Tujuan penelitian water heater bersirip berbahan bakar LPG adalah sebagai berikut (1) merancang dan membuat water heater menggunakan sirip dengan bahan bakar LPG (2) mengetahui hubungan antara debit dengan suhu keluar (3) mengetahui energi kalor yang diserap air yang mengalir dalam water heater (4) mengetahui energi kalor yang diserap water heater (5) mengetahui efisiensi water heater (6) mengetahui hasil kerja terbaik water heater
dengan variasi penutup.
Penelitian dan pelaksanaan di laboratorium Teknik Mesin USD, adapun batasan - batasan dalam pembuatan water heater menggunakan sirip berbahan bakar LPG antara lain (1) Tin water heater 25ºC-27ºC (2) panjang pipa lintasan water heater adalah 14 meter (3) Tout
dari water heater ≥ 40º C dengan debit minimal 6 liter/menit (4) panjang pipa 14 meter (5) bahan pipa adalah tembaga (6) water heater diberi sirip (7) pembakar menggunakan kompor lpg.Variasi dilakukan terhadap besar kecilnya debit air yang masuk ke dalam water heater
dengan debit gas yang konstan pada water heater dan pada penutup water heater dengan variasi penutup tertutup penuh, terbuka 10 putaran dan 20 putaran(1) water heater dengan spesifikasi panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip dapat dirancang dan dibuat dengan baik dan dapat bersaing di pasaran serta mencapai target pemanasan yaitu debit 6 liter/ menit dengan suhu 40°C.Pada variasi penutup tertutup penuh memiliki debit aliran 10,8 liter/menit diperoleh suhu air yang keluar sebesar 41 °C, variasi penutup terbuka sebesar 10 putaran memiliki debit sebesar 8,88 liter/ menit dengan suhu keluar sebesar 40,4°C dan variasi penutup terbuka sebesar 20 putaran memiliki debit sebesar 8,4 liter/ menit dengan suhu keluar 42,3°C (2) hasil terbaik dalam variasi penutup antara debit air yang masuk denganTout menggunakan variasi penutup tertutup penuh (3) hasil terbaik dalam variasi penutup antara debit air yang masuk dengan laju aliran kalor menggunakan variasi penutup terbuka 10 putaran. Kalor yang diterima air dari water heater berkisar antara 7,533 kW – 12,556 kW (4) hasil terbaik dalam variasi penutup antara debit air yang masuk dengan efisiensi water heater menggunakan variasi penutup tertutup penuh (5) kalor yang diberikan gas LPG sebesar 36,535 kW (6)untuk variasi penutup water heater, variasi dengan kondisi penutup tertutup penuh adalah variasi yang terbaik.
ABSTRACT
Research objectives water heater LPG-fueled finned is as follows (1) designing and making the water heater using the fins with a LPG fuel (2) figure out the relationship between the temperature of discharge exit (3) knowing the thermal energy absorbed water that flows in the water heater (4) knowing the heat energy absorbed water heater (5) knowing the efficiency of the water heater (6) knowing the best water heater work with variations of the cover.
Research and implementation at the Laboratory of Mechanical Engineering USD, as for the limitations in making water heater using LPG-fueled fin among other things (1) Tin
water heater 25 º C-27 º C (2) lengths of pipes the water heater is 14 meters (3) Tout from
water heater ≥ 40 ºC with discharge at least 6 liters/min (4) length of pipe 2 meters (5) materials are copper pipe (6) water heater is given fins (7) burner lpg stove. Big nothingness of variation of discharge of water into the water heater with a constant gas discharge on water heater and water heater on the cover with the enclosed cover variations full, open 10 rounds and 20 rounds (1) water heater with specification of the length of the pipe is 14 meters, a diameter of 0,5 inches and finned can be designed and made with good and can compete in the market as well as reaching the target debit i.e. warming 6 litres/min with a temperature of 40 °C.On the variation of the closed cover has full discharge flow of 10,8 litres/min obtained a temperature of the water coming out of 50 ° C, open cover variation of 10 rounds have a debit of 8,88 liters/min with a temperature out of 40,4 °C and variations cover open by 20 rounds have a debit of 8,4 litres/min with a temperature out of 42,3 ° C (2) best results in variation of the cover between the discharge water coming dengan Tout using variations of the
cover closed around the mouthpiece (3) best results in variation of the cover between the discharge water entrance with a heat flow rate using a variation of the open cover is 10 rounds. The heat received water from the water heater ranges from 7,533 kW – 12,556 kW (4) best results in variation of the cover between the incoming water discharges with the efficiency of the water heater using the enclosed cover is full of variation (5) LPG gas given the heat of 36,535 kW (6) to cover variations in the water heater, a variation to the conditions cover a full enclosed is a variation that works best.
Keywords: water heater, fins, LPG.
KARAKTERISTIK WATER HEATER
DENGAN PANJANG
PIPA 14 METER, DIAMETER 0,5 INCHI DAN BERSIRIP
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Diajukan Oleh :
ROBBY DHARMA PANJILIE
105214038
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
ii
CHARACTERISTICS OF THE WATER HEATER
WITH 14
METERS LENGTH OF PIPE, 0,5 INCHES DIAMETER AND
FINNED
FINAL PROJECT
As partial fulfillment of the requirement
To obtain the Sarjana Teknik Degree in Mechanical Engineering
By:
ROBBY DHARMA PANJILIE
105214038
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2014
iv
v
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam skripsi yang saya tulis ini berjudul:
Karakteristik water heater dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip
tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi dan sepanjang sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka
Yogyakarta, 21 Januari 2014 Penulis,
vi
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Yang bertandatangan di bawah ini, saya mahasiswa Univesitas Sanata Dharma:
Nama : Robby Dharma Panjilie NIM : 105214038
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :
Karakteristik water heater dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip
Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikan di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.
Demikian surat ini saya buat dengan sebenarnya.
Yogyakarta, 21 Januari 2014 Yang Menyatakan
vii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat guna memperoleh gelar sarjana teknik di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Adapun judul skripsi ini adalah : Karakteristik water heater
dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip.
Selesainya skripsi ini tentunya tidak lepas dari dorongan, perhatian dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada :
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin dan selaku Dosen Pembimbing I, yang telah memberikan dorongan, motivasi, dan perhatian sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
3. Dr. Drs. Vet. Asan Damanik, M.Si., selaku Dosen Pembimbing Akademik. 4. Sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.
5. Para dosen dan staf Program Studi Teknik Mesin, terima kasih atas bantuannya.
6. Shinto Roy Asmoro dan MM. Supinah selaku orang tua yang telah memberikan dukungan, cinta kasih, dan menunjang segala kebutuhan.
7. Shelly Anggun Puspita, Aliessa Kusumastuti, dan Sandra Meylani, selaku kakak dan adik.
8. Andika Ratna Intani S, yang telah memberikan banyak motivasi dan semangat.
9. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Angkatan 2010. 10.Anggota kepanitiaan segala acara yang telah saya ikuti.
11.Yayasan Toyota Astra, yang telah banyak membantu memberi sumbangsih dana terhadap penelitian ini.
viii
Semoga karya penelitian ini dapat memberikan manfaat dan berguna bagi banyak pihak. Penulis menyadari karya ini masih banyak kekurangan, untuk itu saran dan kritik yang membangun sangat penulis harapkan.
