat padat lainya karena logam memiliki banyak elektron bebas, sementara zat padat lainya yang termasuk dalam isolator tidak memiliki elektron bebas.

Perpindahan panas secara konduksi yang terjadi di water heater gas LPG adalah panas api yang dihasilkan dari proses pembakaran berpindah ke permukaan luar pipa tembaga. Panas lalu mengalir ke dalam permukaan pipa tembaga.

B. Perpindahan panas secara konveksi

Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan kalor yang terjadi karena adanya perbedaan massa jenis. Konveksi hanya terjadi pada zat yang dapat mengalir seperti zat-zat cair dan gas. Perpindahan kalor konveksi dimanfaatkan untuk beberapa sistem seperti pada sistem pendingin mesin mobil yaitu radiator mobil, pada sistem suplai air panas rumah tangga dan pada lemari es.

Macam-macam perpindahan panas secara konveksi :

1. Konveksi bebas

Konveksi bebas adalah perpindahan panas yang terjadi secara alami yang diakibatkan perbedaan suhu dan beda rapat saja serta tidak ada tenaga dari luar atau alat bantu yang mendorongnya.

2. Konveksi paksa

Konveksi paksa adalah perpindahan panas pada aliran gas ataupun fluida yang disebabkan adanya tenaga dari luar. Tenaga dari luar di dapatkan dari alat bantu seperti blower, pompa, kipas.

Perpindahan panas secara konveksi yang terjadi di water heater gas LPG adalah panas yang diserap oleh permukaan luar pipa tembaga mengalir ke dalam permukaan pipa dan fluida yang ada didalamnya. Sehingga suhu fluida yang mengalir dalam pipa tembaga meningkat.

C. Perpindahan panas secara radiasi

Perpindahan kalor radiasi atau pancaran adalah perpindahan kalor yang tidak memerlukan zat perantara (medium), sehingga perpindahan kalor radiasi dapat terjadi di dalam ruangan hampa atau vakum. Dalam perpindahan kalor radiasi sumber kalor menyalurkan energinya dalam bentuk radiasi infra merah yang merupakan bagian dari spektrum gelombang elektromagnetik. Permukaan yang hitam kusam dapat menyerap kalor radiasi dengan baik sekaligus pemancar kalor radiasi yang baik.

Perpindahan panas secara radiasi yang terjadi di water heater gas LPG adalah panas dari api hasil pembakaran ke permukaan luar pipa dan panas dari tabung dalam mengalir ke tabung luar dari water heater.

2.1.3 Perancangan Pipa Saluran Air

Kebanyakan dalam kontruksi water heater gas, saluran air dari water heater tersebut berpenampang lingkaran. Dalam perancangan pipa water heater

yang berfungsi sebagai saluran air ada beberapa pertimbangan yang harus diperhatikan diantaranya:

A. Pemilihan material pipa

Menggunakan bahan yang memiliki nilai konduktivitas termal yang tinggi dan tahan terhadap suhu yang tinggi. Jika bahan memiliki nilai koduktivitas yang tinggi maka benda tersebut akan mudah menghantarkan serta mengalirkan panas dalam hal ini adalah mampu memindahkan panas hasil pembakaran dari api yang dihasilkan dari proses pembakaran ke fluida atau aliran air yang ada di dalam pipa dengan cepat. Material pipa yang cocok adalah dari bahan tembaga yang terbukti

memiliki kemampuan menghantarkan kalor yang baik serta harga dari tembaga yang tidak terlalu mahal.

Tabel 2.1 Konduktivitas Termal Beberapa Bahan Logam (Holman,1993)

Bahan ^{Konduktifitas Termal (k)}

W/m^oC Btu/h.ft.^oF Perak 410 237 Tembaga 385 223 Aluminium 202 117 Nikel 93 54 Besi 73 42 Baja Karbon 43 25

B. Diameter pipa yang digunakan

Diameter dalam pipa diusahakan tidak berukuran terlalu kecil, jika diameter dalam pipa terlalu kecil akan mengakibatkan hambatan yang terjadi di dalam pipa besar. Jadi dalam perancangan ini dipilih pipa dengan diameter 0,5 inci, hal ini bertujuan agar hambatan yang terjadi di dalam pipa tidak terlalu besar serta harganya yang tidak terlalu mahal.

C. Hambatan yang terjadi didalam pipa

Hambatan yang terjadi saat ada aliran air mengalir di dalam pipa diusahakan sekecil mungkin agar ketika air mengalir di dalam pipa penurunan tekanan pipa yang terjadi kecil. Dalam perancangan dan pembuatan saluran pipa air diusahakan tidak mengalami pembelokan, jika ada pembelokan diusahakan sudut pembelokan besar (diusahakan lebih besar dari ). Pembelokan pipa air pun diusahakan secara merata seperti dibuat melengkung dengan radius tertentu atau saluran air dirancang dengan bentuk melingkar. Hal ini bertujuan agar

tekanan yang terjadi dalam pipa kecil sehingga daya yang dibutuhkan pompa untuk menyalurkan air tidak terlalu besar.

