i
KARAKTERISTIK
WATER HEATER
DENGAN PANJANG
PIPA 8 METER DAN DIAMETER 0,5 INCHI TANPA
PENUTUP ATAS DAN DENGAN PENUTUP ATAS
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan Mencapai Derajat Sarjana S-1 Teknik Mesin
Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin
Diajukan Oleh :
JUFRIANUS SERAN
NIM : 105214044
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
ii
CHARACTERISTICS OF THE WATER HEATER
WITH 8
METERS LENGTH OF PIPE AND 0,5 INCHES DIAMETER
WITH AND WITH OUT TOP COVER
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement
to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin
By:
JUFRIANUS SERAN
Student Number : 105214044
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF MECHANICHAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukursaya panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat limpahan rahmat dan karunianya sehingga saya dapat menyusun skripsi ini dengan baik dan tepat pada waktunya.
Skripsi ini dibuat sebagai salah satu syarat kelulusan untuk menjadi seorang Sarjana Teknik S1 di Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi. Judul skripsi ini adalah : Karakteristik water heater dengan panjang pipa tembaga 8 meter dan diameter pipa 0,5 inchi tanpa penutup atas dan dengan penutup atas. Skripsi ini membahas tentang pembuatan water heater dan penelitian tentang karateristik water heater. Manfaat yang dihasilkan diharapkan dapat digunakan sebagai salah satu alat yang digunakan di kehidupan sehari-hari sebagai water heater untuk keperluan mandi dan dapat juga dipergunakan sebagai referensi bagi para peneliti.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih atas segala bantuan terkait dengan penyelesaian skripsi kepada :
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si.,M.Sc. selaku Dekan Fakultas Sainsdan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta
2. Ir. PK. Purwadi, M.T. selakuKetua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta dan selaku Dosen Pembimbing skripsi yang telah memberikan dorongan, bantuan, motivasi sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini
ix
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ... i
TITLE PAGE ... ii
HALAMAN PERSETUJUAN ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... v
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi
ABSTRAK ... vii
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR TABEL ... xiv
DAFTAR GAMBAR ... xv
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 3
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Batasan Dalam Pembuatan Water Heater ... 4
1.5 Manfaat Penelitian ... 4
BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA 2.1 DasarTeori ... 6
x
2.1.1.1Perpindahan panas secara konduksi ... 6
2.1.1.2 Perpindahan panas secara konveksi ... 7
2.1.1.3 Perpindahan panas secara radiasi ... 8
2.1.2 Perancangan pipa saluran air ... 10
2.1.3Sirip ... 14
2.1.4Bahan Bakar ... 15
2.1.5 Saluran udara masuk ... 17
2.1.6 Kebutuhan Udara ... 18
2.1.7 Saluran Gas Buang ... 19
2.1.8 Media pembakar ... 20
2.1.9Isolator ... 22
2.1.10 Laju Aliran Kalor yang diterima air ... 23
2.1.11 Laju Aliran Kalor yang diberikan Gas ... 24
2.1.12 Efisiensi ... 24
2.2 Tinjauan Pustaka ... 24
2.2.1 Spsifikasi water heater yang ada dipasaran ... 25
2.2.2 Water heater yang ada dipasaran ... 28
2.2.3 Hasil penelitian water heater gas LPG oleh orang lain ... 34
BAB III PEMBUATAN WATER HEATER 3.1 Persiapan ... 38
3.2 Bahan water heater ... 38
xi
3.2.3 Langkah-langkah pengerjaan ... 41
3.2.4 Hasil pembuatan ... 48
3.2.5 Kesulitan dalam pengerjaan ... 48
3.2.6 Pengujian alat water heater dengan panjang pipa 8 meter dan diameter pipa ½ inchi dengan menggunakan 2 tabung ... 49
3.2.7 Cara kerja water heater ... 51
3.2.8 Prinsip kerja water heater ... 51
BAB IV METODE PENELITIAN 4.1 Objek yang diteliti ... 53
4.2 Skematik Alat Penelitian ... 53
4.3 Alat Bantu Penelitian ... 54
4.4 Variasi Penelitian ... 57
4.5 Cara Memperoleh Data ... 58
4.6 Cara Mengolah Data ... 58
4.7 Cara Menyimpulkan ... 58
BAB V HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN 5.1 Hasil Pengujian ... 59
5.1.1 Hasil penelitian water heater yang pertama tanpa menggunakan penutup atas water heater ... 59
5.1.2 Hasil penelitian water heater yang kedua menggunakan penutup atas water heater ... 61
xii 5.2.1 Perhitungan pada water heater yang pertama tanpa menggunakan
penutup atas ... 63
5.2.1.1 Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG dengan posisi gas maksimum ... 64
5.2.1.2 Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG dengan posisi gas medium ... 65
5.2.1.3 Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG dengan posisi gas low ... 65
5.2.1.4 Kecepatan air rata –rata Um ... 65
5.2.1.5 Laju aliran massa air ṁair ... 67
5.2.1.6 Laju aliran kalor yang diterima air Qair ... 68
5.2.1.7 Efisiensi water heater ... 70
5.2.2 Perhitungan pada water heater yang kedua menggunakan penutup atas... 70
5.2.2.1 Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG dengan posisi gas maksimum ... 71
5.2.2.2 Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG dengan posisi gas medium ... 72
5.2.2.3 Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG dengan posisi gas low ... 72
5.2.2.4 Kecepatan air rata –rata Um ... 73
5.2.2.5 Laju aliran massa air ṁair ... 74
xiii 5.2.2.7 Efisiensi water heater ... 77 5.3 Hasil perhitungan pengujian alat pada water heater tanpa
menggunakan penutup atas water heater ... 78 5.4 Hasil perhitungan pengujian alat water heater yang menggunakan
penutup atas water heater ... 84 5.5 Pembahasan ... 91
5.5.1 Penelitian pertama tanpa menggunakan penutup atas
water heater ... 91
5.5.2 Penelitian kedua menggunakan penutup atas water heater ... 98 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 Kesimpulan ... 108 6.2 Saran ... 109 DAFTAR PUSTAKA
xiv
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Konduktivitas bahan pada water heater... 14
Tabel 2.2 Daya pemanasan dan efisiensi alat masak dengan gas LPG dan bahan bakar lainnya ... 17
Tabel 2.3 Komposisi udara dalam keadaan normal ... 18
Tabel 2.4 Konduktifitas termal beberapa media ... 22
Tabel 5.1 Hasil pembakaran gas LPG pada penelitian pertama tanpa menggunakan penutup atas water heater ... 59
Tabel 5.2 Hasil pengujian alat water heater dengan posisi gas maksimum ... 60
Tabel 5.3 Hasil pengujian alat water heater dengan posisi gas medium ... 60
Tabel 5.4 Hasil pengujian alat water heater dengan posisi gas low ... 61
Tabel 5.5 Hasil pembakaran gas LPG pada pengamatan yang kedua dengan menggunakan penutup atas water heater ... 61
Tabel 5.6 Hasil pengujian alat water heater dengan posisi gas maksimum ... 62
Tabel 5.7 Hasil pengujian alat water heater dengan posisi gas medium ... 62
Tabel 5.8 Hasil pengujian alat water heater dengan posisi gas low ... 63
Tabel 5.9 Hasil perhitungan laju aliran gas LPG pada pengamatan pertama tanpa menggunakan penutup atas ... 64
Tabel 5.10 Hasil perhitungan laju aliran gas LPG pada pengamatan kedua menggunakan pentup atas ... 71
Tabel 5.11 Hasil perhitungan alat water heater pada posisi gas maksimum ... 78
xvi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perpindahan kalor secara konduksi, konveksi dan secara
radiasi pada saluran pipa ... 9
Gambar 2.2 Perpindahan kalor secara konduksi, radiasi dan konveksi pada tabung ... 9
Gambar 2.3 Bentuk pipa saluran air ... 13
Gambar 2.4 Media pembakar yang menggunakan bahan bakar LPG ... 20