Yogyakarta, 21 Januari 2014
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
TITLE PAGE ... ii
LEMBAR PERSETUJUAN ... iii
LEMBAR PENGESAHAN ... iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... v
HALAMAN PERNYATAAN PEMPUBLIKASIAN KARYA ... vi
KATA PENGANTAR ... vii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiii
ABSTRAK ... xv
BAB 1. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Manfaat Penelitian ... 3
BAB 2. DASAR TEORI ... 5
2.1 DASAR TEORI ... 5
2.1.1 Perpindahan Kalor ... 5
2.1.1.1 Konduksi ... 5
2.1.1.2 Konveksi ... 5
2.1.1.3 Radiasi ... 6
2.1.2 Perancangan Pipa ... 6
2.1.3 Isolator ... 7
2.1.4 Sirip ... 8
2.1.5 Lpg ... 9
2.1.6 Saluran Udara Masuk ... 10
2.1.7 Saluran Gas Buang ... 11
x
2.1.9 Media Pembakar ... 12
2.1.10 Laju Aliran Kalor Yang Ditransfer Gas ... 13
2.1.11 Laju Aliran Kalor ... 14
2.1.12 Efisiensi ... 15
2.2 TINJAUAN PUSTAKA ... 15
2.2.1 Rangkaian Water heater Yang Ada Saat Ini ... 15
2.2.2 Water heater Dipasaran ... 17
2.2.3 Hasil Penelitian Water heater Gas Lpg ... 20
BAB III PEMBUATAN ALAT ... 22
3.1 Persiapan ... 22
3.2 Bahan Water heater ... 22
3.3 Sarana dan alat yang digunakan ... 24
3.4 Proses pembuatan alat ... 25
3.4.1 Persiapan ... 25
3.4.2 Persiapan Alat Dan Bahan ... 25
3.4.3 Pemotongan Pipa Tembaga ... 25
3.4.4 Pelingkaran Pipa ... 26
3.4.5 Pembuatan Tabung Dalam Dan Luar ... 27
3.4.6 Saluran Udara Masuk ... 28
3.4.7 Dudukan Water heater ... 28
3.4.8 Penutup Tabung ... 28
3.4.9 Tabung Udara Dalam ... 29
3.5 Hasil pembuatan ... 29
3.6 Kesulitan dalam pengerjaan ... 29
3.7 Pengujian ... 30
BAB IV METODE PENELITIAN ... 32
4.1 Benda uji ... 32
xi
4.3 Alat bantu penelitian ... 33
4.4 Alur penelitian ... 34
4.5 Variasi penelitian ... 34
4.6 Cara mendapatkan data ... 34
4.7 Cara mengolah data ... 35
4.8 Cara mendapatkan kesimpulan ... 35
BAB V HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN ... 36
5.1 Hasil pengujian ... 36
5.2 Perhitungan ... 37
5.2.1 Perhitungan kecepatan air rata-rata ... 38
5.2.2 Perhitungan aliran laju massa air ... 39
5.2.3 Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air ... 39
5.2.4 Perhitungan laju aliran kalor yang ditransfer gas ... 40
5.2.5 Efisiensi ... 40
5.2.6 Perhitungan ... 40
5.8 Pembahasan ... 46
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ... 54
6.1 Kesimpulan ... 54
6.2 Saran ... 55
DAFTAR PUSTAKA ... 56
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tabel Konduktifitas Thermal ... 7
Tabel 2.2 Data Pemanasan dan Efisiensi Apparatus Bahan Bakar ... 10
Tabel 2.3 Komposisi Udara Keadaan Kering ... 11
Tabel 5.1 Hasil pengujian dengan posisi penutup tertutup rapat ... 36
Tabel 5.2 Hasil pengujian dengan posisi penutup dinaikan sebesar 10 putaran ... 36
Tabel 5.3 Hasil pengujian dengan posisi penutup dinaikan sebesar 20 putaran ... 37
Tabel 5.4 Perhitungan lengkap pada penutup tertutup penuh ... 40
Tabel 5.5 Perhitungan lengkap pada penutup terbuka 10 putaran ... 41
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Efisiensi sirip segitiga dan siku empat ... 8
Gambar 2.2 Efisiensi sirip siku empat ... 9
Gambar 2.3 Media pembakar merk Rinnai menggunakan bahan bakar LPG ... 12
Gambar 2.4 Rangkaian water heater menggunakan inlet dan outlet ... 15
Gambar 2.5 Rangkaian water heater dengan menggunakan blower ... 16
Gambar 2.6 Rangkaian water heater tanpa menggunakan blower ... 17
Gambar 2.7 Water heaterX-1 ... 18
Gambar 2.8 Water heaterX-2 ... 19
Gambar 2.9 Water heaterX-3 ... 20
Gambar 3.1 Baut dan Mur ... 23
Gambar 3.2 Plat Galvalum ... 23
Gambar 3.3 Plat strip... 23
Gambar 3.4 Besi nako ... 24
Gambar 3.5 Proses pemotongan pipa ... 25
Gambar 3.6 Proses pelingkaran pipa ... 26
Gambar 3.7 Rancangan water heater bagian dalam ... 27
Gambar 3.8 Proses pembuatan lubang ... 28
Gambar 3.9 Pengambilan data ... 30
Gambar 4.1 Skema water heater ... 32
Gambar 5.1 Hubungan Debit air dengan suhu air keluar pada kondisi penutup tertutup penuh ... 42
Gambar 5.2 Hubungan Debit air dengan suhu air keluar pada kondisi penutup terbuka 10 putaran ... 42
Gambar 5.3 Hubungan Debit air dengan suhu air keluar pada kondisi penutup terbuka 20 putaran ... 43
xiv
yang diterima air pada kondisi penutup terbuka 10 putaran ... 44 Gambar 5.6 Hubungan Debit air dengan laju aliran kalor
yang diterima air pada kondisi penutup terbuka 20 putaran ... 44 Gambar 5.7 Hubungan Debit air dengan efisiensi pada kondisi
penutup tertutup rapat. ... 45 Gambar 5.8 Hubungan Debit air dengan efisiensi pada kondisi
penutup terbuka 10 putaran ... 45 Gambar 5.9 Hubungan Debit air dengan efisiensi pada kondisi
penutup terbuka 20 putaran ... 46 Gambar 5.10 Perbandingan debit air dengan suhu air keluar
dengan 3 variasi percobaan ... 50 Gambar 5. 11 Perbandingan debit air dengan qair
dengan 3 variasi percobaan ... 51 Gambar 5. 12 Perbandingan debit air dengan
xv
ABSTRAK
Tujuan penelitian water heater bersirip berbahan bakar LPG adalah sebagai berikut (1) merancang dan membuat water heater menggunakan sirip dengan bahan bakar LPG (2) mengetahui hubungan antara debit dengan suhu keluar (3) mengetahui energi kalor yang diserap air yang mengalir dalam water heater (4) mengetahui energi kalor yang diserap water heater (5) mengetahui efisiensi water heater (6) mengetahui hasil kerja terbaik water heater dengan variasi penutup.
Penelitian dan pelaksanaan di laboratorium Teknik Mesin USD, adapun batasan - batasan dalam pembuatan water heater menggunakan sirip berbahan bakar LPG antara lain (1) Tin water heater 25ºC-27ºC (2) panjang pipa lintasan
water heater adalah 14 meter (3) Tout dari water heater ≥ 40º C dengan debit minimal 6 liter/menit (4) panjang pipa 14 meter (5) bahan pipa adalah tembaga (6)
water heater diberi sirip (7) pembakar menggunakan kompor lpg. Variasi dilakukan terhadap besar kecilnya debit air yang masuk ke dalam water heater
dengan debit gas yang konstan pada water heater dan pada penutup water heater
dengan variasi penutup tertutup penuh, terbuka 10 putaran dan 20 putaran (1)
water heater dengan spesifikasi panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip dapat dirancang dan dibuat dengan baik dan dapat bersaing dipasaran serta mencapai target pemanasan yaitu debit 6 liter/ menit dengan suhu 40°C. Pada variasi penutup tertutup penuh memiliki debit aliran 10,8 liter/menit diperoleh suhu air yang keluar sebesar 41 °C, variasi penutup terbuka sebesar 10 putaran memiliki debit sebesar 8,88 liter/ menit dengan suhu keluar sebesar 40,4°C dan variasi penutup terbuka sebesar 20 putaran memiliki debit sebesar 8,4 liter/ menit dengan suhu keluar 42,3°C (2) hasil terbaik dalam variasi penutup antara debit air yang masuk dengan Tout menggunakan variasi penutup tertutup penuh (3) hasil terbaik dalam variasi penutup antara debit air yang masuk dengan laju aliran kalor menggunakan variasi penutup tebuka 10 putaran. Kalor yang diterima air dari water heater berkisar antara 7,533 kW – 12,556 kW (4) hasil terbaik dalam variasi penutup antara debit air yang masuk dengan efisiensi water heater menggunakan variasi penutup tertutup penuh (5) kalor yang diberikan gas LPG sebesar 36,535 kW (6) untuk variasi penutup water heater, variasi dengan kondisi penutup tertutup penuh adalah variasi yang terbaik.