2.1.4 Sirip

Sirip memiliki fungsi untuk memperluas permukaan benda yang dipasangi sirip. Jika pipa air dalam kontruksi water heater di pasangi sirip maka sirip-sirip tersebut akan membantu menyalurkan kalor hasil pembakaran gas LPG ke pipa saluran air. Semakin banyak sirip yang terpasang di dalam kontruksi pipa maka semakin cepat pula proses penyaluran panas yang terjadi dan berpengaruh terhadap suhu air keluar water heater. Bahan atau material dari sirip juga harus dipilih dari bahan yang mudah menyalurkan panas seperti dari bahan tembaga. Semakin besar konduktivitas termal dari bahan sirip maka semakin besar pula kalor yang dapat ditangkap dan salurkan oleh sirip-sirip tersebut.

Gambar 2.1 Efisiensi Sirip Siku Empat dan Segitiga (Holman, 1993)

Gambar 2.2 Efisiensi Sirip Siku Empat (Holman, 1993)

2.1.5 Saluran Udara Masuk

Saluran udara digunakan untuk keperluan pembakaran gas LPG, karena proses pembakaran membutuhkan oksigen. Oksigen bisa didapatkan dari udara luar atau udara bebas. Jika proses pembakaran kekurangan oksigen akan mengakibatkan nyala dari api tidak sempurna karena pembakaran yang terjadi tidak sempurna dan kalor yang dipindahkan ke air tidak terlalu besar sehingga peningkatan suhu air pun kecil. Jika udara yang masuk kedalam water heater

terlalu banyak akan mengakibatkan kalor yang diserap oleh pipa berkurang karena terbawa oleh udara yang masuk.

Oleh sebab itu perancangan saluran udara masuk harus dirancang sedemikian rupa agar udara yang masuk ke water heater dan volume udara yang masuk pas. Caranya dengan diberi lubang pada lapisan tabung luar dan dalam

oksigen dapat masuk ke dalam kontruksi water heater sehingga dapat mendukung proses pembakaran dan menjadi proses pembakaran yang sempurna.

Tabel 2.2 Menunjukan Komposisi Udara Kering (Sumber :

http://ft.unsada.ac.id/wp-content/uploads/2010/ 04/bab4-tm2.pdf)

Komponen Udara Presentase Mol (%)

Nitrogen 78,08

Oksigen 20,95

Argon 0,93

Karbon dioksida 0,03

Neon, helium, metana, dll 0,01

2.1.6 Sumber Api Water Heater

Sumber api yang digunakan dalam water heater dapat diambil dari kompor gas LPG. Saat ini tersedia berbagai jenis pilihan kompor gas dengan berbagai bentuk dan spesifikasinya. Setiap jenis dari kompor gas menghasilkan bentuk nyala api yang berbeda-beda sesuai jenis dan kebutuhannya. Ada kompor gas yang menghasilkan nyala api yang besar, disebut kompor gas high pressure dan ada kompor yang menghasilkan nyala api yang kecil dan tidak terlalu besar yaitu kompor gas low pressure.

Pada perancangan water heater ini dipilih kompor yang mampu menghasilkan nyala api yang besar. Jika nyala dari api kompor besar maka api tersebut banyak menghasilkan kalor. Jika kalor yang diserap oleh sirip dan pipa tembaga banyak, maka suhu air di dalam pipa dapat meningkat dengan cepat, dengan catatan proses pembakaran yang terjadi di dalam water heater

Oleh sebab itu dalam perancangan water heater ini dipilihlah jenis kompor gas LPG high pressure. Gambar 2.3 memperlihatkan kompor gas high pressure

yang digunakan dalam penelitian.

Gambar 2.3 Kompor gas LPG High Pressure

2.1.7 Gas LPG

Umumnya water heater gas menggunakan gas LPG yang digunakan sebagai sumber energi yang dimanfaatkan untuk proses pembakaran. Gas LPG adalah singkatan dari Liquified Petroleum Gas dimana gas ini diproduksi dan didistribusikan oleh Pertamina.

Gas LPG memiliki komposisi yang terdiri dari gas propana ( ) dan butana ( ^{) dengan komposisi kurang lebih sebesar 99 %, selebihnya adalah}

gas Pentana ( ^{) yang dicairkan. Perbandingan komposisi Propana dan Butana}

adalah 30 : 70. Gas LPG memiliki nilai kalori sekitar : 21.000 BTU/lb. Pada gas LPG ditambahkan zat mercaptan. Penambahan zat mercaptan bertujuan untuk memberikan bau khas dari gas LPG, supaya jika terjadi kebocoran gas LPG dapat segera terdeteksi dengan cepat sehingga mudah dikenali dan dapat segera ditanggulangi.

