DASAR TEORI DAN REFERENSI
2.1. DASAR TEORI 1.Saluran Air
Pada umumnya saluran air berupa pipa. Ada beberapa pertimbangan dalam perancangan pipa saluran air. Pertama, hambatan pipa saluran air diusahakan kecil. Hambatan air ketika air mengalir di dalam saluran pipa diusahakan kecil. Oleh karena itu dalam pembuatan pipa saluran air diusahakan tidak mengalami pembelokan. Kalau terpaksa ada pembelokan, sudut pembelokan pipa diusahakan besar (misalnya lebih besar dari 90o), pembelokan diusahakan terjadi secara halus (misalnya pembelokan pipa dibuat melengkung dengan radius tertentu, atau dibuat melingkar-lingkar). Hal ini dimaksudkan agar daya pompa yang diperlukan untuk mendorong air kecil dan gesekan yang terjadi antara fluida dan pipa semakin kecil.
Kehalusan permukaan saluran pipa bagian dalam juga dipilih yang baik. Semakin halus permukaan pipa bagian dalam, semakin kecil gesekan yang terjadi atau semakin kecil daya pompa yang diperlukan. Kedua, bahan pipa dipilih yang baik dalam memindahkan kalor. Bahan diusahakan mampu mengalirkan kalor konduksi yang besar, mampu memindahkan kalor yang diterima dari api ke fluida yang mengalir di dalam pipa. Dan juga harus mempertimbangkan harga dari pipa saluran air. Terjangkau, tidak mahal, misalnya dengan mempergunakan
bahan dari alumunium atau tembaga. Semakin tinggi nilai konduktivitas termal bahan, semakin besar laju aliran kalornya. Ketiga, 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.
2.1.2. Bahan Bakar
Ada banyak jenis bahan bakar. Pada water heater jenis gas sebagian besar bahan bakarnya adalah Liquified Petroleum Gas (LPG). LPG di Indonesia dipasarkan oleh Pertamina dengan merek Elpiji. Ada tiga macam LPG yang diproduksi Pertamina antara lain, LPG untuk keperluan rumah tangga, LPG gas Propana dan LPG gas Butana. Dari ketiga jenis LPG, yang umum digunakan untuk water heater adalah LPG untuk rumah tangga, yang komposisinya adalah campuran antara Propana dan 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 cair dalam tabung sekitar 5 – 6,2 cm2 kg
7 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 + 5O 2 3CO + 42 H2O + panas Propana + oksigen karbondioksida + uap air + panas
Menurut 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 + 13O 2 8CO + 102 H2O + panas Butana + oksigen karbondioksida + uap air + panas Menurut wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut hampir sama dengan Propana yaitu 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 lagi sebesar 2257 J/gram air untuk merubah air menjadi uap. Pada kondisi udara luar, 1 kg Propana memiliki volume sekitar 0,543 m3. Satu kg elpiji memiliki energi yang
setara untuk mendidihkan air 90 L. Tabel 2.1 Menyajikan daya pemanasan dari efisiensi alat masak LPG dengan bahan bakar gas. Terlihat bahwa efisiensi alat masak dengan gas LPG berkisar sebesar 60 %.
Tabel 2.1 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 % Listrik 860(kkal/kwh) 60 %
2.1.3. 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
9 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 2.2 Komposisi udara dalam keadaan normal
(Sumber : repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/16641/4/Chapter %20I.pdf) No Udara Komposisi (%)
1 Nitrogen 78,1
2 Oksigen 20,93
3 Karbon dioksida 0,03
4 Gas lain 0,94
2.1.4. 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. Perancangan gas buang harus mempertimbangkan besar kecilnya debit gas buang yang terjadi. 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. 2.1.5. 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 kenyataannya setiap kompor menghasilkan bentuk dan besar api yang khas. Semakin banyak api yang mampu dihasilkan kompor dan api yang mampu menyentuh sistem saluran pipa air dengan siripnya, tentu akan semakin besar kalor yang dapt 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, tersaji pada Gambar 2.1, Gambar 2.2, Gambar 2.3.
11 Gambar 2.1 Kompor gas dengan regulator Savequam
Gambar 2.2 Kompor gas tungku besar
2.1.6. Isolator
Isolator diperlukan agar kalor hasil pembakaran bahan bakar tidak banyak keluar dari pemanas air. Oleh karena itu tabung dalam, dimana ruangan di dalam tabung dalam digunakan untuk proses pembakaran, maka sebaiknya permukaan sebelah luar dari tabung dalam diberi isolasi agar kalor hasil pembakaran tidak keluar. Ada banyak macam isolasi. Udara adalah salah satu isolator panas yang cukup murah dan mudah didapat. Jika dipergunakan udara sebagai isolator, maka pemasukan udara untuk keperluan pembakaran dapat melalui lubang – lubang yang dibuat di dinding tabung dalam.