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebutuhan akan air panas saat ini tidak dapat dipungkiri, hampir semua orang memerlukan air panas baik untuk kebutuhan pribadi, rumah tangga dan produksi. Penggunaan akan kebutuhan air panas tiap tahun naik, hal itu didasari oleh banyaknya penggunaan untuk keperluan secara umum misalnya untuk membuat minuman panas. Air panas dalam skala rumah tangga banyak digunakan untuk mandi karena air panas dapat membuat efek rileks pada tubuh dan dapat melebarkan pori-pori kulit sedangkan untuk keperluan produksi air panas banyak dimanfaatkan untuk mempermudah melepas bulu pada kulit ternak (ayam, sapi, bebek, burung dan lainnya) dengan tingkat efisien dan efektifitas yang baik, karena pada mulanya para pengusaha menggunakan cara konvensional yaitu dengan merebus kulit ternak selama berjam-jam hal ini dimaksudkan agar antara permukaan kulit terluar dan bulu kerapatannya melebar yang menyebabkan bulu akan mudah terlepas dari kulit ternak, namun hal itu berdampak pada waktu kerja yang semakin panjang dan kerja yang semakin lama. Maka dari itu dibutuhkan pemanas air yang mudah digunakan serta memberi dampak peningkatan efektifitas dan efisiensi kerja pada tiap-tiap aspek baik itu rumah tangga, skala rumahan maupun skala produksi.
Pada pasaran model pemanas air terdapat beberapa jenis yaitu pemanas air dengan menggunakan tenaga surya/ matahari, listrik, hybrid dan pemanas air dengan menggunakan gas LPG. Pemanas air dengan gas mempunyai keunggulan
didalam hal pemanasan air, pemanas air gas dibanding dengan pemanas air lainnya keunggulannya adalah pemanasan air yang terjadi mempunyai waktu yang relatif lebih singkat untuk memanaskan air dan penggunaan pemanas air gas dapat dilakukan walau cuaca mendung/ tidak ada sinar matahari maupun tidak ada listrik karena pada perancangannya pemanas air gas hanya menggunakan gas dalam bentuk tabung yang banyak diedarkan dipasaran. Dalam perancangan pemanas air dengan menggunakan gas, panjang pipa mempengaruhi panas/ kalor yang dihasilkan dari kerja pemanas air dengan menggunakan gas, karena permukaan yang terpapar oleh api akan semakin banyak dan suhu air akan meningkat dengan cepat. Hal itu berdampak pada meningkatnya efisiensi terhadap waktu dan efektifitas terhadap kerja yang dilakukan.
Penulis terpacu untuk melakukan penelitian terhadap water heater dengan spesifikasi panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip untuk dapat mengetahui apakah water heater dengan spesifikasi tersebut dapat bersaing dipasaran.
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian tentang water heater dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip adalah mengetahui karakteristik water heater yang telah dibuat meliputi:
1. Membuat water heater berbahan bakar gas LPG.
3
3. Mengetahui energi kalor yang diserap air yang mengalir dalam water heater.
4. Menghitung efisiensi water heater.
5. Mengetahui energi kalor yang diberikan LPG.
6. Mengetahui hasil kerja water heater pada 3 variasi penutup.
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah yang diambil dalam pembuatan water heater pada penelitian ini adalah :
1. Kondisi air masuk water heater sama dengan suhu air kamar mandi (25°C-27°C).
2. Panjang pipa lintasan air yang dipergunakan dalam water heater 14 meter. 3. Kondisi air keluar water heater diharapkan lebih dari 40°C pada debit 6 liter/
menit.
4. Panjang pipa : 14 meter. 5. Bahan pipa : tembaga.
6. Diameter pipa tembaga : 0,5 inchi.
7. Saluran pipa air diberi sirip dari bahan pipa tembaga. 8. Sumber panas berasal dari pembakar kompor gas LPG.
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian yang diharapkan dari penelitian ini adalah:
1. Memperoleh data karakteristik tentang water heater dengan spesifikasi panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip.
2. Menjadi pedoman ataupun acuan bagi peneliti lain yang akan melakukan penelitian terkait water heater.
5
BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
2.1.1 Perpindahan Kalor
Panas suatu benda tergantung pada suhu benda tersebut. Semakin tinggi suhu benda, maka benda semakin panas. Panas berpindah dari tempat yang bersuhu tinggi ke tempat bersuhu rendah. Cara perpindahan kalor yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.
2.1.1.1Konduksi, menurut Keith (1991: 4) adalah proses dimana panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah didalam satu medium baik dalam bentuk padat, cair dan gas atau antara medium-medium/ benda-benda yang berlainan bersinggungan menjadi satu. Pada water heater perpindahan panas konduksi dapat ditemukan pada permukaan luar pipa yaitu panas yang diterima pipa permukaan luar mengalir ke permukaan dalam pipa.
2.1.1.2Konveksi, perpindahan kalor pada suatu zat yang disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat. Terjadinya konveksi diakibatkan adanya ekspansi termal dan konduksi. Konveksi merupakan fluida yang berpindah akibat adanya perbedaan temperatur di fluida tersebut. Ekspansi termal adalah sifat yang berasal dari sustansi yang bertemperatur tinggi dimana partikel-partikel sustansi tersebut volumenya meluas/ membesar akibat kalor yang diterima. Maka akibatnya berat jenis partikel itu berkurangnya berat jenis partikel, maka partikel itu akan terdorong keatas. Pada water
heater perpindahan panas konveksi dapat ditemukan pada permukaan dalam pipa yang mengalirkan panas ke air didalam pipa.
2.1.1.3Radiasi, menurut Koestoer, R. A (2002: 183) adalah proses perpindahan kalor melalui gelombang elektromagnet atau paket-paket energi (photon) yang dapat mengalir/ berpindah sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium atau tanpa bersinggungan. Pada water heater perpindahan panas radiasi dapat ditemukan pada permukaan luar pipa dengan panas yang dihasilkan oleh pembakar dan juga dapat ditemukan pada perpindahan panas antara dinding permukaan tabung dalam dengan permukaan tabung luar water heater.
2.1.2 Perancangan Pipa
7
yang terpapar oleh api semakin besar secara vertikal dan hal tersebut mendorong kenaikan suhu pada pipa-pipa dan air didalamnya.
2.1.3 Isolator
Secara umum penjelasan terhadap isolator panas adalah sebuah bahan yang dapat mengisolasi atau menahan panas dengan baik salah satunya udara. Setiap bahan yang diklasifikasikan menjadi isolator mempunyai konduktivitas thermal, konduktivitas termal udara sangat kecil. Semakin kecil konduktivitas termal suatu benda, semakin sulit kalor berpindah melalui benda tersebut. Pada umumnya benda padat logam merupakan konduktor termal yang baik, sedangkan zat cair dan zat gas merupakan konduktor termal yang buruk. Beberapa contoh isolator adalah busa, wol, gabus dan udara. Tabel 2.1 menyajikan nilai konduktivitas termal berbagai macam bahan.
Tabel 2.1. Tabel Konduktifitas Thermal
(Sumber: http://www.scribd.com/doc/61109210/BAB-II-Termal)
Jenis benda Konduktivitas Termal (k)
W/m. °C Kkal/m.s. °C
Perak 420 1000 x 10-4
Tembaga 380 920 x 10-4
Aluminium 200 500 x 10-4
Baja 40 110 x 10-4
Es 2 5 x 10-4
Kaca (biasa) 0,84 2 x 10-4
Bata 0,84 2 x 10-4
Air 0,56 1,4 x 10-4
Tubuh manusia 0,2 0,5 x 10-4
Kayu 0,08 – 0,16 0,2 x 10-4– 0,4 x 10-4
Gabus 0,042 0,1 x 10-4
Wol 0,040 0,1 x 10-4
Busa 0,024 0,06 x 10-4
Udara 0,023 0,055 x 10-4
2.1.4 Sirip
Pada umumnya fungsi sirip adalah menditribusikan panas/kalor yang memilki suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah melalui media. Dalam water heater penggunaan sirip digunakan untuk membantu mempercepat terjadinya kenaikan suhu dipermukaan pipa-pipa penyalur air, karena sirip water heater
terbuat dari tembaga yang memiliki sifat konduksi yang baik, sirip menyerap panas dari pembakar dengan baik kemudian menyalurkan panas pada pipa-pipa penyalur air untuk membantu kenaikan suhu di air yang mengalir didalam pipa
L.3/2 (h/k A)1/2
9
LC3/2 (h/k Am)1/2
Gambar 2.2 Efisiensi sirip siku empat ( sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor)
Pada gambar 2.1 dan 2.2.
