In the market, information on the efficiency of the water heater is usually not included as well as information relating to the characteristics of the water heater. Therefore, in this research (a) the design and manufacture of LPG-fueled water heater, and (b) the research characteristics is conducted in the laboratory of Mechanical Engineering the University of Sanata Dharma.
ii
KARAKTERISTIK
WATER HEATER
DENGAN PANJANG
PIPA 12 METER, DIAMETER 0,5 INCI, DAN PENANGKAP
KALOR GAS BUANG
SKRIPSI
Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Diajukan oleh
FRANSISKUS DONATUS FAAN
NIM:105214033
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
ii
CHARACTERISTIC OF WATER HEATER WITH PIPE
12 METERS IN LENGTH, 0.5 INCHES IN DIAMETER, AND
AN EXHAUST GAS HEAT CATCHER
FINAL PROJECT
As partial fulfilment of the requirement
to obtain theSarjana Teknikdegree in Mechanical rngineering
By
FRANSISKUS DONATUS FAAN
Student Number : 105214033
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha rsa atas rahmat
dan karunia-Nya yang telah diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat
menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
sarjana S-1 Teknik Mesin di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan
Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Judul yang diangkat oleh penulis untuk
skripsi ini adalah “ Karakteistik Water HeaterDengan Panjang Pipa Pemanas 12
Meter dan Diameter 0,5 Inchi dan Penangkap Kalor Gas Buang”
Dalam skripsi ini tidak terlepas dari bantuan dan dukungan berbagai pihak,
oleh karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih
sebesar-besarnya kepada :
1. Ir. PK. Purwadi,M.T, selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas
Sanata Dharma Yogyakarta dan selaku Dosen Pembimbing Skripsi.
2. Dr. Asan Damanik selaku Dosen Pembimbing Akademik.
3. Seluruh Staf Pengajar di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata
Dharma.
4. Manase Faan dan Anastasia Sri Widanarti serta Ari Suryono sebagai orang
tua dan orang tua wali, atas semua dukungan baik secara materi maupun
spiritual selama belajar di Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL...i
TITLr PAGr...ii
LrMBAR PrRSrTUJUAN...iii
LrMBAR PrNGrSAHAN...iv
HALAMAN PrRNYATAAN KrASLIAN KARYA...v
HALAMAN PrRNYATAAN PrMPUBLIKASIKAN KARYA...vi
KATA PrNGANTAR...vii
DAFTAR ISI...ix
DAFTAR GAMBAR...xii
DAFTAR TABrL...xvi
ABSTRAK...xvii
ABSTRACT...xviii
BAB I. PrNDAHULUAN...1
1.1. Latar Belakang...1
1.2. Perumusan Masalah...3
1.3. Tujuan...3
1.4. Batasan Masalah...3
1.5. Manfaat Penelitian...4
BAB II. DASAR TrORI DAN TINJAUAN PUSTAKA...5
2.1. DASAR TrORI...5
x
2.1.2. Perancangan Pipa...8
2.1.3. Isolator dan Konduktor...10
2.1.4 Sirip...12
2.1.5. Saluran Udara Masuk...12
2.1.6. Kebutuhan Udara...13
2.1.7. Sumber Api...14
2.1.8. Bahan Bakar...16
2.1.9. Proses Pembakaran LPG...18
2.1.10. Saluran Gas Buang...19
2.1.11. Laju Aliran Kalor...19
2.1.12. rfisiensiWater Heater...21
2.2. Tinjauan Pustaka...21
2.2.1. Spesifikasi BeberapaWater Heateryang ada di pasaran..21
2.2.2. KontruksiWater Heateryang ada di pasaran...25
2.2.3. Hasil Penelitian...29
BAB III. PrMBUATANWATER HEATER...33
3.1. Persiapan...33
3.2. BahanWater Heater...33
3.3. AlatWater Heater...36
3.4.. Proses Pembuatan Alat...41
BAB IV. MrTODOLOGI PrNrLITIAN...50
4.1. Objek yang diteliti...50
xi
4.3. Alat Bantu Penelitian...53
4.4. Variasi Penelitian...54
4.5. Cara Mendapatkan Data...54
4.6. Cara Mengolah Data dan Melakukan Pembahasan...55
4.7. Cara Mendapatkan Kesimpulan...55
BAB V. HASIL PrNrLITIAN, PrRHITUNGAN DAN PrMBAHASAN...57
5.1. Hasil Penelitian...57
5.2. Perhitungan...58
5.2.1. Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas LPG...59
5.2.2. Perhitungan Kecepatan air rata-rata (Um)...60
5.2.3. Perhitungan laju aliran massa air (mair)...63
5.2.4. Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air...64
5.2.5. rfisiensiWater Heater...65
5.3. Hasil perhitungan pengujian alat padaWater Heater...66
5.4. Pembahasan...73
BAB VI. KrSIMPULAN DAN SARAN...78
6.1. Kesimpulan...78
6.2. Saran...79
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Perpindahan kalor secara konduksi pada contoh saluran pipa...6
Gambar 2.2. Perpindahan kalor secara konveksi pada contoh salura pipa...7
Gambar 2.3. Perpindahan kalor sacara radiasi pada contoh saluran pipa...8
Gambar 2.4. Media pembakar yang menggunakan bahan bakar LPG...14
Gambar 2.5. Kompor portable RT...15
Gambar 2.6. Kompor gas 2 tungku...15
Gambar 2.7. Aliran fluida dalam saluran air...20
Gambar 2.8. Water Heatergas LPG tipe WH1...22
Gambar 2.9. Water Heatergas LPG tipe WH2...23
Gambar 2.10. Water Heatergas LPG tipe WH3...24
Gambar 2.11. Water Heatermodel 1...25
Gambar 2.12. Water Heatermodel 2...26
Gambar 2.13. Water Heatermodel 3...27
Gambar 2.14. Water Heatermodel 4...28
Gambar 3.1. Pipa tembaga panjang...34
Gambar 3.2. Plat galvanum...34
Gambar 3.3. Besi strip...34
Gambar 3.4. Baut dan mur...35
Gambar 3.5. Nako besi...35
xiii
Gambar 3.7. Bor...36
Gambar 3.8. Gerinda...36
Gambar 3.9. Las tembaga...37
Gambar 3.10. Las listrik...37
Gambar 3.11. Kunci pas...38
Gambar 3.12. Pemotong pipa tembaga...38
Gambar 3.13. Penekuk pipa tembaga...39
Gambar 3.14. Tang...39
Gambar 3.15. Gunting plat...40
Gambar 3.16. Meteran...40
Gambar 3.17. Jangka sorong...41
Gambar 3.18. Pembentukan pipa tembaga menjadi spiral...42
Gambar 3.19. Pembentukan lingkaran...43
Gambar 3.20. Penyambungan kerangkawater heater...43
Gambar 3.21. Pengerjaan lubang untuk paku keling...44
Gambar 3.22. Membuat lubang udara...44
Gambar 3.23. Membuat tabung bagian dalam...45
Gambar 3.24. Pemasangan sirip...45
Gambar 3.25. Pemasangan pipa penangkap kalor gas buang...46
Gambar 3.26. Pengerjaan tabung bagian luar...47
Gambar 3.27. Proses penyambungan pipa...47
Gambar 3.28. Proses pembuatan penutup tabung...48
xiv
Gambar 3.30. Hasil akhir dari pembuatanwater heater...49
Gambar 4.1. Water heateryang siap diuji (ukuran dalam mm)...50
Gambar 4.2. Pipa tembaga yang sudah dirol (ukuran dalam mm)...51
Gambar 4.3. Water heatertampak dari atas (ukuran dalam mm)...51
Gambar 4.4. Skema rangkaian alat penelitian...52
Gambar 5.1. Hubungan debit air dengan suhu air keluar (kondisi gas maksimum)...69
Gambar 5.2. Hubungan debit air dengan suhu air keluar (kondisi gas medium)...69
Gambar 5.3. Hubungan debit air dengan suhu air keluar (kondisi gas low)...70
Gambar 5.4. Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (kondisi gas maksimum)...70
Gambar 5.5. Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (kondisi gas medium)...71
Gambar 5.6. Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air (konidisi gas low)...71
Gambar 5.7. Hubungan debit air dengan efisiensi (kondisi gas maksimum)...72
Gambar 5.8. Hubungan debit air dengan efisiensi (kondisi gas medium)...72
Gambar 5.9. Hubungan debit air dengan efisiensi (kondisi gas low)...73
Gambar 5.10. Hubungan debit air dengan suhu air keluar (Tout) pada kondisi gas maksimum, medium, dan low...75
xv
(qair) pada kondisi gas maksimum, medium, dan low...76
