i
PEMANAS AIR DENGAN PANJANG PIPA 25 METER
DAN JUMLAH LUBANG INPUT UDARA
TABUNG LUAR 150
TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Diajukan oleh YOSEP KUWORO ADI
NIM : 085214036
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
ii
WATER HEATER WITH THE LENGTH OF THE PIPE
25 METER AND THE NUMBER OF THE AIR INPUT
HOLE OF THE OUTSIDE PIPE 150
FINAL PROJECT
Presented a Partial Fulfillment of the Requidments For the Degree of Sarjana Teknik In Mechanical Engineering
Submitted by YOSEP KUWORO ADI Student Number : 085214036
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
iii
:
vii
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan hubungan antara debit air yang mengalir dengan suhu air keluar pemanas air, mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor, mendapatkan suhu air yang dihasilkan dari pemanas air, menghitung kalor yang diberikan gas LPG dan menghitung efisiensi pemanas air.Agar kalor yang dihasilkan kompor dapat diserap secara maksimal, maka dipasang sirip-sirip tembaga yang berfungsi sebagai penyerap kalor dan mengalirkan kalor yang diterima dari kompor pada pipa tembaga.
Kran digunakan sebagai pengatur jumlah debit air yang digunakan untuk mengaliri pemanas air.LPG digunakan sebagai bahan bakar kompor untuk memanasi air yang mengalir di dalam pemanas air. Data debit air diperoleh dengan cara mengukur volume air yang mengalir mempergunakan gelas ukur dan stopwatch. Banyaknya air yang mengalir setiap menit dicatat setiap ada perubahan debit. Pengukuran suhu air dilakukan dengan cara memasang termokopel pada sisi keluar pemanas air. Suhu air dicatat setiap ada perubahan debit air.
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis haturkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat, rahmat dan bimbinganNya selalu, hingga terselesaikannya penyusunan Tugas Akhir, yang berjudul “Pemanas Air dengan panjang pipa 25 meter dan
jumlah lubang input udara tabung luar 150” ini. Tugas Akhir ini, membahas
mengenai garis besar tentang pembuatan dan karakteristik Pemanas Air.Pemanas Air ini diharapkan dapat digunakan sebagai salah satu alat yang dapat digunakan di kehidupan sehari-hari sebagai pemanas air untuk keperluan mandi dan juga bermanfaat bagi kegiatan produksi dalam skala industri. Dalam pemilihan bahan dan ukuran, penulis menggunakan acuan Standar SI.
Dalam penulisan laporan ini penulis mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada :
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
2. Ir. PK. Purwadi, M.T. selaku Dosen Pembimbing TA dan selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
ix
4. Kedua orang tua saya tercinta, Ibu Yulia Sri Wahyuningsih dan Bapak Agustinus Eko Ardianto yang telah memberi dukungan, baik material maupun spiritual hingga saat ini.
5. Laras Arum Sekarini yang telah memberikan semangat, dukungan dan doa. 6. Rekan-rekan mahasiswa Prodi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma. 7. Semua pihak yang sudah membantu yang tidak dapat disebutkan satu-persatu.
Tugas Akhir ini baru permulaan dan masih banyak kekurangan dan perlu pembenahan. Oleh karena itu kritik dan saran yang membangun dari semua pihak diterima penulis dengan senang hati.Akhir kata semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca pada umumnya.Terima kasih.
Yogyakarta, 18 Desember 2013
x
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... v
HALAMAN PERNYATAAN PUBLIKASI KARYA ... vi
xi
3.2 Pembuatan Water Heater ... 28
3.2.1 Bahan Water Heater ... 28
3.2.2 Sarana dan Alat-alat yang Digunakan ... 29
3.2.3 Langkah-langkah Pengerjaan ... 30
3.2.3.1Persiapan ... 30
5.2.1 Perhitungan Kecepatan Air rata-rata um ... 46
5.2.2 Perhitungan Aliran Massa Air Q ... 46
5.2.3 Perhitungan Laju Aliran Kalor yang diterima Air ... 47
5.2.4 Perhitungan Laju Aliran Kalor yang diberikan Gas .... 47
5.2.5 Efisiensi ... 48
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Daya Pemanasan dan Efisiensi Alat Masak dengan Gas LPG
dan Bahan Bakar Lainnya ... 13
Tabel 2.2 Komposisi Udara dalam Keadaan Normal ... 14
Tabel 2.3 Konduktifitas Termal Beberapa Media ... 18
Tabel 5.1 Hasil Pengujian Pemanas Air ... 45
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Grafik Efisiensi Sirip Siku Empat dan Segitiga ... 8
Gambar 2.2 Grafik Efisiensi Sirip Siku Empat ... 8
Gambar 3.11 Pemotongan Pipa Tembaga untuk Sirip ... 32
Gambar 3.12 Pipa Tembaga Setelah Dipotong ... 33
Gambar 3.13 Pipa Tembaga Setelah Dipotong dan Diluruskan ... 33
xiv
Gambar 3.15 Tabung Luar Sebelum Dibentuk ... 34
Gambar 3.16 Tabung Bagian Luar ... 35
Gambar 3.17 Tabung Bagin Dalam Sebelum Dibentuk ... 35
Gambar 3.18 Tabung Bagian Dalam ... 36