Gambar 2.5 Kompor portable RT ... 21
Gambar 2.6 Kompor gas 2 tungku ... 21
Gambar 2.7 Laju aliran kalor ... 23
Gambar 2.8 Water Heater X-1 ... 25
Gambar 2.9 Water heater X-2 ... 26
Gambar 2.10 Water heaterX-3 ... 27
Gambar 2.11 Water heaterX-4 ... 28
Gambar 2.12 Water heater tanpa blower ... 29
Gambar 2.13 Rangkaian water heater dengan menggunakan blower ... 30
Gambar 2.14 Water heater menggunakan outlet dan inlet ... 31
Gambar 2.15 Rangkaian water heater dengan posisi blower ada diatas... 32
Gambar 2.16 Rangkaian water heater yang mempunyai pipa saluran air berbentuk spiral ... 33
Gambar 3.1 Baut dan Mur ... 39
Gambar 3.2 Plat strip... 39
xvii
Gambar 3.4 Paku rivet dan alat penjepit ... 40
Gambar 3.5 Sirip ... 40
Gambar 3.6 Rancangan water heater tampak dari luar ... 42
Gambar 3.7 Rancangan water heater tampak dari bawah ... 43
Gambar 3.8 Proses pemotongan pipa ... 44
Gambar 3.9 Proses Pelingkaran pipa ... 44
Gambar 3.10 Tabung bagian dalam ... 45
Gambar 3.11 Tabung bagian dalam tampak dari atas ... 46
Gambar 3.12 Tabung bagian dalam tampak dari bawah ... 46
Gambar 3.13 Rancangan saluran pipa bagian dalam rangka ... 47
Gambar 3.14 Proses pembuatan lubang pada rangka... 47
Gambar 3.15 Pengambilan data ... 49
Gambar 3.16 Termokopel ... 50
Gambar 4.1 Skematik rangkaian water heater ... 53
Gambar 4.2 Tabung berisi gas LPG ... 55
Gambar 4.3 Stopwatch dan Timbangan ... 56
Gambar 4.4 Gelas ukur dan APPA 5.1 ... 56
Gambar 4.5 Termokopel dan Alat tulis ... 57
Gambar 4.6 Kompor high pressure ... 57
Gambar 5.1 Hubungan debit air dengansuhu air keluarpadakondisi gas maksimum ... 80
xviii Gambar 5.3 Hubungan debit air dengan suhu air keluar pada kondisi gas
low ... 81 Gambar 5.4 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi gas maksimum ... 81 Gambar 5.5 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air pada
kondisi gas medium ... 82
Gambar 5.6 Hubungan debit air dengan laju aliran kaloryang diterima air pada kondisi gas low ... 82 Gambar 5.7 Hubungan debit air dengan efisiensi pada kondisi gas
maksimum ... 83 Gambar 5.8 Hubungan debit air dengan efisiensi pada kondisi gas medium ... 83 Gambar 5.9 Hubungan debit air dengan efisiensi pada kondisi gas low ... 85 Gambar 5.10 Hubungan debit air dengan suhu air yang keluar pada kondisi gas
maksimum ... 86 Gambar 5.11 Hubungan debit air dengan suhu air yang keluar pada kondisigas
xix Gambar 5.15 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi gas low ... 89 Gambar 5.16 Hubungan debit air dengan efisiensi pada kondisi gas
maksimum ... 89 Gambar 5.17 Hubungan debit air dengan efisiensi pada kondisi gas medium .... 90 Gambar 5.18 Hubungan debit air dengan efisiensi pada kondisi gas low ... 90 Gambar 5.19 Perbandingan debit air dengan suhu air keluar(Tout) dengan 3 variasi
percobaan pada gas LPG ... 95 Gambar 5.20 Perbandingan debit air dengan laju aliran kalor dengan 3 variasi percobaan pada gas LPG ... 96 Gambar 5.21 Perbandingan debit air dengan efisiensi water heater dengan 3 variasi percobaan pada gas LPG ... 97 Gambar 5.22 Perbandingan antara debit air dengan suhu airkeluar (Tout) dengan
3 variasi percobaan ... 103 Gambar 5.23 Perbandingan antara debit air dengan laju aliran kalor dengan 3
variasi percobaan pada gas LPG ... 105 Gambar 5.24 Perbandingan antara debit air dengan efisiensi dengan 3 variasi
xx
ABSTRAK
Tujuan penelitian water heater yang menggunakan bahan bakar gas LPG ini adalah : (a) Merancang water heater berbahan bakar gas LPG, (b) mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor tanpa penutup atas dan dengan penutup atas, (c), mendapatkan kalor yang diterima air dari water
heater tanpa penutup atas dan dengan penutup atas, (d) mendapatkan kalor yang
diberikan dari gas LPG, (e) mendapatkan efisiensi water heater tanpa penutup atas dan dengan penutup atas, (f) mendapatkan besarnya debit dan efisiensi dari water heater yang menghasilkan suhu keluar untuk keperluan mandi.
Penelitian water heater ini dilakuakan sebanyak dua kali yaitu pertama penelitian tanpa penutup atas water heater, kedua, penelitian water heater menggunakan penutup atas water heater dan pelaksanaan di laboratorium Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Water heater dibuat dengan memiliki ketinggian 300 mm, berdiameter luar water heater 300 mm, panjang pipa 8 meter dibuat dengan 2 lintasan. Water heater memiliki 3 tabung diantaranya 2 tabung memiliki lubang udara. Tabung dalam berdiameter 100 mm dengan 40 lubang udara dengan diameter lubang 5 mm. Tabung tengah berdiameter 250 mm dengan 55 lubang udara dan berdiameter lubang 8 mm. Tabung bagian luar memiliki diameter 300 mm tanpa lubang udara. Variasi penelitian terhadap gas LPG dimulai dari posisi regulator gas LPG maksimum (3 kali putaran regulator), posisi regulator gas LPG medium(2 kali putaran regulator gas), posisi regulator gas LPG low (1 kali putaran regulator gas).
Hasil penelitian didapatkan (a) water heater tanpa menggunakan penutup atas mampu menghasilkan air panas dengan suhu air keluar 39,8oC dengan debit yang diperoleh 11,48 liter/menit. (b) laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi regulator gas maksimum 9,369 kW. (c) nilai efisiensi yang dihasilkan water heater 39,45 %. (d) laju aliran kalor yang diberikan gas LPG sebesar 23,747 kW (e) water heater menggunakan penutup atas mampu menghasilkan air panas dengan suhu air keluar40,3 oC dengan debit yang diperoleh 13,56 liter/menit. (f) laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi regulator gas maksimum 11,617 kW. (g) nilai efisiensi yang dihasilkan water heater 48,92 %. (h) laju aliran kalor yang diberikan gas LPG sebesar 23,747 kW.
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Air hangat sudah menjadi salah satu kebutuhan yang diperlukan dalam kehidupan masyarakat, dimana orang–orang kota yang berkecukupan, baik itu anak kecil, orang yang sudah lanjut usia membutuhkan air hangat untuk keperluan mandi. Air hangat juga dibutuhkan untuk para karyawan atau pekerja yang pulang di malam hari untuk memulihkan kelelahan akibat bekerja.Air hangat juga sangat dibutuhkan oleh orang–orang yang tinggal di daerah pegunungan, karena suhu di daerah pegunungan lebih dingin dibandingkan di dataran rendah.Kemudian dibidang perhotelan air hangat dipergunakan sebagai salah satu fasilitas yang disediakan untuk orang yang menginap di hotel.Selain itu,air hangat juga dipergunakan di rumah sakit untuk memandikan orang–orang yang sedang sakit.
2 itu, apabila dilihat dari sisi ekonomi, water heater dengan menggunakan sinar matahari lebih mahal dibandingkan dengan water heater lainnya.Sedangkan untuk tenaga listrik, water heaterini sangat mudah di dapatkan di toko–toko elektronik dan penggunaannya ini lebih praktis dibandingkan pemanas air dengan menggunakan tenaga surya. Namun ada juga kekuranganya yaitu apabila terjadi pemadaman listrik, maka water heaterjenis ini tidak dapat digunakan dan tingkat perbaikan kerusakan sangat sulit, sehingga perlu menambah biaya yang cukup banyak tetapi hasil yang didapatkan tidak seperti yang diharapkan. Kemudian volume air panas yang dihasilkan juga tertentu, jika volume air panas yang dipergunakan sudah habis digunakan, maka jika ingin dipergunakan lagi,harus menunggu waktu untuk memanaskan air lagi. Maka dari itu, jika dilihat dari sisi biaya, water heaterdengan menggunakan tenaga listrik jauh lebih mahal dibandingkan water heaterdengan menggunakan gas LPG.
