WATER HEATER DENGAN PANJANG PIPA 10 METER 320
LUBANG UDARA DAN PENAMBAHAN PENUTUP GAS
BUANG
SKRIPSI
Untuk memenuhi salah satu syarat mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Diajukan oleh
DOMINICO SAVIO KRISMAS WINDU KUSUMA
NIM : 105214066
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
ii
WATER HEATER WITH 10 METERS LENGTH OF PIPE 320
AIR INTAKE HOLES AND COMPLETED WITH EXHAUST
COVER
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement
to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
By
DOMINICO SAVIO KRISMAS WINDU KUSUMA
Student Number : 105214066
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
v
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Skripsi ini tidak terdapat karya
yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan
Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat
yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis
diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Yogyakarta, 10 Juli 2014
vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata
Dharma :
Nama : Dominico Savio Krismas Windu Kusuma
Nomor Mahasiswa : 105214066
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada
Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah yang berjudul :
Water Heater Dengan Panjang Pipa 10 Meter 320 Lubang Udara dan
Penambahan Penutup Gas Buang
Beserta perangkat yang diperlukan. Dengan demikian saya memberikan kepada
Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan
dalam bentuk media yang lain, mengelola di internet atau media lain untuk
kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan
royalty kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.
Yogyakarta, 10 Juli 2014
Yang menyatakan,
vii
ABSTRAK
Salah satu teknologi yang sekarang ini banyak diminati di kalangan rumah tangga adalah water heater. Selain kebutuhan rumah tangga, water heater banyak digunakan untuh kebutuhan rumah sakit, hotel dan industri.
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Program Studi Teknik Mesin Sanata Dharma Yogyakarta. Penelitian ini bertujuan untuk (a) merancang dan membuat water heater tenaga gas LPG, (b) mendapatkan hubungan antara debit air yang mengalir dengan suhu air keluar water heater, (c) mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor, (d) Menghitung kalor yang diterima air, (e) menghitung kalor yang diberikan gas LPG, (f) menghitung efisiensi water heater.
Water heater yang dibuat memiliki dimensi tinggi 37 cm, diameter tabung paling luar 34 cm, diameter tabung tengah 26 cm, diameter tabung paling dalam 9 cm, selimut diameter luar memiliki jumlah lubang udara 320 dengan diameter lubang 10 mm, selimut diameter tengah memiliki jumlah lubang udara 680 dengan diameter lubang 10 mm, selimut diameter dalam memiliki jumlah lubang udara 221 dengan diameter lubang 10 mm, panjang pipa saluran air 10 meter, diameter dalam pipa saluran air 12,7 mm, dan 8 buah sirip dari pipa tembaga dengan panjang sirip 30 cm dan diameter dalam 12,7 mm. Variasi dilakukan pada tinggi pembukaan tutup gas buang, yaitu sebesar 10 putaran (1 cm), 20 putaran (2 cm), dan 30 putaran (3 cm).
Hasil penelitian memberikan beberapa kesimpulan yaitu (a) water heater
dengan spesifikasi menggunakan panjang pipa saluran air 10 meter, diameter dalam pipa 0,5 inchi (12,7 mm) dan penambahan penutup gas buang dapat bekerja dengan baik dan mampu bersaing dengan water heater yang beredar di pasaran. Pada suhu air keluar untuk mandi yaitu 36 °C – 40 °C debit air keluar yaitu 10,56 liter/menit – 16,5 liter/menit, dengan efisiensi 46,20 % - 48,41 %, (b) hasil terbaik hubungan antara debit air dengan temperatur air yang keluar dari water heater
dinyatakan dengan persamaan : To = 91,70 ṁ -0,31. Persamaan tersebut berlaku untuk nilai 2,52 < ṁ < 36. pada tekanan udara pada 1 atm dan pada suhu air masuk 27,8 oC, ṁ adalah debit aliran air dalam liter/menit, (c) hasil terbaik hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor yang keluar dari water heater
dinyatakan dengan persamaan : q air = -5,253 ṁ2 + 211,0 ṁ + 8244. Persamaan tersebut berlaku untuk nilai 2,52 < ṁ < 36. Pada tekanan udara pada 1 atm dan pada suhu air masuk 27,8 oC, ṁadalah debit aliran air dalam liter/menit, (d) hasil terbaik hubungan antara debit air dengan efisiensi water heater yang keluar dari
water heater dinyatakan dengan persamaan : η = -0,025 ṁ2 + 1,010 ṁ + 39,45. Persamaan tersebut berlaku untuk nilai ṁ sebesar 2,52 < ṁ< 36. Pada tekanan udara pada 1 atm dan pada suhu air masuk 27,8 oC, ṁ adalah debit aliran air dalam liter/menit, (e) kalor yang diberikan gas LPG sebesar 20,897 kW, (f) kalor yang diterima air paling tinggi sebesar 10,28 kW.
viii
ABSTRACT
One of the technologies that are now in great demand among households is water heater. Besides as a household need, water heater is also used for need of hospitals, hotels and industries.
This research was conducted in Laboratory of Mechanical Engineering Study Program of Sanata Dharma University. This research was aimed to (a) design and make water heater with LPG gas power, (b) obtain the relationship between discharge of water flowing out with the temperature of water out of water heater, (c) obtain the relationship between discharge water with the rate of heat flow, (d) count heat that was accepted by water, (e) count heat that was given by LPG gas, (f) count the efficiency of water heater.
The water heater had dimension of high 37 cm, diameter of outside tube 34 cm, diameter of middle tube 26 cm, diameter of inside tube 9 cm, blanket of outside diameter had 320 numbers of air holes with 10 mm as the diameter of hole, blanket of middle diameter had 680 numbers of air holes with 10 mm as the diameter of hole, blanket of inside had 221 numbers of air holes with 10 mm as the diameter of hole, the lenght of plumbing was 10 meters, the diameter of plumbing inside was 12,7 mm, and 8 fins from copper pipe with the length of fin was 30 cm and the inside diameter was 12,7 mm. Variation was done at the opening high of exhaust gas cap, it was 10 rounds (1 cm), 20 rounds (2 cm), and 30 rounds (3 cm).
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang atas
berkat dan kasih serta penyertaan-Nya penulis dapat menyelesaikan Skripsi yang
berjudul : “Water Heater dengan Panjang Pipa 10 meter 320 Lubang dan
Penambahan Penutup Gas Buang”, dengan baik.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan
Strata-1 (S-1) Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian penelitian dan penyusunan
Skripsi ini melibatkan banyak pihak. Dalam kesempatan ini, penulis
mengucapkan terima kasih kepada :
1. P.H. Prima Rosa, S.Si, MSc. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
2. Ir. PK. Purwadi, M.T. selaku Kepala Program Studi Teknik Mesin dan Dosen
Pembimbing Skripsi yang telah banyak memberikan bimbingan kepada
penulis dalam menyelesaikan Skripsi ini.
3. Orangtua yang sudah memberi perhatian selama proses perkuliahan hingga
selesainya Skripsi ini, baik dalam bentuk doa, dukungan dan motivasi.
4. Deny, Galih, Andre yang telah bersama – sama dalam pembuatan alat dan pengambilan data.
5. Laboran prodi Teknik Mesin yang sudah bersedia membantu dalam hal
x
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian dan penyusunan Skripsi ini
masih banyak kekurangan yang perlu diperbaiki, untuk itu kami mengharapkan
masukan, kritik, dan saran dari berbagai pihak untuk menyempurnakannya.
Semoga Skripsi ini dapat bermanfaat, baik bagi penulis maupun pembaca. Terima
kasih.
Yogyakarta, 10 Juli 2014
xi
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA... v
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS...
1.3. Tujuan Penelitian... 4
1.4. Batasan Masalah... 4
1.5. Manfaat... 5
BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA……….... 6
xii
2.1.1. Perpindahan Kalor... 6
2.1.2. Perancangan Saluran Air..……….. 9
2.1.3. Saluran Udara Untuk Kebutuhan Pembakaran………….. 12
2.1.4. Sirip………... 12
2.1.5. Isolator... 13
2.1.6. Bahan Bakar / Sumber Energi... 14
2.1.7. Kebutuhan Udara... 2.1.8. Saluran Gas Buang... 2.1.9. Sumber Api... 2.1.10. Laju Aliran Kalor yang Diterima Air... 16 16 17 18 2.1.11. Laju Aliran Kalor yang Diberikan Gas…………... 19
2.1.12. Efisiensi... 20
2.2. Tinjauan Pustaka... 20
2.2.1. Macam – macam Water Heater yang Ada Di pasaran... 20
2.2.2. Konstruksi Water Heater Gas LPG... 22
2.2.3. Hasil Penelitian Water Heater Gas LPG... 26
BAB III PEMBUATAN ALAT……….. 30
3.1. Persiapan Pembuatan Water Heater………... 30
xiii
Water Heater...
