Pemanas air tenaga gas LPG dengan variasi pembukaan saluran gas buang.

(1)

ix INTISARI

Penelitian ini bertujuan untuk membuat water heater untuk menghasilkan air panas, menentukan water heater terbaik dari berbagai hasil water heater dengan pembukaan 2,5 cm , 17 cm , 10 cm , 24 cm, tanpa penutup, mendapatkan suhu keluar waterheater, dan mengetahui efisiensi pemanas air.

Water heater yang dirancang berbentuk segi panjang dengan dimensi panjang dinding terluar 42 cm, lebar dinding terluar 42 cm, dan tinggi 600 cm, sedangkan ukuran panjang dinding dalam adalah 32 cm dan lebar dinding dalam 32 cm, pipa tembaga berdiameter 3/8 inchi dengan panjag pipa 15 meter dibuat

spiral dilengkapi dengan sirip dari plat tembaga 0.2 mm yang dipotong kecil-kecil dan diselipkan diantara kumparan dengan cara melilitkan pada sepanjang pipa spiral, water heater ini tanpa lubang ventilasi pada dinding. Variasi yang dilakukan pada besarnya debit air yang mengalir kedalam water heater dengan pergeseran celah plat penutup tungku water heater dan percobaan serta data hasil percobaan diambil di laboraorium Teknik Mesin Sanata Dharma. Hasil dari penelitian percobaan ini adalah :

a. Rancangan dan pembuatan water heater telah berhasil dibuat dengan baik, dan unjuk kerja dari alat ini mampu untuk menghasilkan air panas.

(2)

PEMANAAS AIR TE Di P FA U ENAGA GA SALU iajukan untu Mempero Progra Jur C N PROGRAM JURUS AKULTAS UNIVERSI Y i AS LPG DE URAN GAS

Skripsi

uk memenuh

oleh gelar S

am Studi Te

rusan Tekni

Disusun ol

CHRISMAD

NIM : 0952

M STUDI T SAN TEKN SAINS DA ITAS SANA YOGYAKA 2014 ENGAN V S BUANG i

hi salah satu

(3)

THE VVARIATIO As To Ob in MECHAN MECH SCIE

ON OF OPE WITH

s Partial Ful

btain The D

n Mechanica Mechanica C Studen NICAL EN HANICAL ENCE AND SANATA D Y ii ENING AIR LPG GAS Final Proj lfillment Of

Degree In M

al Engineeri

Created b

CHRISMAD

nt Number :

NGINEERI ENGINEE D TECHNO DHARMA YOGYAKA 2014 R EXHAUS S BURNING ject

f The Requi

echanical E

ing Study P

(4)

(5)

(6)

v MOTTO

“Kebijaksanaan akan memelihara engkau, kepandaian akan menjaga engkau” (Amsal 2:11)

“Seseorang yang melakukan kesalahan dan tidak memperbaikinya, telah melakukan satu kesalahan lagi.”

“Keberhasilan terbesar kita bukanlah karena

tidak pernah gagal, tetapi bagaimana kita bangkit setiap kali kita mengalami kegagalan.!”

(Confucius)

“Orang-orang yang berhenti belajar akan menjadi pemilik masa lalu. Orang-orang yang masih terus belajar, akan menjadi pemilik masa depan.”

(7)

vi

PERSEMBAHAN

Karya ini kupersembahkan kepada :

Tuhan Yang Maha Kuasa

Orang Tuaku

Istriku

Adikku

(8)

vii

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Dengan ini penulis menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir berjudul

“Pemanas Air Tenaga Gas LPG dengan Variasi Pembukaan Saluran Gas Buang

.

“

tidak memuat karya yang pernah diajukan dan dibuat di perguruan tinggi manapun,

serta sepanjang pengetahuan penulis juga tidak terdapat pula karya atau pendapat

yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis

diacu dalam naskah ini dan disebutkan di dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 23 Mei 2014

Penulis

(9)

viii

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma :

Nama : Chrismadika

Nomor Mahasiswa : 095214065

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan

Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

PEMANAS AIR TENAGA GAS LPG DENGAN VARIASI PEMBUKAAN SALURAN GAS BUANG

Beserta perangkat yang diperlukan. Dengan demikian saya memberikan kepada

Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, me-ngalihkan

dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data,

mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau media

lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun

memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai

penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

Yogyakarta, ______________

Yang menyatakan

Chrismadika

(10)

ix INTISARI

Penelitian ini bertujuan untuk membuat water heater untuk menghasilkan air panas, menentukan water heater terbaik dari berbagai hasil water heater dengan pembukaan 2,5 cm , 17 cm , 10 cm , 24 cm, tanpa penutup, mendapatkan suhu keluar waterheater, dan mengetahui efisiensi pemanas air.

Water heater yang dirancang berbentuk segi panjang dengan dimensi

panjang dinding terluar 42 cm, lebar dinding terluar 42 cm, dan tinggi 600 cm, sedangkan ukuran panjang dinding dalam adalah 32 cm dan lebar dinding dalam 32 cm, pipa tembaga berdiameter 3/8 inchi dengan panjag pipa 15 meter dibuat

spiral dilengkapi dengan sirip dari plat tembaga 0.2 mm yang dipotong kecil-kecil dan diselipkan diantara kumparan dengan cara melilitkan pada sepanjang pipa spiral, water heater ini tanpa lubang ventilasi pada dinding. Variasi yang dilakukan pada besarnya debit air yang mengalir kedalam water heater dengan pergeseran celah plat penutup tungku water heater dan percobaan serta data hasil percobaan diambil di laboraorium Teknik Mesin Sanata Dharma. Hasil dari penelitian percobaan ini adalah :

a. Rancangan dan pembuatan water heater telah berhasil dibuat dengan baik, dan unjuk kerja dari alat ini mampu untuk menghasilkan air panas.