L : panjang sirip (meter)
h : koefisien kalor konveksi (W/m2 °C)
k : konduktifitas termal (W/m °C)
A : luas penampang (meter)
Adanya sirip, luas permukaan yang bersentuhan dengan fluida menjadi lebih besar, sehingga proses perpindahan kalor konveksi menjadi lebih besar. Kalor konveksi berpindah dari udara panas ke pipa saluran air.
2.1.5 LPG
Liquified Petroleum Gas atau LPG adalah campuran dari berbagai unsur hidro karbon yang berasal dari gas alam. Didalam LPG terdapat gas yang dipampatkan yang berubah ke fasa cair karena tekanan didalam tabung LPG ditingkatkan dan suhu diturunkan. Didalam LPG terdapat komponen yaitu propana (C3H8) dan butana (C4H10). Elpiji juga mengandung hidrokarbon ringan lain dalam jumlah kecil, misalnya etana (C2H6) dan pentana (C5H12).
LPG memiliki daya pemanasan yang lebih baik dibanding dengan minyak tanah, arang, kayu bakar dan gas kota karena memiliki daya pemanasan sebesar 11900 kkal/kg.
Tabel 2.2.Data Pemanasan dan Efisiensi Apparatus Bahan Bakar
(Sumber: http://kemahasiswaan.um.ac.id/wp-content/uploads/2010/04/PKM-AI-10-UM-Intan-Tips-Menggunakan-Tabung-LPG-.pdf)
Bahan Bakar Daya Pemanasan
(kkal/kg) Efisiensi (%)
Kayu Bakar 4000 15
Arang 8000 15
Minyak Tanah 11000 40
Gas Kota 4500 55
LPG 11900 60
Listrik 860 (Kcal/kwh) 60
2.1.6 Saluran Udara Masuk
11
Tabel 2.3. Komposisi Udara keadaan kering
(Sumber: http://www.scribd.com/doc/48627618/Komposisi-Udara-hasan-44-Dan-Gadis-21)
Komponen Volume (%) Ppm
Nitrogen 78,08 780,8
Oksigen 20,95 209,5
Argon 0,934 9,34
Karbon Dioksida 0,314 314
Neon 0,00182 18
Helium 0,000534 5
Metana 0,0002 2
Kripton 0,000114 1
2.1.7 Saluran Gas Buang
Saluran gas buang berfungsi sebagai saluran pembuang gas hasil pembakaran di dalam water heater. Saluran udara keluar pada water heater pada umumnya berada di bagian atas/ atap water heater. Sebagaimana fluida, panas juga dapat mengalir, dapat berpindah tempat. Jika terjadi perbedaan temperatur, panas akan mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. Panas juga dapat mengalir ke atas karena perbedaan berat jenis, karena terjadi pembakaran di
water heater udara panas memiliki berat jenis lebih rendah sehingga udara panas mengalir ke atas maka dari itu dibuat saluran udara keluar dibagian atas water heater. Pada perancangan water heater, hal yang perlu diingat adalah jangan sampai terjadi aliran gas buang yang dapat menyebabkan kondisi api menjadi berantakan.
2.1.8 Proses Pembakaran LPG
Pembakaran adalah reaksi kimia antara oksigen dengan unsur bahan bakar. Oksigen didapat dari udara luar yang merupakan campuran dari beberapa senyawa
kimia antara lain LPG (Liquefied Petroleum Gas) merupakan gas alam yang dicairkan. LPG merupakan campuran dari berbagai unsur hidrokarbon yang berasal dari gas alam. Komponen dari LPG didominasi oleh propana (C3H8) dan butana (C4H10), LPG memiliki kandungan hidrokarbon lain, meskipun dalam jumlah kecil, misalnya etana (C2H6) dan pentana (C5H12). Perbandingan komposisi propana dan butana adalah 30 : 70. LPG lebih berat dari udara dengan berat jenis sekitar 2,01 (dibandingkan dengan udara). Tekanan uap LPG cair dalam tabung sekitar 5 – 6,2 kg/cm2. Nilai kalori sekitar : 21.000 BTU/lb. LPG memiliki bentuk gas dalam kondisi di atmosfer, akan tetapi gas dalam tabung LPG berbentuk cair hal itu dikarenakan gas dipampatkan didalam tabung dan terjadi penurunan suhu.
Proses pembakaran pada LPG memiliki reaksi sebagai berikut:
O H CO O
H
C3 85 23 24 2
propana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
2.1.9 Media Pembakar
13
[image:30.595.97.499.165.627.2]banyak beredar dipasaran dan yang digunakan untuk penelitian tentang water heater.
Gambar 2.3 Media pembakar merk Rinnai menggunakan bahan bakar LPG Spesifikasi media pembakar dengan merk Rinnai sebagai berikut:
Dimensi : 570 (Panjang) x 315 (Lebar) x 168 (Tinggi) Daya pemanasan : 21.8 kW/h High Pressure
Bahan : Besi Tuang
2.1.10 Laju Aliran Kalor yang Ditransfer Oleh Gas
Kalor yang diberikan gas dapat dihitung dengan persamaan (2.1)
gas
q = mgascgas
(2.1) Pada persamaan (2.1):
gas
m : laju aliran massa gas elpiji yang terpakai (kg/s)
gas
c : nilai kalor jenis elpiji (J/kg)
2.1.11 Laju Aliran Kalor
Laju aliran kalor dalam pipa dapat dinyatakan dalam persamaan (2.2) dan (2.3)
i o
air air
air m c T T
q
(2. 2)
air
m = d )um
4 . (
2
(2. 3) Pada persamaan (2.2) dan (2.3):
air
q : laju aliran kalor yang diterima air (watt)
air
m : debit air (kg/detik)
air
c : kalor jenis air (J/kgoC)
Ti : suhu air masuk water heater (oC)
To : suhu air keluar water heater (oC)
m
u : kecepatan rata-rata fluida mengalir (m/s)
: massa jenis fluida yang mengalir (kg/m3)
15
2.1.12 Efisiensi
Untuk mengetahui efisiensi yang dapat dihasilkan water heater, dapat dihitung dengan persamaan:
% 100
x q q
gas air
(2. 4)
Pada persamaan (2.4):
: Efisiensi water heater (%)
air
q : Laju aliran kalor yang diterima air (watt)
gas
q : Laju aliran kalor yang diberikan gas (watt)
2.2 Tinjauan Pustaka
2.2.1 Rangkaian water heater yang ada saat ini
[image:32.595.102.510.186.715.2]Banyak water heater yang beredar dipasaran, perbedaan yang ada pada masing-masing water heater terdapat pada rancangan pipa, karena pada umumnya rancangan pipa suatu water heater mengikuti rancangan water heater maupun rancangan media pembakarnya.
Gambar 2.4 Rangkaian water heater menggunakan inlet dan outlet
Cara kerja rangakaian water heater pada Gambar 2.2 adalah air masuk ke dalam tabung lalu dipanasi oleh api, air yang dipanasi melalui penampang dalam tabung bukan melalui pipa tembaga yang berpaparan langsung dengan api.
Gambar 2.5 Rangkaian water heater dengan menggunakan blower
17
Gambar 2.6 Rangkaian water heater tanpa menggunakan blower
Cara kerja water heater pada Gambar 2.4 hampir serupa dengan Gambar 2.3, cara Gambar 2.4 adalah air yang masuk melalui pipa masuk air dipanasi oleh permukaan heat exchanger yang dipanasi oleh api yang terbuat dari tembaga, panas api disebarkan tanpa menggunakan bantuan blower, api merambat secara konduksi. Akibat ada perbedaan suhu antara permukaan heat exchanger dan pipa yang berisi air, terjadi peepindahan panas dari heat exchanger ke air yang berada didalam pipa yang melilit heat exchanger.