Gambar 5.12. Hubungan debit air dengan efisiensi (η)water heaterpada kondisi
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Nilai konduktifitas termal/bahan...10
Tabel 2.2. Sifat-sifat bahan bukan logam...11
Tabel 2.3. Sifat-sifat bahan logam pada suhu 20oC...11
Tabel 2.4. Komposisi udara dalam keadaan normal...13
Tabel 4.1. Data volume air dan selang waktu pengukuran...56
Tabel 4.2. Tabel berat gas dan selang waktu pengukuran...56
Tabel 5.1. Hasil pengujian kondisi gas pada proses pembakaran gas...57
Tabel 5.2. Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas maksimum...57
Tabel 5.3. Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas maksimum...58
Tabel 5.4. Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas low...58
Tabel 5.6. Hasil perhitunganwater heaterpada kondisi gas maksimum...67
Tabel 5.7. Hasil perhitunganwater heaterpada kondisi gas medium...67
xvii
ABSTRAK
Dipasaran, informasi tentang efisiensi water heater biasanya tidak dicantumkan demikian juga informasi yang terkait dengan karakteristik water
heater itu. Karena itu, dalam penelitian ini dilakukan (a) perancangan dan
pembuatan water heater berbahan bakar LPG, dan (b) analisis karakteristik nya penelitian dilakukan di laboratorium Teknin Mesin Universitas Sanata Dharma. Adapun batasan masalah dalam pembuatan water heater dengan penangkap kalor gas buang dan berbahan bakar LPG antara lain (a) suhu air yang masuk water
heater sama dengan suhu air sumur (b) bahan yang digunakan adalah pipa
tembaga dengan diameter dalam 0,5 inci dan panjang 12 meter (c) suhu air panas yang dihasilkan berkisar (370C - 410C) dengan debit minimal 6 liter per menit (d) menggunakan 2 lapisan tabung dengan bahan galvanum dan berlubang (e) menggunakan lilitan pipa tembaga dengan panjang 3 meter yang akan dipanaskan oleh gas buang sebelum masuk water heater (f) saluran pipa air diberi sirip dari bahan pipa tembaga yang mempunyai diameter 0,5 inci dan panjang 0,25 meter (g) sumber energi panas dari gas LPG. Variasi dilakukan terhadap besar kecilnya debit air yang masuk dengan 10 variasi debit yang masuk ke dalam water heater
xviii
ABSTRACT
In the market, information on the efficiency of the water heater is usually not included as well as information relating to the characteristics of the water heater. Therefore, in this research (a) the design and manufacture of LPG-fueled water heater, and (b) the research characteristics is conducted in the laboratory of Mechanical rngineering the University of Sanata Dharma.
1
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Dengan kemajuan zaman yang semakin berkembang dan pertambahan
penduduk yang semakin meningkat, berbagai cara ditemukan untuk meningkatkan
kualitas hidup manusia. Salah satu caranya adalah menciptakan alat pemanas air
untuk keperluan mandi air hangat. Kebutuhan manusia yang sangat mendasar
adalah kebutuhan air hangat yang digunakan untuk keperluan mandi.
Teknologi yang dapat menghasilkan air hangat di kenal dengan pemanas
air atau water heater. Ditinjau dari sumber energi yang di pergunakan menjadi 3
macam diantara lain yang pertama water heater tenaga matahari ke dua
menggunakan tenaga listrik dan yang ke tiga tenaga gas LPG. Masing-masing
kelompok mempunyai keuntungan dan kerugian nya sendiri-sendiri.
Dari ke tiga jenis water heater tersebut, water heater dengan
menggunakan sumber energi gas LPG memiliki beberapa keunggulan.
Keunggulanwater heater dengan sumber energi gas LPG adalah dapat digunakan
kapan pun dan dimanapun selama gas LPG tersedia, dan aliran air tersedia. Dapat
dipergunakan dimanapun karena water heater ini dapat dipakai ditempat umum
seperti rumah sakit, hotel, perindustrian, rumah tangga dan kantor. Dapat
dikatakan dipergunakan kapanpun karena water heater jenis gas LPG dapat
digunakan ketika terjadi pemadaman listrik, dapat digunakan disiang hari atau
malam hari di saat hujan atau di saat hari cerah. Water heater dengan gas LPG
untuk menggunakan air hangat. Kapasitas air hangat yang di hasilkan dan
dapat digunakan untuk keperluan mandi juga tidak terbatas selama ada air yang
mengalir dan selama ada gas LPG air panas dapat dihasilkan.
Bila dibandingkan dengan water heater energi surya,water heater dengan
gas LPG kurang ramah lingkungan, karena water heater dengan gas LPG dapat
menghasilkan gas buang hasil dari proses pembakaran gas LPG. Selain itu gas
LPG dapat habis bila digunakan terus menerus sehingga memerlukan pengisisan
gas LPG kembali.
Berbeda dengan energi surya yang sumber energi nya tidak akan pernah
habis meski demikian, energi surya tidak dapat di gunakan pada malam hari cuaca
mendung. Dibandingkan dengan water heater energi listrik, water heater dengan
gas LPG lebih hemat listrik akan tetapi memerlukan biaya dalam pembeliaan gas
LPG. Kekurangan dari gas LPG adalah tidak ramah lingkungan dan harus hati hati
dalam penggunaannya agar tidak terjadi ledakan gasLPG.
Dengan latar belakang tersebut, penulis terpancing untuk mendalamiwater
heater gas LPG dengan cara melakukan pembuatan dan penelitian terhadapwater
heater gas LPG. Diharapkan hasil dari pembuatan dan penelitian efisiensi dari
water heater yang dihasilkan dapat bersaing dengan water heater yang berada di
pasaran atau dapat menghasilkan suhu air yang keluar lebih tinggi dibandingkan
1.2. Perumusan Masalah
Di pasaran, informasi tentang efisiensi water heater tidak tercantum pada
name plate dari water heater yang di jual jual di pasaran, demikian juga informasi
secara detail tentang suhu air keluar dari water heater jika debit sudah di pilih.
Informasi itu sangat penting bagi konsumen untuk menentukan water heater
sesuai dengan yang diinginkan.
1.3. Tujuan
Tujuan dari penelitian dan pembuatan pemanas air atau water heater
dengan sumber energi panas LPG adalah :
a. Membuat dan merancangwater heaterdengan sumber energi gas LPG.
b. Mengetahui karakteristik dariwater heaterdengan sumber energi gas LPG
yang telah dibuat :
1. Mengetahui hubungan antara debit air yang masuk dengan suhu air
yang keluar dariwater heater.
2. Mengetahui hubungan antara debit air dengan laju perpindahan kalor
yang diterima.
3. Mengetahui efisiensi dariwater heater gas LPG.
1.4. Batasan Masalah
Batasan-batasan masalah yang diambil dalam pembuatan peralatan
penelitian ini adalah :
a. Suhu air yang masuk water heater sama dengan suhu air yang berada di
b. Bahan pipa yang digunakan adalah tembaga dengan diameter dalam 0,5
inci dan panjang pipa 12 meter.
c. Temperatur suhu air panas yang dihasilkan minimal 370C - 400C dengan
debit minimal 6 liter per menit.
d. Menggunakan pipa tembaga 3 meter dengan berdiameter 0,5 inci untuk
pemanasan awal air yang akan masuk water heater dengan memanfaatkan
gas buang.
e. Menggunakan 2 lapisan tabung dan berlubang.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah :
a. Dapat menjadi bahan referensi bagi para peneliti lain yang ingin
mendalami tentangwater heater.
b. Dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan tentang penukar
kalor dan khususnya bagiwater heater.