(11)

x

KATA PENGANTAR

Penulis menghaturkan puji dan syukur atas segala rahmat dan karunia-Nya,

sehingga Tugas Akhir ini dapat terlaksana dengan baik. Tugas Akhir ini adalah

persyaratan untuk mencapai sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas

Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

Tugas Akhir ini di beri judul “Pemanas Air Tenaga Gas LPG dengan Variasi

Pembukaan Saluran Gas Buang “. Penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini

karena adanya bantuan dan kerjasama dari bebagai pihak. Pada kesempatan ini

perkenankan Penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Romo T. Agus Sriyono SJ, selaku Direktur ATMI Surakarta yang telah

memberi kesempatan untuk studi lanjut di Universitas Sanata Dharma

Yogyakarta.

2. Romo Clay Pareira SJ, selaku Pudir ATMI Surakarta.

3. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc., selaku Dekan Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Sanata Dharma.

4. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. , selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin

dan Pembimbing Akademik serta selaku Dosen pembimbing Tugas Akhir yang

telah memberikan motivasi, pandangan hidup, dan bimbingan Tugas Akhir

dengan sabar kepada Penulis sehingga dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini

dengan baik.

5. Bp. Albertus Murdianto, M.Pd. ,selaku Kepala Sekolah SMK St. Mikael

(12)

xi

6. Fransisca Dati Dwi Anggraeni, selaku Istri yang selalu mendoakan dan

memberi semangat untuk dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.

7. Yakobus Sunaryo dan Fransisca Romana Warsiti, selaku orang tua yang selalu

mendoakan, memberi semangat, dan dorongan untuk dapat menyelesaikan

Tugas Akhir ini.

8. Semua pihak yang telah membantu Penulis dalam pengerjaan Tugas Akhir.

Penulis menyadari dalam pembahasan masalah ini masih jauh dari sempurna,

maka Penulis memohon maaf dan terbuka untuk menerima saran dan kritik yang

membangun.

Semoga naskah ini berguna bagi mahasiswa Teknik Mesin dan pembaca lainnya

yang mungkin akan melakukan penelitian yang sejenis. Akhir kata Penulis

mengucapkan terima kasih.

Yogyakarta, 27 Agustus 2014

Penulis

(13)

xii DAFTAR ISI

JUDUL ………. i

LEMBAR PERSETUJUAN ……….. iii

LEMBAR PENGESAHAN ... iv

MOTTO ... v

PERSEMBAHAN ... vi

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... vii

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN ... viii

INTISARI ... ix

KATA PENGANTAR ... x

DAFTAR ISI ... xii

DAFTAR GAMBAR ... xv

DAFTAR TABEL ... xvii

DAFTAR NOTASI ... xviii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Perumusan Masalah... 5

1.3. Tujuan ... 5

1.4. Batasan Masalah ... 5

1.5. Manfaat ... 6

BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1 Dasar Teori ... 7

2.1.1 Pengertian Perpindahan Panas ... 7

2.1.2 Perpindahan Panas Konduksi ... 7

2.1.3 Perpindahan Kalor Konveksi ... 8

2.1.4 Perpindahan Kalor Radiasi ... 9

2.1.5 Perancangan Pipa Saluran Air ... 10

(14)

xiii

2.1.7 Saluran Udara Masuk ... 14

2.1.8 Proses Pembakaran ... 14

2.1.9 Gas LPG ... 18

2.1.10 Sumber Api ... 21

2.1.11 Saluran Gas Buang Sisa Pembakaran ... 23

2.1.12 Isolator ... 23

2.1.13 Kecepatan Air Rata-Rata. ... 24

2.1.14 Laju Aliran Massa Air. ... 25

2.1.15 Laju Aliran Kalor yang Diterima Air ... 25

2.1.16 Laju Aliran Kalor yang Dilepaskan Pembakaran Gas. ... 26

2.1.17 Efisiensi Pembakaran. ... 26

2.2 Referensi ... 27

2.2.1 Water heater gas LPG yang ada di pasaran. ... 27

2.2.2 Konstruksi water heater ... 29

2.2.3 Hasil Penelitian Water Heater Gas LPG ... 32

BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN WATER HEATER ... 39

3.1 Perancangan Water Heater... 39

3.1.1 Tungku Pemanas . ... 40

3.1.2 Pipa Saluran Air ... 41

3.1.3 Pasak ... 41

3.1.4 Plat Penutup ... 42

3.1.5 Selang Air ... 42

3.2 Pembuatan Water Heater ... 42

3.2.1 Bahan Water Heater ... 43

3.2.2 Sarana dan Peralatan Yang Digunakan ... 43

3.2.3 Langkah-langkah Pengerjaan. ... 43

BAB IV METODOLOGI PENELITIAN ... 47

4.1 Objek Penelitian ... 47

4.2 Skema Pengujian ... 47

4.3 Variasi Penelitian ... 48

(15)

xiv

4.5 Cara Pengumpulan Data ... 50

4.6 Cara Pengolahan Data dan Pembahasan ... 51

4.7 Metoda Pengambilan Kesimpulan ... 51

BAB V KARAKTERISTIK WATER HEATER ... 52

5.1 Hasil Pengujian ... 52

5.2 Perhitungan Matematis ... 54

5.2.1 Perhitungan kecepatan air rata-rata ... 54

5.2.2 Perhitungan laju aliran massa air ... 54

5.2.3 Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air ... 55

5.2.4 Perhitungan laju aliran kalor yang dilepaskan pembakaran gas. ... 55

5.2.5 Efisiensi... 56

5.3 Hasil Pengolahan Data ... 56

5.3.1 Tabel Perhitungan ... 56

5.3.2 Grafik Hasil Penelitian ... 58

5.3.3 Pembahasan... 65

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ... 70

6.1 Kesimpulan ... 70

6.2 Saran ... 70

DAFTAR PUSTAKA ... 71

(16)

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konveksi udara dengan permukaan panas ... 8