2.2.2 Water heater yang ada dipasaran
Beberapa tinjauan untuk water heater dapat di ketahui dari spesifikasi dari
water heater yang beredar dipasaran. Spesifikasi dari water heater yang ada dipasaran diinformasikan sebagai berikut: (a) Water heater X-1, (b) Water heater
X-2, (c) Water heater X-3, (b) Water heater X-4. Merk dagang pada water heater
tidak diperlihatkan
Water heater X-1
Gambar 2.7 Water heater X-1 Pemasangan : Eksternal/Internal
Ukuran (PxLxT) mm : 425 x 290 x 127
Berat : 6,1 kg
Kapasitas Air Panas : 5 ltr/mnt Konsumsi Gas : 0,6 kg/jam
Ignition : Baterai Ukuran D Tekanan Gas : Low Pressure, 28 mBar Jumlah Outlet : 1
Outlet Gas : 1/2 inchi Outlet Air Dingin : 1/2 inchi Outlet Air Panas : 1/2 inchi
Tekanan Air Min : 0,15 Bar (1,5 mtr)
19
[image:36.595.101.493.156.722.2]Water heater X-2
Gambar 2.8 Water heater X-2
Pemasangan : Eksternal/Internal Ukuran (PxLxT) mm : 369 x 290 x 127
Berat : 6,1 kg
Kapasitas Air Panas : 5-8 ltr/mnt Konsumsi Gas : 0,5 kg/jam
Ignition : Baterai Ukuran D Tekanan Gas : Low Pressure, 28 mBar Jumlah Outlet : 1 - 2
Outlet Gas : 1/2 inchi Outlet Air Dingin : 1/2 inchi Outlet Air Panas : 1/2 inchi Tekanan Air Min : 0,2 Bar
Suhu : 60°C
Water heater X-3
Gambar 2.9 Water heater X-3
Jenis : Instan
Pemasangan : Vertikal Sumber pemanas : Gas Bahan pipa saluran : Tembaga Kapasitas (liter) : 6 liter / menit Tekanan air maks : 0,8
Diameter pipa (inch) : 0,4
Suhu : 75°C
Kalori (kcal/h) : 8600 Input gas (kg/h) : 0,78
2.2.3 Hasil Penelitian Water heater Gas LPG
Putra, P. H (2012) 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
21
heater, (c) Mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju perpindahan kalor yang diterima oleh air, (d) mendapatkan hubungan antara debit air dengan efisisensi 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 dari pipa berdiameter 3/8 inci, (i) Variasi dilakukan pada besarnya debit air masuk water heater. Dari hasil penelitian tersebut didapatkan : (a) Water heater yang dibuat mampu bersaing dengan water heater yang ada dipasaran , yang mampu menghasilkan panas dengan temperature 42,9 C pada debit 10 liter/menit (b) Hubungan antara debit air yang mengalir (m) dengan temperature air keluar water heater ( ) dapat dinyatakan dengan persamaan = -0,027
+ 1,126 – 16,52 m + 129,9 (m dalam liter/menit, dalam C) dan = 0,997. (c) Hubungan antara debit air yang mengalir dengan laju perpindahan kalor dinyatakan dengan persamaan = 17,09 + 489 + 439 m + 3654 (m dalam liter/menit, dalam watt) dan = 0,94. (d) Hubungan antara debit air yang mengalir dengan efisisensi water heater dapat dinyatakan dengan persamaan = 0,077 - 2,208 + 19,84 m + 16,50 ( m dalam liter/menit, dalam %)
dan = 0,94.
22
BAB III
PEMBUATAN ALAT
3.1 Persiapan
Pada proses awal pembuatan water heater dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip adalah pembuatan desain water heater dengan 2 tabung yaitu tabung dalam dan tabung luar serta memberi lubang udara pada tiap-tiap permukaan tabung dalam dan tabung 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 pembakar/ burner.
3.2 Bahan Water heater
Bahan – bahan yang digunakan dalam pembuatan water heater menggunakan sirip adalah :
1. Pipa tembaga dengan diameter 0,5 inchi sebagai saluran air. 2. Baut dan mur.
3. Plat galvalum 4. Besi strip
23
Gambar 3.1 Baut dan Mur
Gambar 3.2 Plat Galvalum
Gambar 3.3 Plat strip
Gambar 3.4 Besi nako
3.3Sarana dan Alat yang Digunakan
Sarana dan alat-alat yang digunakan untuk proses pembuatan water heater
dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip adalah:
1. Gerinda berfungsi sebagai pemotong sekaligus untuk merapikan bagian water heater setelah proses pengelasan.
2. Bor digunakan untuk membuat lubang udara pada water heater. 3. Gergaji digunakan untuk memotong besi strip dan besi nako.
4. Penekuk pipa tembaga digunakan untuk menekuk pipa agar berbentuk spiral/ helix.
5. Tang digunakan untuk menjepit pipa tembaga untuk pembuatan sirip. 6. Paku keling digunakan untuk menjepit besi strip dengan plat galvalum. 7. Las listrik berfungsi sebagai penyambung besi strip dan nako.
8. Gunting Plat digunakan untuk memotong plat galvalum berukuran besar. 9. Gunting Besi digunakan untuk memotong plat galvalum berukuran kecil. 10.Meteran digunakan untuk menentukan ukuran plat galvalum, nako besi dan
25
11.Jangka Sorong digunakan untuk mengukur pada bagian water heater secara detail.
3.4 Proses Pengerjaan Alat
Dalam proses pengerjaan alat terdapat tahap-tahap pembuatan sebagai berikut:
3.4.1 Persiapan Menyiapkan Rancangan Water heater
Dalam merancang pembuatan desain water heater menggunakan sirip dapat dilakukan dengan proses manual maupun dapat menggunakan software.
3.4.2 Menyiapkan Alat-Alat dan Bahan
Setelah rancangan water heater menggunakan sirip sudah selesai maka, perlu menyiapkan alat dan bahan penunjang untuk pembuatan alat.
3.4.3 Pemotongan Pipa Tembaga
Pemotongan pipa tembaga menggunakan alat khusus untuk memotong pipa, tujuan memotong pipa dengan alat khusus adalah untuk mempermudah memotong pipa tembaga dan hasilnya lebih rapih dan baik.
Gambar 3.5 Proses pemotongan pipa 3.4.4 Pelingkaran Pipa
Pipa tembaga yang pada awalnya berbentuk lurus menjadi bentuk melingkar dengan ukuran diameter dalam 160 mm dan diameter luar 190 mm pada tahap ini pelingkaran menggunakan alat penekuk pipa khusus tembaga.
Gambar 3.6 Proses pelingkaran pipa
27
3.4.5 Pembuatan Tabung Luar dan Tabung Dalam
[image:44.595.98.513.272.701.2]Pembuatan rangka tabung dalam dan luar, tinggi tabung dalam dan luar setinggi 350 mm dengan dua besi strip penyangga pada masing-masing tabung, kemudian dilanjutkan dengan proses pemasangan selimut/ plat galvalum pertama-tama pada tabung dalam dengan kondisi pipa tembaga beserta sirip telah dimasukan pada rangka tabung dalam, ukuran selimut/ plat galvalum yang diperlukan untuk tabung diameter dalam berukuran 870 mm x 350 mm, pada plat strip penyangga rangka dilekatkan plat galvalum kemudian dilakukan proses pemboran berjumlah 5 titik dengan jarak 60 mm pada tiap titik kemudian diberi paku keling, setelah hampir menutupi rangka dilakukan pemotongan plat untuk jalur pipa masuk dan pipa keluar, setelah proses ini telah berlangsung dilakukan proses pemboran pada besi nako dan pemberian paku keling, proses untuk rangka diameter luar hampir sama namun untuk ukuran luas selimut, rangka luar membutuhkan selimut/ plat galvalium berukuran 975 mm x 350 mm.
Gambar 3.7 Rancangan water heater bagian dalam
3.4.6 Saluran Udara Masuk
[image:45.595.100.511.222.577.2]Dilakukan pemboran pada dinding rangka luar dan rangka dalam, hal ini dimaksudkan agar sirkulasi udara lancar dan udara dapat masuk ke dalam tabung dalam sebagai syarat proses pembakaran untuk menghasilkan panas yang optimal.
Gambar 3.8 Proses pembuatan lubang
3.4.7 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 ketika terjadi guncangan akibat pengangkatan/ proses pembawaan yang berdampak pada deformasi pipa-pipa yang merugikan. Pemasangan plat strip sepanjang 20 mm menggunakan las listrik pada bagian atas dan bagian bawah pipa tembaga.