Gambar 3.19 Proses Membentuk Penutup Dalam Tabung Atas ... 36
Gambar 3.20 Penutup Bagian Dalam Tabung ... 37
Gambar 3.21 Proses Membentuk Penutup Tabung Bagian Atas ... 37
Gambar 3.22 Penutup Bagian Atas ... 38
Gambar 3.23 Lubang Saluran Udara Dilihat dari Dalam ... 38
Gambar 3.24 Lubang Saluran Udara ... 39
Gambar 3.25 Water Heater ... 40
Gambar 4.1 Skema Rangkaian Alat ... 41
Gambar 4.2 Tabung Gas ... 43
Gambar 4.3 Termokopel, Kalkulator, Alat Tulis, dan Kompor ... 43
Gambar 4.4 Gelas Ukur ... 43
Gambar 5.1 Hubungan Debit Air dengan Suhu Air Keluar pada Suhu Air Input 28,1 °C ... 49
Gambar 5.2 Hubungan Debit Air dengan Laju Aliran Kalor yang Diperlukan pada Suhu Air Input 28,1 °C ... 49
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Kebutuhan air panas untuk keperluan hidup sehari-hari telah menjadi kebutuhan primer setiap orang. Air panas tidak hanya sebagai kebutuhan di rumah, tetapi sudah menjadi standar internasional, baik untuk keperluan hotel, Rumah Sakit, Apartment, Industri dan lain lain. Gaya hidup manusia terus mengalami perubahan seiring dengan tuntutan kesibukan yang semakin tinggi. Tugas tugas di kantor yang semakin menumpuk selalu memaksa kita agar segera menyelesaikan nya. Karena kesibukan inilah seringkali seseorang menjadi terlambat untuk membersihkan tubuh atau mandi.Namun sayangnya, mandi pada waktu yang kelewat malam dengan air dingin sangatlah tidak baik bagi kesehatan.
Selain dinginnya air terkadang tidak nyaman di kulit, mandi di malam hari bisa memicu masuk angin sampai sakit persendian. Sebaliknya, mandi air hangat akan membuat kulit terasa nyaman sehingga tubuh lebih rileks. Bahkan mandi menggunakan air hangat bisa mengurangi kejang otot karena lelah habis kerja seharian.
2
anda mungkin telah menambahkan saluran gas ke rumah anda yang meningkatkan pilihan anda. Semua perubahan ini akan memainkan peran penting ketika anda membeli atau mempergunakan pemanas air yang anda akan pakai.
Ketika akan mempergunakan pemanas air, anda harus menentukan pada sumber energi yang akan anda gunakan untuk daya pemanas. Saat ini ada tiga opsi energi utama yang dapat anda pilih dari termasuk energi gas, surya dan listrik. Perlu diketahui juga sebelum memutuskan untuk membeli atau memakai pemanas airada beberapa kriteria yang harus menjadi pertimbangan, karena masing-masing tipe pemanas air mempunyai kelebihan dan kekurangan, tentunya hanya anda sendirilah yang bisa menentukan mau menggunakan tipe mana.
Pertimbangan-pertimbangan yang paling umum biasanya berkisar antara lain kualitas produk, jenis dan besarnya energi yang di gunakan, kapasitas kebutuhan volume air panas yang di inginkan, layanan purna jual dan harga kondisi keuangan anda juga tentunya.
Pemanas air Tenaga Gas LPG (Liquefied Petroleum Gas) atau pemanas air Tenaga Listrik. Ketiga jenis pemanas air tersebut menggunakan energi yang berbeda untuk pengoprasiannya, hal itu juga menentukan pemasangan nya,
dimana jenis listrik bisa lebih fleksibel sementara jenis gas sebaliknya, sedangkan untuk tipe pemanas air tenaga surya lebih membutuhkan ketrampilan
Pemanas air listrik bentuknya kecil dan mudah di pasang, untuk kelemahannya bila tekanan air kurang maka air menjadi sangat panas dan tidak stabil. Apabila ada kerusakan perlu mengganti element listrik dan juga pertimbangkanlah daya listrik rumah anda, mengingat daya listrik yang dibutuhkan oleh pemanas air tersebut cukup besar untuk tiap unit nya, pastikan bahwa daya total listrik di rumah anda mencukupi (apabila tidak mencukupi, anda harus tambah daya dan pastinya biaya abodemen listrik bulanan yang akan naik juga menjadi pertimbangan anda).
Untuk pemanas air gas LPG, diperlukan selang pipa untuk suplai gas ke pemanas air. Tipe pemanas air gas membutuhkan ketelitian ketika harus mengganti tabung gas dan pengecekan pipa pembuangan hasil pembakaran, karena pemanas air gas selama beroprasi terjadi proses pembakaran yang merubah oksigen menjadi karbondioksida akan tetapi banyak ahli menyatakan bahwa gas LPG memiliki tingkat terendah emisi karbon, menimbulkan sedikit resiko dalam hal ancaman polusi tanah atau air.
Di sisi lain untuk keuntungan dari pemanas airini adalah air panas yang dipergunakan tidak terbatas, demikian juga jumlah orang yang ingin mandi air panas tidak terbatas. Selama air dapat mengalir, selama itu pula air panas dapat dihasilkan. Karena hal itu diperlukan rancangan pemanas airberbahan bakar gas LPG yang nantinya dapat menghasilkan laju aliran perpindahaan kalor yang baik.
4
yang rumit (diletakkan di atas atap rumah) dan kemampuanya bergantung pada banyaknya sinar matahari sehingga terbatas penggunaannya (volume air panas yang dapat dipergunakan).