Gambar 2.2 Contoh pipa bersirip. ... 13

Gambar 2.4 Diagram segitiga terjadinya nyala api. ... 23

Gambar 2.5 Water heater Gas Tipe X-1 ... 27

Gambar 2.8 Konstruksi tangki penampungan water heater ... 29

Gambar 2.9 Konstruksi tangki penampungan dan turbulator water heater ... 30

Gambar 2.10 Konstruksi tangki penampungan dan pipa spiral water heater ... 31

Gambar 2.11 Konstruksi tanpa tangki penampungan water heater ... 32

Gambar 3.1 Tungku water heater ... 40

Gambar 3.2 Rancangan dan pola hasil dari pembuatan penukar kalor ... 41

Gambar 3.3 Pasak penyangga penukar kalor ... 42

Gambar 3.4 Tungku water heater. ... 45

Gambar 3.5 Hasil rakitan water heater ... 46

Gambar 4.1 Skema pengujian water heater ... 47

Gambar 4.2 Pembukaan penutup 2,5 cm ... 48

Gambar 4.4 Pembukaan penutup 10 cm ... 48

Gambar 4.6 Tanpa plat penutup ... 49

Gambar 4.7 Proses pengambilan data percobaan water heater ... 49

(17)

xvi

Gambar 5.1.a Pembukaan 2,5 cm ... 60

Gambar 5.1.b Pembukaan 10 cm ... 60

Gambar 5.1.c Pembukaan 17 cm ... 60

Gambar 5.1.d Pembukaan 24 cm ... 60

Gambar 5.1.e Pembukaan penuh. ... 61

Gambar 5.2 Hubungan antara debit air dan laju aliran kalor dengan variasi . ..pembukaan penutup bagian atas. ... 61

Gambar 5.3 Hubungan antara efisiensi dan debit air dengan variasi pembukaan ..penutup bagian atas. ... 63

Gambar 5.4 Grafik perbandingan temperatur hasil percobaan pemanas air dengan ..pembukaan bertahap sampai pembukaan penuh. ... 66

Gambar 5.5 Grafik perbandingan laju aliran kalor hasil percobaan pemanas air ..dengan pembukaan bertahap sampai pembukaan penuh. ... 67

(18)

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Konduktivitas Termal Beberapa Bahan Logam (Holman, 1993) …… 11

Tabel 2.2 Perbandingan nilai kalor bahan bakar ……….……… 19

Tabel 2.3 Konduktivitas Termal Beberapa Media (Holman, 1993) ……… 24

Tabel 3.1 Kebutuhan material ……… 39

Tabel 5.1 Hasil Pengujian Pemanas Air Variasi Bukaan Geser 2,5 cm ... 52

Tabel 5.2 Hasil Pengujian Pemanas Air Variasi dengan Bukaan Geser 10 cm ... 52

Tabel 5.6 ṁ air, qair, dan ɳ pemanas air pembukaan penutup bagian atas 2,5 cm. ... 56

Tabel 5.7 ṁair, qair, dan ɳ pemanas air pembukaan penutup bagian atas 10 cm. .... 57

(19)

xviii

DAFTAR NOTASI

R = Jari-jari atau jarak, m

D = Diameter, m

ΔT = Perubahan temperature, °C

T = Temperatur, °C

T1 = Temperatur suhu masuk water heater °C

T2 = Temperatur suhu keluar water heater °C

V = Volume, m3

qair = Laju perpindahan kalor yang diterima air, watt

qgas = Laju perpindahan kalor yang dilepas gas, watt

ɳ = Efisiensi water heater, %

k = Konduktifitas termal, W/m°C

h = Koefisien perpindahan konveksi, W/m2°C

ṁ air = Laju aliran massa, kg/s

cp = Kalor jenis air yang mengalir pada tekanan tetap J/kg°C

ṁ = Debit air Liter / menit

um = Kecepatan aliran air m/s

(20)

1

BAB I PENDAHULUAN PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kebutuhan air panas dalam rutinitas hidup sehari-hari pada zaman ini

sangat tinggi. Hal ini dapat dilihat dari banyaknya penggunaan air panas pada

rumah tangga untuk keperluan mandi, penginapan sebagai fasilitas air hangat

untuk keperluan mandi yang tergolong hal penting, penggunaan di rumah makan

untuk mencuci peralatan masak, dan contoh lain adalah di rumah sakit untuk

keperluan mandi pasien yang menjadikan air panas sebagai salah satu kebutuhan

pokok yang mendesak. Beberapa contoh tersebut merupakan pemanfaatan dari

penggunaan air panas dalam kehidupan sehari-hari. Dengan bertambahnya

populasi manusia maka kebutuhan akan air panas akan terus meningkat. Hal

tersebut berdampak pada kebutuhan energi pemanas yang dibutuhkan,

pemanfaatan energi yang efektif dan efisien merupakan hal yang dibutuhkan

mengingat keterbatasan energi yang disediakan oleh alam.

Suhu rata-rata pemanfaatan air panas dalam kebutuhan adalah antara 37-

40 ºC, faktor pemenuhan terhadap waktu penyediaan air (debit) dibanding dengan

suhu yang diminta merupakan merupakan nilai tambah yang membuat sebagian

besar orang mau untuk memilih mengunakan alat pemanas tersebut.

Berikut adalah manfaat penggunaan air panas/hangat dan alasan orang

menggunakan air panas dalam kehidupan sehari-hari :

a. Air hangat sebagai air mandi bagi orang sakit dan merupakan kebutuhan

(21)

2

b. Air hangat dibutuhkan mandi anak kecil atau bayi agar tidak merasa

kedinginan.

c. Air hangat digunakan untuk sarana relaksasi dan melepas lelah bagi sebagian

orang setelah pulang dari kerja.

d. Ketersediaan air hangat di hotel dan rumah penginapan merupakan sarana

yang dapat meningkatkan prestis dalam penawaran pelayanan kepada

konsumen.

e. Air hangat sebagai kebutuhan mandi bagi orang yang bertempat tinggal iklim

dingin.

Water heater banyak diminati untuk memenuhi kebutuhan air panas

dibandingkan dengan cara merebus air karena lebih praktis dan efektif.