Reaksi pembakaran propana



C

₃

H

₈



, jika proses pembakaran terjadi dengan sempurna adalah sebagai berikut :

8 3

H

C

+ 5O₂ → 3

CO

2 + 4H₂O + panas

propana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas

Reaksi pembakaran butana



C

₄

H

₁₀



, jika proses pembakaran terjadi dengan sempurna adalah sebagai berikut :

2

C

₄

H

₁₀ + 13O₂ → 8

CO

2 + 10H₂O + panas butana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas

Tabel 2.3 menyajikan daya pemanasan serta efisiensi alat masak yang memakai gas LPG dan berbagai macam bahan bakar jenis lainya.

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 %

L P G 11.900 kkal/kg 60 %

2.1.8 Saluran Gas Buang Sisa Pembakaran

Pembakaran gas LPG dalam sistem water heater gas pasti akan menghasilkan gas sisa pembakaran (CO2). Oleh karena itu dalam kontruksi water heater harus dibuat saluran untuk pembuangan gas sisa pembakaran tersebut agar

tidak menggangu proses pembakaran. Dalam perancangan saluran gas sisa pembakaran harus diperhatikan volume gas yang keluar serta posisi lubang pembuangan harus diusahakan mengarah ke atas dan harus lancar. Selain itu posisi atau model dari rancangan saluran gas buang harus dibuat sedemikian rupa agar tidak menggangu pengguna dari water heater.

Dalam perancangan water heater ini gas buang sisa pembakaran dialirkan ke atas water heater dengan menambahkan tutup di bagian atas. Tutup tersebut bisa diatur ketinggiannya sehingga volume gas sisa pembakaran yang terbuang dapat diatur. Pengaturan dilakukan dengan cara mengatur ketinggian tutup water heater tersebut. Hal ini bertujuan agar volume gas yang terbuang keluar dari water heater dapat disesuaikan serta tidak mengganggu proses pembakaran.

2.1.9 Isolator

Isolator adalah benda yang tidak dapat menghantarkan kalor dari suatu tempat ke tempat lainnya. Contohnya adalah kayu, kain, gabus, wol dan udara. Oleh karena itu isolator sangat diperlukan dalam perancangan water heater

dengan tujuan agar kalor hasil pembakaran bahan bakar gas LPG tidak banyak yang keluar dari water heater. Dalam perancangan alat water heater ini dipergunakan dua lapisan tabung. Lapisan pertama adalah ruang yang digunakan untuk proses pembakaran dan lapisan kedua adalah lapisan yang diberi isolator yang bertujuan agar kalor hasil pembakaran tidak banyak yang keluar dari water heater. Ada berbagai jenis isolator yang dapat digunakan, tetapi harus dipilih isolator yang tahan akan panas. Maka dipilih isolator udara karena mudah didapat sekaligus banyak mengandung oksigen ( ) untuk keperluan proses pembakaran

bahan bakar. Agar isolator udara dapat digunakan maka pada lapisan tabung bagian dalam dan bagian luar diberi lubang yang tembus ke dalam dengan diameter 1,5 cm untuk tabung luar dan tengah dengan jumlah tabung tengah 70 lubang dan tabung luar 95 lubang. Sedangkan jumlah lubang tabung dalam adalah 156 lubang dengan diameter 0,5 cm.

Tabel 2.4 Menunjukan Konduktivitas Termal Beberapa Media (Holman,1993)

Bahan ^{Konduktifitas Termal (k)}

W/m^oC Btu/h.ft.^oF Uap Air 0,0206 0,0119 Udara 0,024 0,0139 Wol Kaca 0,038 0,022 Serbuk gergaji 0,059 0,034 Kayu mapel / ek 0,17 0,096 Batu pasir 1,83 1,058

2.1.10 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 (2.2)

^air

m ₌

 

r²

 

u_m

(2.2) Pada persamaan (2.1) dan (2.2) :

m = laju aliran massa (kg/s)

= massa jenis air yang mengalir (kg/ ) = kecepatan aliran air (m/s)

Gambar 2.4 Laju Aliran Kalor Yang Terjadi Dalam Pipa Saluran Air Laju aliran kalor yang diterima oleh air yang mengalir dalam water heater

dapat dihitung dengan persamaan (2.3)

q_air m_airc_air



T_inT_out



(2.3) Pada persamaan (2.3) :

air

q

_{= laju aliran kalor yang diterima air (watt)}

air

m

_{= laju aliran air masuk ( kg /detik)}

air

c

= kalor jenis air (J / kg^oC)

T_in = suhu air masuk water heater (^oC)

Tout = suhu air keluar water heater (^oC)

Laju aliran kalor yang didapat dari proses pembakaran gas LPG dapat dihitung dengan persamaan (2.4)

qgas= m_gasC_gas

(2.4) Pada Persamaan (2.4) :

gas

m

= massa gas LPG yang terpakai (kg/s)

gas

2.1.11 Efisiensi Dari Water Heater

Efisiensi dari water heater dapat dihitung dengan persamaan (2.5)

x100% q q g a s air   (2.5) Pada persamaan (2.6) :



= Efisiensi dari water heater ( dalam %) air

q

= Laju aliran kalor yang diterima air (watt)

gas

q

= Laju aliran kalor yang diberikan gas (watt)