BAB II. DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1. DASAR TEORI
2.1.1. Proses Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor merupakan ilmu untuk meramalkan perpindahan energi dalam bentuk kalor yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Dalam proses perpindahan energi tersebut tentu ada kecepatan perpindahan kalor yang terjadi, atau yang lebih dikenal dengan laju perpindahan kalor. Maka ilmu perpindahan panas juga merupakan ilmu untuk meramalkan laju perpindahan kalor yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Perpindahan kalor dapat didefinisikan sebagai suatu proses berpindahnya suatu energi (kalor) dari satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan temperatur pada daerah tersebut. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
a. Perpindahan Kalor Secara Konduksi
Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antar medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung sehingga terjadi pertukaran energi dan momentum. Laju perpindahan kalor yang terjadi pada perpindahan kalor konduksi adalah berbanding dengan gradien suhu normal sesuai dengan persamaan.
Gambar 2.1Perpindahan kalor secara konduksi pada contoh saluran pipa
Contoh perpindahan kalor secara konduksi pada water heater, dimana kalor berpindah dari dinding luar pipa tembaga menuju ke bagian dalam dinding pipa tembaga.
b. Perpindahan Kalor Secara Konveksi
Konveksi adalah perpindahan panas karena adanya gerakan/aliran/ pencampuran dari bagian panas ke bagian yang dingin. Contohnya adalah kehilangan panas dari radiator mobil, pendinginan dari secangkir kopi dan sebaginya. Menurut cara aliran menggerakkan alirannya, perpindahan panas konveksi diklasifikasikan menjadi dua yakni konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Bila gerakan fluida disebabkan karena adanya perbedaan kerapatan karena perbedaan suhu, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi bebas (free/natural convection). Bila gerakan fluida disebabkan oleh gaya pemaksa/eksitasi dari luar, misalkan dengan pompa atau kipas yang menggerakkan fluida sehingga fluida mengalir di atas permukaan, maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi paksa (forced convection).
Tembaga Fluida
Gambar 2.2Perpindahan kalor secara konveksi pada contoh saluran pipa
Contoh peprindahan kalor secara konveksi terjadi pada dinding dalam
water heaterke fluida (air). c. Perpindahan Kalor Radiasi
Peprindahan kalor secara radiasi menurut Joseph Stefan peprindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Pada radiasi, kalor atau energi merambat tanpa membutuhkan zat perantara, berbeda halnya dengan konduksi atau konveksi yang selalu membutuhkan medium. Sebenarnya setiap benda memancarkan dan menyerap energi radiasi. Benda panas ada yang berpijar dan ada juga yang tidak berpijar. Kedua benda tersebut memancarkan/meradiasikan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan berbagai panjang gelombang.
Stefan (1879) menemukan bahwa laju rambat kalor secara radiasi tiap satu satuan luas permukaan benda bergantung pada sifat dan suhu permukaan benda. Benda yang mengkilap lebih sukar memancarkan kalor dari pada benda yang hitam dan kusam. Jadi dapat dikatakan bahwa benda hitam dan kusam merupakan pemancar dan penyerap kalor yang baik.
Tembaga Fluida
udara luar udara luar
Gambar 2.3Perpindahan kalor secara radiasi pada contoh saluran pipa
Contoh perpindahan kalor secara radiasi, dimana perpindahan kalor terjadi dari lingkungan luar menuju ke dalamwater heater.
2.1.2. Perancangan Pipa
a. Pemiihan bentuk pipa pemanas
Dalam perancangan atau pembuatanwater heater menggunakan pipa yang dibentuk seperti spiral atau melingkar, hal ini disebabkan karena alasan berbentuk spiral adalah :
1. Hambatan sedikit, sehingga daya pompa tidak besar, seperti diketahui untuk mendapatkan hambatan-hambatan yang kecil saat fluida mengalir di dalam pompa adalah:
Menghindari belokan-belokan yang tajam
Menghindari percabangan
2. Supaya energi yang bersumber dari api, dapat diserap dengan baik oleh air, semua pipa kena api atau radiasi api langsung.
