DASAR TEORI

2.1Dasar Teori

2.1.1 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 tidak besar (menghindari sudut lebih besar dari 90^o), 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. Tentu juga harus mempertimbangkan harga dari pipa saluran air. Terjangkau, tidak mahal, misalnya dengan mempergunakan bahan dari

7

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 Sirip

Fungsi sirip adalah untuk memperluas permukaan dari benda yang dipasangi sirip. Jika sirip dipasang di pipa saluran air yang akan dipanaskan, maka sirip akan dapat membantu pipa saluran air dalam menangkap kalor yang diberikan oleh nyala api dari kompor gas LPG. Semakin luas sirip yang akan dipasang di pipa saluran air, akan semakin besar kalor yang akan dipindahkan ke air. Dengan demikian pemasangan sirip akan berpengaruh terhadap suhu air keluar water heater. Pemilihan bahan sirip juga berpengaruh terhadap besarnya kalor yang dapat ditangkap. Semakin besar nilai konduktivitas termal bahan sirip, semakin besar kalor yang dapat ditangkap oleh sirip.

8

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

9 2.1.3 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 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

10

Menurut wilkipedia 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 Menurut wilkipedia 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 lagi sebesar 2257 J/gram air untuk merubah air menjadi uap. Pada kondisi udara luar, 1 kg Propana memiliki volume sekitar 0,543 3

m . Satu kg elpiji memiliki energi yang setara untuk mendidihkan air 90 L.

Tabel 2.1 memperlihatkan daya pemanasan dan efisiensi alat masak yang mempergunakan LPG dan berbagai macam bahan bakar lain.

11

Tabel 2.1 Perbandingan Daya Pemanasan dan Efisiensi Alat Masak LPG dengan Bahan Bakar Lain (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 8000 kkal/m³ 55 % Listrik 860 kkal/kwh 60 % L P G 11.900 kkal/kg 60 %

2.1.4 Kebutuhan Udara

Di dalam proses pembakaran memerlukan oksigen. Pada proses pembakaran bahan bakar untuk water heater dapat mempergunakan oksigen yang dapat diambil dari udara bebas. 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.

12

Dengan kata lain, akan didapatkan suhu air keluar dari pemanas air kurang tinggi. Komponen udara terdiri dari oksigen, nitrogen dan gas lainnya. Berikut adalah komposisi udara yang tersaji dalam Tabel 2.2.

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

2.1.5 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

13

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.

2.1.6 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

14

yang berbahan bakar LPG yang tersaji pada Gambar 2.3, Gambar 2.4 dan Gambar 2.5.

Gambar 2.3 Kompor gas Rinnai dan regulator Miyako

15

Gambar 2.5 Kompor gas dengan regulator Savequam

2.1.7 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. Adapun sifat- sifat fisik udara adalah ekspansi (peningkatan volume massa udara dengan mengurangi tekanan yang diberikan oleh suatu kekuatan atau karena penambahan panas), aliran (aliran udara dari tempat yang konsentrasi tinggi ke salah satu konsentrasi yang lebih rendah tanpa pengeluaran energi), kontraksi (mengurangi volume udara yang didorong dengan paksa, tetapi volume mencapai limit dan udara cenderung memperluas di luar batas), tekanan udara

16

(gaya yang diberikan oleh udara semua badan), volume (ruang yang ditempati oleh udara), dan memiliki massa. Udara sendiri memiliki nilai konduktifitas termal sebesar k = 0,024 W/m °C.