Apabila terjadi cuaca yang tidak mendukung, untuk pemanas airjenisini tidak dapat lagi bisa digunakan terutama di daerah pegunungan dingin yang sedikit mendapatkan penyinaran matahari.Selain itu, apabila di lihat dari sisi ekonominya, pemanas air dengan menggunakan tenaga surya lebih mahal dibandingkan dengan pemanas air lainnya.
1.2 TUJUAN
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. merancang dan membuat pemanas airberbahan bakar gas LPG;
2. mendapatkan hubungan antara debit air yang mengalir dengan suhu air keluar pemanas air;
3. mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor; 4. menghitung kalor yang diterima air dari pemanas air;
5. menghitung kalor yang diberikan gas LPG; 6. menghitung efisiensi pemanas air.
1.3 BATASAN PERSOALAN
Batas-batas di pembuatan pemanas air adalah:
2. banyaknya dinding plat : 2 lapis;
3. plat lapis dalam mempunyai banyak lubang dalam dengan diameter : 3 mm dengan jumlah 380 (setinggi 75 cm) dan, plat luar mempunyai banyak lubang 150 dengan diameter : 1 cm (setinggi 25 cm);
4. bahan pipa tembaga dengan diameter : 0,953 cm = 3/8 inch; 5. pipa bersirip dengan jumlah sirip :16 dan panjang sirip 25 cm; 6. sirip dari pipa tembaga dengan diameter : 0,953 cm.
1.4 MANFAAT
Manfaat dari penelitian ini adalah :
1. memperdalam pengetahuan tentang spesifikasi pembuatan pemanas air; 2. sebagai referensi ke depan bagi para mahasiswa dan masyarakat umum yang
akan membuat pemanas air;
3. dapat bermanfaat dan dipergunakan oleh kalangan masyarakat luas terutama untuk para pengusaha di bidangpemanas air;
4. dapat memperoleh air panas dengan mudah dan dengan jumlah yang banyak; 5. sebagai kreatifitas mahasiswa untuk berkreasi menciptakan variasi-variasi
6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 DASAR TEORI 2.1.1 Saluran Air
Untuk merancang pipa saluran air, ada beberapa pertimbangan yang harus di perhatikan, antara lain hambatan pipa saluran air diusahakan kecil dan hambatan air ketika air mengalir di dalam saluran pipa diusahakan kecil. Maka dari 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 pipa diusahakan terjadi secara halus (misalnya pembelokan pipa dibuat melengkung dengan radius tertentu, atau dibuat melingkar-lingkar). Hal ini dimaksudkan supaya 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 dibutuhkan.
pipa. Energi yang hilang dalam pipa ini tidak akan kembali melainkan diubah dalam bentuk panas.
Temperatur air yang tinggi berpotensi merusak beberapa jenis material. Untuk instalasi pipa air panas sebaiknya menggunakan material yang tahan terhadap panas dan tekanan tinggi, juga bahan pipa dipilih yang baik dalam memindahkan kalor. Pemilihan pipa yang paling baik untuk instalasi air panas adalah menggunakan pipa tembaga.
2.1.2 Sirip
Besarnya laju perpindahan kalor benda tidak bersirip dengan benda bersirip berbeda. Pada umumnya, sirip dipasang berfungsi untuk memperluas permukaan dari benda, sehingga laju perpindahan kalor konveksinya menjadi besar. Tetapi seberapa besar pengaruh sirip itu di pasang terhadap laju perpindahan kalornya di bandingkan jika tidak di pasang sirip.Yang diinginkan tentunya pengaruh sirip sangat besar terhadap laju perpindahan kalornya agar tidak dirugikan dengan biaya untuk membuat sirip.
8
nilai konduktifitas bahan tembaga sangat bagus unuk menghantarkan laju perpindahan kalor.
Gambar 2.1 Grafik Efisiensi Sirip Siku Empat dan Segitiga
(sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor)
Gambar 2.2 Grafik Efisiensi Sirip Siku Empat
( sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor)
2.1.3 Bahan Bakar
pembakaran (reaksi redoks) dimana bahan bakar tersebut akan melepaskan panas setelah direaksikan dengan oksigen di udara. Bahan bakar gas ada dua jenis, yakni Compressed Natural Gas (CNG) dan Liquid Petroleum Gas (LPG). CNG pada dasarnya terdiri dari metana sedangkan LPG adalah campuran dari propana, butana dan bahan kimia lainnya. LPG yang digunakan untuk kompor rumah tangga, sama bahannya dengan bahan bakar gas yang biasa digunakan untuk sebagian kendaraan bermotor.
10
Di samping itu untuk mendeteksi terjadinya kebocoran LPG, maka LPG sebelum dipasarkan terlebih dahulu ditambahkan zat pembau (odor) sehingga apabila terjadi kebocoran segera dapat diketahui. Pembau yang ditambahkan harus melarut sempurna dalam LPG, tidak boleh mengendap. Untuk maksud itu digunakan etil merkaptan (C2H5SH) atau butil merkaptan (C4H9SH), sedangkan dibidang industri produk elpiji digunakan sebagai pengganti freon, aerosol, refrigerant atau cooling agent, kosmetik dan dapat pula digunakan sebagai bahan baku produk khusus.