Pemanfaatan energi yang dipakai sebagai pemanas dapat menggunakan beberapa

sumber energi yakni dapat berasal dari energi listrik, gas dan matahari. Dalam

penelitian ini pemanfaatan energi panas yang digunakan adalah energi gas LPG

(Liquified Petroleum Gas). Berikut ini adalah perbandingan water heater yang

menggunakan sumber energi gas LPG dengan sumber energi listrik dan matahari

adalah :

a. Water Heater tenaga gas LPG

1. Waktu yang dibutuhkan untuk menghasilkan air panas lebih singkat dan

dapat dihasilkan kapan saja tanpa ada hambatan siang dan malam , musim

hujan atau musim panas, serta ada atau tidaknya ketersediaan listrik sebagai

(22)

3

2. Selama ada air yang mengalir dan gas LPG maka kapasitas air panas yang

yang dihasilkan tidak terbatas dan dapat dipergunakan secara

terus-menerus.

3. Dapat dipergunakan dimana saja dengan inslasi yang sederhana.

4. Harga awal yang relatif murah.

5. Tidak membutuhkan tambahan instalasi listrik dalam memanaskan air

sehingga hemat listrik.

6. Tidak memerlukan penampungan air atau penyimpan air (storage tank).

7. Tidak ramah lingkungan karena alat pemanas menghasilkan gas sisa

pembakaran.

b. Water Heater tenaga listrik

1. Instalasi yang lebih bersih dikarenakan tanpa adanya proses pembakaran

bahan bakar.

2. Kapasitas panas yang dihasilkan harus selalu menyesuaikan terhadap

volume produk yang akan dihasilkan sehingga berdampak pada

penggunaan kebutuhan daya listrik dalam per satuan volume agar suhu air

yang keluar dapat stabil.

3. Sebagian produk model pemanas air tenaga listrik membutuhkan

penampungan air (storage tank).

4. Dalam menghasilkan air panas membutuhkan waktu yang relatif tergantung

pada volume air yang dipanaskan, atau dengan kata lain semakin banyak air

yang dipanaskan semakin lama waktu yang dibutuhkan sehingga tidak

(23)

4

5. Harga untuk pembelian alat pemanas air tenaga listrik cukup mahal.

6. Untuk mendapatkan air panas sangat bergantung pada ketersediaan listrik.

7. Penggunaan daya listrik yang tinggi sehingga boros energi listrik.

c. Water Heater tenaga matahari

1. Energi matahari tersedia secara gratis di alam.

2. Kapasitas air panas yang dihasilkan sangat dipengaruhi oleh faktor cuaca

dan intensitas panas yang diterima dari matahari, pada musim hujan

penggunaan pemanas air jenis ini tidak efektif

3. Ramah lingkungan karena pemanfaatan sinar matahari yang bebas emisi

atau gas buang.

4. Pemanfaatan energi matahari terbatas pada waktu siang hari saja.

5. Harga awal untuk menyediakan alat sangat mahal.

6. Instalasi pemanas air energy matahari sangat rumit.

7. Kapasitas air panas yang dipergunakan terbatas.

8. Waktu yang diperlukan untuk memanaskan air cukup lama.

9. Jika air panas dalam penampungan sudah habis tidak dapat secara langsung

diisi lagi dengan air panas yang baru.

10.Memerlukan tempat penampungan air panas.

Dengan dasar hal-hal tersebut di atas penulis tertarik untuk melakukan

(24)

5 1.2. Perumusan Masalah

a. Apa dampak dari bukaan penutup pada pemanas air ?

b. Apa pengaruh debit air dengan temperatur air keluar dari pemanas air pada

setiap pembukaan penutup ?

c. Apa pengaruh debit air dengan laju aliran kalor yang diterima air pada setiap

pembukaan penutup ?

d. Apa pengaruh debit air dengan effisiensi pemanas air pada setiap pembukaan

penutup ?

e. Apakah pemanas air model ini dapat disetarakan dengan produk di pasaran ?

1.3. Tujuan

Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :

a. Merancang dan membuat water heater.

b. Menjabarkan water heater yang mencakupi antara lain debit paling besar

dengan suhu air keluar water heater .

1.4. Batasan Masalah

Penelitian ini memiliki batasan masalah antara lain :

a. Pipa spiral dengan 2 tingkat alur aliran yang memiliki panjang pipa 15m,

diameter pipa dalam adalah 3/8 inchi, dan energi gas LPG sebagai bahan

bakar.

b. Variasi yang dilakukan adalah besarnya pembukaan plat tutup gas buang

dengan berbagai debit aliran air, dimensi panjang 44cm dan lebar 36cm.

c. Tungku pemanas air berbentuk segi empat dengan dimensi panjang dan lebar

(25)

6 d. Tidak membahas tentang pressure drop.

e. Tidak membahas tentang reaksi pembakaran .

1.5. Manfaat

Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat, antara lain :

a. Menambah kasanah ilmu pengetahuan tentang water heater.

b. Hasil penelitian dapat dijadikan referensi bagi para peneliti lain untuk

(26)

7

BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA

DASAR TEORI DAN REFERENSI

2.1 Dasar Teori

2.1.1Pengertian Perpindahan Panas

Proses perpindahan panas secara umum digolongkan menjadi tiga macam.

Proses tersebut adalah perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi.

Perpindahan panas dapat terjadi pada material padat, cair dan gas. Syarat untuk

terjadinya proses perpindahan panas adalah adanya perbedaan suhu..

2.1.2Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan energi panas secara konduksi merupakan perpindahan energi

panas yang disalurkan secara langsung antar molekul tanpa adanya

perpindahan dari molekul yang bersangkutan. Proses konduksi terjadi pada

benda padat, cair maupun gas jika terjadi kontak secara langsung dari ketiga

macam benda tersebut.

Konduktivitas panas merupakan properti dari suatu material yang

menentukan kemampuan suatu benda menghantarkan panas. Materi yang

memiliki konduktivitas panas rendah dapat disebut dengan isolator yang baik.

Setiap materi memiliki lebar batasan dari konduktivitas panas. Konsep dasar

konduktivitas panas adalah kecepatan dari proses difusi energi kinetik molekular

pada suatu material yang menghantarkan panas.

Pada umumnya logam adalah konduktor, yaitu penghantar panas yang

baik. Sedangkan zat atau benda padat yang lain seperti kertas, plastik, wol dan

(27)

8

material untuk menghantarkan panas tergantung dari jumlah elektron bebas.

