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 berpindah ke benda yang suhunya lebih rendah ketika kedua

benda tersebut saling 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 mekanisme perpindahan kalor (a) perpindahan kalor dengan

cara konduksi, (b) perpindahan kalor dengan cara konveksi dan (c) perpindahan kalor

dengan cara 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

jauh lebih baik dari pada zat padat lainnya karena logam memiliki banyak elektron

bebas, sementara zat padat lainnya yang termasuk dalam isolator tidak memiliki

elektron bebas.

Gambar 2.1 Perpindahan konduksi dari luar pipa pemanas kepermukaan dalam pipa pemanas.

Gambar 2.2 Perpindahan konduksi dari permukaan tabung dalam ke permukaan tabung luar.

Perpindahan panas secara konduksi yang terjadi di water heater gas LPG

adalah kalor berpindah dari permukaan luar pipa tembaga ke permukaan dalam pipa

B. Perpindahan panas secara konveksi

Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan kalor yang 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 kalor yang terjadi secara alami yang

diakibatkan perbedaan suhu dan beda rapat massa serta tidak ada tenaga dari luar atau

alat bantu yang mendorongnya.

2. Konveksi paksa

Konveksi paksa adalah perpindahan kalor 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 konveksi yang terjadi padawater heater :

1. Perpindahan kalor dari udara panas ke permukaan luar pipa pemanas.

2. Perpindahan kalor dari udara panas ke permukaan tabungwater heater.

Gambar 2.4 kalor dari udara panas ke permukaan tabungwater heater.

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 kalor secara radiasi yang terjadi di water heater gas LPG adalah

kalor dari api hasil pembakaran ke permukaan luar pipa dan kalor dari tabung dalam

2.1.3 Perancangan Pipa Saluran Air

Kebanyakan dalam pembuatan water heater gas, saluran air yang digunakan

menggunakan saluran air yang berbentuk lingkaran. Dalam perancangan pipa yang

berfungsi sebagai saluran air ada beberapa pertimbangan yang harus diperhatikan.

A. Pemilihan material pipa

Bahan yang digunakan pipa untuk saluran air dalam water heater mempunyai

konduktivitas termal yang tinggi. Jika bahan yang digunakan mempunyai

konduktivitas termal yang tinggi, maka akan mudah untuk menghantarkan serta

mengalirkan panas. Material pipa yang cocok adalah berbahan tembaga yang

memiliki kemampuan menghantarkan kalor yang baik serta harga yang terjangkau.

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

Bahan yang dipilih juga harus memiliki titik lebur yang tinggi agar ketika

dipergunakan bahan tidak melebur atau meleleh. Selain itu bahan pipa tidak mudah

B. Diameter pipa yang digunakan

Diameter pipa diusahakan tidak berukuran terlalu kecil, karena jika diameter

pipa terlalu kecil akan mengakibatkan hambatan yang terjadi pada laju aliran air.

Maka ukuran pipa yang digunakan berukuran 0,5 inci, ini bertujuan agar hambatan

yang terjadi dalam pipa tidak terjadi dan juga harganya juga tidak terlalu mahal.

C. Hambatan yang terjadi dalam pipa

Hambatan yang terjadi dalam aliran air mengalir di dalam pipa diusahakan

sekecil mungkin. Dalam perancangan dan pembuatan saluran pipa air diusahakan

tidak mengalami pembelokan, jika ada pembelokan diusahakan sudut pembelokannya

besar, merata dan dengan radius tertentu atau saluran air yang dirancang dengan

bentuk melingkar.

2.1.4 Saluran Udara Masuk

Udara digunakan untuk pembakaran gas LPG, karena proses pembakaran

memerlukan oksigen. Oksigen sangat mudah didapatkan dari udara luar. Jika proses

pembakaran kekurangan oksigen, maka pembakaran yang terjadi tidak mencapai hasil

yang maksimal dan juga kalor yang diinginkan tidak terjadi. Maka dari itu dalam

merancang saluran udara pada mesin pemanas air harus di desain sedemikian rupa

agar udara yang masuk tepat sesuai kebutuhan. Cara merancang saluran udara adalah

dengan cara memberikan lubang pada sisi dalam dan sisi luar pada water heateragar

oksigen atas dapat masuk langsung kedalamnya sehingga udara dapat membantu

Tabel 2.2 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

2.1.5 Sirip

Sirip memiliki fungsi sebagai isolator untuk. 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.