Jenis LPG sesuai dengan penggunaannya sebagai bahan bakar elpiji dibedakan atas:
1. LPG Mix
Adalah campuran propane dan butana dengan komposisi antara 70-80% dan 20-30% volume dan diberi odorant (Mercaptant) dan umumnya digunakan untuk bahan bakar rumah tangga
2. LPG propane dan Elpiji butana.
Adalah elpiji yang masing-masing mengandung propane 95 % dan butana 97,5 % volume dan diberi odorant (mercaptant), umumnya digunakan untuk keperluan industri.
Persyaratan LPG, syarat-syarat utama dalam pemakaian LPG adalah harus dipenuhinya:
1. Syarat Pembakaran
kompor berwarna biru, maka komposisi campuran propana dan butana harus minimum 97,5%. Sebaliknya jika LPG mengandung fraksi C5+(C6 heavier) lebih dari maksimumnya yaitu 2,0% maka nyala api kompor agak kemerahmerahan. Jadi agar syarat pembakaran menjadi baik maka komposisi C2 harus maksimum 0,2% vol, C3 dan C4 minimum 97,5% vol serta kandungan C5+(C6 heavier) maksimum 2,0% vol.
2. Syarat Penguapan
Kemampuan menguap adalah sifat penting dalam penggunaan, LPG harus cukup mudah menguap agar mudah dinyalakan diwaktu dingin. Seperti diketahui saat dalam tabung gas LPG adalah berbentuk cair, namun saat dipakai dalam kompor (pada tekanan atmosfer) dengan cepat LPG berubah menjadi gas.Untuk memenuhi persyaratan penguapan maka Tekanan Uap LPG tidak boleh lebih dari 120 psig.
3. Syarat Keselamatan
Dalam pemakaiannya sebagai bahan bakar rumah tangga, jika terjadi kebocoran maka LPG harus cepat dapat dideteksi dengan diberi bau yang khas, agar baunya cepat dikenali saat terjadi kebocoran maka pada LPG diberi campuran Ethyl atau Buthyl mercaptan sebanyak 50/100 AG.
12
proses pengkaratan maka harus ada persyaratan pemeriksaan Copper strip pada 100oF selama 1 jam dengan nilai maksimum.
4. Syarat Kebersihan
Syarat kebersihan secara umum adalah dibatasinya kandungan air dan kandungan belerang, dimaksudkan agar pada penggunaannya LPG tidak memberikan kotoran sama sekali. Sifat LPG, perlu diketahui, gas LPG bersifat flammable (mudah terbakar). Dalam batas flammabality, LPG adalah sumber api yang terbuka sehingga letupan (percikan api) yang sekecil apapun dapat segera menyambar gas LPG.
Maka untuk menjaga keamanan pastikan bahwa bau gas LPG telah hilang sama sekali dari dalam rumah, walaupun membutuhkan waktu yang agak lama. Hal ini karena sifat gas LPG yang sangat lamban berputar di udara. Sebagai bahan bakar, gas LPG mudah terbakar apabila terjadi persenyawaan di udara oleh karena itu kita perlu tau beberapa sifat-sifatnya.
Untuk mencegah hal-hal yang tidak diinginkan, maka perlu diketahui beberapa sifat khususnya antara lain :
1. Tekanan gas LPG cukup besar, sehingga bila terjadi kebocoran LPG akan membentuk gas secara cepat, memuai dan sangat mudah terbakar.
2. LPG menghambur di udara secara perlahan sehingga sukar mengetahuinya secara dini.
3. Berat jenis LPG lebih besar dari pada udara sehingga cenderung bergerak ke bawah.
5. Daya pemanasannya cukup tinggi, namun tidak meninggalkan debu dan abu (sisa pembakaran).
6. Cara penggunaannya cukup mudah dan praktis.
Tabel 2.1 Daya Pemanasan dan Efisiensi Alat Masak dengan Gas LPG dan Bahan Bakar Lainnya
Bahan Bakar Energi Persatuan Massa Efisiensi Alat Masak
Kayu bakar 4000 kkal/kg 15%
(Sumber: http://aptogaz.files.wordpress.com/2007/07/peranan-lpg-di-dapur-anda.pdf)
2.1.4 Kebutuhan Udara
Pembakaran (combustion) didefinisikan sebagai reaksi kimia yang cepat pada temperatur tinggi antara oksigen dengan unsur-unsur bahan bakar yang dapat terbakar. Tujuan utama dari pembakaran adalah untuk melepaskan semua energi dalam bahan bakar, dengan seminimal mungkin terjadi kehilangan yang disebabkan oleh pembakaran yang tidak sempurna dan udara lebih.
Syarat kondisi agar terjadi penyalaan (pembakaran yang baik) dikenal dengan rule of thunb ”3 T”, yaitu:
14
2. Turbulence (Turbulensi). Turbulensi harus cukup tinggi sehingga terjadi pencampuran yang baik antara bahan bakar dengan pengoksidasi dan panas dapat ditransfer dari media yang telah bereaksi ke media yang belum bereaksi.
3. Time (Waktu). Waktu harus cukup agar input panas dapat terserap oleh reaktan sehingga berlangsung proses termokimia.
Tiga unsur bahan bakar yang dapat terbakar dalam bahan bakar fosil ialah karbon, hidrogen, dan sulfur. Sulfur memiliki signifikasi yang kecil sebagai sumber panas, namun berkontribusi besar terhadap masalah korosi dan pencemaran. Udara merupakan sumber oksigen bagi pembakaran yang terdiri dari oksigen, nitrogen, karbon dioksida, argon, dan lain-lain. Komposisi udara dapat dilihat pada tabel di bawah ini.