3.1.3. Cara Kerja Water Heater... 38
3.2. Peralatan yang dipergunakan dalam pembuatan alat penelitian ... 38
3.3. Perakitan………... 41
BAB IV METODE PENELITIAN……… 44
4.1. Skema Pengujian………... 44
4.2. Variasi Penelitian………... 45
4.3. Peralatan Pengujian………... 45
4.4. Metode Pengumpulan Data………... 49
4.5. Metode Pengolahan Data………... 50
4.6. Metode Pengambilan Kesimpulan………... 51
BAB V HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN………. 52
5.1. Hasil Pengujian Water Heater………... 52
5.2. Perhitungan Matematis………... 54
5.2.1. Perhitungan Kecepatan Air Rata – rata um…………... 54
5.2.2. Perhitungan Laju Aliran Massa Air, mair………. 55
5.2.3. Perhitungan Laju Aliran Kalor yang Diterima Air…….. 56
5.2.4. Perhitungan Laju Aliran Kalor yang Diberikan Gas…… 56
5.2.5. Efisiensi……… 57
5.5. Pembahasan………. 63
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN……… 70
xiv
xv
DAFTAR GAMBAR
Hal
Gambar 2.1 Kompor yang digunakan pada water heater……….. 18
Gambar 2.2 Aliran fluida………... Gambar 2.6 Skema perancangan water heater dengan pemanasan pipa tidak bersentuhan langsung dengan api dan pipa spiral berbentuk persegi………... 23
Gambar 2.7 Konstruksi perancangan water heater dengan tangki penampungan………... 24
Gambar 2.8 Konstruksi water heater dengan tangki penampungan dan penambahan pipa spiral………... 25
Gambar 2.9 Konstruksi water heater tanpa tangki penampungan………… 26
Gambar 3.1 Kerangka tabung dalam………... 31
Gambar 3.2 Tutup bawah kerangka tabung dalam……… 31
Gambar 3.3 Kerangka tabung tengah……… 31
Gambar 3.4 Kerangka tabung luar………. 32
Gambar 3.5 Pipa saluran air………... 32
Gambar 3.6 Selimut tabung dalam……… 32
Gambar 3.7 Selimut tabung tengah………... 33
xvi
Gambar 3.9 Tutup water heater………. 33
Gambar 3.10 Water heater………... 33
Gambar 3.11 Pipa tembaga……….. 34
Gambar 3.12 Besi nako ukuran 10 mm………... 35
Gambar 3.18 Spring center………... 38
Gambar 3.19 Pemotong pipa………... 39
Gambar 3.20 Mesin bor universal………... 40
Gambar 3.21 Mesin gerinda……… 40
Gambar 3.22 Las listrik………... 40
Gambar 3.23 Tang rivet………... 41
Gambar 4.1 Skema pengujian water heater………. 44
Gambar 4.2 Tabung gas berisi LPG……….. 46
Gambar 4.3 Termocouple menggunakan display digital dengan tipe APPA51………. 47
Gambar 4.4 Stopwatch………... 47
Gambar 4.5 Gelas Ukur………. 48
xvii Gambar 5.7 Hubungan debit air dengan efisiensi yang diperlukan water
xviii
Gambar 5.8 Hubungan debit air dengan efisiensi yang diperlukan water heater, dengan 320 lubang udara dengan pembukaan tutup 2 cm ………...……… 62 Gambar 5.9 Hubungan debit air dengan efisiensi yang diperlukan water
heater, dengan 320 lubang udara dengan pembukaan tutup 3 cm ………...……… 63 Gambar 5.10 Hubungan antara debit air dengan temperatur air keluar water
heater 320 lubang pada pembukaan tutup gas buang sebesar 10 putaran (1 cm), 20 putaran (2 cm), dan 30 putaran (3
cm)….………. 64 Gambar 5.11 Hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor yang
diperlukan water heater 320 lubang pada pembukaan tutup gas buang sebesar 10 putaran (1 cm), 20 putaran (2 cm), dan 30
putaran (3 cm)………... 66 Gambar 5.12 Hubungan antara debit air dengan efisiensi water heater 320
lubang pada pembukaan tutup gas buang sebesar 10 putaran (1
xix
DAFTAR TABEL
hal
Tabel 2.1 Tabel perbandingan kekuatan material antara tembaga dan jenis
material yang lain………... 10 Tabel 2.2 Nilai konduktivitas termal………. 11 Tabel 2.3 Konduktivitas termal beberapa media………... 14 Tabel 2.4 Daya pemanasan dan efisiensi alat masak dengan gas LPG dan
bahan bakar lainnya……… 15 Tabel 2.5 Komposisi udara dalam keadaan normal………... 16 Tabel 4.1 Tabel isian untuk pengambilan data konsumsi gas……… 49 Tabel 4.2 Pengambilan data debit air dengan pembukaan tinggi tutup gas
buang 10 putaran: 1 cm………..……… 59 Tabel 4.3 Pengambilan data debit air dengan pembukaan tinggi tutup gas
buang 20 putaran: 2 cm………..……… 50 Tabel 4.4 Pengambilan data debit air dengan pembukaan tinggi tutup gas
buang 30 putaran: 3 cm………..………... 50 Tabel 5.1 Konsumsi gas pada setiap tinggi pembukaan tutup gas buang….. 52 Tabel 5.2 Hasil pengujian water heater, dengan 320 lubang udara dan 10
putaran tutup gas buang (1 cm)……….. 53 Tabel 5.3 Hasil pengujian water heater, dengan 320 lubang udara dan 20
xx
Tabel 5.4 Hasil pengujian water heater, dengan 320 lubang udara dan 30
putaran tutup gas buang (3 cm)……….. 54 Tabel 5.5 Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG………. 57 Tabel 5.6 Hasil perhitungan 𝑚𝑎𝑖𝑟 dan 𝑞𝑎𝑖𝑟 water heater, dengan 320
lubang udara dan 10 putaran tutup gas buang (1 cm)………….... 57 Tabel 5.7 Hasil perhitungan 𝑚𝑎𝑖𝑟 dan 𝑞𝑎𝑖𝑟 water heater, dengan 320
lubang udara dan 20 putaran tutup gas buang (2 cm)……… 58 Tabel 5.8 Hasil perhitungan 𝑚𝑎𝑖𝑟 dan 𝑞𝑎𝑖𝑟 water heater, dengan 320
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Hampir dalam kehidupan manusia setiap hari selalu menggunakan air
panas untuk memenuhi kebutuhannya. Mulai dari membuat minuman seduh,
memasak, membersihkan luka dan juga mandi. Kebanyakan dari mereka merebus
air untuk mandi, yang sering menggunakan air hangat untuk mandi biasanya
orang – orang yang beraktivitas mulai dari pagi sampai sore, hal tersebut mengakibatkan fisik menjadi lelah. Untuk menghilangkan rasah lelah maka tidak
jarang orang tersebut mandi menggunakan air hangat untuk menghilangkan rasa
lelah.
Untuk orang – orang yang tinggal di pegunungan air hangat juga sangat dibutuhkan, karena suhu di daerah pegunungan lebih rendah dibandingkan
dengan di daerah pantai dan di daerah pegunungan itu sendiri terkena sinar
matahari lebih sedikit. Kemudian dibidang perhotelan, air hangat dipergunakan
sebagai salah satu fasilitas yang disediakan oleh management hotel untuk orang
yang menginap di hotel. Selain itu, air hangat juga dipergunakan di rumah sakit,
untuk memandikan orang-orang yang sedang sakit. Sedangkan di salon
kecantikan, air hangat digunakan untuk mencampur ramuan atau jamu yang
digunakan untuk mandi.