Semakin banyak elektron bebas yang terkandung dalam material semakin baik

material itu menghatarkan panas, semakin sedikit elektron bebas yang

terkandung dalam material maka semakin buruk material itu untuk

menghantarkan panas. Logam dapat menjadi konduktor panas karena dalam

material logam banyak terkandung elektron bebas lain dengan zat padat yang

lainnya.

Proses perpindahan panas secara konduksi yang terjadi di pemanas air gas

LPG adalah panas api yang dihasilkan dari proses pembakaran mengalir atau

berpindah ke permukaan luar pipa tembaga kemudian panas mengalir masuk ke

dalam permukaan pipa tembaga.

2.1.3Perpindahan Kalor Konveksi

Perpindahan energi panas dengan proses konveksi terjadi hanya pada

benda cair dan gas. Perpindahan ini disertai dengan perpindahan benda cair

secara fisik. Pada saat energi panas yang diterima oleh benda cair atau gas dari

sebuah permukaan yang memiliki suhu lebih tinggi dan melebihi titik batas fasa

zat tersebut maka zat cair atau gas itu akan mengalami perubahan phasa.

Gambar 2.1 menggambarkan tentang perpindahan panas secara konveksi.

(28)

9

Contoh perpindahan panas konveksi dalam kehidupan sehari-hari adalah

membayangkan sebuah telor panas setelah direbus yang didinginkan oleh tiupan

angin dari kipas angin atau didiamkan di sebuah ruangan dengan udara bebas.

Contoh pertama merupakan bentuk konveksi paksa karena menggunakan kipas

angin untuk menghembuskan udara yang disekitarnya guna melewati

permukaan telur sehingga telur menjadi dingin, contoh kedua merupakan

konveksi alami karena perpindahan panas terjadi antara udara sekitar telur

dengan cangkang telur yang panas terus menerus sampai mencapai suhu yang

sama.

Perpindahan panas secara konveksi yang terjadi di pemanas air gas LPG

adalah panas yang diserap oleh permukaan luar pipa tembaga yang mengalir ke

dalam permukaan pipa dan fluida yang ada di dalamnya sehingga suhu fluida

yang mengalir dalam pipa tembaga meningkat.

2.1.4Perpindahan Kalor Radiasi

Proses perpindahan kalor radiasi adalah perpindahan energi radiasi

dirambatkan menggunakan gelombang elektromagnetik diantara dua objek yang

dipisahkan oleh jarak dan perbedaan temperatur dan bisa berlangsung tanpa

adanya medium penghantar. Perpindahan kalor radiasi sangat berbeda dengan

perambatan energi cahaya yang hanya menggunakan panjang gelombang

masing – masing. Gelombang elektromagnetik dapat melalui ruangan hampa

dengan sangat cepat dan juga dapat melalui cair, gas dan beberapa benda padat.

(29)

10

dengan jumlah yang berbeda – beda. Hal ini tergantung pada kemampuan

penyerapan dari benda yang dikenainya.

Matahari merupakan contoh yang mudah untuk perpindahan panas dengan

radiasi. Radiant energi dari matahari dirambatkan melalui ruang hampa dan

atmosfer bumi. Energi yang dirambatkan ini akan diserap dan tergantung pada

karakteristik permukaan. Semua objek yang memilki warna yang gelap terutama

berwarna hitam akan lebih mudah menyerap energi ini.

Perpindahan panas secara radiasi yang terjadi pada pemanas air gas LPG

adalah panas dari api hasil pembakaran ke permukaan luar pipa dan panas dari

tabung dalam mengalir ke tabung luar dan tabung luar ke udara disekitar tabung

pemanas air.

2.1.5Perancangan Pipa Saluran Air

Perancangan pipa saluran air dalam konstruksi pemanas air tenaga gas

LPG kebanyakan berpenampang lingkaran, hal ini didasari oleh beberapa alasan

dan pertimbangan yang harus dilakukan mengingat saluran air merupakan

bagian inti dari pemanas air yakni diantaranya adalah :

a. Pemilihan bahan pipa

Bahan yang dipilih dalam perancangan pipa saluran air harus memiliki

karakteristik sebagai konduktor yang baik sehingga nilai konduktivitas

termal yang ada mampu menyerap kalor yang ada secara maksimal dari api

hasil pembakaran bahan bakar mengalir masuk sampai kepada fluida yang

bergerak di dalam pipa saluran air. Dibawah ini adalah Tabel 2.1

(30)

[image:30.595.99.509.142.643.2]

11

Tabel 2.1 Konduktivitas Termal Beberapa Bahan Logam (Holman, 1993)

Dalam tabel diatas, material dari perak menempati urutan pertama dalam

sifat konduktivitas termal, hal ini sangatlah ideal jika bahan pembuatan

saluran air menggunakan material ini, tetapi dengan pertimbangan harga

yang mahal karena termasuk logam mulia, dan ketidaktersediaan material

dengan profil pipa yang ada di pasaran, maka material jenis ini tidak cocok

digunakan sebagai bahan untuk saluran air.

Pertimbangan berikutnya adalah material jenis Aluminium tidak dipilih

sebagai bahan saluran pipa air. Hal ini memiliki alasan bahwa material

Aluminium memiliki titik lebur yakni 660,32 °C (Q.Ashton Acton,PhD.

2013) lebih rendah dari suhu hasil pembakaran gas LPG. Dibuktikan dengan

pengalaman praktikum ketika semester sebelumnya tentang peleburan dan

pengecoran dari material aluminium yang dilakukan dengan bantuan

kompor gas LPG, ketika praktikum ilmu logam. Sifatnya lebih getas

dibandingkan dengan material dari tembaga sehingga dapat mudah terjadi

retak atau patah ketika dilakukan pembentukan.

Material dengan bahan emas juga memiliki konduktivitas thermal yang

lebih tinggi dari aluminium yakni 318 W/m°C sehingga memiliki Bahan Konduktifitas Termal (k)

W/m°C Btu/h.ft.°F

Perak 410 237

Tembaga 385 223

Aluminium 202 117

Nikel 93 54

Besi 73 42

(31)

12

kemampuan sebagai penghantar panas yang baik dan material ini memiliki

suhu titik lebur yang tinggi yakni 1064.18 °C serta anti karat. Dengan

kemampuan dan sifat yang ada diatas material jenis ini cocok dipakai

sebagai bahan pembuat pipa saluran air, tetapi sangat tidak mungkin untuk

dipakai sebagai bahan pembuat pipa saluran air mengingat harga dari emas

sangatlah mahal karena merupakan logam mulia yang dijual per gram

sebagai perhiasan.