Tabel 2.2 Komposisi Udara dalam Keadaan Normal
No Komposisi Udara Prosentasi (%)
1 Nitrogen 78,1
2 Oksigen 20,93
3 Karbon dioksida 0,03
4 Gas lain 0,94
(Sumber: http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/16641/4/Chapter%20I.pdf )
dengan oksigen menghasilkan CO2 jika reaksinya merupakan pembakaran sempurna, dan CO jika pembakarannya tidak sempurna. Unsur hidrogen bereaksi menghasilkan air (H2O) dan sulfur menghasilkan SO2.
Udara teoritis (stoikiometris) adalah udara minimum yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna.Dalam prakteknya, kebutuhan udara pembakaran selalu lebih besar dari kebutuhan udara teoritis, dan disebut sebagai udara berlebih (excess air). Besarnya jumlah udara yang harus dusuplai ke dalam proses pembakaran terutama dipengaruhi oleh jenis bahan bakar.
Dengan demikian aliran udara yang diperlukan untuk proses pembakaran 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 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.
2.1.5 Saluran Gas Buang
16
untuk keluar dari pemanas air supaya nyala api tidak terganggu. Untuk itu dalam perancangan dan pembuatan saluran gas buang, diusahakan sedemikian rupa.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 atau terhambat, maka tekanan gas buang yang dihasilkan akan dapat menyebabkan api terdorong keluar dari ruang bakar, akibatnya untuk masalah yang di timbulkan adalah api tidak bisa berfungsi dengan baik dan tidak bisa maksimal untuk memanaskan 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.
Gambar 2.3 Kompor Quantum
Gambar 2.4 Kompor Gas Tungku Besar
18
2.1.7 Isolator
Isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Hampir seluruh bahan non logam adalah isolator.Contoh isolator adalah asbes, kayu kering, gelas, plastik, karet, udara dan lain-lain. Isolator sangat didibutuhkan supaya kalor dari hasil pembakaran bahan bakar tidak banyak yang keluar dari pemanas air.
Oleh karena itu tabung dalam, dimana ruangan di dalam tabung dalam digunakan untuk proses pembakaran, untuk itu sebaiknya permukaan sebelah luar dari tabung dalam diberi isolasi agar kalor hasil pembakaran tidak keluar. Ada berbagai macam isolasi, di antaranya adalah udara salah satu isolator panas yang sangat mudah didapat.
Apabila mempergunakan udara sebagai isolator, maka pemasukan udara untuk kebutuhan pembakaran dapat melalui lubang-lubang yang dibuat di dinding tabung dalam.
Tabel 2.3 Konduktifitas Termal Beberapa Media
Media Konduktivitas Termal (k)
W/m.ºC
2.1.8 Laju Aliran Kalor
Laju aliran kalor yang diterima air ketika mengalir di dalam saluran pipa dapat dihitung dengan persamaan :
Gambar 2.6 Laju aliran kalor : massa jenis fluida yang mengalir, kg/m3 d : diameter saluran, m
2.1.9 Laju aliran kalor yang diberikan gas
20 tersaji pada Tabel 2.1
2.1.10 Efisiensi
Efisiensi water heater dapat dihitung dengan persaman :
%
Pemanas air telah menjadi sebuah kebutuhan penting seiring dengan gaya hidup masyarakat masa kini yang modern. Tidak dapat di pungkiri pula dengan adanya perkembangan jaman dan teknologi pemanas air semakin memudahkan anda dalam memperoleh air panas untuk berbagai kebutuhan rumah tangga yang semakin tahun semakin banyak permasalahan dalam kehidupan sehari- hari.
dijual di pasaran berkapasitas 5-8 liter per menit, biasanya dipergunakan dalam rumah tangga, sedangkan untuk kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan dihotel dan rumah sakit. Referensi untuk pembanding pembuatan pemanas air bahan bakar gas LPG adalah pemanas air merk Modena GI-6, pemanas air Wasser, dan pemanas air.
Rinnai yang karakteristiknya adalah sebagai berikut. 1. Gas Water Heater Modena GI-6
Gambar 2.7Water heater Modena GI-6
Nama Produk : Modena Negara Pembuat : Italia
Spesifikasi
Model : GI-6
Warna : Putih (GI-6), Inox (GI-6S) Kapasitas Maksimum : 6 L / menit
Dimensi Luar : 740 mm x 430 mm x 248 mm
Tipe Gas : NG LPG
Temperatur Maksimum : 65°C
22
2. Gas Water Heater Wasser
Gambar 2.8 Gas Water Heater Wasser
Fitur : Auto cut off, sistem pengaman yang menutup aliran
gas secara otomatis bila api padam, pengaman pembatas panas air yang berlebihan, pengaman tekanan air masuk yang berlebihan, pengaman disaat air tidak mengalir, penyaring air masuk ke unit, pemantik api dengan baterai, lampu indikasi baterai, Gas stabilizer.