5
BAB II
DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Dasar Teori
2.1.1. Proses Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor merupakan ilmu untuk meramalkan perpindahan energi
dalam bentuk kalor yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda
atau material. Dalam proses perpindahan energi tersebut tentu ada kecepatan
perpindahan kalor yang terjadi, atau yang lebih dikenal dengan laju perpindahan
kalor. Maka ilmu perpindahan panas juga merupakan ilmu untuk meramalkan laju
perpindahan kalor yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Perpindahan kalor
dapat didefinisikan sebagai suatu proses berpindahnya suatu energi (kalor) dari
satu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan temperatur pada daerah
tersebut. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu
konduksi, konveksi, dan radiasi.
a. Perpindahan Kalor Secara Konduksi
Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor
dimana kalor mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang
bertemperatur rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antar
medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung sehingga
terjadi pertukaran energi dan momentum. Laju perpindahan kalor yang terjadi
pada perpindahan kalor konduksi adalah berbanding dengan gradien suhu normal
Gambar 2.1Perpindahan kalor secara konduksi pada contoh saluran pipa
Contoh perpindahan kalor secara konduksi pada water heater, dimana
kalor berpindah dari dinding luar pipa tembaga menuju ke bagian dalam dinding
pipa tembaga.
b. Perpindahan Kalor Secara Konveksi
Konveksi adalah perpindahan panas karena adanya gerakan/aliran/
pencampuran dari bagian panas ke bagian yang dingin. Contohnya adalah
kehilangan panas dari radiator mobil, pendinginan dari secangkir kopi dan
sebaginya. Menurut cara aliran menggerakkan alirannya, perpindahan panas
konveksi diklasifikasikan menjadi dua yakni konveksi bebas (free convection) dan
konveksi paksa (forced convection). Bila gerakan fluida disebabkan karena
adanya perbedaan kerapatan karena perbedaan suhu, maka perpindahan panasnya
disebut sebagai konveksi bebas (free/natural convection). Bila gerakan fluida
disebabkan oleh gaya pemaksa/eksitasi dari luar, misalkan dengan pompa atau
kipas yang menggerakkan fluida sehingga fluida mengalir di atas permukaan,
maka perpindahan panasnya disebut sebagai konveksi paksa (forced convection). Tembaga
Gambar 2.2Perpindahan kalor secara konveksi pada contoh saluran pipa
Contoh peprindahan kalor secara konveksi terjadi pada dinding dalam
water heaterke fluida (air).
c. Perpindahan Kalor Radiasi
Peprindahan kalor secara radiasi menurut Joseph Stefan peprindahan kalor
dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Pada radiasi, kalor atau energi
merambat tanpa membutuhkan zat perantara, berbeda halnya dengan konduksi
atau konveksi yang selalu membutuhkan medium. Sebenarnya setiap benda
memancarkan dan menyerap energi radiasi. Benda panas ada yang berpijar dan
ada juga yang tidak berpijar. Kedua benda tersebut memancarkan/meradiasikan
energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan berbagai panjang
gelombang.
Stefan (1879) menemukan bahwa laju rambat kalor secara radiasi tiap
satu satuan luas permukaan benda bergantung pada sifat dan suhu permukaan
benda. Benda yang mengkilap lebih sukar memancarkan kalor dari pada benda
yang hitam dan kusam. Jadi dapat dikatakan bahwa benda hitam dan kusam
merupakan pemancar dan penyerap kalor yang baik. Tembaga
udara luar udara luar
Gambar 2.3Perpindahan kalor secara radiasi pada contoh saluran pipa
Contoh perpindahan kalor secara radiasi, dimana perpindahan kalor terjadi
dari lingkungan luar menuju ke dalamwater heater.
2.1.2. Perancangan Pipa
a. Pemiihan bentuk pipa pemanas
Dalam perancangan atau pembuatanwater heater menggunakan pipa yang
dibentuk seperti spiral atau melingkar, hal ini disebabkan karena alasan berbentuk
spiral adalah :
1. Hambatan sedikit, sehingga daya pompa tidak besar, seperti diketahui
untuk mendapatkan hambatan-hambatan yang kecil saat fluida mengalir di
dalam pompa adalah:
Menghindari belokan-belokan yang tajam
Menghindari percabangan
2. Supaya energi yang bersumber dari api, dapat diserap dengan baik oleh air,
semua pipa kena api atau radiasi api langsung.
Hambatan yang terjadi ketika air mengalir diusahakan sangat kecil. Dalam
pembentukan saluran pipa tidak dibuat pipa yang melengkung tajam agar Tembaga
hambatan yang dihasilkan tidak begitu besar. Apabila terjadi pembelokan
saluran, sudut pembelokan diusahakan lebih besar dari sudut 90°. Hal ini
dimaksudkan agar gesekan yang terjadi antara fluida dan pipa semakin kecil dan
daya yang diperlukan untuk mendorong air lebih kecil. Dengan alasan tersebut,
saluran pipa di buat berbentuk spiral.
b. Pemilihan Bahan
Pipa yang dipilih harus memiliki nilai konduktivitas termal yang tinggi.
Sehingga bahan mampu mengalirkan kalor konduksi yang besar, mampu
memindahkan kalor yang diterima dari sumber api menuju fluida yang mengalir
di dalam pipa. Konduktivitas termal suatu benda adalah kemampuan suatu benda
untuk memindahkan kalor melalui benda tersebut. Benda yang memiliki
konduktivitas termal besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor
termal yang baik). Sebaliknya, benda yang memiliki konduktivitas termal kecil
merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk). Semakin
Tabel 2.1 Nilai Konduktifitas termal/bahan (Stefan, (1879) buku perpindahan kalor)
No. Bahan Nilai konduktivitas termalWatt/m.ºC Titik lebur
1 Timbal (murni) 35 327oC
2 Tembaga (murni) 385 600oC
3 Aluminium (murni) 202 400oC
4 Besi (murni) 73 1200oC
5 Nikel (murni) 93 1455oC
6 Baja karbon 1% C 43 1200oC
7 Perak (murni) 410 400oC
Pertimbangan dalam pemilihan bahan pipa yang lain adalah :
1. Harganya terjangkau, agar biaya yang di keluarkan tidak banyak.
2. Bahan pipa tidak berkarat, jika berkarat akan dapat mengotori air yang
akan di pergunakan untuk mandi selain kotor juga bau.
3. Titik didih bahan pipa tinggi, bahan pipa tidak melebur atau meleleh saat
di pergunakan.
C. Pemilihan diameter pipa
Pemilihan diameter pipa juga merupakan hal yang sangat penting, semakin
kecil diameter pipa yang dipakai, semakin besar dayanya. Semakin kecil diameter,
semakin besar hambatannya. Ukuran diameter pipa dipilih sedemikian sehingga
tidak menghasilkan daya yang besar, selain itu harga jual water heater dapat
terjangkau.
2.1.3. Isolator dan Konduktor
Berdasarkan kemampuan dalam menghantarkan kalor benda dibedakan
a. Isolator
Isolator adalah benda-benda yang tidak mampu atau tidak dapat
menghantarkan kalor dari suatu tempat ke tempat yang berbeda dengan baik.
Contoh benda yang disebut isolator adalah : kayu, kain dan gabus. Pada percobaan
ini memiliki nilai konduktivitas termal yang rendah, isolator diperlukan agar kalor
[image:31.595.87.514.243.700.2]hasil proses pembakaran bahan bakar tidak banyak keluar dariwater heater.
Tabel 2.2Sifat-sifat bahan bukan logam (Holman,1993)
No Bahan k (W/mºC) c (kJ/kg.˚C) ρ(kg/m3) α (m2/s)
1 Asbes 0,154 0,816 470-570 3,3-4 x 10-7
2 Gabus 0,045 1,88 45-120 2-5,3 x 10-7
3 Gelas 0,78 0,84 2700 3,4 x 10-7
4 Bata bangunan 0,69 0,84 1600 5,2 x 10-7
5 Udara 0,009246 1,0266 3,601 25,01 x 10-7
Pada pembuatanWater Heaterini dipilih Isolator nya adalah udara.
b. Konduktor
Konduktor adalah bahan yang bersifat dapat menghantarkan kalor dengan
baik. Konduktor yang baik adalah yang memiliki nilai konduktivitas termal yang
tinggi, pada umumya logam.