Hambatan yang terjadi ketika air mengalir diusahakan sangat kecil. Dalam pembentukan saluran pipa tidak dibuat pipa yang melengkung tajam agar
Tembaga Fluida
hambatan yang dihasilkan tidak begitu 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 yang diperlukan untuk mendorong air lebih kecil. Dengan alasan tersebut, saluran pipa di buat berbentuk spiral.
b. Pemilihan Bahan
Pipa yang dipilih harus memiliki nilai konduktivitas termal yang tinggi. Sehingga bahan mampu mengalirkan kalor konduksi yang besar, mampu memindahkan kalor yang diterima dari sumber 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 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 konduktivitas termal bahan, semakin besar laju aliran kalornya.
Tabel 2.1 Nilai Konduktifitas termal/bahan (Stefan, (1879) buku perpindahan kalor)
No. Bahan Nilai konduktivitas termal
Watt/m.ºC Titik lebur
1 Timbal (murni) 35 327oC 2 Tembaga (murni) 385 600oC 3 Aluminium (murni) 202 400oC 4 Besi (murni) 73 1200oC 5 Nikel (murni) 93 1455oC 6 Baja karbon 1% C 43 1200oC 7 Perak (murni) 410 400oC Pertimbangan dalam pemilihan bahan pipa yang lain adalah :
1. Harganya terjangkau, agar biaya yang di keluarkan tidak banyak.
2. Bahan pipa tidak berkarat, jika berkarat akan dapat mengotori air yang akan di pergunakan untuk mandi selain kotor juga bau.
3. Titik didih bahan pipa tinggi, bahan pipa tidak melebur atau meleleh saat di pergunakan.
C. Pemilihan diameter pipa
Pemilihan diameter pipa juga merupakan hal yang sangat penting, semakin kecil diameter pipa yang dipakai, semakin besar dayanya. Semakin kecil diameter, semakin besar hambatannya. Ukuran diameter pipa dipilih sedemikian sehingga tidak menghasilkan daya yang besar, selain itu harga jual water heater dapat terjangkau.
2.1.3. Isolator dan Konduktor
Berdasarkan kemampuan dalam menghantarkan kalor benda dibedakan menjadi dua jenis : (a) Isolator dan (b) konduktor
a. Isolator
Isolator adalah benda-benda yang tidak mampu atau tidak dapat menghantarkan kalor dari suatu tempat ke tempat yang berbeda dengan baik. Contoh benda yang disebut isolator adalah : kayu, kain dan gabus. Pada percobaan ini memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah, isolator diperlukan agar kalor hasil proses pembakaran bahan bakar tidak banyak keluar dariwater heater.
Tabel 2.2Sifat-sifat bahan bukan logam (Holman,1993)
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 Udara 0,009246 1,0266 3,601 25,01 x 10-7
Pada pembuatanWater Heaterini dipilih Isolator nya adalah udara. b. Konduktor
Konduktor adalah bahan yang bersifat dapat menghantarkan kalor dengan baik. Konduktor yang baik adalah yang memiliki nilai konduktivitas termal yang tinggi, pada umumya logam.
Tabel 2.3Sifat-sifat bahan logam pada suhu 200C (Holman,1993)
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 2 Tembaga 386 0,091 8954 4,42 x 10-5 3 Alumunium 204 0,208 2707 3,33 x 10-5 4 Seng 112 0,091 7144 1,60 x 10-5 5 Besi 73 0,11 7897 0,63 x 10-5 6 Baja 54 0,465 7833 1,474 x 10-5
2.1.4. Sirip
Sirip sering digunakan pada alat penukar kalor untuk meningkatkan luasan perpindahan kalor antara permukaan utama dengan fluida di sekitarnya. Sirip biasa digunakan dalam pengkondisian udara dan juga peralatan elektronik, motor listrik dan lain-lain. Dalam semua peralatan tersebut udara digunakan sebagai media perpindahan panas. Idealnya, material sirip harus mempunyai konduktivitas termal yang tinggi sehingga dapat membantu dengan cepat perpindahan panas dari sumber api ke air. Semakin besar dan banyak sirip yang dipasang maka semakin besar pula kalor yang dipindahkan.