3. Water Heater Rinnai
Gambar 2.9 Gas Water Heater Rinnai REU-55RTB
Nama Produk : Rinnai
Negara Pembuat : Japan
Spesifikasi
Gas Input : 0,5 kg / jam
Model : REU-55RTB
Dimensi Luar : 369 mm x 290 mm x 138 mm
Kapasitas Maksimum : 6 Liter / menit
Temperatur Maksimum : ± 50°C
Tipe Gas “ LPG
24
BAB III
RANCANGAN WATER HEATER
3.1 RANCANGAN WATER HEATER
Gambar rancangan pemanas air dengan menggunakan bahan seng dan pipa tembaga. Disajikan pada Gambar 3.1 sampai Gambar 3.7. Gambar 3.1 memperlihatkan rancangan pemanas air, Gambar 3.2 memberikan informasi tentang lengkungan pipa dan diameternya, Gambar 3.3 memperlihatkan lengkungan pipa dan sirip tembaga yang sudah terpasang, Gambar 3.4 memperlihatkan tinggi lengkungan pipa dan sirip, Gambar 3.5 memberikan informasi tentang penutup bagian atas, Gambar 3.6 memperlihatkan pemanas air tampak dari bawah dan Gambar 3.7 memperlihatkan tinggi pemanas air.
Gambar 3.2 Lengkungan Pipa
26
Gambar 3.4 Sirip pemanas air
Gambar 3.6 Pemanas air tampak dari bawah
28
Pemanas air gas, prinsip kerjanya hampir sama bila kita sedang memasak air dengan menggunakan kompor gas. Hanya saja air tidak ditempatkan kedalam panci atau ceret, tetapi air dilalukan kedalam pipa pipa tembaga yang meliukliuk dengan di tambahkan sirip-sirip (seperti radiator atau condensor), kemudian dibagian bawah nya di bakar dengan menggunakan gas LPG. Perpindahan kalor atau panas akan di serap oleh sirip-sirip dan pipa yang telah berisi air.
Pemilihan bahan tembaga sebagai sirip dan pipa tembaga sebagai media untuk aliran air berdasarkan nilai konduktor termal bahan (koefisien perpindahan kalor konduksi) yaitu tembaga murni memiliki harga k = 386 W/m°C dan nilai ekonominya. Sebenarnya masih banyak bahan yang memiliki nilai konduktor termal lebih tinggi dibandingkan tembaga seperti emas dan perak.Akan tetapi jika dilihat dari segi ekonomi, tembaga lebih murah dibandingkan emas dan perak.
Mekanisme perpindahan kalor yang terjadi pada pemanas air yaitu perpindahan kalor secara konduksi dan perpindahan kalor konveksi. Proses perpindahan kalor konveksi terjadi pada saat nyala api menyentuh sirip-sirip tembaga, kemudian, dari sirip-sirip tembaga panas yang diterima mengalir menuju pipa tembaga, proses ini disebut perpindahan kalor secara konduksi dan perpindahan panas secara konveksi terjadi dari pipa tembaga ke air yang mengalir.
3.2 PEMBUATAN WATER HEATER 3.2.1 Bahan Water Heater
3. Seng sebagai body pemanas air.
4. Sirip dibuat dari pipa tembaga diameter 0,9525 cm, panjang 25 cm. 3.2.2 Sarana dan Alat-alat yang Digunakan
Sarana dan alat-alat yang digunakan untuk proses pembuatan pemanas air ini adalah:
1. Mesin bor, digunakan untuk membuat lubang saluran udara yang berada di sisi luar tabung dan sisi dalam tabung.
2. Alat penekuk plat, digunakan untuk menekuk lempengan seng.
3. Palu, digunakan saat membuat lubang saluran udara dibagian tabung dalam. 4. Gunting plat, digunakan untuk memotong seng.
5. Tang, digunakan saat memasang sirip pipa tembaga dengan lengkungan pipa tembaga.
6. Obeng (- , +), untuk mengencangkan selang yang dipasang di saluran masuk dan keluar.
7. Penggaris, digunakan saat menggaris agar lebih mudah saat memotong seng. 8. Paku, digunakan untuk membuat garis pemotongan plat.
9. Kawat besi, mengikat atau menyambungkan pipa tembaga dengan lengkungan pipa.
10. Jangka, untuk membuat lingkaran pada seng sebelum dipotong. 11. Alat pembengkok, untuk membengkokkan pipa.
30
3.2.3 Langkah-langkah Pengerjaan 3.2.3.1 Persiapan
Sebelum memulai pembuatan pemanas air, terlebih dahulu harus melakukan persiapan yaitu sebagai berikut.
a. Menyiapkan rancangan pemanas air
Dalam merancang pembuatan desain pemanas air dapat dilakukan dengan menggambar instalasi tersebut dengan gambar tangan atau menggunakan software-software yang mendukung.
b. Menyiapkan alat-alat dan bahan
Setelah rancangan pemanas air sudah selesai maka, kita dapat menentukan bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan pemanas air lalu kemudian, membelinya.
c. Menyiapkan keperluan lainnya
Membeli alat-alat lainnya selain alat yang digunakan untuk membuat pemanas air dan meminta izin atas peminjaman alat di laboratorium.
3.2.3.2 Pengerjaan
Dalam pelaksanaan pembuatan pemanas air banyak hal-hal yang harus dilakukan seperti berikut ini.
a. Melengkungkan pipa
Gambar 3.8 Alat Pembengkok dan Pemotong Pipa
32
b. Memotong pipa tembaga
Memotong pipa tembaga sesuai dengan ukuran yang telah dirancang sebelumnya.
Gambar 3.10 Pipa Tembaga Sebelum Dipotong
Gambar 3.12 Pipa Tembaga Setelah Dipotong
34
c. Membuat tabung
Bahan yang digunakan dalam pembuatan tabung adalah seng.