2.1.6 Sumber Api

Sumber api yang digunakan untuk memanaskan water heater menggunakan

kompor gas LPG. Jaman sekarang banyak bentuk dan jenis kompor gas. Setiap

kompor gas memiliki nyala api yang berbeda sesuai dengan kebutuhannya. Ada

kompor gas yang menghasilkan nyala api yang besar dan juga ada kompor gas yang

mengasilkan nyala api yang besar. Jika api yang dihasilkan besar, maka akan

menghasilkan kalor yang banyak sehingga penyerapan kalor lebih cepat.

Gambar 2.5 Kompor gas LPG

2.1.7 Gas LPG

Pada umumnya water heater gas menggunakan gas\ LPG sebagai sumber

energy untuk pembakaran. Kepanjangan dari LPG adalah 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.

supaya jika terjadi kebocoran gas LPG dapat segera terdeteksi dengan cepat sehingga

mudah dikenali dan dapat segera ditanggulangi.

Reaksi pembakaran propana

(

C3H8

)

, jika proses pembakaran terjadi dengan sempurna adalah sebagai berikut :

8 3H

C + 5O₂ → 3CO ₂ + 4H₂O + kalor propana + oksigen → karbondioksida + uap air + kalor

Reaksi pembakaran butana

(

C4H10

)

, jika proses pembakaran terjadi dengan sempurna adalah sebagai berikut :

2C ₄ H ₁₀ + 13O₂ → 8

CO

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

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 4000 kkal/kg 15 % Arang 8000 kkal/kg 15 % Minyak Tanah 11000 kkal/kg 40 % Gas Kota 45000 kkal/kg 55 % Listrik 860 kkal/kg 60 %

2.1.8 Saluran Gas Buang Sisa Pembakaran

Pembakaran gas LPG dalam water heater akan menghasilkan sisa

pembakaran. Maka dari itu dalam membuat water heater harus dibuatkan saluran

pembuangan gas sisa pembakaran. Dalam pembuatannya yang perlu diperhatikan

adalah volume gas yang dibuang, posisi arah pembuangan diusahakan mengarah ke

atas.

Dalam pembuatan water heaterini aliran gas buang dialirkan ke atas dengan

membuatkan lubang ada bagian tutup. Karena tutup yang rapat tidak memungkinkan

gas buang dialirkan kesamping.

2.1.9 Laju Aliran Kalor

Ketika air mengalir dalam pipa maka air tersebut memiliki kecepatan aliran.

Kecepatan aliran air dapat dihitung dengan mempergunakan persamaan (2.1)

= 2 . . r m A m π ρ ρ ^{= (2.1)}

Laju aliran massa air dapat dihitung dengan mempergunakan Persamaan (2.2)

air

m =ρ

( )( )

πr² um

(2.2)

Pada Persamaan (2.1) dan (2.2) :

m = laju aliran massa (kg/s)

= kecepatan aliran air (m/s)

r = jari-jari pipa air (m)

Gambar 2.6 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)

(

in out

)

air air air m c T T q =  − _(2.3) pada Persamaan (2.3) : air

q

= laju aliran kalor yang diterima air (watt)

air

m

= laju aliran massa air masuk ( kg /detik)

air

c

= kalor jenis air (J / kg^oC)

Tin = suhu air masukwater heater (^oC) Tout = suhu air keluarwater heater(^oC)

Laju aliran kalor yang didapat dari proses pembakaran gas LPG dapat

dihitung dengan persamaan (2.4)

gas

q = m_gas C_gas

pada Persamaan (2.4) :

gas

m

= massa gas LPG yang terpakai (kg/s)

gas

C

= kapasitas panas gas LPG ( J/kg), (1kkal = 4186,6 J)

Tabel 2.4 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)

LPG 11900 kkal/kg 60%

2.1.10 Efisiensi Dari Water Heater

Efisiensi dariwater heaterdapat dihitung dengan persamaan (2.5)

% 100 x q q gas air = η (2.5) Pada Persamaan (2.6) :

η

= Efisiensi dari water heater( dalam %)

air

q

= Laju aliran kalor yang diterima air (watt)

gas