Tabel 2.3Sifat-sifat bahan logam pada suhu 200C (Holman,1993)
No Bahan k(W/mºC) cp(kJ/kg.˚C) ρ(kg/m3) α (m2/s)
1 Perak 419 0,2340 10524 17,004 x 10-5
2 Tembaga 386 0,091 8954 4,42 x 10-5
3 Alumunium 204 0,208 2707 3,33 x 10-5
4 Seng 112 0,091 7144 1,60 x 10-5
5 Besi 73 0,11 7897 0,63 x 10-5
2.1.4. Sirip
Sirip sering digunakan pada alat penukar kalor untuk meningkatkan luasan
perpindahan kalor antara permukaan utama dengan fluida di sekitarnya. Sirip
biasa digunakan dalam pengkondisian udara dan juga peralatan elektronik, motor
listrik dan lain-lain. Dalam semua peralatan tersebut udara digunakan sebagai
media perpindahan panas. Idealnya, material sirip harus mempunyai konduktivitas
termal yang tinggi sehingga dapat membantu dengan cepat perpindahan panas
dari sumber api ke air. Semakin besar dan banyak sirip yang dipasang maka
semakin besar pula kalor yang dipindahkan.
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 heater terdapat 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 heater jika pasokan udara tidak ada didalam water
heater. Didalam keadaan normal komposisi oksigen di dalam udara berkisar 20,
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
[image:33.595.86.513.253.651.2]kurang tinggi.
Tabel 2.4Komposisi udara dalam keadaan normal (Sumber : Buku komposisi udara dalam keaaan normal)
No. Unsur Presentase %
1 Nitrogen 78,1
2 Oksigen 20,93
3 Karbon dioksida 0,31
2.1.7. Sumber Api
Sumber nyala api dapat diambil dari kompor. Ada berbagai macam
kompor dengan bentuk geometri dan bahan bakar kompor yang berbeda. Bahan
bakar kompor juga menentukan titik nyala api. Ada kompor yang mampu
memberikan api yang besar tetapi ada pula yang mampu memberikan api yang
kecil. Pada kenyataanya setiap kompor menghasilkan bentuk api dan besar api
yang khas. Semakin banyak api yang mampu dihasilkan kompor dan semakin
banyak api yang mampu menyentuh sistem saluran pipa air dengan siripnya, tentu
akan semakin besar kalor yang dapat dipindahkan ke dalam air melalui saluran
pipa air. Dengan catatan proses pembakaran yang terjadi dalam peralatan water
heater berlangsung dengan sempurna. Berikut ini adalah contoh sumber api
[image:34.595.86.516.233.623.2]berbahan bakar gas LPG yang terdapat di pasaran.
Gambar 2.4Media 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
Gambar 2.5Kompor portable RT
Dimensi (mm) : 3442 x 275 x 85 (PLT)
Daya pemanas : 0,15 kg/h
Bahan : Gas butana
Gambar 2.6Kompor gas 2 tungku
Kompor gas pada Gambar 2.6 memiliki spesifikasi sebagai berikut
Dimensi : 720 x 415 x 201, mm
2.1.8. Bahan Bakar
Pada penelitian ini proses pembakarannya menggunakan bahan bakar dari
gas yaitu gas LPG (Liquified Petroleum Gas). Di Indonesia ada tiga macam LPG
yang diproduksi dan dipasarkan oleh PT. Pertamina yaitu bahan bakar gas LPG
untuk rumah tangga, gas LPG Propana dan gas LPG Butana. Komponen utama
bahan bakar LPG (dari hasil produksi kilang minyak dan gas) adalah gas
propana
C3H8
dan butana
C4H10
, dengan komposisi kurang lebih sebesar 99%,selebihnya adalah gas pentana
C5H12
yang dicairkan. Perbandingankomposisi 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 kgcm2 . Nilai kalori sekitar : 21.000 BTU/lb. zat
mercaptan umumnya ditambahkan ke LPG untuk memberikan bau khas, supaya
kalau terjadi kebocoran, dapat segera terdeteksi dengan cepat dan mudah.
Reaksi pembakaran propana
C3H8
, jika terbakar sempurna adalahsebagai 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.
2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O + panas
butana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Menurut wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut hampir
sama dengan propana 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 sebesar 2257 J/gr
air untuk merubah air menjadi uap. Pada kondisi udara luar 1 kg propana memiliki
volume sekitar 0,543. Satu Kg LPG memiliki energi yang setara untuk
mendidihkan air 90 liter. Tabel 2.2 menyajikan daya pemanasan dari efisiensi alat
masak LPG dengan bahan bakar gas. Terlihat bahwa efisiensi alat masak dengan
[image:37.595.84.516.210.702.2]gas LPG berkisar sebesar 60 %.
Tabel 2.4 DayaPemanasan dan rfisiensi berbagai macam bahan bakar (sumber: Intan Pariwara (2010) buku efisiensi berbagai macam bahan bakar)
Bahan Bakar Daya Pemanasankkal/kg rfisiensi alat masak%
Kayu bakar 4000 15
Arang 8000 15
Minyak tanah 11000 40
Gas kota 4500 55
LPG 11900 60
2.1.9. Proses Pembakaran LPG
Pembakaran adalah reaksi kimia antara oksigen dengan unsur bahan bakar.
Oksigen didapat dari udara luar yang merupakan campuran dari berbagai senyawa
kimia antara lain LPG (Liquefied Petroleum Gas) yaitu gas alam yang dicairkan.
LPG merupakan campuran dari berbagai unsur hidrokarbon yang berasal dari gas
alam yang dicairkan. Komponen LPG paling banyak adalah gas propana
C3H8
dan butana
C4H10
, dengan komposisi kurang lebih sebesar 99 %, selebihnyaadalah gas pentana
C5H12
yang dicairkan. Perbandingan komposisi propana danbutana 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
2 cm
kg . Nilai kalori sekitar : 21.000 BTU/lb. Untuk mengatasi terjadi kebocoran
sehingga dapat terdeteksi dengan cepat dan mudah maka LPG ditambahkan zat
mercaptan.
Reaksi pembakaran propana
C3H8
, jika terbakar sempurna adalahsebagai berikut :
8 3H
C + 5O2 → 3CO2 + 4H2O + panas
propana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Dari sumber wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut
Reaksi pembakaran butana
C4H10
,jika terbakar sempurna adalahsebagai berikut :
2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O + panas
butana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Dari sumber wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut hampir
sama dengan propana setara dengan 46 MJ/kg.
2.1.10. Saluran Gas Buang
Pada proses pembakaran selain menghasilkan panas juga menghasilkan
gas buang. Gas buang yang dihasilkan berupa gas dan uap air. Agar nyala api
tidak terganggu oleh gas buang maka harus dibuat saluran gas buang supaya gas
buang bisa keluar. Dalam perancangan saluran gas buang perlu
mempertimbangkan besar kecilnya debit gas buang yang terjadi dan diusahakan
gas buang dapat mengalir keluar dengan lancar. Selain itu perancangan saluran
gas buang harus dipilih sedemikian rupa sehingga tidak menggangu pengguna dari
water heater. Perancangan saluran gas buang juga menentukan nyala api yang
dihasilkan. Jika saluran gas buang terancang dengan baik maka api akan berfungsi
dengan baik untuk memanaskan air
2.1.11. Laju Aliran Kalor
Laju aliran kalor yang diterima air ketika mengalir di dalam pipa dapat
dihitung dengan persamaan (2.2). Sedangkan untuk menghitung laju aliran massa
Gambar 2.7Aliran fluida dalam saluran air
air
m = (massa jenis) (luas penampang) (kecepatan air)
air
m
r2
um ...(2.1)
i o
airair
air m c T T
q ...(2.2)
Pada persamaan (2.1) dan (2.2)
air
q : laju aliran kalor yang diterima air, watt
air
m : laju aliran massa air, kg/detik
air
c : kalor jenis air, 4179 J/kgoC.