Gambar 3.14 Proses Pembuatan Lubang dan Tabung Luar
Gambar 3.16 Tabung Bagian Luar. d. Membuat tabung bagian dalam
Plat yang digunakan sebagai penutup bagian dalam adalah seng. Tabung bagian dalam ini berfungsi sebagai isolator agar panas yang dihasilkan itu tidak hilang ke samping.
36
Gambar 3.18 Tabung Bagian Dalam e. Membuat penutup bagian luar bagian atas
Bahan yang digunakan untuk membuat penutup bagian atas masih sama yaitu menggunakan seng. Fungsi dari penutup atas ini adalah sebagai penutup saja dan apabila nanti jika dalam percobaan suhu yang dihasilkan tidak sesuai dengan apa yang di inginkan maka penutup bagian atas ini dapat dilepas agar suhu naik.
Gambar 3.20 Penutup Bagian Dalam Tabung
38
Gambar 3.22 Penutup Bagian Atas. f. Membuat saluran udara
Dalam proses pembakaran sangat diperlukan oksigen, oleh karena itu maka dibuatlah lubang saluran udara, agar kalor yang dihasilkan bisa lebih maksimal. Selain itu, lubang ini juga berfungsi sebagai saluran gas buang.
Gambar 3.24 Lubang Saluran Udara g. Pemasangan kompor
40
3.3 HASIL PEMBUATAN
Gambar 3.19 memberikan informasi tentang pemanas air yang sudah disatukan.
Gambar 3.25 Pemanas Air
3.3.1. Kesulitan dalam pengerjaan
1. Pembentukan pipa spiral, dimana kami mengalami kesulitan pada saat melengkungkan pipa agar berbentuk spiral.
41
BAB IV
METODOLOGI PENELITIAN
4.1 SKEMATIS PENGUJIAN
Skematis pengujian pada pemanas air telah tergambar dan dijelaskan pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Skema Rangkaian Alat
42
4.2 VARIASI PENELITIAN
Variasi dilakukan dalam pengambilan data, yaitu dengan cara pengambilan debit air dilakukan berubah-ubah.
4.3 PERALATAN PENGUJIAN
Alat-alat yang digunakan adalah sebagai berikut.
1. Kompor dan gas LPG, sebagai pengatur debit gas sekaligus menjadi penyuplai kalor.
2. Thermokopel, sebagai alat pengukur suhu fluida yang keluar. 3. Kran, sebagai pengatur debit air.
4. Stopwatch, sebagai penunjuk waktu.
5. Gelas ukur, sebagai tempat penampung fluida dan juga pengukur banyaknya air permenit.
6. Selang air, sebagai penyambung dari kran ke pipa tembaga masuk pemanas air.
7. Mur dan baut atau kawat, sebagai pegunci.
8. Selang karet, sebagai penyambung dari gas ke kompor.
9. Kalkulator dan alat tulis, digunakan untuk menulis dan mengolah data. 10. Penyangga, sebagai tumpuan pemanas air.
11. Obeng (- , +), untuk mengencangkan selang yang dipasang di saluran masuk dan keluar.
Gambar 4.2 Tabung Gas
Gambar 4.3 Termokopel, Kalkulator, Alat Tulis dan Kompor
44
4.4 CARA MEMPEROLEH DATA
Data debit air diperoleh dengan cara mengukur debit air yang mengalir mempergunakan gelas ukur dan stopwatch. Banyaknya air yang mengalir setiap menit dicatat setiap ada perubahan debit. Untuk pengukuran suhu air dilakukan dengan cara memasang termokopel pada sisi keluar pemanas air Suhu air dicatat setiap ada perubahan debit air.
4.5 CARA MENGOLAH DATA
Dengan data-data yang diperoleh, maka data dapat diolah. Data-data hasil pengolahan kemudian dipergunakan untuk mengetahui.
1. Hubungan antara debit air dengan suhu air keluar dari pemanas air. 2. Hubungan antara debit air dengan laju aliran keluar pemanas air.
Perhitungan laju aliran kalor dilakukan dengan mempergunakan persamaan (2.1). Untuk memudahkan mendapatkan kesimpulan data-data disajikan dalam bentuk grafik.
4.6 CARA MENYIMPULKAN
45 maksimum.Air yang dipergunakan, adalah air kran.
Tabel 5.1 Hasil Pengujian Pemanas Air
No Debit air, Q aliran kalor q yang diserap air dilakukan dengan mempergunakan data data seperti tersaji pada Tabel 5.1. Data lain yang dipergunakan adalah:
46
Massa jenis air (ρ) : 1000 kg/m3 Kalor jenis air (cp) : 4186,6 J/(kgoC) Debit gas (mgas) : 1,05 kg/60 menit 5.2.1 Perhitungan Kecepatan air rata rata um
Perhitungan kecepatan air rata rata um yang mengalir di dalam saluran pipa air mempergunakan persamaan :
s Sebagai contoh perhitungan, dipilih debit air sebesar 12 liter/menit. (data lain pada Tabel 5.1). Satuan debit air dijadikan dalam satuan m3/s.
Kecepatan air rata rata um :
2
Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.2. 5.2.2 Perhitungan laju aliran massa air, mair
Perhitungan laju aliran massa air m di dalam saluran pipa air mempergunakan persamaan berikut :
massajenisluaspenampangkecepa air
Sebagai contoh perhitungan, diambil debit air sebesar 12 liter/menit. (data lain pada Tabel 5.1)
x
kg smair 1000 3,14 0,0047652 2,81 /
0,2kg/s
Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.2. 5.2.3 Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air
Perhitungan laju aliran kalor yang diserap oleh air di dalam saluran pipa Sebagai contoh perhitungan, diambil debit air sebesar 12 liter/menit. (data lain pada Tabel 5.1)
5.2.4 Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas
48
5.2.5 Efisiensi
Perhitungan Efisiensi kompor gas dapat menggunakan persamaan :
%
bentuk grafik pada Gambar 5.2. Gambar 5.3 memberikan informasi tentang hubungan efisiensi pemanas air dengan debit air.