Water heater dengan energi matahari (Solar Water Heater), mudah diterapkan pada negara tropis karena memanfaatkan energi gratis dan tidak
terbatas dari panas sinar matahari pada saat musim kemarau datang serta tidak
menghasilkan gas polutan. Namun kemampuan dari alat tersebut bergantung pada
banyaknya sinar matahari dan besar penampung air yang akan dipanaskan
sehingga terbatas penggunaannya (volume air panas yang dapat dipergunakan dan
suhu yang bisa dihasilkan oleh alat tersebut). Bila terjadi cuaca yang tidak
mendukung (saat musim dingin / penghujan), water heater tipe ini tidak dapat lagi atau susah untuk digunakan serta untuk biaya pemasangan alat water heater
jenis ini relatif mahal.
Water heater tenaga Listrik menggunakan energi listrik untuk memanaskan airnya. Sedangkan untuk water heater jenis ini sangat mudah didapatkan di toko - toko elektronik dan penggunaannya lebih praktis
dibandingkan dengan menggunakan tenaga surya, karena instalasi listrik sudah
terdapat dimana - mana. Kelebihan dari pemanas air jenis ini yaitu alat tidak
menimbulkan suara yang berisik dan tidak memakan tempat yang banyak. Namun
ada juga kekuranganya yaitu apabila terjadi pemadaman listrik, maka water heater jenis ini tidak dapat berfungsi dan tingkat perbaikan kerusakan sangat sulit, sehingga biaya untuk perawatan yang cukup mahal tetapi hasil yang
dihasilkan kurang memuaskan. Kemudian volume air panas yang dihasilkan juga
dalam jumlah tertentu, jika volume air panas yang dipergunakan sudah habis,
water heater dengan menggunakan tenaga listrik jauh lebih mahal dibandingkan dengan menggunakan gas LPG.
Water heater tenaga gas LPG menggunakan bahan bakar gas untuk memanaskan air dan lebih menguntungkan dibandingkan dengan water heater
tenaga listrik maupun tenaga surya, karena konsep kerjanya yang sederhana serta
mirip dengan penggunaan kompor gas di rumah maka penggunaannya lebih
mudah dibandingkan dengan water heater lainnya. Keuntungan menggunakan
water heater jenis ini adalah air panas yang dipergunakan tidak terbatas, karena pemanasan airnya berlangsung secara konstan. Selama air dapat mengalir, selama
itu pula air panas dapat dihasilkan oleh water heater jenis ini. Apabila menginginkan suhu yang panas maka debit air yang dihasilkan akan lebih sedikit
daripada memilih suhu yang agak panas dan memiliki debit air keluar yang
tinggi. Oleh karena itu, diperlukan suatu rancangan water heater berbahan bakar gas LPG yang nantinya dapat dihasilkan laju aliran perpindahaan kalor yang baik.
Selain itu, dilihat dari sisi ekonomi water heater jenis ini lebih murah dibandingkan dengan pemanas air lainnya. Kerugian dari water heater tenaga gas LPG, harus menjaga secara hati-hati agar tabung gas tidak mengalami kebocoran
yang mengakibatkan bahaya ledakan dan suara yang dihasilkan oleh kompor
sangat berisik karena rata – rata menggunakan kompor yang high pressure.
Dengan latar belakang diatas, penulis termotivasi untuk melakukan
1.2. Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam pembuatan water heater yaitu :
a. Apakah besar kecilnya pembukaan tutup gas buang berpengaruh terhadap
suhu air keluar water heater ?
b. Apakah jumlah besar kecilnya pembukaan tutup gas buang berpengaruh
terhadap efisiensi water heater ?
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian adalah sebagai berikut :
a. Merancang dan membuat water heater tenaga gas LPG.
b. Mendapatkan hubungan antara debit air yang mengalir dengan suhu air
keluar water heater.
c. Mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor.
d. Menghitung kalor yang diterima air.
e. Menghitung kalor yang diberikan gas LPG.
f. Menghitung efisiensi water heater.
g. Merancang water heater dengan penambahan variasi. 1.4. Batasan Masalah
Batasan –batasan pada pembuatan water heater :
a. Tinggi alat water heater : 37 cm, diameter tabung dalam: 9 cm, diameter tabung tengah : 26 cm dan diameter tabung luar 34 cm.
b. Pada tabung dalam jumlah lubang ada 221 lubang dengan diameter lubang
c. Pada tabung tengah jumlah lubang ada 680 lubang dengan diameter
lubang 10 mm.
d. Pada tabung luar jumlah lubang ada 320 lubang dengan diameter lubang
10 mm.
e. Panjang dari pipa saluran air yaitu 10 meter, dengan dua lintasan.
f. Bahan pipa saluran air dari tembaga dengan diameter dalam : 1/2 inch =
12,7 mm.
g. Pipa bersirip dengan jumlah sirip : 8 dan panjang sirip 30 cm.
h. Sirip dari bahan pipa tembaga dengan diameter dalam : 1/2 inch = 12,7
mm.
i. Kerangka menggunakan bahan yang terdiri dari besi plat strip dan besi
nako dengan ukuran 1 cm.
j. Selimut menggunakan bahan dari plat galvanum.
k. Tutup water heater terbuat dari bahan plat besi acer. 1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian alat water heater yaitu :
a. Memperluas pengetahuan tentang pembuatan water heater.
b. Hasil perancangan water heater dapat digunakan oleh kalangan masyarakat luas.
6
BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Dasar Teori
2.1.1. Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor adalah proses berpindahnya kalor dari benda yang
mempunyai temperatur lebih tinggi ke benda lain yang temperaturnya lebih
rendah dengan melalui atau tanpa zat perantara. Apa yang ada dalam perpindahan,
yang disebut panas, tidak dapat diukur dan diamati secara langsung, tetapi
pengaruhnya dapat diamati dan diukur (Kreith, 1985). Kecepatan perpindahan
panas ini akan bergantung pada perbedaan suhu antara kedua kondisi. Semakin
besar perbedaan suhu kedua benda, makaakan semakin besar pula kecepatan
pindah panasnya.
Proses perpindahan kalor dari suatu tempat ke tempat lain dapat terjadi
melalui tiga cara, yaitu, secara konveksi, secara konduksi dan secara radiasi.
a. Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan kalor pada suatu zat yang disertai perpindahan
partikel-partikel zat tersebut disebut dengan konveksi. Perpindahan panas dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya di atas suhu fluida sekitarnya
berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akan mengalir dengan cara
konduksi dari permukaan ke partikel-partikel fluida yang berbatasan. Energi yang
berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam
daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam fluida dimana mereka akan bercampur
dan memindahkan sebagian energinya kepada partikel-partikel fluida lainnya,
peristiwa tersebut dapat kita amati pada proses memanaskan air. Ketika air mulai
dipanasi, air terlihat seperti berputar dr bawah ke atas dan sebaliknya. Ketika air
dipanaskan maka air pada bagian bawah akan terlebih dahulu panas, saat air yang
di dasar panci menjadi panas maka air akan bergerak ke atas (terjadi perubahan
massa jenis air) sedangkan air di bagian atas akan bergerak ke bawah begitu
seterusnya sampai seluruh bagian air panas. Sedangkan untuk perpindahan panas
konveksi di udara disebabkan karena partikel udara akan mengalami perubahan
massa jenis akibat pengaruh kalor. Oleh karena massa jenisnya kecil, udara yang
bersuhu tinggi tersebut akan naik. Sebaliknya udara yang bersuhu lebih rendah
akan mempunyai massa jenis yang besar, maka udara tersebut akan turun. Contoh
perpindahan panas konveksi udara dapat ditemui pada ventilasi ruangan dan
cerobong asap. Proses perpindahan panas secara konveksi yang terjadi pada water heater ini terletak pada saat panas yang diterima oleh pipa tembaga dari nyala api, kemudian panas diterima oleh air yang mengalir di dalam pipa tembaga tersebut.
b. Perpindahan Panas Secara Konduksi (hantaran)
Konduksi adalah proses mengalirnya panas atau kalor dari daerah yang
bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam satu medium
tertentu (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang
bersinggungan secara langsung. Setiap benda mempunyai nilai konduktivitas
termal yang berbeda (kemampuan mengalirkan panas)yang akan mempengaruhi
tinggi nilai konduktivitas benda, semakin cepat mengalirkan panas yang diterima
dari satu sisi ke sisi yang lain. Proses konduksi dapat dirasakan dengan
menyentuh atau menghubungkan permukaan – permukaan yang mengandung panas. Contoh perpindahan panas secara konduksi adalah jika sebuah logam yang
salah satu ujungnya dipanaskan dalam selang waktu tertentu, ujung lainnya pun
akan terasa panas. Hal ini menunjukkan bahwa pada batang logam tersebut terjadi
aliran atau perpindahan kalor dari bagian logam yang bersuhu tinggi (yang
terkena langsung oleh api) ke bagian logam yang bersuhu rendah (yang tidak
terkena api).