Water heatertenaga gas LPG menggunakan bahan bakar gas untuk
3 dibandingkan dengan pemanas air yang menggunakan sumber tenaga listrik dan tenaga sinar matahari. Kerugian dari pemanas air tenaga gas LPG, harus menjaga secara hati–hati agar tabung gas tidak mengalami kebocoran yang mengakibatkan bahaya ledakan.Water heater gas LPG juga kurang ramah lingkungan, karena menghasilkan gas buang hasil pembakaran gas LPG.
Berdasarkan atas latar belakang tersebut, penulis tertarik untuk meneliti water heater gas LPG. Harapannya hasil penelitian dapat memberikan
perkembangan yang berarti terhadap suhu air keluar water heater, lebih tinggi dari yang ada di pasaran.
1.2 RUMUSAN MASALAH
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :
Apakah besarnya laju aliran massa yang berpengaruh terhadap nilai debit air dan efisiensi water heater yang menghasilkan suhu air panas untuk keperluan mandi.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Tujuan dari penelitian tentang water heater ini adalah : a. Merancang water heater berbahan bakar gas LPG
b. Mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor tanpa penutup atas dan dengan penutup atas
c. Mendapatkan kalor yang diterima air dari water heater tanpa penutup atas dan dengan penutup atas
4 e. Mendapatkan efisiensi water heater tanpa penutup atas dan dengan penutup
atas
f. Mendapatkan besarnya debit dan efisiensi dari water heater yang menghasilkan suhu keluar untuk keperluan mandi.
1.4 BATASAN DALAM PEMBUATAN WATER HEATER
Beberapa batasan masalah yang diambil dalam pembuatan water heater pada penelitian ini :
a. Water heatermemiliki ketinggian 30 cm, diameter luar water heater30 cm,
panjang pipa 8 mdengan 2 lintasan.
b. Banyaknya tabung water heater terdiri dari 3 tabung yaitu tabung bagian dalam mempunyai lubang sebanyak 40 dengan diameter lubang 5 mm, tabung bagian tengah mempunyai lubang sebanyak 55 dengan diameter lubang 8 mm dan tabung bagian luar tidak memiliki lubang (tidak divariasi lubangnya). c. Bahan pipa dari tembaga dengan diameter dalam ½ inchi
d. Sirip dari pipa tembaga dengan diameter dalam ½ inchi e. Pipa bersirip dengan jumlah sirip 8 dan panjang sirip 20 cm
1.5 MANFAAT PENELITIAN
Ada beberapa manfaat dalam pembuatan water heater tanpa penutup atas dan dengan penutup atas antara lain :
5 b. Sebagai referensi bagi para pembuat water heater tanpa penutup atas dan
dengan penutup atas.
c. Rancanganwater heater yang dihasilkan dapat dipergunakan sebagai model water heater yang 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 dapat terjadi jika ada perbedaan suhu karena kalor berpindah dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah. Perpindahan kalor adalah suatu proses yang dinamis, yaitu panas yang dipindahkan secara spontan dari satu kondisi ke kondisi lainnya yang suhunya lebih rendah. Kecepatan perpindahan panas ini akan tergantung pada perbedaan suhu antar kedua kondisi, semakin besar perbedaan maka semakin besar pula kecepatan pindah panasnya. Maka panas atau kalor dapat berpindah karena melalui tiga mekanisme perpindahan yaitu perpindahan kalor secara konduksi, konveksi dan radiasi dapat diuraikan sebagai berikut :
2.1.1.1 Perpindahan panas secara konduksi
7 ke permukaan bagian dalam pipa tembaga). Perpindahan panas konduksi dapat ditemukan dalam kehidupan sehari–hari, misalnya saja saat memasak air maka kalor akan berpindah dari api (kompor) ke panci dan membuat air mendidih. Proses perpindahan panas konduksi yang terjadi pada water heater terletak pada saat nyala api menyentuh sirip-sirip tembaga, kemudian panas yang diterima oleh sirip tembaga diteruskan atau dialirkan menuju pipa tembaga
2.1.1.2 Perpindahan panas secara konveksi
8 konveksi yang terjadi pada water heater ini terletak pada saat panas yang diterima oleh pipa tembaga dari nyala api.
2.1.1.3 Perpindahan panas secara radiasi
9 Gambar 2.1 Perpindahan kalor secara konduksi, konveksi dan secara
radiasi pada saluran pipa
Keterangan pada Gambar 2.1 :
Proses dari A – B : Proses perpindahan kalor secara radiasi Proses dari B – C : Proses perpindahan kalor secara konduksi Proses dari C – D : Proses perpindahan kalor secara konveksi
Gambar 2.2 Perpindahan kalor secara konduksi, radiasi dan konveksi pada tabung
C
B C D
A
B C D
E F
G H
I B
10 Keterangan pada Gambar 2.2 :
Proses dari A – B : Perpindahan kalor secara radiasi Proses dari B – C : Perpindahan kalor secara konduksi Proses dari C – D : Perpindahan kalor secara konveksi Proses dari D – E : Perpindahan kalor secara Radiasi
Perpindahan kalor secara radiasi yang terjadi pada water heater terdapat pada tabung water heater ke permukaannya ( dari tabung bagian tengah ke tabung bagian luar). Sedangkan yang terjadi pada Gambar 2.1 atau pada Gambar 2.2 terdapat pada, dari A ke B.
Perpindahan panas secara konduksi yang terjadi pada water heater dapat ditemukan pada permukaan luar pipa tembaga yaitu panas yang diterima pipa permukaan luar mengalir ke permukaan dalam pipa tembaga.Sedangkan perpindahan konduksi yang terjadi pada Gambar 2.1atau pada Gambar 2.2 dari C keD.
Perpindahan kalor secara konveksi yang terjadi pada water heater terdapat pada permukaan dalam pipa tembaga ke fluida yang mengalir (nyala api menyentuh sirip-sirip pipa tembaga). Sedangkan perpindahan kalor secara konveksi yang terjadi pada Gambar 2.1 atau pada Gambar 2.2 dari B ke C
2.1.2 Perancangan pipa saluran air
11 kontruksi lebih baik dibanding dengan perancangan pipa yang berbentuk berupa tekukan karena pada rancangan pipa yang bertekuk memiliki hambatan yang besar untuk air dapat mengalir, sedangkan untuk rancangan pipa yang yang bentuknya melingkar mempunyai hambatan yang kecil dibanding dengan rancangan pipa lainnya.
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/moC yang tinggi dan memiliki titik lebur yang tinggi pula yaitu 600oC dan nilai ekonominya. Jika dibandingkan dengan alumunium murni memiliki harga k = 202 W/moC yang rendah juga titik lebur yang rendah yaitu 400oC. Jika dilihat dari segi nilai konduktivitas termal antara alumunium murni dan tembaga murni, maka sebagai peneliti lebih memilih tembaga murni karena memiliki nilai konduktivitas termal yang tinggi juga memiliki titik lebur yang tinggi pula sehingga pada saat pembakaran tidak terjadi lebur pada water heater.
Sebenarnya masih banyak bahan yang memiliki nilai konduktor termal lebih tinggi dibandingkan tembaga seperti emas dan perak.Akan tetapi dilihat dari segi ekonominya, tembaga lebih murah dibandingkan emas dan perak.
12 perpindahan panas secara konveksi terjadi dari pipa tembaga ke fluida yang mengalir.
Pada umumnya saluran air berupa pipa dan berbentuk spiral. Ada beberapa pertimbangan dalam pembuatan pipa saluran air. Pertama, hambatan pipa saluran air diusahakan kecil. Hambatan air, ketika air mengalir di dalam saluran pipa diusahakan kecil. Oleh karena itu dalam pembuatan pipa saluran air diusahakan tidak mengalami pembelokan. Kalau terpaksa ada pembelokan, sudut pembelokan pipa diusahakan besar (misalnya lebih besar dari 90o), pembelokan diusahakan terjadi secara halus (misalnya pembelokan pipa dibuat melengkung dengan radius tertentu, atau dibuat melingkar – lingkar). Hal ini dimaksudkan agar daya pompa yang diperlukan untuk mendorong air kecil dan gesekan yang terjadi antara fluida dan pipa semakin kecil.