Gambar 5.1 Hubungan Debit Air dengan Suhu Air Keluar pada Suhu Air Input 28,1 °C
50
Gambar 5.3 Hubungan Debit Air dengan Efisiensi Water Heater yang Diperlukan pada Suhu Air Input 28,1 °C
5.3 PEMBAHASAN
Dari Gambar 5.1, dapat diperoleh informasi bahwa debit air berpengaruh terhadap suhu keluar dari pemanas air. Semakin besar debit air, suhu air yang keluar semakin rendah. Hubungan tersebut dinyatakan dengan persamaan,
Tout = 0,439 Q2– 10,76 Q + 99,73
Persamaan tersebut, berlaku untuk 1,56 liter/menit < Q <12 liter/menit pada tekanan udara luar saat itu (sekitar 1 atm) dan pada suhu air masuk 28,1°C.
Hasil rancangan pemanas air yang telah dibuat dapat bersaing dengan pemanas airyang berada di pasaran.Pemanas air yang dibuat mampu menghasilkan suhu air keluar sebesar 43,4°C pada debit : 7,2 liter/menit. Dipasaran pemanas air dengan debit 5 - 6 liter/menit, suhu air keluar dari pemanas air berkisar antara 50 - 65°C.
mengalir, semakin besar laju aliran kalor yang diterima air (berlaku untuk debit < 4,26 liter/menit), tetapi setelah debit > 4,26 liter/menit, semakin besar debit air yang mengalir laju aliran kalor yang diterima semakin rendah.
Dari Gambar 5.3 nampak bahwa besarnya efisiensi pemanas air bergantung pada debit air yang mengalir. Hubungan antara efisiensi pemanas air (dalam %) dengan debit air (mair dalam liter/menit), dapat dinyatakan dengan persamaan :
Ƞ = 0,0597 Q2–
1,6182 Q+ 39,373
Persamaan tersebut, berlaku untuk 1,56 liter/menit < Q < 12 liter/menit pada tekanan udara luar saat itu (sekitar 1 atm) dan pada suhu air masuk 28,1°C.
Nilai efisiensi pemanas air berkisar antara : 37,98 – 79,63 %. Nilai efisiensi terbesar sebesar : 79,63 %. Efisiensi pemanas air yang dibuat tidak dapat mencapai 100 %. Hal ini disebabkan karena, adanya kalor hilang melalui radiasi, ataupun terbawa gas buang.Gas buang memiliki suhu yang lebih tinggi daripada udara luar ketika masuk pemanas air, juga adanya kalor yang terhisap oleh tabung, sehingga suhu tabung lebih tinggi dari keadaan awal.
52
BAB VI
KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 KESIMPULAN
Dari penelitian yang dilaksanakan, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut.
1. Pemanas air dapat dibuat dan mampu bersaing dengan pemanas air yang ada di pasaran. Pada debit aliran: 7,2 liter/menit pemanas air mampu menghasilkan suhu air keluar sebesar 43,4 °C.
2. Laju aliran kalor terbesar untuk penelitian pemanas air ini adalah 11571,65 watt pada debit air 4,26 liter/menit.
3. Suhu air terbesar yang dihasilkan dari penelitian pemanas air ini adalah 80,3°C, pada debit air 1,56 liter/menit. Pada tekanan udara luar (sekitar 1 atm) dan pada suhu air masuk 28,1°C.
4. Kalor yang diterima air dari pemanas air berkisar antara: 5518,79 – 11571,65 watt. Jumlah kalor terbesar sebesar : 11571,65 watt.
5. Kalor yang diberikan gas LPG sebesar : 14530,99 watt.
6. Efisiensi terbesar adalah 79,63 % pada debit air 4,26 liter/menit.
6.2 SARAN
Adapun beberapa saran yang dapat menjadikan pengembangan dan perbaikan pembuatan pemanas air.
3. Besar lubang keluar gas buang dapat dibuat berbeda.
54
DAFTAR PUSTAKA
Holman, J.P, 1993, Perpindahan Kalor, Edisi Keenam, Erlangga: Jakarta.
Santoso, A.U,2003, Diktat Teknik Pembakaran, Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma: Yogyakarta.
Anonim,
www.aptogaz.files.wordpress.com/2007/07/peranan-lpg-di-dapur-anda.pdf ) diakses pada tanggal 07 Februari 2013.
Anonim, http://www.tokowaterheater.com diakses pada tanggal 19 maret 2013 Anonim,
http://www.sinarelectric.com/WATER%20HEATER/Water%20Heater%2
0RINNAI%20REU-55.htm diakses pada tanggal 05 Maret 2013.
Anonim,
http://teknindogas.wordpress.com/2010/05/25/kompor-gas-tungku-besarrp-300-000/ diakses pada tanggal 06 april 2013.
55
LAMPIRAN
A. Nilai Sifat-Sifat Logam (sumber: Holman. J.P. 1993.Perpindahan Kalor)
56
58
D. Daftar Konduktifitas Termal Berbagai Bahan