Tin : suhu air masukwater heater,oC
Tout : suhu air keluarwater heater,oC.
m
u : kecepatan rata-rata fluida mengalir, m/s
: massa jenis fluida yang mengalir, kg/m3
d : diameter saluran, m
Laju aliran kalor yang diberikan gas dapat dihitung dengan persamaan (2.3)
gas
q = mgasCgas ...(2.3)
Pada persamaan (2.3) :
gas
gas
c : nilai kalor jenis elpiji ( J/kg), (1kkal = 4186,6 J)
2.1.12. Efisiensi Water Heater
rfisiensiWater Heaterdapat dihitung dengan persamaan (2.4)
% 100
x q q
gas air
...(2.4)
Pada persamaan (2.4) :
: rfisiensiwater heater(%)
air
q : Laju aliran kalor yang diterima air, watt
gas
q : Laju aliran kalor yang diberikan gas, watt
2.2. Tinjauan Pustaka
Saat ini banyakwater heateryang beredar di pasaran. Bermacam – macam
ditawarkan dari model bentuk, kapasitas air yang mengalir, suhu yang dihasilkan
dan bahan bakar yang digunakan. Referensi pembuatan water heater dengan
bahan bakar gas LPG pada penelitian ini mengacu pada beberapa water heater
yang beredar di pasaran, seperti pada gambar berikut :
2.2.1. Spesifikasi BeberapaWater Heateryang ada di pasaran
Gambar 2.8Water heatergas LPG tipe WH1 (sumber www.modena.com)
Spesifikasi :
• Jenis :Instan
• Pemasangan :Vertikal
• Sumber pemanas :Gas LPG
• Bahan pipa saluran air :Tembaga
Fitur Teknis :
• Kapasitas (liter) :6 liter / menit
• Tekanan air maksimum (bar) :0,8
• Diameter pipa koneksi (inch) :0,4
• Suhu (°celcius) :75
• Kalori (kcal/h) :8600
• Input gas (kg/h) :0,78
Dimensi Produk :
• Panjang (cm) :30
• Lebar (cm) :4,6
• Tinggi (cm) :44
b. Water Heatergas LPG tipe WH2
Gambar 2.9Water heatergas LPG tipe WH 2 (sumber www.erabangun.com.)
Spesifikasi :
Lebar : 290 mm
Pemasangan : rksternal/ Internal*
Panjang : 369 mm
Berat : 6, 1 Kg
Kapasitas air panas : 5 ltr/ mnt
Gas Input : 0, 5 Kg/ h
Ignition : Baterai
Tekanan Gas : 280 mm H2O
Suhu maksimum : 60oC
Outlet Gas : 0,5inch
Outlet Air Dingin : 0,5 inch
Outlet Air Panas : 0,5 inch
Instant Warm System : No
c. Water Heatergas LPG tipe WH3
Gambar 2.10Water heatergas LPG tipe WH 3 (sumber www.malen.com)
Spesifikasi
Warna : putih
Kapasitas maksimum : 6 Liter/menit
Berat : 37 kg
Dimensi luar : 740 x 430 x 248, mm
Temperatur maksimum : 40OC - 80OC
Tipe gas : LPG
2.2.2. KontruksiWater Heateryang ada di pasaran
SemuaWater heater memiliki cara kerja yang sederhana yaitu sama seperti
memasak air. Perbedaannya adalah terletak pada kondisi/keadaan air yang
[image:45.595.93.513.200.614.2]dipanaskan dan rangkaian dariwater heatertersebut.
Gambar 2.11Water Heatermodel 1
Untuk mendapatkan air panas dari water heater model ini adalah dengan
cara melilitkan saluran pipa pada tabung yang panas. Tabung bisa menjadi panas
karena adanya proses pembakaran di bagian bawah tabung. Pada model ini
saluran pipa air tidak kontak langsung dengan api atau tidak kontak langsung
dengan gas buang. Air yang dipanaskan yaitu air yang mengalir di dalam pipa.
Pada model ini terdapat fan atau kipas yang berfungsi untuk membantu proses
pembakaran dengan cara mengalirkan oksigen yang ada di udara. Gas buang hasil
pembakaran yang sudah dingin dibuang melewati saluran yang berada di atas
b. Water heatermodel 2
Pada water heater model 2 ini prinsip kerjanya sama seperti memasak air
tetapi ada pipa untuk aliran air. Berbeda denganwater heatermodel 1, padawater
heater model 2 ini terdapat penampung air. Air dingin mengalir masuk melalui
saluran masuk dan setelah panas keluar melalui saluran keluar.
Gambar 2.12Water heatermodel 2
Dari Gambar 2.12 terlihat bahwa pipa aliran air masuk berwarna biru
sedangkan pipa aliran keluar berwarna merah. Di dalam penampung air juga
terdapat pipa untuk aliran gas buang. Jika dibandingkan dengan water
heatermodel 1,water heatermodel 2 ini proses awal untuk memanaskan air lebih
lama karena air berada pada penampung air dengan jumlah yang banyak
sedangkan air padawater heatermodel 1 air yang dipanaskan lebih sedikit karena
berada pada pipa yang langsung dipanaskan.
Untuk mendapatkan air panas dariWater Heater model 3 dilakukan dengan
cara memanaskan saluran pipa air secara langsung dengan api atau gas buang
yang bersuhu tinggi.
Gambar 2.13Water heatermodel 3
Pipa saluran air yang digunakan untuk mengalirkan air ini berada di dalam
tabung, dibuat spiral dan kontak langsung dengan api atau gas buang yang
bersuhu tinggi. Terdapat fan yang berfungsi untuk mengalirkan oksigen dari luar.
Air yang dipanaskan adalah air yang mengalir di dalam pipa yang langsung
kontak dengan api atau gas buang yang bersuhu tinggi.
d. Water heatermodel 4
Cara kerja water heater model 4 ini hampir sama dengan water heater
terdapat pada caranya membuang gas buang yang dipergunakan untuk
memanaskan air.
Gambar 2.14Water heatermodel 4
Di dalam saluran gas buang terdapat spiral yang mengarahkan jalan
keluarnya gas buang. Dengan adanya spiral ini, diharapkan gas buang tidak
langsung keluar. Gas buang dibuat berada lebih lama di dalam saluran, agar
semua panas dapat dipindahkan ke pipa saluran air. Suhu keluar gas buang ketika
keluar water heatertidak tinggi dan suhu air di dalam saluran pipa menjadi lebih
2.2.3. Hasil Penelitian Sebelumnya
Suparno (2014) melakukan penelitian tentangkarakteristik water heater
dengan panjang 12 meter, diameter 0,5 inchi dan bersirip, diameter pada dinding
dalam 20 cm, panjang pipa 12 meter, diameter bahan pipa 0,5 inci, 150 lubang
masuk udara pada dinding luar, 1005 lubang pada dinding dalam water heater,
dan 4 buah sirip dari pipa berdiameter 0,5 inci yang bertujuan untuk (a) membuat
alat water heaterdengan sumber energi gas LPG, (b) Mengetahui karakteristik
dariwater heaterdengan sumber energi gas LPG yang telah dibuat :
(1) mengetahui hubungan antara debit air yang masuk dengan suhu air yang
keluar dari water heater, (2) mengetahui hubungan antara debit air dengan laju
perpindahan kalor yang diterima air , (3) mengetahui efisiensi dari water heater.
Penelitian ini memperoleh hasil (a) water heater dapat dibuat dengan baik dan
mampu bersaing dengan water heater yang ada di pasaran. Pada kondisi ditutup
rapat debit aliran : 11,4 liter/menit dan dengan suhu air yang keluar sebesar 42,6
˚C, (b) Hubungan antara debit air yang masuk dengan temperatur air yang
mengalir saat kondisi ditutup rapat dinyatakan dengan persamaan : T out= 108,8
(debit)–0,36. (liter/ menit)0,36( mairdalam liter/menit, Toutdalam ˚C ) R2= 0,984, (c)
Hubungan antara debit air yang masuk dengan laju aliran kalor yang diperlukan
pada kondisi ditutup rapat dinyatakan dengan persamaan : Qair= 10,92 (debit)0,079.
(liter/ menit)-0,079( mairdalam liter/menit, Qairdalam Joule), (d) kalor yang diterima
air dari water heater berkisar antara : 17551,8 – 14216,96 watt. Jumlah kalor
terbesar 17551,8 watt, (e) kalor yang diberikan gas LPG sebesar : 22142,46 watt,
diperlukan dinyatakan dengan persamaan : n = - 0,776 mair2+ 14,24 mair+ 31,04
(mairdalam liter/menit, n dalam %) R2= 0,967.