Contohnya yaitu ketika memasak air menggunakan panci di atas kompor,
maka kalor akan perpindah dari api (kompor) ke panci yang kemudian
menyebabkan air mendidih. Sedangkan proses perpindahan panas konduksi yang
terjadi pada water heater terjadi pada saat api mulai membakar sirip – sirip, kemudian panas yang diterima oleh sirip – sirip akan diteruskan menuju pipa tembaga saluran air (sirip dan pipa tembaga saling menempel).
c. Perpindahan Panas Radiasi
Menurut Kreith (1985) radiasi adalah proses mengalirnya panas dari benda
yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah saat benda-benda itu terpisah
di dalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa di antara benda-benda tersebut.
Kalor diradiasikan melalui bentuk gelombang cahaya, gelombang radio,
dan gelombang elektromagnetik. Radiasi juga dapat dikatakan sebagai
perpindahan kalor melalui media atau ruang yang akhirnya diserap oleh benda
api unggun, siapa yang berada di dekat api unggun akan merasakan hangat dan
saat matahari memancarkan panas ke bumi, sehingga panas itu dapat kita rasakan.
Pada alat water heater, peristiwa radiasi terjadi saat pada perpindahan panas antara dinding permukaan tabung dalam dengan permukaan tabung luar water heater.
2.1.2. Perancangan Saluran Air
Saluran air pada alat water heater biasanya menggunakan pipa tembaga dengan diameter dalam pipa ½ inchi (12,7 mm). Ada beberapa pertimbangan
dalam menentukan perancangan pipa saluran air di antaranya adalah kehalusan
permukaan saluran pipa, bahan pipa, diameter pipa saluran air, dan hambatan
pipa.
a. Kehalusan Permukaan Saluran Pipa
Bagian dalam pipa juga dipilih yang baik. Semakin halus permukaan pipa
bagiandalam, semakin kecil pula gesekan yang terjadi, sehingga aliran air menjadi
lancar. Alasan menggunakan pipa tembaga karena bagian luar dan dalam pipa
tembaga memiliki permukaan yang halus yang mengakibatkan mempunyai sedikit
hambatan.
b. Bahan Pipa
Bahan pipa dipilih yang baik dalam hal kemampuan dalam memindahkan
kalor. Bahan pipa juga harus mampu menjadi konduktor yang baik, sehingga
dalam pipa. Alasan menggunakan pipa tembaga adalah karena pipa tembaga
termasuk konduktor yang baik dalam menghantarkan panas. Menurut Holman
(1963), tembaga mempunyai nilai konduktivitas sebesar 385 W/moC. Selain itu
juga tidak mudah melebur jika dipanasi, tidak mudah pecah, tahan terhadap
korosi, sehingga mampu menghilangkan masalah air keruh / coklat karena karat,
dan pipa tembaga sangat mudah ditekuk / dibentuk. Tembaga memiliki kekuatan
tarik sebesar 345 - 689 Mpa dan untuk keuletannya sebesar 5 - 50 %, dan titik
lebur dari tembaga adalah 1080 0C. Bila dibandingkan dengan kekuatan tarik
alumunium, tembaga mempunyai kekuatan yang lebih besar dari alumunium,
begitu pula dengan keuletan dan titik leburnya. Sehingga pipa tembaga mampu
bertahan lebih lama bila dibandingkan dengan pipa aluminium.
Tabel 2.1 Tabel perbandingan kekuatan material antara tembaga dan jenis material yang lain (Sumber : google.co.id)
Tabel 2.2 Nilai konduktivitas termal (Sumber : google.co.id)
c. Diameter Pipa Saluran Air
Diameter pipa saluran air harus dipilih sedemikian rupa. Semakin kecil
diameter pipa saluran air, semakin besar hambatan yang terjadi. Semakin kecil
diameter ukuran pipa saluran air semakin besar daya pompa yang diperlukan
karena memiliki hambatan yang besar. Disisi lain, semakin kecil diameter pipa
saluran air, suhu air yang dihasilkan (suhu yang keluar dari water heater) akan semakin kecil. Serta apabila memilih bahan pipa yang kecil jumlah debit air yang
keluar akan lebih sedikit dibandingkan dengan pipa saluran air yang besar.
d. Hambatan Pipa Saluran
Hambatan pipa saluran air diusahakan seminimal mungkin supaya ketika
air mengalir di dalam pipa saluran air, penurunan tekanan yang terjadi akan
semakin kecil. Karenanya saluran pipa diusahakan tidak mengalami pembelokan
terjadi pembelokan diusahakan sudut pembelokan dibuat besar (lebih dari 900).
Semakin besar sudut pembelokan, semakin kecil penurunan tekanan yang terjadi.
Dan geometri saluran pipa yang dibuat melingkar-lingkar agar penurunan tekanan
yang terjadi menjadi kecil. Jika penurunannya kecil, maka daya pompa yang
dibutuhkan untuk medorong air juga berdaya kecil.
2.1.3. Saluran Udara Untuk Kebutuhan Pembakaran
Pada dasarnya proses pembakaran memerlukan oksigen yang diambil dari
udara bebas. Kekurangan oksigen pada proses pembakaran dapat mengakibatkan
bentuk api yang tidak sesuai yang diinginkan. Dan mengakibatkan kalor yang
dihasilkan kurang optimal, sehingga kalor tersebut sedikit teralirkan ke fluida air
yang mengalir didalam pipa. Akibatnya akan didapatkan suhu air keluar yang
kurang tinggi dan water heater yang dihasilkan kurang maksimal. Untuk merancang sistem saluran udara yang baik di usahakan diameter lubang saluran
udara dibuat merata pada semua permukaan tiap dinding water heater agar udara bisa masuk merata ke dalam water heater dan diameter lubang saluran udara tidak terlalu besar agar kalor yang berada dalam water heater tidak langsung terbuang percuma.
2.1.4. Sirip
Dengan adanya sirip ini bertujuan untuk memperluas permukaan
penangkap kalor,sehingga pelepasan panas bisa berlangsung lebih cepat. Jika sirip
yang diberikan kompor sehingga mampu memanaskan pipa saluran air dengan
lebih cepat, sebab permukaan penangkap kalor menjadi lebih lebar. Maka dari itu
pemasangan sirip juga berpengaruh terhadap suhu air yang keluar dari water heater. Pemilihan bahan pembuatan sirip juga berpengaruh terhadap proses penghantaran panas. Semakin besar nilai konduktivitas termal bahan sirip,
semakin besar kalor yang dapat ditangkap oleh sirip. Biasanya sirip terbuat sama
dengan bahan pipa saluran air.
2.1.5. Isolator
Isolator adalah bahan yang dapat menahan atau mengurangi perpindahan
panas (kalor). Panas dapat terlepas meskipun ada upaya untuk menutupinya, tapi
isolator dapat mengurangi panas yang terlepas tersebut. Benda – benda yang biasa digunakan sebagai isolator adalah kertas, plastik, kayu, karet, udara, dll.
Isolasi termal dapat menjaga wilayah tertutup seperti bangunan atau tubuh
agar terasa hangat lebih lama dari yang sewajarnya, tetapi itu tidak mencegah
hasil akhirnya, yaitu masuknya air dingin dan keluarnya air panas. Isolator juga
dapat bekerja sebaliknya, yaitu menjaga bagian dalam suatu wadah terasa dingin
lebih lama dari biasanya. Oleh karena itu di dalam water heater diberikan semacam isolator agar panas hasil pembakaran tidak keluar. Isolator tersebut
adalah udara, karena udara mempunyai nilai konduktifitas termal yang rendah,
yaitu 0,023 W/m°C dan juga murah serta sangat mudah didapatkan. Maka dari itu
berisikan udara yang berfungsi sebagai isolator. Tabel 2.3, menyajikan nilai
konduktivitas beberapa bahan isolator.