Pemilihan diameter juga menentukan hasil kerja water heater. Semakin kecil diameter pipa tembaga semakin besar hasil yang diterima panas air oleh water heater ( panas air yang dihasilkan), tetapi tidak hanya diameter pipa yang
13 Gambar 2.3 Bentuk pipa saluran air
Kehalusan permukaan saluran air, pipa bagian dalam juga dipilih yang baik. Semakin halus permukaan pipa bagian dalam, semakin kecil gesekan yang terjadi atau semakin kecil daya pompa yang diperlukan. Kedua, bahan pipa dipilih yang baik dalam memindahkan kalor. Bahan diusahakan mampu mengalirkan kalor konduksi yang besar, mampu memindahkan kalor yang diterima dari api ke fluida yang mengalir di dalam pipa. Dan juga harus mempertimbangkan harga dari pipa saluran air. Terjangkau, tidak mahal, misalnya dengan mempergunakan bahan dari alumunium atau tembaga. Semakin tinggi nilai konduktivitas termal bahan, semakin besar laju aliran kalornya. Ketiga, diameter pipa saluran air harus dipilih sedemikian rupa. Semakin kecil diameter pipa, semakin besar hambatan yang terjadi. Semakin kecil diameter ukuran pipa semakin besar daya pompa yang diperlukan. Disisi lain, semakin kecil diameter saluran, suhu air yang dihasilkan (suhu yang keluar dari water heater) akan semakin besar.
14 heater tersebut disimpan dilingkungan terbuka yang kontak langsung dengan
permukaan benda.
Tabel 2.1 Konduktivitas bahan pada water heater
Sumber : Holman, J.P, 1993,perpindahan kalor,edisi keenam,Erlangga: Jakarta
Bahan Konduktivitas bahan (W/m) OC Titik lebur OC
Tembaga murni 368 600
Alumunium murni 202 400
Perak murni 419 400
Kuningan 111 400
Besi murni 73 1200
Baja karbon 54 1200
2.1.3 Sirip
Fungsi sirip untuk memperluas permukaan benda yang dipasangi sirip, jika sirip dipasang di pipa saluran air yang akan di panaskan maka sirip tersebut akan membantu pipa saluran air dalam menangkap panas api yang diberikan oleh kompor sehingga mampu memanaskan pipa saluran air dengan lebih cepat. Maka dari pemasangan sirip juga berpengaruh terhadap suhu keluar air dari water heater.Pemilihan umum pembuatan sirip tidaklah sembarangan karena
15 atau zat cair mendidih, maka sirip ini dapat mengakibatkan berkurangnya perpindahan kalor.Hal ini disebabkan karena dibandingkan dengan tahanan konveksi, tahanan konduksi merupakan halangan yang lebih besar terhadap aliran kalor.
2.1.4 Bahan Bakar
Ada banyak jenis bahan bakar. Pada water heater jenis gas sebagian besar bahan bakarnya adalah Liquified Petroleum Gas (LPG). LPG di Indonesia dipasarkan oleh Pertamina dengan merek LPG. Ada tiga macam LPG yang diproduksi Pertamina antara lain, LPG untuk keperluan rumah tangga, LPG gas Propana dan LPG gas Butana. Dari ketiga jenis LPG, yang umum digunakan untuk water heater adalah LPG untuk rumah tangga, yang komposisinya adalah campuran antara Propana dan Butana.
Komponen utama bahan bakar LPG (dari hasil produksi kilang minyak dan
gas) adalah gas Propana
C3H8
dan Butana
C4H10
, dengan komposisi kuranglebih sebesar 99 %, selebihnya adalah gas Pentana
C5H12
yang dicairkan. Perbandingan komposisi Propana dan Butana adalah 30 : 70. LPG lebih berat dari udara dengan berat jenis sekitar 2,01 (dibandingkan dengan udara). Tekanan uapLPG cair dalam tabung sekitar 5 – 6,2 2 cm
kg .Nilai kalori sekitar : 21.000
16 Reaksi pembakaran Propana (C3H8) , jika terbakar sempurna adalah
sebagai berikut :
8 3H
C + 5O2 → 3CO2 + 4H2O + panas
Propana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Menurut Wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut setara dengan 46000000 J/kg atau 46MJ/kg.
Reaksi pembakaran Butana (C4H10), jika terbakar sempurna adalah sebagai
berikut :
2C4H10+ 13O2 → 8CO2 + 10H2O + panas
Butana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Menurut wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut hampir sama dengan Propana yaitu setara dengan 46 MJ/kg.
Sebagai gambaran : Untuk menaikkan 1 gram air sebesar 1°C dibutuhkan energi sebesar 4,186 J. Untuk menaikkan suhu 1 Liter air dari suhu ruangan (30°C) akan dibutuhkan energi sebesar 293.020 J. Pada tahap ini, air baru mencapai suhu 100°C dan belum mendidih. Diperlukan energi lagi sebesar 2257 J/gram air untuk merubah air menjadi uap. Pada kondisi udara luar, 1 kg Propana memiliki volume
17 Tabel 2.2 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 (kkal/kg)
2.1.5 Saluran Udara Masuk
Untuk memenuhi persyaratan agar proses pembakaran terjadi, api membutuhkan oksigen yang terkandung di udara agar panas yang dihasilkan dapat maksimal. Saluran udara yang terdapat di water heaterterdapat pada bagian permukaan water heater dengan lubang-lubang.Hal ini dimaksudkan agar udara dapat masuk kedalam ruang water heater disekitar tempat pembakaran berlangsung.Apabila water heater kekurangan udara dalam proses pembakarannya maka hasil pembakaran tidak dapat maksimal. Karena sifat api yang membutuhkan oksigen untuk proses pembakarannya api akan cenderung mengarah keluar dari water heaterjika pasokan udara tidak ada didalam water
heater. Didalam keadaan normal komposisi oksigen di dalam udara berkisar 20,
18 2.1.6 Kebutuhan Udara
Didalam proses pembakaran memerlukan oksigen. Pada proses pembakaran bahan bakar untuk pemanas air dapat mempergunakan oksigen yang dapat diambil dari lingkungan (udara bebas). Aliran udara yang diperlukan harus disesuaikan dengan ukuran tabung pemanas air dan pipa yang digunakan dengan kata lain aliran udara yang diperlukan harus dikondisikan sedemikian rupa agar api yang diperlukan dalam proses pembakaran mendapatkan kebutuhan udara yang cukup. Kekurangan oksigen dapat mengakibatkan nyala api tidak sesuai dengan apa yang diinginkan. Kekurangan kebutuhan udara dapat menyebabkan kalor yang dipindahkan ke air kurang. Kelebihan oksigen juga mengakibatkan kecilnya panas yang dapat diserap oleh pipa. Bentuk api atau nyala api 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.
Tabel2.3Komposisi udara dalam keadaan normal
(Sumber : repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/16641/4/Chapter %20I.pdf)
Udara Komposisi %
Nitrogen 78.1
Oksigen 20.93
Karbon dioksida 0.03
19 2.1.7 Saluran Gas Buang
Hasil pembakaran bahan bakar akan menghasilkan gas buang. Gas buang yang dihasilkan berupa gas dan uap air yang keluar. Kemudian gas buang atau gas asap harus diberikan jalan untuk keluar dari water heater agar nyala api tidak terganggu. Perancangan gas buang harus mempertimbangkan besar kecilnya debit gas buang yang terjadi. Dalam perancangan saluran gas buang, diusahakan agar gas buang dapat mengalir keluar dengan lancar. Perlu diperhatikan juga, penempatan lubang keluar dari gas buang, harus dipilih sedemikian rupa agar tidak mengganggu pengguna dari water heater. Suhu gas buang akan menguntungkan jika suhu gas buang hampir sama dengan suhu udara atau tidak begitu besar perbedaannya antara suhu gas buang dengan suhu udara. Semakin kecil perbedaan kalor yang diberikan sumber pemanas, maka semakin banyak kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu air. Oleh karena itu, dalam perancangan dan pembuatan saluran gas buang, diusahakan sedemikian rupa sehingga tidak banyak energi yang terbuang secara percuma. Ukuran lubang dan posisi lubang keluaran sangat menentukan besarnya suhu gas asap yang keluar dari water heater.