2.1.5. Saluran Udara Masuk
Untuk memenuhi persyaratan agar proses pembakaran terjadi, api membutuhkan oksigen yang terkandung di udara agar panas yang dihasilkan dapat maksimal. Saluran udara yang terdapat di water heater terdapat pada bagian permukaan water heater dengan lubang-lubang. Hal ini dimaksudkan agar udara dapat masuk kedalam ruang water heater disekitar tempat pembakaran berlangsung. Apabila water heater kekurangan udara dalam proses pembakarannya maka hasil pembakaran tidak dapat maksimal. Karena sifat api yang membutuhkan oksigen untuk proses pembakarannya api akan cenderung mengarah keluar dari water heater jika pasokan udara tidak ada didalam water heater. Didalam keadaan normal komposisi oksigen di dalam udara berkisar 20, 95% dari komposisi udara di bumi pada keadaan normal.
2.1.6. Kebutuhan Udara
Didalam proses pembakaran memerlukan oksigen. Pada proses pembakaran bahan bakar untuk pemanas air dapat mempergunakan oksigen yang dapat diambil dari lingkungan (udara bebas). Aliran udara yang diperlukan harus disesuaikan dengan ukuran tabung pemanas air dan pipa yang digunakan dengan kata lain aliran udara yang diperlukan harus dikondisikan sedemikian rupa agar api yang diperlukan dalam proses pembakaran mendapatkan kebutuhan udara yang cukup. Kekurangan oksigen dapat mengakibatkan nyala api tidak sesuai dengan apa yang diinginkan. Kekurangan kebutuhan udara dapat menyebabkan kalor yang dipindahkan ke air kurang. Kelebihan oksigen juga mengakibatkan kecilnya panas yang dapat diserap oleh pipa. Bentuk api atau nyala api diusahakan mampu memberikan kalornya secara efisien ke fluida air yang mengalir di dalam saluran pipa. Dengan kata lain, akan didapatkan suhu air keluar dari pemanas air kurang tinggi.
Tabel 2.4Komposisi udara dalam keadaan normal (Sumber : Buku komposisi udara dalam keaaan normal)
No. Unsur Presentase %
1 Nitrogen 78,1
2 Oksigen 20,93
3 Karbon dioksida 0,31
2.1.7. Sumber Api
Sumber nyala api dapat diambil dari kompor. Ada berbagai macam kompor dengan bentuk geometri dan bahan bakar kompor yang berbeda. Bahan bakar kompor juga menentukan titik nyala api. Ada kompor yang mampu memberikan api yang besar tetapi ada pula yang mampu memberikan api yang kecil. Pada kenyataanya setiap kompor menghasilkan bentuk api dan besar api yang khas. Semakin banyak api yang mampu dihasilkan kompor dan semakin banyak api yang mampu menyentuh sistem saluran pipa air dengan siripnya, tentu akan semakin besar kalor yang dapat dipindahkan ke dalam air melalui saluran pipa air. Dengan catatan proses pembakaran yang terjadi dalam peralatan water heater berlangsung dengan sempurna. Berikut ini adalah contoh sumber api berbahan bakar gas LPG yang terdapat di pasaran.