Material dengan bahan tembaga dipilih dalam pembuatan saluran air.

Pemilihan material tembaga dinilai paling ideal dibandingkan dengan

material yang lainnya karena banyak tersedia dipasaran untuk berbagai

bentuk dan jenis ukuran, mulai dari plat, batangan, dan pipa. Alasan lainya

adalah material ini memiliki sifat anti karat dan mampu untuk dibentuk yang

baik serta harga yang terjangkau di pasaran.

b. Diameter pipa yang digunakan

Diameter dalam pipa dirancang dengan ukuran 3/8 inchi. Hal ini dipilih

untuk diuji coba karena percobaan sebelumnya selalu menggunakan

diameter yang lebih besar yakni 1/2 inchi. Diameter 3/8 inchi tidak terlalu

untuk percobaan ini karena ukuran pipa ini sering dipakai untuk kepentingan

pendingin.

c. Hambatan yang terjadi di dalam pipa

Hambatan dalam yang terjadi saat aliran air mengalir di dalam pipa

diusahakan untuk diminimalisir. Cara untuk mengurangi hambatan aliran air

(32)

deng salur alira pemb perp terga hing 2.1.6Sir Sa cara mem menggun Kondukt temperat dapat dit Pa yang ter panas ta

gan 90°, den

ran air kare

an air di dal

buatan pip

pindahan kal

antung pad

gga diameter

rip

alah satu car

mperluas bi

nakan sirip

tivitas term

tur di sepan

tingkatkan. F ada aplikasin rsedia, bera ambahan ya ngan acuan ena mampu

lam pipa sa

pa saluran

lor efektif a

a diameter

r terluar.

ra untuk me

idang yang

p agar dind

mal material

njang sirip d

[image:32.595.100.515.237.617.2]

Dibawah in

Figure 2Gam

nya jenis sir

at, proses pe

ang dapat d

13 ini maka b

mengurang

aluran air. A

air adala adalah sama serta berap eningkatkan mengalami dingnya leb sirip mem

dan oleh kar

ni adalah Ga

mbar 2.2 Co

rip yang dip

embuatan, b

dihasilkan.

bentuk spira

gi hambatan

Alasan lain

ah dengan

a dengan din

pa jumlah

n laju perpin

i konveksi.

bih luas te

miliki dampa

rena itu laju

ambar 2.2 C

ontoh pipa b

pilih untuk d

biaya, dan

Semakin b

al cocok seb

n dalam yan

desain spira

desain sp

nding spiral

spiral yang

ndahan pana

Ini dapat d

erhadap flu

ak besar ter

u perpindaha

ontoh pipa

bersirip.

dibuat tergan

tentunya be

anyak sirip

bagai desain

ng terjadi d

al dipakai d

piral permu

l sehingga s

g ada dari

as adalah de

dilakukan de

uida lingku

rhadap distr

an panasnya

bersirip.

ntung pada r

esar perpind

(33)

14

luasnya semakin besar untuk perpindahan panas yang lebih besar, akan tetapi

akan menyebabkan pressure drop juga untuk aliran fluida tersebut.

2.1.7Saluran Udara Masuk

Saluran udara digunakan untuk keperluan pembakaran gas LPG, karena

proses pembakaran membutuhkan oksigen. Oksigen bisa didapatkan dari udara

luar atau udara bebas, dimana kandungan udara kering yang ada terdiri dari

78,08% Nitrogen, 20,95 Oksigen, 0.93% Argon, 0,03 Karbon dioksida, 0,01

Neon, Helium, Metana, dll (Asyari D.Yunus.2010). Jika proses pembakaran

mengalami kekurangan oksigen maka mengakibatkan nyala api yang tidak

sempurna, sehingga berdampak pada jumlah kalor yang dihasilkan oleh

pembakaran tersebut. Besar atau kecilnya jumlah kalor yang dihasilkan oleh

proses pembakaran, secara langsung akan berdampak pada kenaikan suhu air

yang keluar dari pemanas air.

Dalam perancangan, saluran udara masuk melewati bagian bawah tungku,

hal ini dipilih karena prinsip dasar dari aliran udara yang bersuhu rendah akan

selalu mengalir bila ada suhu yang lebih tinggi di sekitarnya atau prinsip dasar

konveksi. Konstruksi dinding pemanas air tidak diberi lubang karena bertujuan

sebagai resistor bagi suhu dalam tungku pembakaran dan suhu di luar tungku

atau suhu udara bebas.

2.1.8Proses Pembakaran

Pembakaran adalah serangkaian reaksi-reaksi kimia eksotermal antara

bahan bakar dan oksidan berupa udara yang disertai dengan produksi energi

(34)

15

mengakibatkan timbulnya cahaya dalam bentuk api. Bahan bakar yang umum

digunakan dalam pembakaran adalah senyawa organik, khususnya

hidrokarbon dalam fasa gas, cair atau padat.

Dalam percobaan pemanas air, jenis pembakaran yang mungkin terjadi

adalah :

a. Complete Combustion

Pada pembakaran sempurna, reaktan akan terbakar dengan oksigen,

menghasilkan sejumlah produk yang terbatas. Ketika hidrokarbon yang

terbakar dengan oksigen, maka hanya akan dihasilkan gas karbon

dioksida dan uap air. Namun kadang kala akan dihasilkan senyawa

nitrogen dioksida yang merupakan hasil teroksidasinya senyawa nitrogen di

dalam udara. Pembakaran sempurna hampir tidak mungkin tercapai

pada kehidupan nyata.

b. Incomplete Combustion

Pembakaran tidak sempurna umumnya terjadi ketika tidak tersedianya

oksigen dalam jumlah yang cukup untuk membakar bahan bakar sehingga

dihasilkannya karbon dioksida dan air. Pembakaran yang tidak sempurna

menghasilkan zat-zat seperti karbon dioksida, karbon monoksida, uap air dan

karbon. Pembakaran yang tidak sempurna sangat sering terjadi, walaupun

tidak diinginkan, karena karbon monoksida merupakan zat yang sangat

berbahaya bagi manusia. Kualitas pembakaran dapat ditingkatkan dengan

perancangan media pembakaran yang lebih baik dan optimisasi proses.