Tabel 2.3 Konduktivitas termal beberapa media
(Sumber :http://www.scribd.com/doc/61109210/BAB-II-Termal) Media Konduktivitas termal (k)
W/m.oC
untuk water heater antara lain energi matahari, energi listrik, dan gas LPG. Akan tetapi sumber energi yang paling sering digunakan adalah sumber energi gas LGP
(Liquified Petroleum Gas). LPG adalah campuran dari berbagai macam unsur
hidrokarbon yang berasal dari gas alam. Dengan menambah tekanan dan
menurunkan suhunya , gas berubah menjadi cair. Ada tiga macam jenis LPG yang
di produksi oleh Pertamina antara lain, LPG untuk keperluan rumah tangga, LPG
gas propana dan LPG gas butana. Untuk sumber energi gas yang di gunakan oleh
water heater menggunakan LPG untuk keperluan rumah tangga karena memiliki komposisi campuran antara propana
C3H8
dan butana
C4H10
Perbandingan gas propana dan butana adalah sekitar 30 : 70 dengan
2
cm
kg . Agar mempunyai bau yang khas dan dan untuk mengetahui bila terjadi
kebocoran maka, LPG umumnya ditambah dengan zat marcaptan.
Reaksi pembakaran propana
C3H8
, jika terbakar sempurna adalah sebagaiMenurut wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut hampir sama
dengan propana setara dengan 46 MJ/kg.
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)
Bahan Bakar Daya Pemanasan Efisiensi alat masak
2.1.7. Kebutuhan Udara
Pada kenyataanya proses pembakaran itu tidak bisa sempurna. Agar di
dalam proses pembakaran bisa mencapai optimal maka, di perlukan udara. Pada
proses pemanasan water heater dapat menggunakan udara yang diambil dari udara bebas disekitar melalui lubang – lubang udara yang berada pada dinding
water heater. Jumlah lubang udara juga berpengaruh terhadap proses pemanasan pada water heater. Oleh karena itu aliran udara yang diperlukan harus dikondisikan dengan ukuran tabung water heater agar api yang diperlukan dalam proses pemanasan mendapatkan kebutuhan udara yang cukup. Kekurangan udara
bisa menyebabkan kurang optimalnya panas yang dipindahkan ke air yang
dihasilkan water heater, karena nyala api menjadi lebih kecil atau tidak sesuai dengan yang diharapkan. Kelebihan udara juga bisa menyebabkan kurang
optimalnya panas yang diserap oleh pipa.
Tabel 2.5 Komposisi udara dalam keadaan normal (Sumber :
http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/25772/4/Chapter%20II.pdf)
2.1.8. Saluran Gas Buang
Pada setiap proses pembakaran pasti akan menghasilkan gas buang. Gas
buang yang dihasilkan berupa gas (CO) dan uap air yang keluar. Gas buang
terganggu. Dalam merancang 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
penggunaan dari water heater. Jika saluran gas buang 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.
Sehingga api tidak berfungsi dengan baik untuk memanaskan air. Tentunya dalam
perancangan ini dibutuhkan nyala api yang mampu mensuplai kalor yang besar ke
dalam pemanas air.
2.1.9. Sumber Api
Sumber api atau sumber energi yang digunakan pada water heater ini adalah kompor. Ada berbagai macam jenis kompor yang tersedia dipasaran, dari
mulai bentuk, dan bahan bakar yang digunakan. Ada kompor yang mampu
memberikan api yang besar tetapi ada pula yang mampu memberikan api yang
kecil. Perbedaan nyala api tersebut salah satunya disebabkan oleh bahan bakar
yang digunakan oleh setiap kompor berbeda – beda. Sumber api atau kompor yang digunakan untuk penelitian ini adalah kompor bertekanan tinggi (high pressure) yang menggunakan bahan bakar LPG. Karena api yang ditimbulkan oleh kompor bertekanan tinggi ini mampu menyentuh pipa saluran air dengan
siripnya, dan api yang dihasilkan kompor jenis ini sangat besar sehingga
Gambar 2.1 Kompor yang digunakan pada water heater
Spesifikasi kompor sebagai berikut :
Dimensi : 570 mm (Panjang) x 315 mm (Lebar) x 168 mm (Tinggi)
Daya pemanasan : 21,8 kW/h High Pressure
Bahan : Besi Tuang
2.1.10. Laju Aliran Kalor yang Diterima Air
Laju aliran kalor yang diterima air ketika mengalir di dalam saluran pipa
dapat dihitung dengan persamaan (2.1) :
i o
q : laju aliran kalor yang diterima air, watt
air
2.1.11. Laju Aliran Kalor yang Diberikan Gas
Laju aliran kalor yang diberikan gas bisa dihitung dengan persamaan
(2.4) :
gas
q = mgasCgas ……….………..………..……...…………....(2.4)
Pada persamaan (2.4) :
gas
m : massa gas elpiji yang terpakai persatuan waktu (kg/s)
gas
C : Kapasitas gas LPG (J/kg), untuk LPG sebesar 11900 kkal/kg
𝑞𝑔𝑎𝑠 : Laju aliran kalor yang diberikan gas, watt
2.1.12. Efisiensi
Efisiensi water heater dapat dihitung dengan persamaan (2.5) :
%
q : Laju aliran kalor yang diterima air, watt
gas
q : Laju aliran kalor yang diberikan gas, watt
2.2. Tinjauan Pustaka
2.2.1. Macam – macam Water Heater yang Ada Dipasaran
Referensi pembanding untuk pembuatan water heater bahan bakar gas LPG adalah water heater yang karakteristiknya adalah sebagai berikut :
a. Gas water heater1
Spesifikasi water heater 1 :
Kapasitas : 6 liter/menit
Rentang suhu : 40 °C - 75 °C
Input Gas : 0,78 kg/h
Dimensi (P x L x T) : 30 cm x 44 cm x 4,6 cm
b. Gas Water heater 2
Gambar 2.4 Water heater 2
Spesifikasi water heater 2 :
Kapasitas : 6 liter/menit
Rentang suhu : 40 °C - 75 °C
Input Gas : 0,78 kg/h
c. Gas Water Heater 3
Gambar 2.5 Water heater 3
Spesifikasi water heater 3 :
Kapasitas : 5,1 liter/menit
Rentang suhu : 40 °C - 75 °C
Input Gas : 0,70 kg/h
2.2.2. Konstruksi Water HeaterGas LPG
Prinsip kerja dari alat ini sama seperti merebus air dengan panci di atas
kompor, namun dilengkapi dengan pipa spiral yang berada di dalam tangki
penampungan di atas kompor. Air masuk melalui saluran masuk kemudian
ditampung di dalam tangki, dan secara langsung air bersentuhan dengan pipa
spiral. Pipa spiral ini berfungsi untuk saluran udara panas dari kompor yang
digunakan untuk memanaskan air yang berada pada tangki penampungan.
Gambar 2.6 Skema perancangan water heater dengan pemanasan pipa tidak bersentuhan langsung dengan api, dan pipa spiral berbentuk persegi
b. Konstruksi water heater dengan tangki penampungan
Cara kerja dari water heater ini menggunakan prinsip seperti merebus air menggunakan panci. Air dingin masuk ke dalam water heater melalui saluran masuk air dingin, selanjutnya air dipanaskan di dalam tangki penampungan
menggunakan kompor yang berada di bawah tangki penampungan, air hasil
Gambar 2.7 Konstruksi perancangan water heater dengan tangki penampungan
c. Kontruksi water heater dengan tangki penampungan dan penambahan pipa spiral
Prinsip kerja alat ini sama seperti merebus air menggunakan panci di atas
Gambar 2.8 Konstruksi water heater dengan tangki penampungan dan penambahan pipa spiral
d. Konstruksi water heater tanpa tangki penampungan atau tankless
Prinsip kerja dari water heater ini yaitu memanaskan pipa yang dialiri oleh air di atas api secara langsung, sehingga pada proses pemanasan air berlangsung
Gambar 2.9 Konstruksi water heater tanpa tangki penampungan
2.2.3. Hasil Penelitian Water Heater Gas LPG
dinding luar 25 cm, (c) diameter pada dinding dalam 20 cm, (d) panjang pipa 20
meter, (e) diameter bahan pipa 3/8 inchi, (f) 300 lubang masuk udara pada dinding
luar, (g) 1005 lubang pada dinding dalam water heater, (h) 6 buah sirip dari pipa berdiameter 3/8 inchi, (i) variasi dilakukan pada besarnya debit air masuk water heater. Penelitian tersebut mendapatkan hasil yaitu : (a) water heater yang dibuat mampu bersaing dengan water heater yang ada dipasaran , yang mampu menghasilkan panas dengan temperatur 42,9 C pada debit 10 liter/menit, (b) hubungan antara debit air yang mengalir (ṁ) dengan temperatur air keluar water heater (𝑇𝑜) dapat dinyatakan dengan persamaan 𝑇𝑜 = -0,027 ṁ3 + 1,126 ṁ2 – 16,52 ṁ + 129,9 (ṁ dalam liter/menit,𝑇𝑜 dalam C) dan 𝑅2 = 0,997, (c)
hubungan antara debit air yang mengalir dengan laju perpindahan kalor
dinyatakan dengan persamaan 𝑞air = 17,09ṁ3 + 489 ṁ2 + 439 ṁ + 3654 (ṁ
dalam liter/menit, 𝑄𝑎𝑖𝑟 dalam watt) dan 𝑅2 = 0,94.