20 berfungsi dengan baik untuk memanaskan air. Tentunya dalam perancangan ini dibutuhkan nyala api yang mampu memindahkan kalor yang besar ke dalam air. 2.1.8 Media Pembakar
Media pembakar adalah sebuah media yang menghasilkan api atau pun panas, media pembakar memiliki banyak variasi. Media pembakar ada yang menggunakan LPG ataupun minyak tanah sebagai sumber bahan bakar. Media pembakar dengan bahan bakar LPG memiliki keunggulan dibandingkan dengan minyak tanah, listrik dan kayu bakar yaitu pemanasan yang terjadi cepat serta daya pemanasan LPG besar dibanding yang lain. Media pembakar yang banyak beredar dipasaran dan yang digunakan untuk penelitian tentang water heater.
21 Gambar 2.4 Media pembakar yang menggunakan bahan bakar LPG
Spesifikasi media pembakar pada Gambar 2.4 sebagai berikut: Dimensi (mm) : 570 x 315 x 168 (PLT)
Daya pemanasan : 21.8 kW/h High Pressure Bahan : Besi tuang
Gambar 2.5 Kompor portable RT
Dimensi (mm) : 3442 x 275 x 85 (PLT) Daya pemanas : 0,15 kg/h
22 Gambar 2.6 Kompor gas 2 tungku
Kompor gas pada Gambar 2.6 memiliki spesifikasi sebagai berikut : Dimensi : 720 x 415 x 201, mm
Daya pemanas : 3,6 - 3,8, kW/h
2.1.9 Isolator
Isolator diperlukan agar kalor hasil pembakaran bahan bakar tidak banyak keluar dari pemanas air. Oleh karena itu tabung dalam, dimana ruangan di dalam tabung digunakan untuk proses pembakaran, maka sebaiknya permukaan sebelah luar dari tabung dalam diberi isolasi agar kalor hasil pembakaran tidak keluar. Ada banyak macam isolasi. Udara adalah salah satu isolator panas yang cukup murah dan mudah didapat. Jika dipergunakan udara sebagai isolator, maka pemasukan udara untuk keperluan pembakaran dapat melalui lubang – lubang yang dibuat di dinding tabung dalam.
Tabel 2.4Konduktifitas termal beberapa media
(Sumber :http://www.scribd.com/doc/61109210/BAB-II-Termal)
Media Konduktivitas termal (K) W/ moC
23
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) :
Qair = ṁair Cair (Tin– Tout) ... (2.1)
Qair : laju aliran kalor yang diterima air, watt
ṁair : Laju aliran massa, kg/s
Cair : kalor jenis air, J/kg⁰C.
Tin : suhu air masuk water heater , ⁰C
Tout : suhu air keluar water heater , ⁰C
Um : kecepatan rata-rata fluida mengalir, m/s
: massa jenis fluida yang mengalir, kg/ 3 m
24 Qair
ρ, ṁairCair Um
Tin Tout
Gambar 2.7 Laju aliran kalor
2.1.11 Laju Aliran Kalor yang Diberikan Gas
Kalor yang diberikan gas dapat dihitung dengan mempergunakan persamaan (2.3) :
Qgas= mgas Cgas ... (2.3)
Pada persamaan (2.3) :
ṁgas= laju aliran massa gas elpiji yang terpakai (kg/s)
gas
C = kapasitas panas gasLPG( J/kg), (1kkal = 4186,6 J), tersaji pada (Tabel 2.1),
untuk LPG sebesar : 11900 kkal /kg = (11900) (4186,6) J/kg Catatan :
1 kkal = 4186.6 J
2.1.12 Efisiensi
Efisiensi water heateradalah dapat dihitung dengan persaman (2.4)
η = Qair/Qgas x 100% ... 2.4)
Pada persamaan (2.4) :
25
η= Efisiensi water heater, %
Qair= Laju aliran kalor yang diterima air, kJ
Qgas= Laju airan kalor yang diberikan gas, watt
2.2 TINJAUAN PUSTAKA
Perkembangan water heater untuk memenuhi kebutuhan masyarakat sangat meningkat dengan water heater yang ditawarkan di pasaran berbagai macam water heater dari segi bentuknya, segi modelnya, kapisitas air yang mengalir dan juga sumber bahan bakar yang digunakan berbagai macam bahan bakar. Sumber bahan bakar yang digunakan dalam water heater tersebut sebagai contoh bahan bakar gas LPG, energi listrik, energi matahari dan biogas. Namun
water heater yang dijual di pasaran berkapasitas 5 – 8 liter/menit biasanya
digunakan dalam rumah tangga tetapi kalau yang digunakan di perhotelan, rumah sakit dan di dunia hiburan berbeda, yang di butuhkan atau yang digunakan adalah kapasitas yang besar.
Dalam tinjauan pustaka ini pembandingkan spesifikasi water heater,model
– model water heaterbahan bakar gas LPG yang ada adalah sebagai berikut :
2.2.1 Spesifikasi water heater yang ada dipasaran
Dalam sub ini akan memberikan beberapa tinjauan untuk water heater dapat diketahui dari spesifikasi yang beredar dipasaran. Spesifikasi dari water heater yang ada dipasaran, antara lain : (a) Water heater 1, (b) Water heater
26 a. Gaswater heaterX-1
Gambar 2.8Water Heater X-1
Spesifikasi
Warna : putih
Komsumsi gas : 0,5 kg/jam Kapasitas maksimum : 6 Liter/menit
Berat : 37 kg
Dimensi luar : 740 x 430 x 248, mm Temperatur maksimum : 40OC - 80OC
Type gas : NG atau LPG
27 Gambar 2.9Water heater X-2
Spesifikasi
Gas Input : Low 18MJ/h
Warna : Putih
Komsumsi gas : 0,8 kg/jam Kapasitas maksimum : 16 Liter/menit
Berat : 15 kg
Temperatur : 37oC – 55oC
Dimensi Luar : 350 x 530 x 194 mm
Tipe Gas : AGA atau LPG
Diameter pipa : ½ inchi Bahan saluran air : Pipa tembaga
c. Gas water HeaterX-3
Gambar 2.10Water heaterX-3
Spesifikasi
Warna : Putih
28 Gas input : Low 0,6 kg/h
Temperatur maksimum : 35oC – 65oC Kapasitas maksimum : 6 Liter/menit
Berat : 15 kg
Dimensi Luar : 740 x 430 x 248 mm
Type Gas : NG LPG
d. Gas water heater X-4
Gambar 2.11Water heaterX-4
Spesifikasi
Model : JLG30-BV6
Komsumsi gas : 0,5 kg/jam Kapasitas maksimum : 6 L/menit
Berat : 39 kg
Dimensi luar : 760 x 430 x 320 mm
Type gas : NG LPG
29 2.2.2 Water heater yang ada dipasaran
Beberapa tinjauan water heater yang banyak diketahui dipasaran dengan banyak perbedaan yang ada pada masing – masing water heater yang terdapat pada rancangan pipa. Pada umumnya rancangan pipa suatu water heater mengikuti rancangan water heater maupun rancangan media pembakarannya, antara lain :
Gambar 2.12Water heater tanpa blower Sumber :https://www.diyanswerguy.com
30 antara permukaan heat exchanger dan pipa yang berisi air, terjadi perpindahan panas dari heat exchanger ke air yang berada didalam pipa tembaga tersebut.