(35)

16

dan panas akan dilepaskan secara eksoterm. Sebagian dari panas akan

digunakan untuk mempertahankan kelangsungan reaksi pembakaran,

sedangkan sebagian lainnya dipindahkan kembali kepada fasa terkondensasi.

Pada reaksi pembakaran, selalu terjadi serangkaian proses yang

berurutan, dimulai dari proses berlangsungnya pembakaran hingga proses

reaksi pembakaran berakhir. Proses-proses tersebut selalu sama untuk

pembakaran semua jenis bahan bakar. Rangkaian proses tersebut dapat

dikategorikan menjadi lima buah proses yang berbeda-beda, yaitu :

a. Preignition

Pre-ignition (pra penyalaan) adalah fasa penyerapan panas dalam

pembakaran. P anas diberikan kepada bahan bakar yang menyebabkan

proses penguapan air dan zat-zat lain, sehingga menghasilkan gas-gas

yang dapat mempertahankan keadaan api. Selama fasa pra-penyalaan,

temperatur dari sistem bahan bakar dinaikkan dengan metode perpindahan

panas secara konduksi, konveksi, radiasi. Panas untuk pra- penyalaan

(pre-ignition) adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan

temperatur bahan bakar menjadi temperatur penyalaan (ignition

temperature). Pada fasa ini, akan dihasilkan produk mayoritas berupa uap

air yang dihasilkan dari kadar air yang tercampur secara molekuler

dengan bahan bakar. Temperatur bahan bakar akan sulit meningkat

apabila kadar air ini belum teruapkan. Pada fasa ini, akan terjadi degradasi

senyawa organik, yang lebih sering dikenal dengan nama pirolisis.

(36)

17

terjadi karena ikatan yang mendukung molekul-molekul kompleks

diputuskan, sehingga melepaskan molekul-molekul yang berukuran kecil

dari material bahan bakar dalam bentuk gas.

b. Flaming combustion

Flaming combustion adalah fasa pembakaran yang paling efisien,

yang menghasilkan paling sedikit jumlah asap per unit bahan bakar yang

dikonsumsi. Fasa ini merupakan fasa transisi dari proses pembakaran

yang endotermik menjadi proses pembakaran yang eksotermik. Pada

umumnya, fasa ini terjadi pada saat temperatur mencapai 300°C. Energi

yang digunakan untuk mempertahankan api dan mempertahankan reaksi

berantai dari pembakaran dikenal dengan panas pembakaran. Temperatur

yang dicapai di dalam fasa ini bervariasi, bergantung pada jenis bahan

bakar.

c. Smoldering combustion

Smoldering combustion adalah fasa pembakaran yang paling tidak

efisien, dimana pada fasa ini dihasilkan paling banyak jumlah asap per

unit bahan bakar yang dikonsumsi. Pada fasa ini, terjadi kekurangan

api, dan diasosiasikan dengan kondisi dimana kadar oksigen terbatas,

baik dikarenakan deposit jelaga dari bahan bakar (terutama jelaga dengan

rasio luas permukaan terhadap volume yang besar). Fasa pembakaran ini

terjadi pada temperatur rendah.

d. Glowing combustion

(37)

18

bahan bakar yang dapat diamati. Glowing cobustion menandakan proses

oksidasi bahan padat hasil pembakaran yang terbentuk pada fasa

sebelumnya. Fasa pembakaran ini terjadi ketika tidak lagi tersedia energi

yang cukup untuk menghasilkan asap pembakaran yang merupakan

karakteristik dari fasa pembakaran sebelumnya, sehingga tidak dihasilkan

lagi tar atau bahan volatil dari bahan bakar. Produk utama yang dihasilkan

dari fasa pembakaran ini adalah gas-gas tak tampak, seperti gas karbon

monoksida dan gas karbon dioksida.

e. Extinction.

Extinction merupakan proses pemadaman api ketika reaki pembakaran

tidak lagi berlangsung dan segitiga api telah terputus. Perihal mengenai

segitiga api akan dijelaskan lebih rinci pada subbab api.

2.1.9Gas LPG

Bahan bakar yang diinjeksikan kedalam tungku pembakaran

membutuhkan sejumlah udara teoretik agar reaksi dapat berjalan dengan

sempurna. Kebutuhan udara dapat dihitung secara stoikiometrik meskipun

dalam kenyataannya sering terjadi reaksi samping yang dapat menyebabkan

adanya panas yang hilang. Biasanya dalam pembakaran udara yang dipasok

lebih banyak dari kebutuhan stokiometrik sebagai usaha untuk meningkatkan

efisiensi proses tetapi komposisi udara yang dipasok juga tidak boleh terlalu

tinggi karena dapat menyebabkan pembakaran kurang sempurna bahkan

tidak berjalan.

(38)

19

yang digunakan. Hal ini berkaitan dengan unsur-unsur yang menyusun bahan

bakar yang berkaitan dengan daya pemanasan setiap jenis bahan bakar. Dibawah

ini adalah tabel perbandingan beberapa jenis bahan bakar berikut dengan daya

pemanasan serta efisiensi pemanasannya.

1

Tabel 2.2 Perbandingan nilai kalor bahan bakar.