Tabel 2.3 Konduktifitas termal beberapa media (Sumber : http://www.scribd.com/doc/61109210/BAB-II-Termal)
Media Konduktifitas Termal (k) W/m.ºC Gabus 0,042 Wol 0,040 Kayu 0,08-0,016 Bata 0,84 Busa 0,024 Udara 0,023
2.1.7. Laju Aliran Kalor
Laju aliran kalor yang diterima air ketika mengalir di dalam saluran pipa dapat dihitung dengan persamaan :
i o
a ir a ir a ir m c T T q ... (2.1) a ir m = d )um 4 . ( 2 ... (2.2)13 Pada persamaan (2.1) dan (2.2) :
a ir q
: laju aliran kalor yang diterima air, watt a ir
m
: debit air, liter/menit a ir
c
: kalor jenis air, J/kg C.
Ti : suhu air masuk water heater, C To : suhu air keluar water heater, C.
m
u : kecepatan rata-rata fluida mengalir, m /s
: massa jenis fluida yang mengalir, kg/ 3 m d : diameter dalam pipa, m
Gambar 2.4 Laju aliran kalor
2.1.8. Laju Aliran Kalor yang Diberikan Gas
Kalor yang diberikan gas dapat dihitung dengan persamaan : ga s
Pada persamaan (2.3) :
mga s = laju aliran masa gas elpiji yang terpakai (kg/s)
Cga s = kapasitas panas gas elpiji ( J/kg), (1kkal = 4186,6 J), tersaji pada Tabel 2.I
2.1.9. Efisiensi
Efisiensi water heater dapat dihitung dengan persaman (2.4) % 100 x q q ga s a ir ……….…….(2.4) Pada persamaan (2.4) :
: Efisiensi water heater (%)
a ir
q : Laju aliran kalor yang diterima air, watt
ga s
q : Laju aliran kalor yang diberikan gas, watt
2.2. REFERENSI
Kegiatan rekayasa dan pengembangan water heater untuk memenuhi kebutuhan masyarakat berkembang pesat. Water heater yang ditawarkan dipasaran bermacam – macam dari model bentuk, kapasitas air yang mengalir, dan juga sumber bahan bakar yang digunakan. Sumber bahan bakar yang digunakan dalam water heater misalnya, LPG, energi listrik, energi matahari, biogas, dan masih banyak lagi. Untuk kapasitas air per menit juga bervariasi, rata–rata water heater yang dijual di pasaran berkapasitas 5 – 8 L/menit,
15 biasanya digunakan dalam rumah tangga, sedangkan untuk kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan di hotel ataupun apartemen.
Referensi pembanding untuk pembuatan water heater bahan bakar gas LPG adalah water heater merk Wasser (WH506A - LPG), water heater Rinnai REU-55RTB, dan water heater Heating Equipment JLG30-BV6 yang karakteristiknya adalah sebagai berikut :
a. Water Heater Gas Low Pressure Wasser (WH506A - LPG)
Gambar 2.5 Water heater Wasser (WH506A - LPG) Nama Produk : Wasser
Negara Pembuat : Jepang Spesifikasi
Model : WH506A
Warna : Putih
Kapasitas maksimum : 5 L/menit
Tekanan air : 0,2 kgf/cm2 (minimuim) Konsumsi Gas : 0.46 kg/jam
Temperatur maksimum : 65°C
b. New Model 12L/min (3.2Gal) LPG Gas Tankless Water Heater
Gambar 2.6 New Model 12L/min (3.2Gal) LPG Gas Tankless Water Heater
Nama Produk : New Model 12L/min (3.2Gal) Negara Pembuat : America
Spesifikasi
Model : V1200
Berat : 7.6 kg Gas Input : 1,8 kg/jam
Dimensi Luar : 430 x 200 x 705 mm Efisiensi Thermal : ≥80.6%
17 Tekanan gas : 2800 Pa
Tekananan Air Minimum : 0.025MPa Temperatur Maksimum : 25 - 65 °C
Tipe Gas : LPG
c. Water Heater HRPY-2
Gambar 2.7 Water heater Heating Equipment JLG30-BV6
Negara Pembuat : China Nama Produk : HAODI Spesifikasi
Model : JLG30-BV6
Berat : 39 kg
Dimensi Luar : 595 mm x 330 mm x 230 mm Kapasitas maksimum : 6 L/menit
Panas maksimum : ±90% Temperatur Maksimum : 40°C - 80°C
19 BAB III