Gambar 2.13 Rangkaian water heater dengan menggunakan blower Sumber :www//http.original-crafters.com
31 Gambar 2.14Water heater menggunakan outlet dan inlet
Sumber :https://www.chilipepperapp.com
32 Gambar 2.15 Rangkaian water heater dengan posisi blower ada diatas
33 Gambar 2.16Rangkaian water heater yang mempunyai pipa saluran air
berbentuk spiral
Sumber :https://www. waterheatertimer.org%252FTankless.com
Cara kerja water heater pada Gambar 2.16 adalah air yang masuk melalui saluran pipa input langsung dipanaskan karena api yang berkontak langsung dengan permukaan, sehingga tidak perlu menunggu proses pemanasan pada saluran pipa air. Akibat adanya perbedaan suhu antara permukaan heat exchanger dengan pipa yang berisi air sehingga terjadi perpindahan panas dari heat exchanger ke air yang berada didalam saluran pipa air yang dilingkari dengan
heatexchanger.Dengan pipa saluran air yang berbentuk spiral untuk
34 2.2.3 Hasil penelitian water heater gas LPG oleh orang lain
Putra, P. H (2013) telah melakukan penelitian water heater gas LPG yang
berjudul “Water heater Dengan Panjang Pipa 20 meter dan 300 Lubang Masuk
Udara Pada Dinding Luar” 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) Mendapatkan hubungan antara debit air dengan efesiensi water heater. Penelitian tersebut dilakukan dengan batasan-batasan sebagai berikut: (a) Water heater yang dibuat memiliki dimensi tinggi 90 cm, (b) Diameter pada dinding luar 25 cm, (c) Diameter pada dinding dalam 20 cm, (d) Panjang pipa 20 meter, (e) Diameter bahan pipa 3/8 inci, (f) 300 lubang masuk udara pada dinding luar, (g) 1005 Lubang pada dinding dalam water heater, (h) 6 buah sirip pada pipa berdiameter 3/8 inci, (i) Variasi dilakukan pada besarnya debit air masuk water heater. Dari hasil penelitian tersebut didapatkan (a) Water heateryang dibuat mampu bersaing dengan water heater yang ada dipasaran, yang
mampu menghasilkan panas dengan temperatur 42,9oC pada debit 10 liter/menit, (b) Hubungan antara debit air yang mengalir (m) dengan temperatur air keluar
water heater(To) dapat dinyatakan dengan persamaan To = -0,027 m3+ 1,126 m2 -
16,52 m + 129,9 ( m dalam liter/menit, To dalam oC) dan R2=0,997. (c) Hubungan
antara debit air yang mengalir dengan laju perpindahan kalor dinyatakan dengan persamaan Qair =17,09 m3 + 489 m2 + 439 m + 3654 (m dalam liter/menit, Qair
35 efesiensi water heater dapat dinyatakan dengan persamaan η= 0,077 m3 – 2,208 m2+ 19,84 m + 16,50 (m dalam liter/menit, η dalam %) dan R2 = 0,94.
Eko Setyawan (2012) telah melakukan penelitian 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 debit air 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. Penelitian tersebut melakukan batasan – batasan sebagai berikut: (a) Water heater yang dibuat memiliki dimensi tinggi 90 cm dengan diameter 25 cm, (c) Diameter pada dinding dalam 20 cm, (d) Panjang pipa 20 meter, (e) Diameter bahan pipa 3/8 inchi (0,9525 cm), (f) 150 lubang udara pada dinding luar, (h) 7 buah sirip pada pipa berdiameter 3/8 inchi dan panjang sirip 50 cm, (i) Variasi dilakukan pada besarnya debit air masuk water
heater. Dari hasil penelitian tersebut didapatkan (a) Water heater yang dapat
dibuat dengan baik dan mampu bersaing dengan water heater yang ada dipasaran yang mampu menghasilkan panas dengan temperatur 45 oC pada debit 14 liter/menit, (b) hubungan antara debit air yang masuk dengan temperatur air yang mengalir dinyatakan dengan persamaan Tout = 0,297 mair2 – 9,566 mair+ 121,9 (
mairdalam liter/menit, Tout dalam oC) dan R2 = 0,990. (c) Hubungan antara debit air
yang masuk dengan laju aliran kalor yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan Qair = - 171,9 mair2 + 3154 mair + 6873 (mairdalam liter/menit, Qair
36 efisiensi water heater yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan η = - 0,776 mair2 + 14,24 mair + 31,04 (mairdalam liter/menit,η dalam %) dan R2 = 0,967.
Robi Darma P. (2013) telah melakukan penelitian water heater gas LPG
yang berjudul “Karakteristik Water Heater Degan Panjang Pipa 14 Meter,
Diameter 0,5 Inchi dan Bersirip” Yang bertujuan: (a) Merancang dan membuat
water heater, (b) Mendapatkan hubungan debit air 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. Penelitian tersebut melakukan batasan–batasan sebagai berikut: (a) Kondisi air masuk water heater sama dengan suhu air kamar mandi (25°C–27°C), (b) Panjang pipa lintasan air yang dipergunakan dalam water heater 14 meter, (c) Kondisi air keluar water heater diharapkan lebih dari 40°C pada debit 6 liter/menit, (d) Panjang pipa : 14 meter, (e) Bahan pipa : tembaga, (f) Diameter pipa tembaga : 0,5 inchi, (g) Saluran pipa air diberi sirip dari bahan pipa tembaga, (h) Sumber panas berasal dari pembakar kompor gas LPG. Dari penelitian yang dilaksanakan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : (a) Water heater dengan spesifikasi panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip dapat dirancang dan dibuat dengan baik, (b) Hasil terbaik dalam variasi penutup antara debit air yang masuk dengan temperatur air yang mengalir dinyatakan dengan persamaan : Tout = 112,8(Q)-0,4, R² = 0,984. Persamaan ini berlaku untuk 1,5 liter/menit < Debit air
37 antara debit air yang masuk dengan laju aliran kalor yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan : qair = 0,001(Q)2 + 0,026(Q) + 9,216. Persamaan ini berlaku berlaku untuk 1,44 liter/menit < Debit air < 48,4 liter/menit pada tekanan udara sekitar berkisar 1 atmosfer dan pada suhu air masuk 25,9°C pada variasi penutup terbuka 10 putaran. Kalor yang diterima air dari water heater berkisar antara 7,533 kW – 12,556 kW, (d) Hasil terbaik dalam variasi penutup antara debit air yang masuk dengan efisiensi water heater yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan : Efisiensi = -0,028(Q)2 + 0,838(Q) + 24,43
38
BAB III
PEMBUATAN
WATER HEATER
3.1 PERSIAPAN
Pada persiapan awal pembuatan water heater dengan panjang pipa 8 meter dan diameter ½ inchi tanpa penutup atas dan dengan penutup atas merupakan pembuatan water heater dengan tiga tabung yaitu tabung bagian dalam, tabung bagian tengah dan tabung bagian luar. Proses persiapan selanjutnya adalah pengukuran – pengukuran terhadap desain water heater meliputi rangka dalam, rangka luar, tabung dalam, tabung luar dan penutup water heater mengikuti diameter pembakaran atau burner.
3.2 BAHAN WATER HEATER
3.2.1 Penyediaan bahan water heater
Bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan water heater yaitu antara lain:
a. Pipa tembaga dengan diameter dalam ½ inchi sebagai saluran air b. Baut dan mur
39 Gambar 3.1 Baut dan Mur
40 Gambar 3.3 Besi nako
Gambar 3.4 Paku rivet dan alat penjepit
41 3.2.2 Penyediaan alat yang digunakan dalam pembuatan water heater
Alat-alat yang digunakan dalam pembuatan water heater sebagai berikut, antara lain :
a. Gunting, berfungsi untuk memotong seng yang digunkan sebagai body water heater
b. Penggaris, berfungsi untuk mempermudah dalam pemotongan seng c. Mesin las, berfungsi untuk mengelas rangka-rangka water heater d. Cuter pipa, berfungsi untuk memotong pipa tembaga
e. Dray (+, -), berfungsi untuk membuka atau mengancing
f. Termokopel dan APPA,berfungsi untuk mengukur suhu air yang keluar dari water heater
g. Gelas ukur, berfungsi untuk mengukur debit air yang keluar dari water heater h. Stopwatch, berfungsi untuk menghitung waktu
i. Timbangan, berfungsi untuk menimbang berat awal dan berat akhir sebuah gas LPG.
j. Paku keling berfungsi untuk menjepit besi strip dan besi nako k. Las listrik berfungsi untuk menyambungkan besi strip dan besi nako l. Tang berfungsi untuk menjepit pipa tembaga dalam pembuatan sirip
m. Jangka sorong berfungsi untuk mengukur pada bagian water heater secara detail
3.2.3 Langkah-langkah pengerjaan
42 Menyiapkan keperluan lainnya, (d) Pemotongan pipa tembaga, (e) Pelingkaran Pipa, (f) Pembuatan tabung luar, tabung tengah dan tabung dalam, (g) Saluran udara masuk, (h) Pembuatan dudukan pipa, (i) Tabung udara dalam, (j) Pemasangan kompor.
a. Menyiapkan rancangan water heater
Dalam mendesain sebuah water heater perlu dilakukan dengan cara menggambar menggunakan tangan maupun menggunakan software-software yang mendukung.
