1 BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Nilai koefisien perpindahan kalor merupakan besaran penentu
kinerja sebuah alat penukar kalor. Kesalahan dalam memprediksi
koefisien perpindahan kalor akan menyebabkan dimensi peralatan
tersebut tidak sesuai lagi dengan kapasitasnya. Kecenderungan yang
banyak dilakukan dalam perancangan alat penukar kalor adalah
memperbesar dimensi untuk menjamin temperatur hasil yang dikehendaki,
hal ini berakibat borosnya penggunaan enrgi kalor.
Penelitian-penelitian yang berhubungan dengan upaya mencari
peningkatan koefisien perpindahan kalor terus dilakukan. Salah satu cara
peningkatan koefisien perpindahan kalor yang banyak dilakukan adalah
dengan memodifikasi permukaan saluran baik permukaan luar maupun
permukaan dalam. Modifikasi permukaan luar saluran dengan
pemasangan sirip telah banyak diterapkan pada alat penukar kalor.
Konstruksi sistem pemanas air kamar mandi menggunakan dua
jenis sumber energi yaitu energi listrik dan LPG. Sistem pemanas air
kamar mandi yang menggunakan energi LPG proses perpindahan kalor
berlangsung antara dua fluida air dan gas hasil pembakaran, peningkatan
efisiensi perpindahan kalor dilakukan dengan pemasangan sirip pada
permukaan luar saluran air. Sistem pemanas air kamar mandi yang
menggunakan energi listrik transfer kalor berlangsung dari heater
berbentuk pipa yang dipasang dalam saluran air. Kondisi ini menyebabkan
modifikasi permukaan dalam saluran menggunakan sirip tidak menjadi
pilihan. Penerapan modifikasi permukaan dalam saluran menggunakn sirip
akan menimbulkan masalah baru yaitu kesulitan pabrikasi yang
menyebabkan konstruksi menjadi mahal. Hambatan lain dari modifikasi ini
akan meningkatkan pressure drop yang menyebabkan peningkatan
2 Peneliti telah melakukan penelitian mengenai penginjeksian udara
pada aliran air dalam pipa yang dipanaskan, hasil penelitian menunjukkan
bahwa terjadi peningkatan koefisien perpindahan kalor yang signifikan
pada aliran gelembung air-udara dibanding aliran fasa tunggal air.
Berdasarkan informasi ini peneliti akan menerapkan hasil penelitian yang
telah diperoleh untuk memperbaiki desain sistem pemanas air kamar
mandi yang banyak digunakan di hotel, rumah sakit dan rumah tangga
tertentu.
B. Perumusan Masalah
Bagaimanakah hubungan perubahan posisi heater dikaitkan
dengan variasi injeksi gelembung udara untuk mendapatkan desain dan
besar injeksi gelembung yang optimal model water heater metode pool
boiling? Sedangkan untuk water heater metode flow boiling,
bagaimanakah optimasi penggunaan daya sesuai batas daya yang dimiliki
water heater Prime Lifestyle 3000 W yang dikaitkan dengan optimasi
28 DAFTAR PUSTAKA
Al-Fahed, S. and Chakrun, W., 1996, Effect of Tube-Tape Clearence on Heat Transfer for Fully-Developed Turbulent Flow in A Horizontal Isothermal Tube, Int. J. Heat Fluid Flow, 17..
Ayub, Z.H. and Al-Fahed, S.F., 1993, The Effect of Gap Width Between Horizontal Tube and Twisted-Tape on The Pressure Drop in Turbulent Water Flow, Int. J. Heat Fluid Flow, 14.
Budiman, A., 1988, Analisis Perpindahan Kalor dan Aliran Fluida dalam Pipa yang Diisi Pelat Dipilin dengan Suhu Dinding Tetap, Tesis S2 UGM, Yogyakarta
Burmeister, L.C., 1983, Convective Heat Transfer, John Wiley & Sons, New York.
Fernandez, J.L. and Poulter, R., 1987, Heat Transfer Enchancement by Means of Flag-Type Insert in Tube, Int. J. Heat Transfe,r 30.