Putra (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
heater, (b) Mendapatkan hubungan antara debit air dengan suhu air keluar water
heater, (c) Mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju perpindahan aklor
yang diterima oleh air, (d) Mendapatkan hubungan antara debit air dengan
efesiensi water heater. Penelitian tersebut dilakukan dengan batasan-batasan
sebagai berikut: (a) Water heateryang dibuat memiliki dimensi tinggi 90 cm, (b)
Diameter pada diding luar 25 cm, (c) Diameter pada diding 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 dalamwater 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
heater yang 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, TodalamoC) 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 (mdalam
mengalir dengan efesiensi water heater dapat dinyatakan dengan
persemaan η= 0,077 m3 – 2,208 m2 + 19,84 m + 16,50 (m dalam liter/menit, η
dalam %) dan R2= 0,94.
Setiawan (2012) melakukan penelitian tentang pemanas air dengan
dimensi tinggi 90 cm, diameter pada dinding luar 25 cm, diameter pada dinding
dalam 20 cm, panjang pipa 20 meter, diameter bahan pipa 3/8 inci, 150 lubang
masuk udara pada dinding luar, 1005 lubang pada dinding dalam water heater,
dan 6 buah sirip dari pipa berdiameter 3/8 inci yang bertujuan untuk (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 aliran kalor, (d) menghitung kalor yang diterima water heater (e)
menghitung kalor gas LPG dan (f) menghitung efisiensi water heater. Penelitian
ini memperoleh hasil (a) water heater dapat dibuat dengan baik dan mampu
bersaing dengan water heater yang ada di pasaran. Pada debit aliran : 14
liter/menit dan dengan suhu air yang keluar sebesar 45 ˚C, (b) Hubungan antara
debit air yang masuk dengan temperatur air yang mengalir dinyatakan dengan
persamaan : T out=0,297mair 2– 9,566 mair+ 121,9 ( mairdalam liter/menit, Toutdalam
˚C ) R2 = 0,990, (c) Hubungan antara debit air yang masuk dengan laju aliran
kalor yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan :qair= - 171,9mair2+ 3154 mair
+ 6873 (mairdalam liter/menit, qairdalam watt) R2= 0,967, (d) kalor yang diterima
air dari water heater berkisar antara : 17551,8 – 14216,96 watt. Jumlah kalor
terbesar 17551,8 watt, (e) kalor yang diberikan gas LPG sebesar : 22142,46 watt,
diperlukan dinyatakan dengan persamaan : n = - 0,776 mair2+ 14,24mair+
33
BAB III
PEMBUATANWATER HEATER
3.1. Persiapan
Pada persiapan awal pembuatan water heater dengan panjang pipa 12
meter dan diameter 0,5 inci merupakan pembuatan water heater dengan tiga
tabung yaitu tabung bagian dalam, tabung bagian tengah dan tabung bagian luar.
Proses persiapan selanjutnya adalah pengukuran terhadap desain water heater
meliputi rangka dalam, rangka luar, tabung dalam, tabung luar dan penutupwater
heatermengikuti diameter pembakaran atau burner.
3.2. BahanWater Heater
Bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatanwater heateradalah :
a. Pipa tembaga dengan panjang pipa 12 meter, dengan berdiameter 0,5 inci
b. Plat Galvanum
c. Besi strip
d. Baut dan mur
e. Nako besi 10 mm x 10 mm
f. Paku keling
Bahan-bahan pembuatan water heater di sajikan dalam bentuk pada
Gambar (3.1), Gambar (3.2), Gambar (3.3), Gambar (3.4), Gambar (3.5), dan
Gambar 3.1 Pipa tembaga panjang
Gambar 3.2 Plat galvanum
Gambar 3.4 Baut dan mur
Gambar 3.5 Nako besi
3.3 Alatwater heater
Alat-alat yang digunakan dalam pembuatanwater heateradalah :
a. Bor
Alat ini berfungsi untuk membuat lubang udara pada casingwater heater
Gambar 3.7 Bor
b. Gerinda
Alat ini berfungi sebagai pemotong sekaligus merapikan dinding water
heater
c. Las tembaga
Las tembaga berfungsi sebagai penyambungan dalam pipa tembaga
Gambar 3.9. Las tembaga
d. Las listrik
Las listrik berfungsi sebagai penyambung dalam pembuatan rangka water
heater.
e. Kunci pas
Kunci pas berfungsi berguna untuk memasang dan mengencangkan mur
dan baut dalam pengerjaan rangkawater heater.
Gambar 3.11. Kunci pas
f. Pemotong pipa tembaga
Alat ini berfungsi sebagai pemotong pipa tembaga
g. Penekuk pipa tembaga
Alat ini digunakan untuk menekuk atau membekokkan pipa tembaga
Gambar 3.13. Penekuk pipa tembaga
h. Tang
Tang berguna dalam menjepit tembaga untuk pembuatan siripwater
heater
i. Gunting plat
Alat ini digunakan untuk memotong plat galvanum.
Gambar 3.15. Gunting plat
j. Meteran
Meteran berfungsi dalam menentukan ukuran plat galvanum, panjang
rangkawater heaterdan besi nako.
Gambar 3.16. Meteran
k. Jangka sorong
Jangka sorong digunakan dalam mengukur pada bagianwater heater
Gambar 3.17. Jangka sorong
3.4. Proses Pembuatan Alat
a. Merancang bentukwater heater
Dalam merancang dan pembuatan gambar bentuk water heater dengan
variasi menggunakan penangkap kalor gas buang, dapat dilakukan dengan proses
manual ataupun dapat menggunakan software. Dalam perancangan bentuk water
heaterperlu diberikan ukuran pada setiap bagianwater heater.
b. Memotong pipa tembaga
Dalam pemotongan pipa tembaga menggunakan alat pemotong pipa
tembaga yang bertujuan agar pipa yang dipotong hasilnya lebih baik dan sesuai
dengan hasil yang diinginkan. Selain hail potongan pipa tetap berdiameter bulat,
cacat yang diahasilkan juga hampir tidak ada. Pipa tembaga yang dipotong
sepanjang 12 meter.
c. Proses pelingkaran pipa tembaga
Pipa tembaga yang awalnya berbentuk lurus dibentuk melingkar dengan
ukuran diameter dalam 160 mm dan diameter luar 190 mm sampai hasilnya
berbentuk spiral. Pada pengerjaan ini, pelingkaran pipa menggunakan alat
penekuk pipa tembaga dengan bantuan panci sebagai titik poros tengah agar
Setelah proses pelingkaran pipa tembaga selesai, dilanjutkan dengan
proses pemasangan empat pasang sirip dengan panjang sirip masing-masing 250
mm diluruskan atau dipipihkan dan diberi lubang pada ujung tiap sirip. Kemudian
baut dimasukkan ke dalam lubang yang ada pada sirip tersebut, lalu dikencangkan
dengan mur untuk pemasangan sirip pada pipa tembaga yang telah dibuat
berbentuk spiral. Pemasangan sirip pada pipa dibuat arah vertikal terhadap
[image:62.595.89.510.223.608.2]lingkaran pipa tembaga.
Gambar 3.18. Pembentukan pipa tembaga menjadi spiral
d. Membuat kerangkawater heater
Water heater ini menggunakan dua tabung yaitu tabung bagian luar dan
tabung bagian dalam satu tabung di dalam pipa tembaga yang dibuat spiral, jadi
kerangkan water heater dibuat dua bagian. Membuat kerangka bertujuan agar
membantuwater heater dapat kokoh dan dan tabung yang di pakai dapat menjadi
Gambar 3.19. Pembentukan Lingkaran
Setelah proses pembentukan besi naco menjadi lingkaran untuk bagian
atas dan bawah kerangka water heater, pengerjaan selanjutnya yaitu
menyambungkan dua lingkaran atas dan lingkaran bawah dengan menggunakan
plat strip yang dilakukan dengan proses las listrik.
