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
YOGYAKARTA
2015
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 Engineering
By
FRANSISKUS DONATUS FAAN
Student Number : 105214033
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2015
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa 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 Dharma.
ix DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL...i TITLE PAGE...ii LEMBAR PERSETUJUAN...iii LEMBAR PENGESAHAN...iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA...v
HALAMAN PERNYATAAN PEMPUBLIKASIKAN KARYA...vi
KATA PENGANTAR...vii DAFTAR ISI...ix DAFTAR GAMBAR...xii DAFTAR TABEL...xvi ABSTRAK...xvii ABSTRACT...xviii BAB I. PENDAHULUAN...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 TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA...5
2.1. DASAR TEORI...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. EfisiensiWater 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. PEMBUATANWATER HEATER...33
3.1. Persiapan...33
3.2. BahanWater Heater...33
3.3. AlatWater Heater...36
3.4.. Proses Pembuatan Alat...41
BAB IV. METODOLOGI PENELITIAN...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 PENELITIAN, PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN...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. EfisiensiWater Heater...65
5.3. Hasil perhitungan pengujian alat padaWater Heater...66
5.4. Pembahasan...73
BAB VI. KESIMPULAN 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 Gambar 5.11. Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air
xv
(qair) pada kondisi gas maksimum, medium, dan low...76
Gambar 5.12. Hubungan debit air dengan efisiensi (η)water heaterpada kondisi gas maksimum, medium, dan low...77
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
dengan debit gas maksimum, medium, dan low sehingga nantinya mampu bersaing dengan water heater yang ada dipasaran. (a) efisiensi water heaterpada kondisi gas maksimum mampu mencapai 57,58%, (b) pada kondisi medium mampu mencapai 49,39% dan (c) pada kondisi gas low mampu mencapai 38,95%, (d) laju aliran kalor yang diterima air pada kondisi gas masksimum menghasilkan debit 16,08 liter/menit (e) pada kondisi medium mampu menghasilkan debit 10,68 liter/menit dan (f) pada kondisi low mampu menghasilkan debit 5,4 liter/menit.
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 Engineering the University of Sanata Dharma.
The limit problem in the manufacturing of water heater with heat trapping exhaust gas and LPG-fueled among other things (a) the temperature of water entering the water heater is equal to the water temperature wells (b) the materials used are copper pipes with an inner diameter of 0.5 inches and a length 12 meters (c) the temperature of hot water produced range (370C - 410C) with a debit of at least 6 liters per minute (d) using 2 layers of tubes with a material galvanum and perforated (e) using a coil of copper pipe with a length of 3 meters to be heated by exhaust gas before entering the water heater (f) given a water pipe from the pipe material copper fins having a diameter of 0.5 inches and a length of 0.25 meters (g) a source of heat energy from the gas LPG. Variations made to the size of the incoming water flow with 10 variations of discharge into the water heater with a gas discharge maximum, medium, and low so it will be able to compete with the water heater in the market. (a) the efficiency of the water heater on maximum gas conditions are able to achieve 57.58%, (b) the condition of the medium is able to achieve 49.39% and (c) the condition of low gas capable of achieving 38.95%, (d) the rate of heat flow received water conditions resulted in the discharge gas maximum 16.08 liters / minute (e) under conditions capable of producing discharge medium 10.68 liters / min and (f) at conditions of low flow is capable of producing 5.4 liters / minute.
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 lebih cepat dalam memanaskan air, sehingga tidak memerlukan waktu yang lama
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 denganwater heateryang ada dipasaran dengan debit air yang sama.
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 kamar mandi.
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 sesuai dengan persamaan.
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 Fluida
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 Fluida
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 Fluida
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 tinggi nilai konduktivitas termal bahan, semakin besar laju aliran kalornya.
Tabel 2.1 Nilai Konduktifitas termal/bahan (Stefan, (1879) buku perpindahan kalor)
No. Bahan Nilai konduktivitas termal
Watt/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 menjadi dua jenis : (a) Isolator dan (b) konduktor
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 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 6 Baja 54 0,465 7833 1,474 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, 95% dari komposisi udara di bumi pada keadaan normal.
2.1.6. Kebutuhan Udara
Didalam proses pembakaran memerlukan oksigen. Pada proses pembakaran bahan bakar untuk pemanas air dapat mempergunakan oksigen yang dapat diambil dari lingkungan (udara bebas). Aliran udara yang diperlukan harus disesuaikan dengan ukuran tabung pemanas air dan pipa yang digunakan dengan kata lain aliran udara yang diperlukan harus dikondisikan sedemikian rupa agar api yang diperlukan dalam proses pembakaran mendapatkan kebutuhan udara yang cukup. Kekurangan oksigen dapat mengakibatkan nyala api tidak sesuai dengan apa yang diinginkan. Kekurangan kebutuhan udara dapat menyebabkan kalor yang dipindahkan ke air kurang. Kelebihan oksigen juga mengakibatkan kecilnya panas yang dapat diserap oleh pipa. Bentuk api atau nyala api diusahakan mampu memberikan kalornya secara efisien ke fluida air yang mengalir di dalam saluran pipa. Dengan kata lain, akan didapatkan suhu air keluar dari pemanas air kurang tinggi.