Ghajar, A.J., 2004, Systematic Heat Transfer Measurements For Air-Water Two-Phase Flow In A Horizontal And Slightly Upward Inclined Pipe, Proccedings of the 10th Brazilion Congress of Thermal Science and Engineering-ENCIT 2004 Braz. Soc. Of
Mechanical Sciences and Engineering-ABCM, Rio de Janeiro
Nov. 29-Dec. 03, 2004.
Ghajar, A.J., 2004, Two-Phase Heat Transfer In Gas-Liquid Non-Boiling Pipe Flows, HEFA 2004 3rd International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics 21-24 June 2004, Cape Town.
Ishikawa, T. and Kamiya, T., 1994, Limits of Reynold Number for Effective Use of Heat Transfer Promoters-Twisted Tape and Static Mixer,
Heat Transfer Japanese Researh, 23.
Kamal, S. 2000, Studi Eksperimental Koefisien Perpindahan Kalor Aliran Dua Fasa pada Pipa Vertikal dalam Bentuk Aliran Kantung (Slug Flow) Menggunakan Aliran Udara-Air, Teknosains, 16B(1), 97-109. UGM, Yogyakarta.
29 Mudjijono, 2007, Studi Eksperimental Perpindahan Kalor Aliran Dua Fase
Air-Udara Searah ke Atas dalam Pipa Anulus yang Dipanaskan,
Tesis S2 UGM, Yogyakarta.
Putro, S., 2006, Studi Eksperimental Perpindahan Kalor Aliran Dua Fase
Air-Udara Berlawanan Arah dalam Pipa yang Dipanaskan,
Tesis S2 UGM, Yogyakarta.
Sekoguchi, K., Fukui, H., and Sato, Y., 1981, Flow Characteristics And Heat Transfer In Vertical Bubble Flow, ed. Bergles, A.E., and Ishigai, S., Two-Phase Flow Dynamics, Hemisphere Publishing Corporation, New York.
Sucipta, M., 2004, Perancangan Alat Pemanas Air Tenaga Surya dengan Kolektor Pelat Paralel, Poros Volume 7 Nomor 3, Universitas Tarumanegara, Jakarta.
Wardoyo, 2006, Koefisien Perpindahan Kalor Aliran Dua Fase Air-Udara Aliran Gelembung Searah ke Atas dalam Pipa yang
LAPORAN PENELITIAN HIBAH BERSAING
PENINGKATAN EFISIENSI
SISTEM PEMANAS AIR KAMAR MANDI
MENGGUNAKAN INJEKSI GELEMBUNG UDARA
Oleh :
Ir. Sartono Putro, M.T. Ir. Jatmiko, M.T.
DI BI AYAI DI REKTORAT PENELI TI AN DAN PENGABDI AN MASYARAKAT DI REKTORAT JENDERAL PENDI DI KAN TI NGGI
KEMENTERI AN PENDI DI KAN NASI ONAL RI
DENGAN SURAT PERJANJI AN NOMOR: 316/ / SP2H/ PP/ DP2M/ I V/ 2010
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA OKTOBER 2010
ii
RINGKASAN PENELITIAN
Tujuan utama dari penelitian ini adalah:
1. Memperbaiki desain sistem pemanas air kamar mandi yang ada di pasaran
dengan injeksi gelembung udara sehingga didapatkan desain sistem
pemanas air kamar mandi baru yang memiliki efisiensi perpindahan kalor
yang lebih besar yang mampu meminimalisasi konsumsi energi
pemanasnya.
2. Sebagai salah satu upaya melakukan penghematan konsumsi energi tak
terbarukan melalui peningkatan efisiensi alat.
Adapun detail tujuan penelitian pada tahun kedua yaitu:
1. Mendapatkan prototype skala riil sistem pemanas air kamar mandi metode
pool boiling yang paling efisien dengan memvariasi posisi dan penempatan
pipa heater yang dikaitkan dengan variasi besar injeksi gelembung udara.
2. Mendapatkan prototype skala riil sistem pemanas air kamar mandi metode
flow boiling yang paling efisien dengan memvariasi daya listrik sampai
batas daya yang dimiliki pemanas air yang ada di pasaran merk Prime
Lifestyle 3000 Watt yang dikaitkan dengan variasi besar injeksi gelembung
udara.