Gambar 2.6 Konduktifitas Termal Beberapa Gas (Sumber: eprints.undip.ac.id/27613/1/0190-ba-ft-2009.pdf)

Tabel 2.3 Konduktifitas Termal Beberapa media (Holman, 1993) Gas ^{Konduktifitas Termal (k)}

W/m.ºC Btu/h. ft. ºF

Batu pasir 1,83 1,058

Wol kaca 0,038 0,022

Udara 0,024 0,0139

Uap air (jenuh) 0,0206 0,0119 Kayu mapel/ek 0,17 0,0982

17 2.1.8 Laju Aliran Kalor

Ketika air mengalir dalam pipa, kecepatan aliran air dapat dihitung dengan persamaan (2.1)

�

_�

=

� �.�

⁼

� �.��2 ... (2.1) dengan

m = laju aliran massa (kg/s) ρ = massa jenis air (kg/m^{3 u}

) m

r = jari-jari pipa (m) = kecepatan aliran (m/s)

atau dapat dinyatakan dengan persamaan (2.2). m = (ρπd2 um dengan )/4 ………... (2.2) d = diameter pipa (m)

Gambar 2.7 Perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan beda suhu

18 Qair = mcp(To-Ti dengan ) ...………...(2.3) Qair

m = laju aliran massa (kg/s) = kalor yang dihasilkan (watt)

Ti = temperatur air masuk (^o T

C) o = temperatur air keluar (^o C

C)

p= kalor jenis air yan mengalir pada tekanan tetap (J/kg ºC) dengan nilai Cp

Jika satuan debit dalam liter/menit, maka satuan debit harus dikonversikan dalam satuan kg/detik. Jika 1 liter air = 1 kg.

sepanjang aliran itu tetap.

� =^{������} ����� ⁼ ������ 60 ����� ⁼ ��� 60 ����� ^...(2.4) Kalor yang diberikan gas LPG dapat dihitung dengan persamaan (2.5)

Qgas = mgas × Cgas

dengan

...(2.5)

Qgas m

= kalor yang keluar (watt) gas

C

= gas elpiji terpakai (kg/s) gas

(lihat data- data pada Tabel 2.1)

= nilai kalor jenis gas elpiji (J/kg), (1kkal = 4186,6 J)

2.1.9 Efisiensi Water Heater

19 ɳ = (Qair/Qgas)×100%

...(2.6)

dengan

ɳ = efisiensi water heater (%)

Qair Q

= kalor yang dihasilkan (watt) gas

2.2 Referensi

= kalor yang keluar (watt)

Water heater yang ditawarkan dipasaran bermacam - macam misalnya, 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 debit air per menit juga bermacam - macam, kebanyakan yang dipakai dirumah berkapasitas 6 - 8 L/menit, sedangkan untuk kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan di hotel.

Referensi dalam pembuatan water heater bahan bakar gas LPG mengacu pada beberapa water heater yang berada di pasaran, seperti tersaji pada Gambar 2.4, Gambar 2.5 dan Gambar 2.6 dengan spesifikasinya. Sebenarnya banyak sekali water heater yang berbahan bakar LPG yang ada di pasaran, tetapi hanya tiga yang disajikan.

20

a. Gas Water Heater Smales seri JLG22-BV8

Gambar 2.8 Water Heater SMALES Spesifikasi :

• Model : JLG22-BV8

• Kapasitas maksimum : 6 L/menit

• Berat : 37 kg

• Dimensi Luar : 740 x 430 x 248mm

• Tipe Gas : NG LPG

• Jangkauan Temperatur : 40°C - 80°C b. Gas Water Heater Rinnai V1500

21

Gambar 2.9 Water Heater Rinnai V1500 Spesifikasi :

• Gas Input : Low 18 MJ/h

• Kapasitas Maksimum : 16 L/menit

• Berat : 15 kg

• Dimensi Luar : 530 x 350 x 194mm

• Jangkauan Temperatur : 13 tahap dari 37°C - 55°C

• Tipe Gas : AGA atau LPG

22

Gambar 2.10 Water HeaterModena GI-6 Spesifikasi :

• Gas Input : Low 0.6 kg/h

• Kapasitas Maksimum : 6 L/menit

• Berat : 15 kg

• Dimensi Luar : 740 x 430 x 248mm

• Jangkauan Temperatur : 65°C

• Tipe Gas : NG LPG