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 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 Bahan : Besi tuang
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. 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 cairdalam 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 adalah sebagai berikut :8 3H
C + 5O2 → 3CO2 + 4H2O + panas
propana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Menurut wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut setara dengan 46000000 J/kg atau 46MJ/kg.
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 gas LPG berkisar sebesar 60 %.
Tabel 2.4 DayaPemanasan dan Efisiensi berbagai macam bahan bakar (sumber: Intan Pariwara (2010) buku efisiensi berbagai macam bahan bakar)
Bahan Bakar Daya Pemanasankkal/kg Efisiensi alat masak% Kayu bakar 4000 15 Arang 8000 15 Minyak tanah 11000 40 Gas kota 4500 55 LPG 11900 60 Listrik 860 kcal/kwh 60
2.1.9. 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 %, selebihnya adalah gas pentana
C5H12
yang dicairkan. Perbandingan komposisi propana dan butana adalah 30 : 70. LPG lebih berat dari udara dengan berat jenis sekitar 2,01 (dibandingkan dengan udara). Tekanan uap LPG cair dalam tabung sekitar 5 – 6,22
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 adalah sebagai berikut :8 3H
C + 5O2 → 3CO2 + 4H2O + panas
propana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
Dari sumber wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut setara dengan 46000000 J/kg atau 46MJ/kg
Reaksi pembakaran butana
C4H10
,jika terbakar sempurna adalah sebagai berikut :2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O + panas
butana + oksigen → karbondioksida + uap air + panas
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 air menggunakan persamaan (2.1)
Gambar 2.7Aliran fluida dalam saluran air
air
m = (massa jenis) (luas penampang) (kecepatan air)
air m
r2
um ...(2.1)
i o
air air 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
EfisiensiWater Heaterdapat dihitung dengan persamaan (2.4)
% 100 x q q gas air ...(2.4) Pada persamaan (2.4) :
: Efisiensiwater 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 Beberapa Water Heater yang ada di pasaran
Gambar 2.8 Water 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 • Berat (kg) :13
b. Water Heatergas LPG tipe WH2
Gambar 2.9 Water heatergas LPG tipe WH 2 (sumber www.erabangun.com.) Spesifikasi :
Lebar : 290 mm
Pemasangan : Eksternal/ 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 2.10 Water 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. Kontruksi Water Heater yang ada di pasaran
SemuaWater heater memiliki cara kerja yang sederhana yaitu sama seperti memasak air. Perbedaannya adalah terletak pada kondisi/keadaan air yang dipanaskan dan rangkaian dariwater heatertersebut.
Gambar 2.11 Water 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 2.12 Water 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 heater model 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 2.13 Water 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 2.14 Water 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 tinggi (bila dibandingkan denganwater heatermodel 2).
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, (f) Hubungan antara debit air yang masuk dengan efisiensi water heater yang
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 : Tout=0,297mair2– 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, (f) Hubungan antara debit air yang masuk dengan efisiensi water heater yang
diperlukan dinyatakan dengan persamaan : n = - 0,776 mair2+ 14,24mair+
33
BAB III
PEMBUATAN WATER 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. Bahan Water Heater
Bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatanwater heater adalah :
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 (3.6).
Gambar 3.1 Pipa tembaga panjang
Gambar 3.2 Plat galvanum
Gambar 3.4 Baut dan mur
Gambar 3.5 Nako besi
3.3 Alat water 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 menjadi silinder dan hasilnya lebih rapi.
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 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 rapi. Tahapan pertama yang dilakukan yaitu membuat lingkaran dengan besi naco.
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 paku.
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 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 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 dengan sempurna.
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 berbentuk lingkaran dengan diameter 300 mm, kemudian ditengahnya
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 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 dikerjakan lalu dipasang pada penutup tabung.
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
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
480 mm 300 mm
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
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 7
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 sajikan seperti data Tabel 4.1.
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 dari penelitian.
Tabel 4.1Data Volume Air dan Selang Waktu Pengkuran
No. Volume air yang tertampung dalam gelas ukur (ml) Selang waktu (detik) 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 300 250
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 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. Debit air (liter/menit)
Suhu air masuk Tin(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 10 2,64 27,8 93,6 65,8
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 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 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
Berat awal gas (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 / ...(5.1)
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 s m 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 diubah dalam satuan m3/s.
s
x m s m 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
c. Perhitungan kecepatan air rata-rata (um) pada kondisi gas low
Sebagai contoh perhitungan, diambil data-data hasil pengujian saat debit aliran air sebesar 5,4 liter/menit. (Data lain pada Tabel 5.4). Satuan debit air diubah dalam satuan m3/s.
s
x m s m x menit liter air debit 0,09 10 / 60 10 4 , 5 4 , 5 3 3 3 3 Kecepatan air rata rataum:
2 r air debit um