Penelitian ini menjadi penting saat harga energi listrik dan LPG
semakin tinggi yang mana kedua energi ini merupakan sumber energi yang
digunakan dalam sistem pemanas air kamar mandi. Keberhasilan penelitian ini
dalam memperoleh desain sistem pemanas air kamar mandi yang efisien
merupakan keberhasilan untuk mengurangi penggunaan energi tak
terbarukan.
Seperti diuraikan sebelumnya bahwa sistem pemanas air kamar mandi
dengan energi listrik yang ada di pasaran bekerja dengan cara mengalirkan air
pada sebuah tabung yang di dalamnya diberi heater berbentuk pipa. Untuk
meningkatkan efisiensi perpindahan kalor dari heater ke aliran air dapat
dilakukan dengan dengan dua cara yaitu meningkatkan efek turbulensi dan
peningkatan luas permukaan kontak heater dengan aliran air. Penerapan
iii
masalah baru yaitu kesulitan pabrikasi yang akan menyebabkan konstruksi
menjadi mahal. Hambatan lain dari modifikasi ini akan meningkatkan pressure
drop yang menyebabkan peningkatan penggunaan energi untuk mengalirkan
fluida kerja air. Adapun peningkatan efek turbulensi dengan memperbesar
masa aliran air juga berakibat naiknya kebutuhan energi untuk menggerakkan
pompa, disamping itu kebutuhan laju aliran masa dalam pemakaian juga relatif
kecil
Penelitian ini berupaya meninngkatkan efisiensi perpindahan kalor
sistem pemanas air kamar mandi energi listrik dengan cara peningkatan
turbulensi aliran air menggunakan injeksi udara dalam bentuk aliran gelembung.
Alternatif ini merupakan hasil penelitian yang sudah dilakukan pengusul yaitu
adanya informasi bahwa aliran gelembung pada pipa yang dipanaskan tanpa
pendidihan mampu meningkatkan nilai koefisien perpindahan kalor tanpa
disertai peningkatan pressure drop. Informasi ini belum pernah diterapkan pada
sistem pemanas air kamar mandi, sehingga penelitian ini memiliki nilai novelty
dan hasil penelitiannya berpotensi diupayakan HKI.
Hasil pengujian model wáter heater metode pool boiling
menginformasikan bahwa, dimensi, jumlah posisi heater dan penambahan
injeksi gelembung udara berpengaruh terhadap kinerja pemanas air.
Temperatur rata-rata air dalam tabung water heater terbesar didapatkan pada
penggunaan tiga heater disusul empat heater dan heater tunggal. Kondisi ini
berlaku pada pemanasan dengan debit penginjeksian 0 lpm sampai 3 lpm.
Sedangkan pengujian model wáter heater metode flow boiling
menginformasikan bahwa, penambahan injeksi gelembung udara mampu
meningkatan selisih temperatur masuk air dan temperatur keluar air. Besarnya
debit penginjeksian udara yang mampu menghasilkan selisih temperatur
terbesar adalah 9 lpm, sedangkan peningkatan debit penginjeksian udara dari
0 lpm sampai dengan 6 lpm tidak membberikan peningkatan yang signifikan.
Selisih temperatur ∆T yang paling besar terjadi pada saat penggunaan
penginjeksian udara dengan debit 9 lpm, yaitu sebesar 16,7 ⁰C pada waktu
pengujian 20 menit. Sedangkan selisih temperatur ∆T yang paling kecil terjadi
pada penginjeksian udara 3 lpm yaitu sebesar 13,1 oC pada waktu pemanasan
iv PRAKATA
Bismillahirrahmaanirrahim
Penelitian tahun ke dua ini menguji water heater metode pool boiling
dengan variasi posisi heater dikaitkan dengan variasi injeksi gelembung udara
untuk mendapatkan desain dan besar injeksi gelembung udara yang optimal.
Sedangkan pengujian water heater metode flow boiling dilakukan optimasi
penggunaan daya sesuai batas daya yang dimiliki water heater Prime Lifestyle
3000 W yang dikaitkan dengan optimasi besar injeksi gelembung udara.
Keberhasilan penelitian ini dalam memperoleh desain sistem pemanas
air kamar mandi yang efisien merupakan keberhasilan untuk mengurangi
penggunaan energi tak terbarukan. Dengan telah terlaksananya kegiatan ini,
pelaksana kegiatan mengucapkan terimakasih kepada:
1. Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi melalui Direktorat Pembinaan
Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat yang telah membiayai kegiatan
ini.