Tahun 2012, Setiawan melakukan penelitian tentang water heater gas LPG yang berjudul “Water Heater Dengan Panjang Pipa 20 Meter Dan 150 Lubang Input Udara” yang bertujuan : (a) merancang dan membuat water heater, (b) mendapatkan hubungan antara debit air dengan suhu air keluar
water heater, (c) mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju perpindahan kalor yang diterima oleh air, (d) menghitung kalor yang diterima
water heater, (e) menghitung kalor gas LPG, (f) menghitung efisiensi water heater. Batasan masalah dari penelitian tersebut adalah : (a) water heater
yang dibuat memiliki dimensi tinggi 90 cm, (b) diameter pada dinding luar 25
diameter bahan pipa 3/8 inci, (f) 150 lubang masuk udara pada dinding luar,
(g) 1005 lubang pada dinding dalam water heater, (h) 6 buah sirip dari pipa berdiameter 3/8 inci, (i) variasi dilakukan pada besarnya debit air masuk
water heater dengan debit gas yang konstan. Penelitian tersebut mendapatkan hasil : (a) water heater dapat dibuat dengan baik dan mampu bersaing dengan
water heater yang ada di pasaran, dengan hasil debit air sebesar 14 liter/menit bersuhu 45 oC, (b) hubungan antara debit air yang masuk dengan temperatur
air yang mengalir dinyatakan dengan persamaan : 𝑇𝑜 = 0,297 ṁ2 + 9,566 ṁ +
121,9 (ṁ dalam liter/menit, 𝑇𝑜dalamC) dan𝑅2= 0,990, (c) hubungan antara debit air yang masuk dengan laju aliran kalor yang diperlukan dinyatakan
dengan persamaan 𝑞𝑎𝑖𝑟 = -171, 9 ṁ 2 + 3154 ṁ + 439 ṁ + 6873 (ṁ dalam
liter/menit, 𝑞𝑎𝑖𝑟 dalam watt) dan 𝑅2 = 0,967, (d) kalor yang diterima air dari
water heater berkisar antara : 17551,8 – 14216,96 watt, jumlah kalor terbesar adalah 17551,8 watt, (e) kalor yang diberikan gas LPG sebesar : 22142,46
watt, (f) hubungan antara debit air yang masuk dengan efisiensi water heater
yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan : η= -0,776 ṁ 2 + 14,24 ṁ + 31,04 (ṁ dalam liter/menit dan η dalam %) R2 = 0,967.
Kristianto, H (2013) melakukan penelitian tentang water heater gas LPG yang berjudul “Water Heater Dengan 3 Model Pembuangan Gas Buang” dengan bertujuan : (a) merancang dan membuat water heater, (b) mendapatkan hubungan antara debit air dengan suhu air keluar water heater, (c) mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju perpindahan kalor
efisiensi water heater. Penelitian ini dilakukan dengan variasi pada pembuangan gas buang. Penelitian tersebut mendapatkan hasil : (a) water heater dapat dibuat dengan baik dan mampu bersaing dengan water heater
yang ada di pasaran, yang mampu menghasilkan air panas dengan temperatur
35,4 oC pada debit 7,2 liter/menit, (b) hubungan antara debit air yang megalir
(m) dengan temperatur air yang keluar water heater dinyatakan dengan persamaan : 𝑇𝑜 = –0,2215ṁ3+4,5633 ṁ2– 29,935 ṁ + 121,9 (ṁ dalam liter/menit, 𝑇𝑜 dalam C), (c) hubungan antara debit air yang mengalir dengan laju perpindahan kalor dinyatakan dengan persamaan 𝑞𝑎𝑖𝑟 = –2,6026
ṁ3 + 6,9591ṁ2 + 302,15ṁ+ 2536,7 (ṁ dalam liter/menit,
𝑞𝑎𝑖𝑟 dalam watt),
(d) hubungan antara debit air yang mengalir dengan efisiensi water heater
dapat dinyatakan dengan persamaan : η= –0,0376 ṁ 3 + 0,1006 ṁ 2 + 4,3666
30
BAB III
PEMBUATAN ALAT
3.1. Persiapan Pembuatan Water Heater
Sebelum pembuatan water heater terlebih dahulu membuat gambar rancangan water heater. Gambar water heater itu sendiri dibuat menggunakan program solid work. Sesudah gambar rancangan water heater selesai dibuat kemudian mempersiapkan bahan – bahan yang dipakai dalam pembuatan water heater serta alat – alat yang digunakan dalam perakitan water heater. Apabila semua alat dan bahan yang diperlukan sudah lengkap maka bisa langsung
memulai pengerjaan pembuatan water heater.
3.1.1. Gambar Rancangan Water Heater
Gambar rancangan water heater tersaji pada Gambar 3.10, sedangkan untuk rancangan bagian dari water heater tersaji pada Gambar 3.1, Gambar 3.2, Gambar 3.3, Gambar 3.4, Gambar 3.5, Gambar 3.6, Gambar 3.7, Gambar 3.8, dan
90 mm
370 mm
90 mm
370 mm 260 mm
Gambar 3.1 Kerangka tabung dalam
Gambar 3.2 Tutup bawah kerangka tabung dalam
Ø 10 mm 110 mm
130 mm 300 mm
370 mm 340 mm
90 mm 370 mm
110 mm 130 mm
Gambar 3.4 Kerangka tabung luar
Gambar 3.5 Pipa saluran air
Ø 10 mm
Ø 10 mm
340 mm
65 mm
80 mm
65 mm
260,6 mm 370 mm
260 mm
340 mm 370 mm
Gambar 3.7 Selimut tabung tengah
Gambar 3.8 Selimut tabung luar
Gambar 3.9 Tutup water heater
3.1.2. Bahan – bahan yang Digunakan Dalam Pembuatan Water Heater
Dalam pembuatan water heater ada beberapa bahan yang digunakan supaya dapat terbentuk sebuah water heater, yaitu :
a. Pipa Tembaga
Pipa tembaga digunakan untuk tempat aliran fluida yang akan dipanaskan.
Dipergunakan pipa tembaga dengan diameter dalam ½ inch atau 12,7 mm dengan
panjang pipa 10 m yang kemudian digulung menjadi dua lintasan.
Gambar 3.11 Pipa tembaga
b. Besi Nako
Besi nako digunakan untuk membuat lingkaran atas dan bawah di setiap
Gambar 3.12 Besi nako ukuran 10 mm
c. Besi Plat Strip
Besi plat strip berfungsi sebagai kerangka dari tabung water heater yang menyangga dari lingkaran tabung dan tutup water heater. Selain itu plat strip juga berfungsi untuk tempat mengancingkan selimut water heater dan kerangka dengan menggunakan paku rivet.
Ada dua jenis ukuran plat strip yang digunakan yaitu ukuran 1,5 cm dan
2,5 cm. Pada ukuran 1,5 cm plat strip digunakan untuk kerangka tabung diameter
dalam dan tengah, sedangkan plat strip ukuran 2,5 cm digunakan untuk rangka
diameter tabung luar.
d. Plat Galvanum
Pada pembuatan water heater plat galvanum digunakan untuk membuat selimut dari tabung water heater. Plat galvanum yang digunakan dalam pembuatan water heater memiliki ketebalan 0,3 mm.