Gambar 3.20. Penyambungan kerangkawater heater
Pengerjaan tahap terakhir yaitu dengan memasang galvanum untuk
melapisi dinding luar kerangka. Agar galvanum dapat menempel dengan kuat
diperlukan paku keling, sebelum mengunakan paku, galvanum dipasang pada
kerangka dan dilubangi agar mendapatkan lubang yang digunakan untuk tempat
Gambar 3.21. Pengerjaan lubang untuk paku keling
e. Memasukkan pipa tembaga yang sudah berbentuk spiral ke dalam rangka
Setelah proses pengerjaan rangka water heater selesai pipa tembaga yang
berfungsi sebagai tempat jalannya air yang sudah dibentuk spiral lalu dimasukkan
ke dalam rangka.
f. Membuat lubang udara
Membuat lubang udara bertujuan agar terjadi sirkulasi udara yang baik,
dengan menggunakan galvanum yang dilubangi menggunakan bor. Proses
melubangi dilakukan dari tabung dalam hingga tembus sampai ke tabung luar.
g. Membuat tabung bagian dalam
Dibutuhkan plat galvanum untuk tabung diameter dalam berukuran 870
mm x 350 mm, yang dilekatkan dengan besi strip yang berfungsi sebagai
penyangga lalu dilakukan proses pelubangan berjumlah 5 titik dan dipasang
[image:65.595.88.514.207.725.2]dengan paku keling.
Gambar 3.23. Membuat tabung bagian dalam
h. Pemasangan sirip
Sirip yang digunakan 4 buah yang juga terbuat dari pipa tembaga itu
sendiri, yang ditempel pada pipa tembaga yang sudah dirol di bagian dalam dan
luar, pemasangan sirip ini menggunakan baut dan mur yang sebelumnya telah
dilubangi terlebih dahulu.
i. Memasukkan pipa penangkap kalor gas buang ke dalam rangka
Setelah proses pengerjaan rangka water heater dan dinding dalam selesai,
selanjutnya dimasukkan pipa tembaga. Pipa ini berfungsi sebagai penangkap kalor
[image:66.595.85.516.201.650.2]gas buang.
Gambar 3.25. Pemasangan pipa penangkap kalor gas buang
j. Membuat tabung bagian luar
Pengerjaan tabung bagian luar hampir sama dengan proses pengerjaan
tabung bagian dalam. Menggunakan plat galvanum berukuran 975 mm x 360 mm.
Plat galvanum dilekatkan pada besi strip peyangga rangka yang sudah dilubangi.
Setelah plat galvanum sudah menutupi seluruh rangka bagian luar lalu plat
galvanum dilekatkan dengan menggunakan paku keling kembali agar terpasang
Gambar 3.26. Pengerjaan tabung bagian luar
k. Prose penyambungan pipa pemanas dengan pipa penangkap kalor
Setelah proses pengerjaan dinding luar dan dinding dalam selesai
kemudian dilanjutkan dengan proses penyambungan antara pipa pemanas dengan
pipa penangkap kalor gas buang, proses penyambungan menggunakan las
tembaga dan stik tembaga.
Gambar 3.27. Proses penyambungan pipa
l. Proses pembuatan penutup tabung
Penutup tabung dibuat dengan menggunakan plat galvanum yang sudah
dipotong lagi dengan berbentuk lingkaran dengan ukuran 100 mm dan rangka
untuk penutup tabung ini terbuat dari besi strip dibentuk silang dengan ukuran
300 mm. Proses selanjutnya dilakukan pemasangan rangka penutup dan penutup
[image:68.595.84.516.217.634.2]tabung yang terbuat dari plat galvanum dengan menggunakan paku keling.
Gambar 3.28. Proses pembuatan penutup tabung
Langkah selanjutnya membuat tabung berdiameter 100 mm dan diberi
lubang-lubang pada permukaan tabung dengan bertujuan mendapatkan sirkulasi
udara yang baik, yang akan di sambungkan pada penutup tabung. Dibagian bawah
tabung ini ditutup dengan menggunakan plat besi, setelah tabung selesai
Gambar 3.29. Proses membuat tabung diameter 100 mm
.
Gambar 3.30 menyajikan gambar hasil akhir dariwater heater
50
BAB IV
METODOLOGI PENELITIAN
4.1 Objek yang diteliti
[image:70.595.83.547.228.634.2]Objek yang akan diteliti adalah water heater hasil rancangan sendiri
Gambar 4.1, Gambar 4.2 dan Gambar 4.3 yang memperlihatkan water heater
yang diteliti.
Gambar 4.1Water heater yang siap diuji (ukuran dalam mm).
Air masuk
Air keluar
Gambar 4.2 Pipa tembaga yang sudah dirol (ukuran dalam mm)
Gambar 4.3Water heatertampak dari atas (ukuran dalam mm) 160
190
350
Air masuk
4.2. Skematik Alat Penelitian
[image:72.595.83.537.173.618.2]Skematik pengujianwater heaterdi perlihatkan seperti pada Gambar 4.4
Gambar 4.4 Skema rangkaian alat penelitian.
Posisi posisi dimana diletakkan alat ukur suhu ditunjukkan pada garis
berwarna merah dimana disitu diletakan penempatan alat ukur suhu dengan 2
penempatan yang pertama di ujung selang air masuk dan yang ke dua di tempat
keluarnya air panas. Stopwatch digunakan sebagai penentu batas waktu saat
pengambilan volume air panas masuk ke dalam gelas ukur.
Keterangan pada Gambar 4.4 :
1. Kran air.
2. Tabung gas.
3. Termokopel.
4. Termokopel.
5
6
5
4
3
1
9
8
2 6
5. Water heater.
6. Gelas ukur.
7. Stopwatch.
8. Selang gas dan regulator.
9. Alat ukur berat digital.
Air mengalir yang akan digunakan untuk penelitian water heater berasal
dari air keran yang dihubungkan menggunakan selang menujuwater heater. Kran
berfungsi sebagai pengatur aliran air masuk ke water heater. Air yang masuk ke
water heater diukur suhu nya menggunakan termokopel. Air yang masuk ke pipa
spiral akan dipanaskan oleh kompor gas LPG. Air yang keluar dari water heater
diukur suhu nya menggunakan termokopel. Untuk mengukur banyaknya air yang
mengalir di dalam water heater persatuan waktu dipergunakan : gelas ukur dan
stopwatch.
4.3. Alat Bantu Penelitian
Alat - alat bantu yang digunakan dalam penelitianwater heaterberbahan
bakar gas LPG sebagai berikut :
a. Kran, sebagai pengatur aliran air yang masuk kewater heater.
b. Selang air yang berfungsi sebagai saluran air dari kran menujuwater
heater.
c. Kompor dan tabung berisi gas LPG 12 kg sebagai api dan sumber bahan
bakar gas LPG.
d. Klem selang, sebagai pengunci sambungan selang.
f. Stopwatch, sebagai pengukur selang waktu.
g. Kalkulator dan alat tulis digunakan untuk menghitung dan menulis data.
h. Gelas ukur digunakan untuk mengukur volume air panas yang keluar dari
water heater, dalam selang waktu yang ditentukan.
i. Alat ukur berat digital digunakan untuk menimbang berat gas pada tabung
gas baik sebelum digunakan maupun sesudah digunakan.
4.4. Variasi Penelitian
Variasi peneltian yang dilakukan adalah :
a. Variasi debit air
b. Variasi laju aliran gas LPG untuk proses pembakaran
1. Laju aliran massa gas maksimum (mgas max)
2. Laju aliran massa gas medium (mgas med)
3. Laju aliran massa gas low (mgas low)
4.5. Cara Mendapatkan Data
Data diperoleh dari penelitian langsung, untuk suhu air masuk dan air
keluarwater heaterdidasarkan pada apa yang ditampilkan alat ukur suhu.
a. Debit air
Untuk mendapatkan debit air, volume air yang ditampung pada gelas ukur
dibagi dengan selang waktu yang diperlukan air masuk tertampung di
dalam gelas ukur. Data volume air per selang waktu dan selang waktu di
b. Debit gas
Debit gas didapatkan dari berat awal tabung gas dikurangi berat akhir
tabung berisi gas dibagi dengan waktu yang di perlukan untuk membakar
gas yang dipergunakan. (Tabel 4.2)
4.6 . Cara Mengolah Data dan Melakukan Pembahasan
Data-data hasil penelitian kemudian diolah untuk mendapatkan debit air,
laju aliran massa air, laju aliran massa gas, Qair dan efisiensi, Qgas sehingga
dapat diperoleh :
a. Hubungan antara debit air dengan suhu air yang keluar dariwater heater.
b. Hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor yang keluar dariwater
heater.
c. Hubungan antara debit air dengan efisiensiwater heater.