2. Lembaga Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat Universitas
Muhammadiyah Surakarta atas segala fasilitas dan bimbingan yang telah
diberikan untuk suksesnya penyelenggaraan kegiatan ini.
Menyadari akan keterbatasan pengetahuan dan pengalaman selama
pelaksanaan kegiatan ini, maka laporan kegiatan ini masih belum sempurna.
Untuk itu demi pengembangan dan penyempurnaan di bidang ini, pelaksana
kegiatan mengharapkan saran dan kritik.
Surakarta, 30 Oktober 2010
v DAFTAR ISI
halaman
HALAMAN PENGESAHAN ... i
RINGKASAN ... ... ii
PRAKATA ... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL... ... vii
DAFTAR GAMBAR... viii
DAFTAR LAMPIRAN... ix
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang ... 1
B. Perumusan Masalah ... 2
BAB II STUDI PUSTAKA A. Penelitian Pendukung ... 3
B. Landasan Teori ... 5
C. Hasil yang Sudah Dicapai ... 6
BAB III TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN A. Tujuan Utama ... 8
B. Detail Tujuan ... 8
C. Manfaat Penelitian... 8
BAB IV METODE PENELITIAN A. Bahan dan Peralatan yang Digunakan ... 10
B. Desain Penelitian... 11
C. Pengujian Model Water Heater Metode Pool Boiling .. 12
D. Pengujian Model Water Heater Metode Pool Boiling… 16 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN A. Pengujian Model Water Heater Metode Pool Boiling .. 19
B. Pengujian Model Water Heater Metode Pool Boiling… 24 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan ... 27
vi
DAFTAR PUSTAKA 28
vii DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1. Hasil Pengujian Heater Lakoni Tanpa Injeksi Gelembung
19
Tabel 2. Hasil Pengujian Heater Lakoni dengan Injeksi Gelembung
19
Tabel 3. Hasil Pengujian Tiga Heater Tanpa Injeksi Gelembung
20
Tabel 4. Hasil Pengujian Tiga Heater dengan Injeksi Gelembung
20
Tabel 5. Hasil Pengujian Empat Heater Tanpa Injeksi
Gelembung 20
Tabel 6. Hasil Pengujian Empat Heater dengan Injeksi
viii
DAFTAR GAMBAR
halaman
Gambar 1. Desain Penelitian Tahun Kedua 11
Gambar 2. Skema Instalasi Pengujian Water Heater Metode Pool Boiling
12
Gambar 3. Penempatan Termokopel dan Heater Lakoni 12
Gambar 4. Penempatan Termokopel dan Tiga Heater 13
Gambar 5. Penempatan Termokopel dan Empat Heater 13
Gambar 6. Dimensi dan Konstruksi Heater Tunggal Lakoni
14
Gambar 7. Dimensi dan Konstruksi Heater, Untuk Variasi Tiga dan Empat Heater
14
Gambar 8. Instalasi Pengujian Water Heater Metode Pool Boiling
15
Gambar 9. Skema Instalasi Pengujian Water Heater Metode Flow Boiling
16
Gambar 10. Skema Model Water Heater Metode Flow Boiling
17
Gambar 11. Model Water Heater Metode Flow Boiling 18
Gambar 12. Pengaruh Variasi Debit Udara (Qg) Terhadap Temperatur Waktu Pemanasan (t)
21
Gambar 13. Pengaruh Variasi Debit Udara (Qg) Terhadap Temperatur Energi Kebutuhan Water Heater (W)
21
Gambar 14. Pengaruh Variasi Debit Udara (Qg) dengan Temperatur Rata-rata Air (Tf)
22
Gambar 15. Hubungan Koefisien Perpindahan Kalor (htp) Konveksi Dua Fasa dengan Variasi Debit Udara (Qg)
24
Gambar 16. Hubungan Energi Kebutuhan Water Heater (W) dengan variasi Debit Udara (Qg)
24
Gambar 17. Hubungan Selisih Temperatur (∆T) dengan Kebutuhan Waktu Pemanasan