Pada tabung luar plat galvanum yang digunakan memiliki ukuran 110 cm
x 37 cm, pada tabung tengah menggunakan plat galvanum dengan ukuran 82 cm x
37 cm, dan pada tabung dalam menggunakan plat galvanum dengan ukuran 30 cm
x 37 cm.
Gambar 3.14 Plat galvanum
e. Kawat
Pada proses pembuatan water heater kawat berfungsi sebagai pengikat antara sirip dan pipa saluran air.
f. Paku Rivet
Berfungsi untuk mengunci selimut tabung water heater dengan rangka
water heater.
Gambar 3.16 Paku rivet
g. Plat Besi Acer
Plat besi acer berfungsi untuk membuat tutup gas buang pada water heater.
Gambar 3.17 Plat besi acer
h. Spring Center
Gambar 3.18 Spring center
3.1.3. Cara Kerja Water Heater
Cara kerja dari water heater yang akan digunakan dalam penelitian ini sebenarnya memiliki prinsip yang sangat sederhana, yaitu memiliki prinsip
memasak air menggunakan kompor pada umumnya. Pada water heater ini yang membedakan dari memasak air pada kompor yang biasanya yaitu air tidak
menggunakan alat penampung air melainkan menggunakan pipa spiral bertingkat
sebagai tempat aliran air masuk dan keluarnya. Pemanasan air dimulai saat air
masuk dalam keadaan dingin dan kemudian air akan keluar dengan suhu yang
diinginkan.
3.2. Peralatan yang Digunakan Dalam Pembuatan Alat Penelitian
Pada pembuatan water heater banyak alat – alat yang dibutuhkan. Alat – alat yang digunakan untuk pembuatan water heater dengan panjang pipa saluran air 10 m dan dengan diameter ½ inchi (12,7 mm) yaitu :
b. Pegas pembengkok pipa.
c. Mesin bor universal.
d. Gerinda.
e. Gergaji.
f. Gunting plat.
g. Las listrik.
h. Tang rivet.
i. Mesin roll.
j. Tang.
k. Palu.
l. Ragum.
m. Jangka.
n. Alat ukur.
o. Mistar dan marker.
Gambar 3.20 Mesin bor universal
Gambar 3.21 Mesin gerinda
Gambar 3.23 Tang rivet
3.3. Perakitan
Pada proses perakitan, bahan – bahan dirakit dimulai dari bahan mentah yang baru saja dibeli diolah menjadi yang dinginkan. Langkahnya yaitu :
a. Membuat Pipa Saluran Air Menjadi Spiral dan Bertingkat
Pada proses ini pipa saluran air menggunakan pegas pembengkok pipa,
dibengkokan menjadi dua tingkat.
b. Membuat Sirip
Pada proses pembuatan sirip, pipa tembaga yang digunakan untuk
membuat sirip memiliki diameter ½ inchi (12,7 mm) dengan panjang 35 cm dan
memiliki jumlah 8 buah sirip.
c. Pemasangan Sirip
Proses ini sirip sudah mulai dipasang pada pipa saluran air water heater.
Sirip dipasang menggunakan kawat agar sirip dapat terpasang dengan kuat, dan
alasan pemilihan menggunakan kawat karena tahan api. Sebelum sirip dipasang,
d. Pembuatan Kerangka
Pada proses ini, besi nako ukuran 25 mm dipotong dengan tinggi 37 cm
untuk membuat kerangka tabung water heater. Kerangka tersebut kemudian diberi lubang untuk tempat paku rivet yang berfungsi menggabungkan kerangka dengan
selimut water heater.
e. Pembuatan Diameter Tabung Water Heater
Besi nako yang sudah dipotong dengan ukuran tertentu dibuat lingkaran
dengan ukuran diameter 34 cm, 26 cm, dan 9 cm.
f. Penyambungan Kerangka
Pada proses ini besi nako sebagai diameter tabung water heater dan plat strip sebagai kerangka water heater mulai digabungkan. Penggabungan dilakukan dengan menggunakan las listrik.
g. Pembuatan Selimut dan Lubang Udara
Pada proses pembuatan selimut dan lubang udara plat galvanum dipotong
menggunakan gunting plat kemudian diukur untuk peletakan lubang udaranya.
Setelah itu plat galvanum siap untuk dibor.
h. Pemasangan Selimut Tabung Water Heater
Pada proses pemasangan selimut water heater, plat galvanum yang sudah dipotong menjadi ukuran tertentu dan diberi lubang udara dengan jumlah yang
i. Pembuatan Tutup Water Heater
Pembuatan tutup water heater dimulai dengan memotong besi plat acer dengan tebal 3 mm menjadi diameter 34 cm, kemudian diameter dalamnya
44
BAB IV
METODOLOGI PENELITIAN
4.1. Skema Pengujian
Skema instalasi alat - alat yang digunakan selama pengambilan data water heater berlangsung disajikan pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Skema pengujian water heater
Untuk mendapatkan data dari water heater ini, maka diperlukan aliran air dari kran. Kran digunakan sebagai pengatur jumlah debit air yang digunakan
untuk fluida dari water heater yang akan dipanaskan. Sebelum water heater
dipanaskan, terlebih dulu suhu air dalam keadaan normal diukur menggunakan
dipanaskan melalui kompor high pressure, suhu air kemudian diukur kembali menggunakan termocouple dengan display digital.
4.2. Variasi Penelitian
Variasi yang dilakukan dalam pengambilan data water heater yaitu besar kecilnya debit air yang masuk ke dalam water heater dengan debit gas yang konstan dan nyala api yang konstan. Pengujian dilakukan dengan menggunakan
tiga variasi yang diberikan yaitu :
a. Pengambilan data pengujian pertama, dengan pembukaan tutup gas buang 10
kali putaran atau setinggi 1 cm.
b. Pengambilan data pengujian kedua, dengan pembukaan tutup gas buang 20
kali putaran atau setinggi 2 cm.
c. Pengambilan data pengujian ketiga, dengan pembukaan tutup gas buang 30
kali putaran atau setinggi 3 cm.
4.3. Peralatan Pengujian
Dalam melakukan pengujian dari water heater dan mendapatkan data – data dari water heater maka membutuhkan alat – alat, antara lain :
a. Termocouple dengan display digital, sebagai alat pengukur suhu fluida masuk dan keluar.
c. Gas LPG, sebagai bahan bakar dari kompor high pressure. d. Kran air, sebagai pengatur debit aliran air.
e. Selang air, sebagai penghubung antara kran air dan pipa saluran air dari water heater.
f. Kawat dan klem, sebagai pengunci antara selang dengan kran air dan antara
selang air dan pipa saluran air water heater.
g. Selang karet dan regulator, sebagai alat penyalur dan penghubung dari gas
menuju kompor high pressure.
h. Gelas ukur, sebagai alat ukur fluida dalam pengambilan data dari water heater.
i. Ember, sebagai penampung air yang keluar dari water heater. j. Stopwatch, sebagai penujuk waktu ketika mengambil data.
k. Timbangan digital, sebagai alat ukur untuk mengetahui jumlah konsumsi gas
dalam satu jam.
Gambar 4.3 Termocouple menggunakan display digital dengan tipe APPA51
Gambar 4.5 Gelas Ukur
4.4. Metode Pengumpulan Data
Data diperoleh dari debit air yang keluar dari water heater dengan cara mengukur debit air menggunakan gelas ukur, kemudian suhunya diukur
menggunakan termocouple dengan display digital, dan waktunya menggunakan
stopwatch. Banyakmya air yang mengalir dari water heater setiap 10 detik ditampung pada ember kemudian diukur debitnya menggunakan gelas ukur dan
sebelumnya terlebih dahulu mengukur suhu pada air yang keluar pada water heater.
Tabel 4.1 Isian untuk pengambilan data konsumsi gas
No. Berat awal
Tabel 4.3 Pengambilan data debit air dengan pembukaan tinggi tutup gas buang
Tabel 4.4 Pengambilan data debit air dengan pembukaan tinggi tutup gas buang 30 putaran: 3 cm
masuk (°C) Temperatur air keluar (°C)
1 tersebut kemudian digunakan untuk mengetahui :
a. Hubungan antara debit air dengan suhu air yang keluar water heater.
b. Hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor.
c. Kalor yang diterima air.
d. Kalor yang diberikan gas LPG.
Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air dilakukan dengan
menggunakan persamaan (2.1). Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG dihitung
dengan menggunakan persamaan (2.3). Sedangkan efisiensi water heater dihitung menggunakan persamaan (2.4). Untuk mempermudah mendapatkan kesimpulan,
data – data yang diperoleh dan dihitung disajikan dalam bentuk tabel dan grafik.
4.6. Metode Pengambilan Kesimpulan
Setelah data penelitian selesai diolah, dilakukan pembahasan terhadap
hasil penelitian. Kesimpulan dilakukan dengan memperhatikan tujuan penelitihan
yang sudah dinyatakan sebelumnya. Kesimpulan sebaiknya menjawab apa yang
52
BAB V
HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN
5.1. Hasil Pengujian Water Heater
Hasil dari pengujian water heater antara lain meliputi : debit air, suhu air masuk 𝑇𝑖, suhu air keluar 𝑇𝑜 yang disajikan pada Tabel 5.1. Pengujian dilakukan
pada tekanan udara luar. Aliran gas pada kompor high pressure dibuat konstan pada posisi pembukaan yang maksimal dan pembukaan pada regulator high pressure diposisikan pada pembukaan yang maksimal juga. Sumber air dari water heater tersebut berasal dari air kran.
Tabel 5.1 Konsumsi gas pada setiap tinggi pembukaan tutup gas buang
Tabel 5.2 Hasil pengujian water heater, dengan 320 lubang udara dan 10 putaran
Tabel 5.4 Hasil pengujian water heater, dengan 320 lubang udara dan 30 putaran 5.1, 5.2, 5.3, dan Tabel 5.4. Data lain yang sudah diketahui terlebih dahulu yaitu :
Jari – jari pipa saluran air (r) : 0,00635 m = 1 4 inchi
Massa jenis air (ρ) : 1000 kg/m³
Kalor jenis air (cair) : 4179 J/(Kg°C)
Kapasitas panas gas (Cgas) : 11900 kkal/kg ( 1 kkal = 4186,6 J )
5.2.1. Perhitungan Kecepatan Air Rata – rata,𝒖𝒎
𝑢
𝑚=
𝑙𝑢𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑛𝑎𝑚𝑝𝑎𝑛𝑔𝑑𝑒𝑏𝑖𝑡 𝑎𝑖𝑟 𝑝𝑖𝑝𝑎m/s=
𝑑𝑒𝑏𝑖𝑡 𝑎𝑖𝑟𝜋 .𝑟² 𝑚 𝑠
Sebagai contoh perhitungan, untuk debit air = 5,3 liter/10detik (data lain pada
Tabel 5.2). Satuan debit air dijadikan dalam satuan m³/s.
𝑑𝑒𝑏𝑖𝑡𝑎𝑖𝑟 = 5,3 𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟
10 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘
=
0,53 𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘= 0,00053𝑚³ 𝑠
Untuk perhitungan kecepatan air rata – rata 𝑢𝑚 :
𝑢
𝑚=
𝑑𝑒𝑏𝑖𝑡𝜋 .𝑟𝑎𝑖𝑟²𝑢
𝑚=
3,14 ×0,00635 ² 0,00053 𝑚³/𝑠𝑚² = 4,186𝑚 𝑠5.2.2. Perhitungan Laju Aliran Massa Air, 𝒎𝒂𝒊𝒓
Perhitungan laju aliran massa air m di dalam saluran pipa air mempergunakan persamaan (2.2) sebagai berikut :
𝑚𝑎𝑖𝑟 = (massa jenis)(luas penampang)(kecepataan air)
= (ρ)𝜋𝑟²)(𝑢𝑚)
Sebagai contoh mempergunakan persamaan perhitungan laju aliran massa
𝑚𝑎𝑖𝑟 = (1000)(3,14 × 0,00635²)(4,186𝑚 𝑠)
= 0,53𝑘𝑔/𝑠
Untuk hasil data yang lebih lengkap, akan disajikan pada Tabel 5.6, Tabel
5.7, dan Tabel 5.8.
5.2.3. Perhitungan Laju Aliran Kalor yang Diterima Air
Perhitungan laju aliran kalor yang diterima oleh air di dalam pipa
saluran air mempergunakan persamaan (2.1) :
𝑞𝑎𝑖𝑟 = (debit air)(kalor jenis air)(𝑇𝑜𝑢𝑡 - 𝑇𝑖𝑛) watt
= 𝑚𝑎𝑖𝑟 x 𝑐𝑎𝑖𝑟 x (𝑇𝑜𝑢𝑡- 𝑇𝑖𝑛) watt
Sebagai contoh untuk perhitungan persamaan (5.5), untuk debit air 5,4
liter/10detik.
𝑞𝑎𝑖𝑟 = (0,53𝑘𝑔/𝑠)(4179 J/kg°C)(31,7 °C – 28,5 °C) = 7087,60 watt
Catatan : 1 watt = J/s
5.2.4. Perhitungan Laju Aliran Kalor yang Diberikan Gas
Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan oleh gas di luar pipa saluran
air dapat mempergunakan persamaan (2.4) :
𝑞𝑔𝑎𝑠 = (𝑑𝑒𝑏𝑖𝑡𝑔𝑎𝑠)(𝑘𝑎𝑙𝑜𝑟𝑗𝑒𝑛𝑖𝑠𝑔𝑎𝑠) watt
Tabel 5.5 Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG
Perhitungan Efisiensi water heater dapat menggunakan persamaan :
𝜂 = 𝑞𝑎𝑖𝑟
𝑞𝑔𝑎𝑠 x 100 %
𝜂 = 7087 ,60
20896 ,94872 x 100 % = 33,92 %
Hasil perhitungan lain untuk data dari penelitian akan tersaji lengkap pada
Tabel 5.6, Tabel 5.7, Tabel 5.8.
Tabel 5.6 Hasil perhitungan𝑚𝑎𝑖𝑟 dan 𝑞𝑎𝑖𝑟 water heater, dengan 320 lubang udara dan 10 putaran tutup gas buang (1 cm)
No.
Debit Air Temperatur °C
Tabel 5.7 Hasil perhitungan𝑚𝑎𝑖𝑟 dan 𝑞𝑎𝑖𝑟 water heater, dengan 320 lubang udara dan 20 putaran tutup gas buang (2 cm)
No. Debit Air
Tabel 5.8 Hasil perhitungan𝑚𝑎𝑖𝑟 dan 𝑞𝑎𝑖𝑟 water heater, dengan 320 lubang udara dan 30 putaran tutup gas buang (3 cm)
No.
Debit Air Temperatur °C
Dari Tabel 5.6, 5.7, dan 5.8 dapat dibuat grafik hubungan antara debit air
dengan suhu air yang keluar, grafik hubungan antara debit air dengan laju aliran
kalor yang diterima air, dan grafik hubungan debit air dengan efisiensi pada setiap
besarnya pembukaan tutup gas buang.
Gambar 5.1 Hubungan debit air dengan suhu air keluar water heater, dengan 320 lubang udara dengan pembukaan tutup 1 cm
Gambar 5.2 Hubungan debit air dengan suhu air keluar water heater, dengan 320 lubang udara dengan pembukaan tutup 2 cm
Gambar 5.3 Hubungan debit air dengan suhu air keluar water heater, dengan 320 lubang udara dan 30 putaran dengan pembukaan tutup 3 cm
Gambar 5.4 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diperlukan water heater, dengan 320 lubang udara dengan pembukaan tutup 1 cm
Gambar 5.5 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diperlukan water heater, dengan 320 lubang udara dengan pembukaan tutup 2 cm
Gambar 5.6 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diperlukan water heater, dengan 320 lubang udara dengan pembukaan tutup 3 cm
Gambar 5.7 Hubungan debit air dengan efisiensi yang diperlukan water heater, dengan 320 lubang udara dengan pembukaan tutup 1 cm
Gambar 5.8 Hubungan debit air dengan efisiensi yang diperlukan water heater, dengan 320 lubang udara dengan pembukaan tutup 2 cm
η= -0,008ṁ2+ 0,421ṁ+ 32,69