3.4.8 Penutup Tabung
29
dilanjutkan pemasangan baut dengan posisi kepala baut menghadap ke atas dengan bersamaan dengan mur agar baut dapat berdiri dengan sempurna, kemudian dilanjutkan dengan pembuatan penutup, pembuatan penutup terbuat dari plat strip dengan rangka model silang dengan diameter 300 mm serta dilanjutkan dengan pemasangan plat galvalum pada rangka penutup dengan memotong plat galvalum secara melingkar dengan diameter 300 mm, proses selanjutnya adalah melakukan pemasangan secara permanen dengan menggunakan paku keling dengan mula-mula dilakukan pemboran pada plat galvalum dan rangka penutup sebanyak 4 titik pada tiap plat strip dengan jarak rata-rata antar titik 75 mm, lalu pemasangan mur pada penutup tabung dilakukan setelah dilakukan proses pemboran dengan mesin bor lalu pada permukaan plat strip dipasang dengan mur kemudian dilakukan pengelasan listrik.
3.4.9 Tabung Udara Dalam
Pembuatan tabung dalam dibuat menyerupai tabung yang pada permukaannya diberi lubang udara, ukuran tinggi tabung dalam setinggi 350 mm dan berdiameter 100 mm.
3.5Hasil Pembuatan
Hasil pembuatan dapat dilihat pada lampiran.
3.6Kesulitan Dalam Pengerjaan
Adapun kesulitan-kesulitan dalam proses pembuatan water heater
menggunakan sirip, antara lain adalah :
1. Memasukan pipa tembaga kebagian dalam water heater.
2. Pembentukan pipa spiral, mengalami kesulitan pada saat melengkungkan pipa agar berbentuk spiral.
3.7Pengujian Alat Water heater Dengan Panjang Pipa 14 Meter, Diameter
0,5 Inchi Dan Bersirip.
[image:47.595.99.516.235.672.2]Pada pengujian alat, pembakar/ burner memerlukan pasokan gas dari gas tabung untuk melakukan proses pembakaran, kemudian water heater diletakan diatas pembakar/ burner dengan meletakan dudukan pembakar dengan tabung bagian luar sejajar, hal ini dimaksudkan agar pada proses pembakaran api dapat dengan baik membakar pipa pipa didalamnya. Pada tiap lubang pipa masuk dan keluar diberi selang, pada pipa masuk disambung pada keran air yang mengalirkan air.
Gambar 3.10 Pengambilan data
31
hasil yang dikeluarkan suhu air yang dihasilkan akan semakin tinggi, maupun kebalikannya pada proses tersebut. Perhitungan suhu pada air yang dihasilkan dilakukan diujung pipa keluar dengan menggunakan APPA, perhitungan suhu air pada variabel debit masuk yang diubah-ubah/ tidak konstan dilakukan proses pemanasan sementara, proses itu dilakukan karena pada tiap debit yang diubah-ubah maka dibutuhkan juga waktu pemanasan yang berbeda-beda, pada tiap-tiap variable rata-rata waktu pemanasan air membutuhkan waktu 5menit untuk menghasilkan panas maksimal yang dapat dihasilkan oleh water heater dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip.
32
BAB IV
METODOLOGI PENELITIAN
4.1 Benda Uji
Rancangan benda uji water heater dengan menggunakan bahan plat galvalum dan pipa tembaga terlampir pada lampiran.
4.2 Skematik Alat Penelitian
[image:49.595.97.510.228.599.2]Skematis pengujian pada water heater telah tergambar dan dijelaskan pada Gambar 4.7.
Gambar 4.1 Skema water heater
Keterangan:
1. Tabung gas LPG 2. APPA
33
4. Water heater
5. Kompor 6. Gelas ukur
Pada Gambar 4.7 air yang masuk kedalam water heater dipasok dari keran, air mengalir masuk ke dalam pipa water heater yang mengalami kenaikan suhu oleh adanya panas dari kompor. LPG digunakan sebagai pemasok bahan bakar untuk kompor agar pembakaran dapat terjadi. Saat air mengalir keluar maka suhu air diukur menggunakan APPA.
4.3 Alat Bantu Penelitian
Alat – alat yang digunakan dalam penelitian ini sebagai berikut : 1. APPA sebagai alat pengukur suhu air yang keluar dari water heater.
2. Kompor dan gas LPG sebagai pengatur debit gas sekaligus menjadi penyuplai kalor.
3. Kran sebagai pengatur debit air.
4. Klem sebagai pengunci antara sambungan-sambungan water heater dengan
selang air.
5. Selang air sebagai penyambung dari kran ke pipa tembaga masuk water heater.
6. Kalkulator dan alat tulis,digunakan untuk menulis dan mengolah data.
7. Penyangga sebagai tumpuan water heater.
8. Stopwatch sebagai penunjuk waktu.
9. Gelas ukur sebagai tempat penampung fluida dan juga pengukur banyaknya air permenit.
10.Timbangan sebagai penimbang berat LPG.
4.4Alur Penelitian
Penelitian water heater dapat dijabarkan pada urutan berikut ini; 1. Perancangan alat
2. Pembelian bahan dan alat 3. Pembuatan alat
4. Pengambilan data terkait water heater dengan 3 variasi penutup. 5. Pengolahan data dan pembahasan.
4.5 Variasi Penelitian
Variasi dilakukan terhadap besar kecilnya debit air dengan 10 variasi debit yang masuk ke dalam water heater dengan debit gas yang konstan pada water heater, serta variasi dilakukan pada penutup water heater. Variasi pertama pada keadaan penutup tertutup penuh, variasi kedua pada keadaan penutup terbuka sebesar 10 putaran dan variasi ketiga pada keadaan penutup terbuka 20 putaran.
4.6 Cara Mendapatkan Data
35
perubahan debit air. Serta menghitung konsumsi gas dengan menggunakan timbangan digital.
4.7 Cara Mengolah Data
Dengan data-data yang diperoleh, maka data dapat diolah. Data - data kemudian dipergunakan untuk mengetahui :
1. Hubungan antara debit air dengan suhu air yang keluar dari water heater. 2. Hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor yang keluar water heater. 3. Hubungan antara debit air dengan efisiensi water heater.
4.8 Cara Mendapatkan Kesimpulan
Persamaan hubungan antara debit air dengan suhu air dari water heater
menggunakan sirip berbahan bakar LPG dapat dilakukan dengan mempergunakan fasilitas dari Microsoft Excel.
36
BAB V
HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN
5.1 Hasil Pengujian
[image:53.595.103.512.233.611.2]Dari hasil pengujian water heater dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip, meliputi : debit air, suhu air masuk Tin, suhu air keluar Tout disajikan pada Tabel 5.1. Pengujian dilakukan pada kondisi tekanan udara luar, dengan suhu air berkisar pada suhu 25,9 ºC. Pemanasan yang terjadi menggunakan kerja maksimal pembakar/ kompor dengan menggunakan pasokan air dari kran.