Gambar 2.4Media pembakar yang menggunakan bahan bakar LPG Spesifikasi media pembakar pada Gambar 2.4 sebagai berikut : Dimensi (mm) : 570 x 315 x 168 (PLT)
Daya pemanasan : 21.8 kW/h High Pressure Bahan : Besi tuang
Gambar 2.5Kompor portable RT
Dimensi (mm) : 3442 x 275 x 85 (PLT) Daya pemanas : 0,15 kg/h
Bahan : Gas butana
Gambar 2.6Kompor gas 2 tungku
Kompor gas pada Gambar 2.6 memiliki spesifikasi sebagai berikut Dimensi : 720 x 415 x 201, mm
2.1.8. Bahan Bakar
Pada penelitian ini proses pembakarannya menggunakan bahan bakar dari gas yaitu gas LPG (Liquified Petroleum Gas). Di Indonesia ada tiga macam LPG yang diproduksi dan dipasarkan oleh PT. Pertamina yaitu bahan bakar gas LPG untuk rumah tangga, gas LPG Propana dan gas LPG Butana. Komponen utama bahan bakar LPG (dari hasil produksi kilang minyak dan gas) 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 cairdalam 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.
Reaksi pembakaran propana
C3H8
, jika terbakar sempurna adalah sebagai berikut :8 3H
C + 5O2 → 3CO2 + 4H2O + panas
propana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Menurut wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut setara dengan 46000000 J/kg atau 46MJ/kg.
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.
Sebagai gambaran : Untuk menaikkan 1 gram air sebesar 1°C dibutuhkan energi sebesar 4,186 J. Untuk menaikkan suhu 1 liter air dari suhu ruangan (30°C) akan dibutuhkan energi sebesar 293,020 J. Pada tahap ini, air baru mencapai suhu 100°C dan belum mendidih. Diperlukan energi sebesar 2257 J/gr air untuk merubah air menjadi uap. Pada kondisi udara luar 1 kg propana memiliki volume sekitar 0,543. Satu Kg LPG memiliki energi yang setara untuk mendidihkan air 90 liter. Tabel 2.2 menyajikan daya pemanasan dari efisiensi alat masak LPG dengan bahan bakar gas. Terlihat bahwa efisiensi alat masak dengan gas LPG berkisar sebesar 60 %.
Tabel 2.4 DayaPemanasan dan Efisiensi berbagai macam bahan bakar (sumber: Intan Pariwara (2010) buku efisiensi berbagai macam bahan bakar)
Bahan Bakar Daya Pemanasankkal/kg Efisiensi alat masak% Kayu bakar 4000 15 Arang 8000 15 Minyak tanah 11000 40 Gas kota 4500 55 LPG 11900 60 Listrik 860 kcal/kwh 60
2.1.9. Proses Pembakaran LPG
Pembakaran adalah reaksi kimia antara oksigen dengan unsur bahan bakar. Oksigen didapat dari udara luar yang merupakan campuran dari berbagai senyawa kimia antara lain 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 – 6,22
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.
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 :2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O + panas
butana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Dari sumber wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut hampir sama dengan propana setara dengan 46 MJ/kg.
2.1.10. 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. 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 menggangu 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
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 2.7Aliran fluida dalam saluran air
air
m = (massa jenis) (luas penampang) (kecepatan air)
air m
r2
um ...(2.1)
i o
air air air m c T T q ...(2.2)Pada persamaan (2.1) dan (2.2)
air
q : laju aliran kalor yang diterima air, watt
air
m : laju aliran massa air, kg/detik
air
c : kalor jenis air, 4179 J/kgoC. Tin : suhu air masukwater heater,oC Tout : suhu air keluarwater heater,oC.
m
u : kecepatan rata-rata fluida mengalir, m/s
: 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
gas
c : nilai kalor jenis elpiji ( J/kg), (1kkal = 4186,6 J)
2.1.12. Efisiensi Water Heater
EfisiensiWater Heaterdapat dihitung dengan persamaan (2.4)
% 100 x q q gas air ...(2.4) Pada persamaan (2.4) :
: Efisiensiwater heater(%)
air
q : Laju aliran kalor yang diterima air, watt
gas
q : Laju aliran kalor yang diberikan gas, watt