Untuk memudahkan pengolahan data hubungan-hubungan tersebut
disajikan dalam bentuk grafik.
Dari hasil pengolahan data, lalu dilakukan pembahasan terhadap
hasil-hasil penelitian tersebut. Dengan mengaitkan terhadap tujuan-tujuan penelitian
didalam pembahasan. Pembahasan juga mempertimbangkan terhadap hasil-hasil
penelitian yang telah dilakukan sebelumnya.
4.7. Cara Mendapatkan Kesimpulan
Untuk mendapatkan kesimpulan, kesimpulan didapat dari hasil pengolahan
data-data dan dari hasil pembahasan. Kesimpulan harus dapat menjawab tujuan
Tabel 4.1Data Volume Air dan Selang Waktu Pengkuran
No. Volume air yang tertampung dalam gelas ukur
(ml) Selang waktu(detik)
[image:76.595.85.516.140.633.2]1 2 3 4 5
Tabel 4.2Tabel Berat Gas dan Selang Waktu Pengukuran
No. Kondisi gas Berat awal gas
(kg) Berat akhir gas(kg) Selang waktu(menit)
1 Maksimum
2 Medium
3 Low
ar
BAB V
HASIL PENELITIAN, PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN
5.1. Hasil Penelitian
Hasil penelitian water heater dengan panjang pipa 14 meter dan diameter
0,5 inci yang meliputi : berat awal gas, berat akhir gas, selang waktu, debit air,
suhu air masuk (Tin), suhu air keluar (Tout) disajikan pada Tabel 5.1 sampai Tabel
5.4. Penelitian dilakukan dengan kondisi aliran gas berbeda : (a) kondisi gas
[image:77.595.87.516.230.710.2]maksimum, (b) kondisi gas medium dan (c) kondisi gas low.
Tabel 5.1 Hasil pengujian kondisi gas pada proses pembakaran gas
No. Kondisi gas Berat awal gas(kg) Berat akhir gas(kg) Selang waktu(detik)
1 Maksimum 24,86 24,58 10
2 Medium 24,58 24,36 10
3 Low 24,36 24,23 10
Tabel 5.2 Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas maksimum
No. (liter/menit)Debit air Suhu air masukT in(oC)
Suhu air keluar Tout(oC)
∆T (oC) Tout- Tin
1 26,76 27,8 33,7 5,9
2 18,84 27,8 37,5 9,7
3 16,08 27,8 39,8 12,0
4 12,00 27,8 43,3 15,5
5 9,24 27,8 47,4 19,6
6 7,2 27,8 52,6 24,8
7 5,88 27,8 62,8 35,0
8 4,2 27,8 67,6 39,8
9 3,48 27,8 79,3 51,5
Tabel 5.3 Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas medium
No. (liter/menit)Debit air Suhu air masukT in(oC)
Suhu air keluar Tout(oC)
∆T (oC) Tout- Tin
1 22,92 27,8 33,5 5,7
2 14,4 27,8 36,3 8,5
3 10,68 27,8 40,0 12,2
4 8,16 27,8 44,3 16,5
5 6,84 27,8 47,1 19,3
6 5,16 27,8 53,2 25,4
7 4,2 27,8 58,4 30,6
8 2,88 27,8 73,6 45,8
9 2,28 27,8 83,8 56,0
[image:78.595.86.514.141.632.2]10 1,8 27,8 96,4 68,6
Tabel 5.4 Hasil pengujian kondisi air pada kondisi gas low
No. (liter/menit)Debit air Suhu air masukT in(oC)
Suhu air keluar Tout(oC)
∆T (oC) Tout- Tin
1 11,76 27,8 33,1 5,3
2 7,92 27,8 37,2 9,4
3 5,4 27,8 39,1 11,3
4 4,68 27,8 44,1 16,3
5 4,14 27,8 48,3 20,5
6 3,36 27,8 52,8 25,0
7 2,4 27,8 62,7 34,9
8 2,04 27,8 73,0 45,2
9 1,2 27,8 81,8 54,0
10 0,72 27,8 96,5 68,7
5.2. Perhitungan
Pehitungan kecepatan air rata-rata um , laju aliran massa air mair dan laju
aliran kalor q yang diserap air dilakukan dengan menggunakan data-data yang
tersaji pada Tabel 5.1. Data lain yang dipergunakan adalah :
Kalor jenis air (Cp) = 4179 J/(kgoC)
Jari jari pipa saluran (r) = 0,25 inci = 0,00635 m
Kapasitas panas gas (Cgas) = 1190 kkal/kg
= (1190 x 4186,6 J/kg)
(catatan) : 1 kkal/kg = 4186,6 J/kg
Laju aliran gas dapat dihitung dengan mempergunakan persamaan : (5.1).
Contoh perhitungan di lakukan untuk data pada gas maksimum.
028 , 0 10 58 , 24 86 ,
24
[image:79.595.86.513.81.688.2] menit waktu selang gas awal berat mgas
Tabel 5.1 Hasil perhitungan laju aliran gas pada kondisi gas maksimum, medium, dan low.
No. Kondisi gas awal gasBerat (kg)
Berat akhir gas
(kg)
Selang waktu
(menit) laju aliran gas(kg/menit)
1 Maksimum 24,86 24,58 10 0,028
2 Medium 24,58 24,36 10 0,022
3 Low 24,36 24,23 10 0,013
5.2.1. Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas LPG
Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan oleh gas di luar saluran pipa
mempergunakan Persamaan (2.3)
qgas = mgas x C ...(2.3)
qgas = (laju aliran massa gas x kapasitas panas gas)
a. Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi
gas maksimum
qgas max = [(0,028 kg/menit /(60)] x (11900 x 4186,6 J/kg)
= 23249,58 W
= 23,25 kW
b. Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi
gas medium
Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi gas medium:
qgas med = [(0,022 kg/menit /(60)] x (11900 x 4186,6 J/kg)
= 18267,53 W
= 18,27 kW
c. Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi
gas low
Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG pada kondisi gas low :
qgas low = [(0,013 kg/menit /(60)] x (11900 x 4186,6 J/kg)
= 10794,45 W
= 10,79 kW
5.2.2. Perhitungan Kecepatan air rata-rata (um)
Perhitungan kecepatan air rata rata um yang mengalir di dalam saluran
pipa air tembaga berukuran 0,5 inci mempergunakan Persamaan (5.1)
s m r air debit pipa penampang luas air debit
um 2 /
a. Perhitungan kecepatan air rata rata (um) pada kondisi gas maksimum
Sebagai contoh perhitungan, diambil data-data hasil pengujian saat debit
aliran air sebesar 16,08 liter/menit. (Data lain pada Tabel 5.2). Satuan debit air
diubah dalam satuan m3/s.
s
x m sm x menit
liter air
debit 0,268 10 /
60 10 08 , 16 08 ,
16 3 3 3 3
Kecepatan air rata rataum:
2 r air debit um 2 2 3 3 00635 , 0 14 , 3 / 10 268 , 0 m x s m x um 2 3 3 0001266 , 0 / 10 268 , 0 m s m x um
um= 2,11 m/s
Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.6
b. Perhitungan kecepatan air rata rata (um) pada kondisi gas medium
Sebagai contoh perhitungan, diambil data- data hasil pengujian saat debit
aliran air sebesar 10,68 liter/menit. (Data lain pada Tabel 5.3). Satuan debit air
s
x m sm x menit
liter air
debit 0,178 10 /
60 10 68 , 10 68 ,
10 3 3 3 3
Kecepatan air rata rataum:
2 r
air debit
um
2 2 3 3 00635 , 0 , 0 14 , 3 / 10 178 , 0 m x s m x um 2 3 3 0001266 , 0 / 10 178 , 0 m s m x um
um= 1,40 m/s
Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.7