Tabel 5.1 Hasil pengujian dengan posisi penutup tertutup rapat
No Debit air (liter/menit)
Suhu air masuk Tin (°C)
Suhu air keluar Tout
(°C)
ΔT (°C)
1 42 25,9 27 1,1
2 33,6 25,9 29,3 3,4
3 24 25,9 31,3 5,4
4 16,2 25,9 35 9,1
5 10,8 25,9 41 15,1
6 9,96 25,9 44 18,1
7 5,76 25,9 51,8 25,9
8 3,6 25,9 67,3 41,4
9 2,4 25,9 87 61,1
10 1,5 25,9 98 72,1
Tabel 5.2 Hasil pengujian dengan posisi penutup dinaikan sebesar 10 putaran (17,5 mm)
No Debit air (liter/menit)
Suhu air masuk Tin (°C)
Suhu air keluar Tout
(°C)
ΔT (°C)
1 48,4 25,9 29,4 3,5
[image:53.595.139.489.673.752.2]37
No Debit air (liter/menit)
Suhu air masuk Tin (°C)
Suhu air keluar Tout
(°C)
ΔT (°C)
3 32 25,9 30,6 4,7
4 18,4 25,9 32,2 6,3
5 15 25,9 36,3 10,4
6 8,88 25,9 40,4 14,5
7 6,36 25,9 48,3 22,4
8 4,56 25,9 60,3 34,4
9 3,72 25,9 64,7 38,8
[image:54.595.100.495.104.603.2]10 1,44 25,9 98,3 72,4
Tabel 5.3 pengujian dengan posisi penutup dinaikan sebesar 20 putaran (35mm)
No Debit air (liter/menit)
Suhu air masuk Tin (°C)
Suhu air keluar Tout
(°C)
ΔT (°C)
1 40 25,9 29,6 3,7
2 34 25,9 30,5 4,6
3 26,4 25,9 32,1 6,2
4 22 25,9 32,8 6,9
5 13,4 25,9 37,7 11,8
6 8,4 25,9 42,3 16,4
7 6,84 25,9 47,4 21,5
8 5,04 25,9 50,9 25
9 3,6 25,9 75,3 49,4
10 2,1 25,9 87,7 61,8
5.2 Perhitungan
Perhitungan kecepatan air rata rata Um, laju aliran massa air m dan laju aliran kalor q yang diserap air dilakukan dengan mempergunakan data data seperti tersaji pada Tabel 5.1-5.3. Data lain yang dipergunakan adalah :
Kalor jenis air (cp) = 4179 J/(kgoC) Laju aliran massa (mgas) = 0,044 kg/menit
Massa jenis air (ρ) = 1000 kg/m3
Diameter pipa tembaga = 0,5 inchi (0,0127 meter)
Kapasitas panas gas (Cgas) = 11900 kkal (=11900 x 4186,6 J/kg)
5.2.1 Perhitungan Kecepatan air rata rata ( um )
Perhitungan kecepatan air rata rata um yang mengalir di dalam saluran pipa air tembaga berukuran 0,5 inchi menggunakan persamaan (5.1)
m sr air debit m pipa penampang luas s m air debit
um / 2 2 /
3
(5.1) Sebagai contoh perhitungan, untuk debit air = 24 liter/menit (Tabel 5.1). Satuan debit air dikonversi menjadi satuan m3/s.
x m ss m x menit liter air
debit 0,4 10 /
60 10 24
24 3 3
3 3
Kecepatan air rata rata um :
s m r
air debit
um 2 /
s m m x s m x um / 1656 , 3 00635 , 0 14 , 3 / 10 4 , 0 2 2 3 3
39
5.2.2 Perhitungan laju aliran massa air ( ̇ )
Perhitungan laju aliran massa air mair di dalam saluran pipa mempergunakan persamaan (2.3)
massajenisluaspenampangkecepatanair
mair
r
um2
Sebagai contoh perhitungan, untuk debit air = 24 liter/menit (Tabel 5.1)
x
kg smair 1000 3,14 0,00635 3,1656 /
2
0,401kg/s
Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap terdapat pada Tabel 5.4 – 5.6.
5.2.3 Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air
Perhitungan laju aliran kalor yang diserap oleh air di dalam saluran pipa mempergunakan persamaan (2.2)
air
q lajualiranmassaairkalor jenisair
Tout Tni
wattmair.cair
ToutTin
wattSebagai contoh perhitungan, untuk debit air = 24 liter/menit (Tabel 5.1)
0,4 4179
31,325,9
air q kW watt 027 , 9 ) 4 , 5 )( 9 , 1671 (
Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap terdapat pada Tabel 5.4 – 5.6.
5.2.4 Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas
Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan oleh gas di luar saluran pipa mempergunakan persamaan (2.1)
gas
q lajualiranmassagaskapasitaspanasgaskW
gas
q (0,044/(60)).(11900.4186,6)
= 36,53 kW
5.2.5 Efisiensi water heater
Perhitungan Efisiensi (η) kompor gas dapat menggunakan persamaan (2.4)
% 100 x q q gas air % 100 53 , 36 027 , 9 x
24,71%
5.2.6 Hasil perhitungan
Pada tabel 5.4 – 5.6 menampilkan hasil dari perhitungan hasil water heater
[image:57.595.99.503.199.553.2]dengan menggunakan microsoft office excel.
Tabel 5.4 Hasil perhitungan pada penutup tertutup penuh
No Debit air (l/m) Tin (°C) Tout (°C) ΔT (°C) mair (kg/s) Um (m/s) qair (kJ) Efisiensi (%) 1 42 25,9 27 1,1 0,701 5,5397 3,224 8,83 2 33,6 25,9 29,3 3,4 0,561 4,4318 7,973 21,82
3 24 25,9 31,3 5,4 0,401 3,1656 9,045 24,76 4 16,2 25,9 35 9,1 0,271 2,1368 10,288 28,16 5 10,8 25,9 41 15,1 0,180 1,4245 11,381 31,15
41
No Debit air (l/m) Tin (°C) Tout (°C) ΔT (°C) mair (kg/s) Um (m/s) qair (kJ) Efisiensi (%) 7 5,76 25,9 51,8 25,9 0,096 0,7597 10,411 28,50
8 3,6 25,9 67,3 41,4 0,060 0,4748 10,401 28,47 9 2,4 25,9 87 61,1 0,040 0,3166 10,234 28,01
[image:58.595.101.495.196.697.2]10 1,5 25,9 98 72,1 0,025 0,1978 7,548 20,66
Tabel 5.5 Hasil perhitungan pada penutup terbuka 10 putaran
No Debit air (l/m) Tin (°C) Tout (°C) ΔT (°C) mair (kg/s) Um (m/s) qair (kJ) Efisiensi (%) 1 48,4 25,9 29,4 3,5 0,808 6,3839 11,822 32,36
2 36 25,9 30,5 4,6 0,601 4,7483 11,557 31,63 3 32 25,9 30,6 4,7 0,534 4,2207 10,496 28,73 4 18,4 25,9 32,2 6,3 0,307 2,4269 8,090 22,14
5 15 25,9 36,3 10,4 0,251 1,9785 10,887 29,80 6 8,88 25,9 40,4 14,5 0,148 1,1713 8,986 24,60 7 6,36 25,9 48,3 22,4 0,106 0,8389 9,942 27,21
8 4,56 25,9 60,3 34,4 0,076 0,6015 10,947 29,96 9 3,72 25,9 64,7 38,8 0,062 0,4907 10,073 27,57
10 1,44 25,9 98,3 72,4 0,024 0,1899 7,276 19,92
Tabel 5.6 Hasil perhitungan pada penutup terbuka 20 putaran
No Debit air (l/m) Tin (°C) Tout (°C) ΔT (°C) mair (kg/s) Um
(m/s) qair (kJ)
Efisiensi (%) 1 40 25,9 29,6 3,7 0,668 5,2759 10,329 28,27
2 34 25,9 30,5 4,6 0,568 4,4845 10,915 29,88 3 26,4 25,9 32,1 6,2 0,441 3,4821 11,423 31,27 4 22 25,9 32,8 6,9 0,367 2,9018 10,594 29,00
5 13,4 25,9 37,7 11,8 0,224 1,7674 11,035 30,20 6 8,4 25,9 42,3 16,4 0,140 1,1079 9,614 26,31
7 6,84 25,9 47,4 21,5 0,114 0,9022 10,263 28,09 8 5,04 25,9 50,9 25 0,084 0,6648 8,793 24,07 9 3,6 25,9 75,3 49,4 0,060 0,4748 12,411 33,97
Dari Tabel 5.4-5.6 Hubungan debit air dengan suhu air yang keluar dapat di buat dan hasilnya disajikan pada Gambar 5.1-5.3. Hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor water heater dapat dibuat dan hasilnya disajikan dalam bentuk grafik pada Gambar 5.4-5.6. Gambar 5.6-5.8 memberikan informasi tentang hubungan efisiensi water heater dengan debit air.
Gambar 5.1 Hubungan Debit air dengan suhu air keluar pada kondisi penutup tertutup penuh
Gambar 5.2 Hubungan Debit air dengan suhu air keluar pada kondisi penutup terbuka 10 putaran
Tout = 112,8(Q)-0,4
R² = 0,984
0 20 40 60 80 100
0 10 20 30 40
To
u
t
,
o C
Debit air, (Q) liter/menit
Tout = 99,26(Q)-0,34
R² = 0,945
0 20 40 60 80 100
0 10 20 30 40
To
ut
,
oC
43
Gambar 5.3 Hubungan Debit air dengan suhu air keluar pada kondisi penutup terbuka 20 putaran
Gambar 5.4 Hubungan Debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi penutup tertutup penuh.