43 Gambar 3.7 Rancangan water heater tampak dari bawah
b. Menyediakan alat dan bahan
Setelah selesai mendesain water heater, maka mulai menentukan bahan-bahan yang akan digunakan untuk membuat water heater, kemudian membelinya. c. Menyiapkan alat – alat yang diperlukan untuk membuat water heater.
Setelah menyiapkan bahan-bahan water heater telah selesai, maka perlu mempersiapkan alat – alat yang diperlukan dalam pembuatan water heater.
d. Pemotongan pipa tembaga
44 Gambar 3.8 Proses pemotongan pipa
e. Pelingkaran Pipa
Pipa tembaga yang awalnya berbentuk lurus menjadi melingkar dengan ukuran diameter dalam 150 mm dan diameter luar 175,4 mm .
45 Setelah proses pelingkaran selesai dilanjutkan dengan proses pemasangan 8 sirip pipa tembaga dengan panjang masing 200 mm, mula – mula sirip yang telah dipotong sebesar 200 mm diluruskan dan diberi lubang pada tiap –tiap ujung sirip untuk pemasangan sirip pada piia tembaga yang tela dibuat melingkar. Pemasangan sirip secara vertikal teradap lingkaran pipa tembaga.
f. Pembuatan tabung luar dan tabung dalam
Pembuatan rangka tabung dalam dan tabung luar, tinggi tabung dalam dan tabung luar 290 mm dengan dua besi strip pada masing–masingtabung, kemudian dilanjutkan dengan proses pemasangan pertama-tama pada tabung dalam dengan kondisi pipa tembaga beserta sirip telah dimasukan pada rangka tabung dalam, pada plat strip penyangga rangka lekatkan plat galvum kemudian dilakukan proses pemboran berjumlah 5 titik dengan jarak tiap titik 60 mm pada tiap titik kemudian diberi paku rivet, jika pemasangan hampir menutupi rangka maka dilakukan pemotongan seng untuk jalur keluar dan masuk pipa tembaga. Setelah proses ini berlangsung dilakukan proses pemboran pada besi nako dan dipasangi paku rivet.
46 Gambar 3.11 Tabung bagian dalam tampak dari atas
Gambar 3.12 Tabung bagian dalam tampak dari bawah
47 Gambar 3.13 Rancangan saluran pipabagian dalam rangka
g. Saluran udara masuk
Dilakukan pemboran pada dinding rangka luar dan rangka dalam, hal ini dimaksudkan agar sirkulasi udara lancar dan udara dapat masuk ke dalam tabung sebagai syarat proses pembakaran untuk menghasilkan panas yang optimal.
48 h. Pembuatan dudukan pipa
Memotong plat strip dengan panjang 20 mm sebanyak 2 buah untuk dudukan pipa tembaga di bagian dalam hal ini dimaksudkan agar pipa tidak banyak bergerak atau guncangan di angkat.
Pemasangan plat strip dengan panjang 20 mm menggunakan las listrik pada bagian atas dan bagian bawah pipa tembaga.
i. Tabung udara dalam
Pembuatan tabung dalam dibuat menyerupai tabung yang ada pada permukaannya diberi lubang udara, ukuran tinggi tabung dalam setinggi 290 mm dan berdiameter 250 mm.
j. Pemasangan kompor
Pemasangan kompor ini cukup sederhana, hanya pemasangan tungku besar dan kompor gasnya disesuaikan.
3.2.4 Hasil pembuatan
Hasil pembuatan alat water heaterdapat dilihat pada lampiran 3.2.5 Kesulitan dalam pengerjaan
Adapun kesulitan–kesulitan dalam pengerjaan water heater, antara lain : a. Memasukan pipa tembaga kebagian water heater
b. Mengalami kesulitan pada saat melengkungkan pipa tembaga agar dapat bentuk spiral.
49 3.2.6 Pengujian alat water heater dengan panjang pipa 8 meter dan
diameter pipa ½ inchi dengan menggunakan 2 tabung.
Pada pengujian ini alat menggunakan 2 tabung, burner memerlukan pasokan gas dari tabung LPG untuk melakukan proses pembakaran, kemudian
water heater diletakan diatas burner dengan meletakan dudukan burner dengan
tabung bagian luar sejajar, hal ini dimaksudkan agar pada proses pembakaran api dapat dengan baik membakar pipa–pipa tembaga didalamnya. Pada tiap lubang pipa masuk dan keluar diberi selang pada pipa input disambung pada kran air yang mengalirkan air.
Gambar 3.15 Pengambilan data
50 dengan selang pada pipa output) dengan menggunakan termokopel dan APPA, perhitungan suhu air pada variabel debit input yang diubah-ubah (tidak konstan) dilakukan proses pemanasan sementara, proses ini dilakukan karena setiap debit yang diubah–ubah maka perlu membutuhkan waktu pemanasan yang berbeda– beda dengan tiap variabel rata–rata waktu pemanasan air membutuhkan waktu 3 menit untuk menghasilkan panas maksimal yang dapat dihasilkan oleh water heater dengan panjang pipa 8 meter dan diameter ½ inchi.
51 3.2.7 Cara kerja water heater
Cara kerja water heater cukup sederhana, pertama – tama pipa saluran air yang berbentuk spiral dipanaskan oleh api, setelah dipanaskan beberapa saat air dialihkan melalui saluran pipa tembaga yang telah panas, proses penambahan kalor akan terjadi panas pada permukaan pipa akan diserap oleh air yang mengalir (konveksi) sehingga suhu air akan meningkat. Sedangkan fungsi sirip disini sebagai penangkap panas atau kalor sehigga terjadi penambahan kalor yang cukup banyak dan kalor akan mengalir dari panas api menuju ke permukaan sirip (konveksi) dan terus mengalir ke permukaan pipa (konduksi) dan kemudian menuju air yang mengalir (konveksi)
3.2.8 Prinsip kerja water heater
Langkah–langkah prinsip kerja water heater antara lain : Langkah 1 : Proses penambahan kalor
Proses pemanasan diawali dengan burner secara visual dari sumber bahan bakar pada komponen pipa tembaga. Proses ini membutuhkan waktu beberapa saat untuk menunggu proses perpindahan kalor secara konveksi yang terjadi dari sumber api dengan udara yang ada disekitar api, yang telah panas menuju ke permukaan luar pipa tembaga yang berbentuk spiral dan permukaan sirip dan mengalir menuju ke permukaan dalam pipa.
Langkah 2 :Input
52 panas, kemudian diterima oleh permukaan sirip (secara konveksi) dan dari permukaan sirip kemudian mengalir menuju permukaan luar pipa (konduksi). Kalor terus mengalir dari permukaan pipa menuju ke permukaan dalam pipa dan akhirnya mengalir ke fluida yang bergerak (secara konveksi) sehingga temperatur air meningkat akibat kalor yang diserap.
Langkah 3 :Output
53
BAB IV
METODOLOGI PENELITIAN
4.1 OBJEK YANG DITELITI
Objek yang diteliti adalah water hater yang merupakan hasil rancangan sendiri dengan panjang pipa 8 meter dan diameter pipa 0,5 inchi.
4.2 SKEMATIK ALAT PENELITIAN
Skematispengujianalat water heater disajikan padaGambar 4.1.
54 Keterangan :
1. Kran saluran air 5. Water heater 2. Tabung yang berisi gas 6. Gelas Ukur
LPG 7. Stopwatch
3. Kompor 8. Regulator gas LPG 4. APPA
Untuk mengalirkan air menuju water heaterdiperlukan adanya air yang diambil dari kran air. Kran digunakan sebagai mengatur jumlah debit air yang digunakan untuk mengaliri air ke water heater. LPG digunakansebagaibahanbakarkomporuntukmemanasi air yang mengalir di dalamwater heater. Untukmengukursuhu air masuk (input) dansuhu air keluar (output)menggunakantermokopel digital.
4.3 ALAT BANTU PENELITIAN
Alat – alat yang digunakan dalam penelitian water heater ini antara lain : a. TermokopelAPPA 5.1 berfungsiuntukmengukursuhu air yang masuk dan
keluardariwater eater b. Komporgas LPG c. Regulator gas LPG
d. Kranberfungsiuntukmengatur debit air
e. Klemberfungsiuntukmengancingantarasambungan–
sambunganpipatembagadenganselang air padawater heater
55 h. Selangkaret, sebagaipenyambungdari gas kekompor.
i. Kalkulatordanalattulis,digunakanuntukmenulisdanmengolah data. j. Penyangga,sebagaitumpuanwater heater.
k. Stopwatch, sebagaipengukurwaktu.
l. Gelasukur, sebagaitempatpenampungfluida
56 Gambar 4.3Stopwatch dan Timbangan
57 Gambar 4.5 Termokopel dan Alat tulis
Gambar 4.6 Kompor high pressure
4.4 VARIASI PENELITIAN
Variasi penelitian dilakukan terhadap debit gas yang dipergunakan pada saat pembakaran gas LPG:
58 4.5 CARA MEMPEROLEH DATA
Data penelitian diperoleh dari nilai–nilai yang ditampilkan oleh alat ukur, volume air yang tertampung di gelas ukur, waktu yang dicatat stopwatch, berat gas awal, berat gas akhir, dan waktu yang diperlukan dalam pembakaran.
4.6 CARA MENGOLAH DATA
Setelah data–data diperoleh dari penelitian, kemudian data diolah. Hasil pengolahan data kemudiandisajikan dalam bentuk grafik :
a. Hubunganantara debit air dengansuhu air keluardariwater heater. b. Hubunganantara debit air denganlajualirankalor yang diterima air. c. Hubunganantara debit air denganefisiensiwater heater.
Untuk menghitung debit air dilakukan dengan mempergunakan persamaan (2.2), Untuk menghitung debit gas yang dilakukan dengan mempergunakan persamaan (2.3), Untuk menghitung laju aliran kalor dapat mempergunakan persamaan (2.1), Untuk menghitung efisiensi dapat dilakukan dengan mempergunakan persamaan (2.4).
4.7 CARA MENYIMPULKAN
59
BAB V
HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN
5.1 HASIL PENGUJIAN
Hasil pengujian water heater dengan panjang pipa 8 meter dan diameter ½ inchi, meliputi : volume air, berat awal gas, berat akhir gas, waktu dan suhu air masuk (Tin), suhu air keluar (Tout) disajikan pada Tabel 5.1 sampai Tabel 5.8
dengan pengujian yang dilakukan pada kondisi yang berbeda/variasi gas yang berbeda. Kondisi aliran gas pada saat posisi (a) posisi gas maksimum, (b) posisi gas medium dan (c) posisi gas low.
5.1.1 Hasil penelitian water heater yang pertama tanpa menggunakan
penutup atas water heater.
Yang dimaksud dengan hasil pengujian water heater yang pertama yaitu water heater yang belum menggunakan penutup atas.
Data hasil pengujian water heater dengan tanpa menggunakan penutup atas disajikan pada Tabel 5.1 - Tabel 5.4.
Tabel 5.1 Hasil pembakaran gas LPG pada penelitian pertama tanpa menggunakan penutup atas water heater
60 Tabel 5.2 Hasil pengujian water heater dengan posisi gas maksimum
No
Tabel 5.3Hasil pengujian alat water heater dengan posisi gas medium
61 Tabel 5.4 Hasil pengujian alat water heater dengan posisi gas low
No
Catatan : Suhu udara luar = 28oC pada tekanan udara luar
5.1.2 Hasil Penelitianwater heater yang kedua menggunakan penutup
ataswater heater.
Yang dimaksud dengan hasil pengujian water heater yang kedua yaitu water heater yang sudah menggunakan penutup atas.
Data hasil pengujian water heater dengan menggunakan penutup atas disajikan pada Tabel 5.5 – Tabel 5.8.
Tabel 5.5 Hasil pembakaran gas LPG pada pengamatan yang kedua dengan menggunakan penutup atas water heater.
62 Tabel 5.6 Hasil pengujian alat water heaterdengan posisi gas maksimum
No
Tabel 5.7 Hasil pengujian alat water heater dengan posisi gas medium
63 Tabel 5.8 Hasil pengujian alat water heater dengan posisi gas low
No
5.2.1 Perhitungan pada water heater yang pertama tanpa menggunakan
penutup atas
Diawal telah diketahui bahwa yang dimaksud dengan pengamatan yang kedua yaitu water heater yang belum menggunakan penutup atas water heater.
Perhitungan kecepatan air rata–rata Um laju aliran massa air ṁ dan laju aliran kalor Q yang diserap air dilakukan dengan mempergunakan data–data pada Tabel 5.2 sampai Tabel 5.4. Data–data lain yang dipergunakan adalah :
Kalor jenis air (cp) = 4179 J/(kg oC) Laju aliran massa gas maksimum (ṁgas max) = 0,0286 kg/menit Laju aliran massa gas medium (ṁgas med) = 0,0216 kg/menit Laju aliran massa gas low (ṁgas low) = 0,0146 kg/menit
64 Diameter pipa tembaga = ½ inchi (0,0127 m)
Jari–jari saluran pipa tembaga = 0,00635 m
Kapasitas panas gas (Cgas) = 11900 kkal/kg (Tabel 2.2)
= 11900 x 4186,6J/kg Catatan :
1 kkal = 4186,6 J
Tabel 5.9 Hasil perhitungan laju aliran gas LPG pada pengamatan pertama tanpa menggunakan penutup atas
No Berat awal gas
Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan oleh gas di luar saluran pipa mempergunakan persamaan (2.3)
Qgas max = (laju aliran massa gas maksimum)(kapasitas panas gas)
Qgas max = ṁgas max x Cgas
= [0,0286 kg/menit /(60)] x (11900 x 4186,6 J/kg ) = 23747,79 J/detik
65 5.2.1.2Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG dengan posisi gas medium
Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan oleh gas di luar saluran pipa mempergunakan persamaan (2.3)
Qgas med = (laju aliran massa gas medium)(kapasitas panas gas)
Qgas med = ṁgas med x Cgas
= [0,0216 kg/menit /(60)] x (11900 x 4186,6 J/kg ) = 17935,39 J/detik
= 17935,39W = 17,935 kW
5.2.1.3Laju aliran gas low yang diberikan gas LPG dengan posisi gas low
Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan oleh gas di luar saluran pipa mempergunakan persamaan (2.3)
Qgas low = (laju aliran massa gas low)(kapasitas panas gas)
Qgas low = ṁgas low x Cgas
= [0,0146 kg/menit /(60)] x (11900 x 4186,6 J/kg ) = 12121,33 J/detik
= 12121,33W = 12,121 kW
5.2.1.4Kecepatan air rata-rata (Um)
Perhitungan kecepatan air rata–rata Um yang mengalir di dalam saluran
66 a. Kecepatan air rata–rata Um pada posisi gas maksimum
Sebagai contoh perhitungan, untuk debit = 11,40 liter/menit (Tabel 5.11). Satuan debit air dikonversi menjadi satuan m3/s.
( )
Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap terdapat pada Tabel 5.11 b. Kecepatan air rata –rata pada posisi gas medium
Sebagai contoh perhitungan, untuk debit = 9,84 liter/menit (Tabel 5.12). Satuan debit air dikonversi menjadi satuan m3/s.
67 c. Kecepatan air rata –rata pada posisi gas low
Sebagai contoh perhitungan, untuk debit = 6,36 liter/menit (Tabel 5.4). Satuan debit air dikonversi menjadi satuan m3/s.
( )
Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap terdapat pada Tabel 5.13.
5.2.1.5Laju aliran massa air (ṁair)
Perhitungan laju aliran massa air ṁairdi dalam saluran pipa mempergunakan persamaan (2.2)
a. Laju aliran massa air pada posisi gas maksimum
ṁair = (massa jenis)(luas penampang)(kecepatan air)
= ρ ( r2
)(um)
Sebagai contoh perhitungan untuk debit air = 11,40 liter/menit (Tabel 5.11)
ṁair= (1000 kg/m3)(3,14x 0,006352 m2)(1,5007 m/s )
= 0,190 kg/s