Tout = 103,5(Q)-0,36
R² = 0,933
0 20 40 60 80 100
0 10 20 30 40
Tou
t
,
oC
Debit air (Q), liter/menit
qair = -0,010(Q)2 + 0,306(Q) + 8,927
0 2 4 6 8 10 12 14
0 10 20 30 40 50
qai
r,
k
J
Debit air (Q), liter/menit
Gambar 5.5 Hubungan Debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi penutup terbuka 10 putaran.
Gambar 5.6 Hubungan Debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi penutup terbuka 20 putaran.
qair = 0,001(Q)2 + 0,026(Q) + 9,216
0 2 4 6 8 10 12 14
0 10 20 30 40 50
qa
ir
,
k
J
Debit air (Q), liter/menit
qair = -0,002(Q)2 + 0,108(Q) + 9,613
0 2 4 6 8 10 12 14
0 10 20 30 40 50
qa
ir
,
k
J
45
Gambar 5.7 Hubungan Debit air dengan efisiensi pada kondisi penutup tertutup rapat.
Gambar 5.8 Hubungan Debit air dengan efisiensi pada kondisi penutup terbuka 10 putaran.
Efisiensi = -0,028(Q)2 + 0,838(Q)
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00
0 10 20 30 40
E fisi en si , %
Debit air (Q), liter/menit
Efisiensi = 0,001(Q)2 +0,073(Q) + 25,22
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00
0 10 20 30 40
E fisi en si , %
Debit air (Q), liter/menit
Gambar 5.9 Hubungan Debit air dengan efisiensi pada kondisi penutup terbuka 20 putaran.
5.8 Pembahasan
Dari hasil penelitian pada Gambar 5.1 – Gambar 5.3 hubungan suhu air keluar dengan debit air dapat diketahui bahwa apabila debit semakin kecil maka suhu keluar akan semakin besar, hal itu dapat dinyatakan dengan persamaan,
1. Untuk kondisi penutup tertutup penuh
Tout = 112,8(Q)-0,4
R² = 0,984 (5.2) 2. Untuk kondisi penutup terbuka 10 putaran
Tout = 99,26(Q)-0,34
R² = 0,945 (5.3) 3. Untuk kondisi penutup terbuka 20 putaran
Tout = 103,5(Q)-0,36
R² = 0,933 (5.4) Persamaan 5.2, berlaku untuk 1,5 liter/menit < Debit air < 42 liter/menit pada tekanan udara sekitar berkisar 1 atmosfer pada suhu air masuk 25,9°C, pada kondisi penutup tertutup penuh.
Efisiensi = -0,005(Q)2 + 0,295(Q) + 26,31
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00
0 10 20 30 40
E
fisi
en
si
,
%
47
Persamaan 5.3, berlaku untuk 1,44 liter/menit < Debit air < 48,4 liter/menit pada tekanan udara sekitar berkisar 1 atmosfer pada suhu air masuk 25,9°C, pada kondisi penutup terbuka 10 putaran.
Persamaan 5.4, berlaku untuk 2,1 liter/menit < Debit air < 40 liter/menit pada tekanan udara sekitar berkisar 1 atmosfer pada suhu air masuk 25,9°C, pada kondisi penutup terbuka 20 putaran.
Hasil penelitian terhadap water heater dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip dapat dinyatakan dapat bersaing di pasaran dan dapat digunakan secara efektif dan efisien dibanding dengan menggunakan cara konvensional. Pada variasi penelitian terhadap penutup water heater, variasi yang menghasilkan debit dan suhu air yang baik adalah pada kondisi penutup tertutup penuh. Dipasaran water heater dengan debit 6 liter/menit, suhu air keluar dari
water heater hanya berkisar antara 40°C sedangkan pada water heater dengan panjang pipa 14 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip pada kondisi penutup tertutup penuh water heater dapat menghasilkan debit air 8,4 liter/menit dengan suhu air keluar 42,3ºC, namun penggunaan konsumsi gas untuk water heater ini hampir tiga kali lipat dari konsumsi gas yang dibutuhkan oleh water heater yang ada dipasaran yaitu sebesar 2,64 kg/h.
Dari Gambar 5.4 laju aliran kalor yang diterima air bergantung pada debit air yang mengalir. Semakin besar debit air yang mengalir, semakin sedikit laju aliran kalor yang diterima air, tetapi setelah debit > 15 liter/menit, semakin besar debit air yang mengalir laju aliran kalor yang diterima semakin rendah.
Pada Gambar 5.5 - Gambar 5.6 laju aliran kalor yang diterima semakin meningkat terhadap debit yang semakin meningkat, namun pada debit < 10 liter/ menit, semakin sedikit debit air yang mengalir, laju aliran kalor yang diterima semakin rendah namun beberapa bersifat fluktuaktif. Hubungan antara laju aliran kalor q (dalam kJ) dengan debit air (dalam liter/menit), dapat dinyatakan dengan persamaan :
1. Kondisi penutup tertutup penuh
qair = -0,010(Q)2 +0,306(Q) + 8,927 (5.5) 2. Kondisi penutup terbuka 10 putaran
qair= 0,001(Q)2 + 0,026(Q) + 9,216 (5.6) 3. Kondisi penutup terbuka 20 putaran
qair = -0,002(Q)2 .+ 0,108(Q) + 9,613 (5.7)
Persamaan 5.5, berlaku untuk 1,5 liter/menit < Debit air < 42 liter/menit pada tekanan udara sekitar berkisar 1 atmosfer pada suhu air masuk 25,9°C. Nilai qair tertinggi terletak pada debit 9,96 liter/menit.
Persamaan 5.6, berlaku untuk 1,44 liter/menit < Debit air < 48,4 liter/menit pada tekanan udara sekitar berkisar 1 atmosfer pada suhu air masuk 25,9°C. Nilai
qair tertinggi terletak pada debit 48,4 liter/menit.
Persamaan 5.7, berlaku untuk 2,1 liter/menit < Debit air < 40 liter/menit pada tekanan udara sekitar berkisar 1 atmosfer dan pada suhu air masuk 25,9°C. Nilai
qair tertinggi terletak pada debit 13,4 liter/menit.
49
Pada Gambar 5.7 - Gambar 5.9 nampak bahwa besarnya efisiensi water heater
bergantung pada debit air yang mengalir. Hubungan antara efisiensi water heater
dengan debit air dapat dinyatakan dengan persamaan : 1. Untuk kondisi penutup tertutup penuh
Efisiensi = -0,028(Q)2 + 0,838(Q) + 24,43 (5.8) 2. Untuk kondisi terbuka 10 putaran
Efisiensi = 0,001(Q)2 +0,073(Q) + 25,22 (5.9) 3. Untuk kondisi terbuka 20 putaran
Efisiensi = -0,005(Q)2 + 0,295(Q) + 26,31 (5.10)
Persamaan 5.8, berlaku untuk 1,5 liter/menit < Debit air < 42 liter/menit pada tekanan udara 1 atmosfer dan pada suhu air masuk 25,9°C. Nilai efisiensi berkisar 20,62% - 34,37%.
Persamaan 5.9, berlaku untuk 1,44 liter/menit < Debit air < 48,4 liter/menit pada tekanan udara 1 atmosfer dan pada suhu air masuk 25,9°C. Nilai efisiensi berkisar 19,88% - 32,39%
Persamaan 5.10, berlaku untuk 2,1 liter/menit < Debit air < 40 liter/menit pada tekanan udara 1 atmosfer dan pada suhu air masuk 25,9°C. Nilai efisiensi berkisar 24,74% - 30,14%.
Nilai efisiensi terbesar sebesar 34,37% terdapat pada kondisi water heater
dalam kondisi tertutup penutup secara penuh. Nilai efisiensi water heater tidak dapat 100% karena panas yang dihasilkan dari pembakar terbuang ke udara luar melalui celah pada bagian penutup water heater dan sebagian diserap oleh tabung
water heater.
Gambar 5. 10 Perbandingan debit air dengan suhu air keluar dengan 3 variasi percobaan
Pada Gambar 5. 10 tampak perbandingan suhu air keluar dengan debit water heater memiliki beberapa perbedaan yang tidak cukup signifikan. Untuk penggunaan produktifitas dengan debit air yang tinggi dengan suhu air yang cukup baik dalam rata-rata penggunaan, maka penggunaan dengan variasi penutup tertutup penuh adalah variasi yang terbaik dengan mengambil rata-rata data d