Sumber : aptogaz.files.wordpress.com/2007/07/peran-lpg-di-dapur-anda.pdf

Jenis Daya Pemanasan Efisiensi alat masak Kayu Bakar 4000 (Kkal/kg) 15 %

Arang 8000 (Kkal/kg) 15 %

Minyak Tanah 11000 (Kkal/kg) 40 % Gas Kota 4500 (Kkal/m3) 55 %

LPG 11900 (Kkal/kg) 60 %

Listrik 860 (Kkal/KWh) 60 %

Pada tabel perbandingan diatas nilai daya pemanasan paling tinggi dimiliki

oleh gas LPG (Liquefied Petroleum Gas) sebesar 11900 Kcal/Kg hal ini karena

gas LPG merupakan gas alam yang dicairkan dan merupakan campuran dari

berbagai unsur hidrokarbon yang berasal dari gas alam. Komponen dari LPG

didominasi oleh propana (C3H8) dan butana (C4H10), namun LPG juga

memiliki kandungan hidrokarbon lain, meskipun dalam jumlah kecil, misalnya

etana (C2H6) dan pentana (C5H12).

Dalam kondisi atmosferik, LPG memiliki bentuk gas, akan tetapi

dengan meninggikan tekanan dan menurunkan temperatur, maka gas alam

akan berubah fasa menjadi fasa cair. Gas alam dalam betuk cair memiliki

volume yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan volume gas alam di dalam

(39)

20

berada dalam fasa cair adalah 250 berbanding 1. Hal ini menjadi alasan agar

bahan bakar gas alam pada umumnya dipasarkan dalam bentuk cair di dalam

tabung-tabung logam bertekanan, sehingga lebih dikenal dengan sebutan

Liquefied Petroleum Gas (LPG).

Untuk memungkinkan terjadinya ekspansi panas (thermal expansion)

dari cairan yang dikandung di dalam tabung logam, tabung LPG tidak diisi

secara penuh, melainkan hanya terisi sekitar 80-85% dari kapasitasnya.

Tekanan di mana LPG berbentuk cair dinamakan sebagai tekanan uap.

Tekana uap dari LPG bergantung pada komposisi dan temperatur. Butana

murni membutuhkan tekanan sekitar 2.2 bar (220 kPa) pada temperatur 20 °C.

Propana murni membutuhkan tekanan sekitar 2 bar (200 kPa) pada suhu sekitar

55 °C.

Proses pembakaran LPG ini merupakan reaksi antara hidrokarbon

(propana dan butana) dengan oksigen. Reaksi yang terjadi pada proses

pembakaran sempurna LPG adalah :

C3H8 + 5 O2 → 4 H2O + 3 CO2 + panas

2 C4H10 + 13 O2 → 10 H2O + 8 CO2 + panas

Berikut ini adalah sifat-sifat dari gas LPG :

a. Bahan bakar gas alam sangat mudah terbakar, baik dalam fasa gas mupun

dalam fasa cair.

(40)

21

c. LPG sebenarnya tidak memiliki bau, namun sering ditambahakn zat

kimia berbau menyengat dengan tujuan dapat terdeteksi dengan cepat apabila

terjadi kebocoran. Zat kimia yang berbau menyengat adalah gas merkaptan.

d. Cairan LPG dapat menguap jika dilepaskan dari tabung bertekanan.

2.1.10 Sumber Api

Sumber api yang digunakan dalam water heater adalah kompor gas LPG.

Saat ini tersedia banyak variasi dan tipe produk dari kompor gas LPG yang

dapat menghasilkan bentuk nyala api yang berbeda-beda sesuai dengan

kebutuhannya. Jenis kompor gas yang mampu menghasilkan nyala api besar

merupakan jenis kompor high pressure dan ada kompor yang menghasilkan

nyala api kecil dan tidak terlalu besar disebut dengan kompor low pressure .

Pada perancangan water heater kompor yang digunakan sebagai alat

percobaan adalah jenis high pressure ini digunakan dengan alasan bahwa

kompor jenis ini mampu menghasilkan kalor yang paling besar. Semakin besar

kalor yang dihasilkan, maka jumlah perpindahan kalor yang masuk kedalam

saluran air pipa tembaga semakin besar dan kenaikan suhu air yang melewati

pipa saluran air ini semakin juga besar. (Gambar 2.3 Kompor gas LPG High

Pressure)

(41)

22

Panas yang didapatkan dari luar sistem (kompor) akan mulai

memutuskan ikatan kimia di dalam bahan bakar, yang pada umumnya

merupakan senyawa organik. Pemutusan awal ikatan kimia di dalam bahan

bakar merupakan reaksi yang eksoterm atau menghasilkan energi panas.

Energi panas yang dihasilkan dari pemutusan awal tersebut akan digunakan

sebagai energi untuk pemanasan ikatan kimia berikutnya di dalam bahan

bakar. Api yang menyala ketika panas dihasilkan dari pemutusan ikatan

kimia di dalam bahan bakar dapat digunakan seterusnya untuk memutuskan

ikatan-ikatan kimia lain di dalam bahan bakar. Sumber panas hanya

merupakan inisiator terbenuknya api. Setelah proses penyalaan api, sumber

panas tidak lagi dibutuhkan, melainkan api dari reaksi pembakaran akan

menghasilkan panas yang dapat digunakan oleh manusia untuk menunjang

proses-proses yang akan dilakukan.

Bahan bakar pada umumnya berupa senyawa organik. Senyawa organik

merupakan senyawa yang mengandung unsur-unsur berupa karbon (C),

hidrogen (H) dan oksigen (O). Reaksi oksidasi terhadap senyawa organik pada

umumnya merupakan reaksi pemutusan rantai ikatan pada senyawa organik.

Pemutusan ikatan pada rantai senyawa organik pada umumnya

menghasilkan panas. Pada proses pembakaran, oksigen yang berperan

sebagai oksidator akan bergabung, mengikat unsur-unsur C dan H yang putus

akibat energi panas dari proses pembakaran. Api akan padam jika salah satu

(42)

23

digunakan sebagai prinsip dasar untuk menyalakan atau memadamkan api.

[image:42.595.96.515.170.611.2]

Dibawah ini adalah gambar 2.4 diagram segitiga terjadinya nyala api.

Figure 4Gambar 2.4 Diagram segitiga terjadinya nyala api.

2.1.11 Saluran Gas Buang Sisa Pembakaran

Pembakaran gas LPG dalam sistem water heater gas pasti akan

menghasilkan gas sisa pembakaran (CO2), maka dalam konstruksi pemanas air

harus dibuat saluran untuk pembuangan gas sisa pembakaran tersebut agar

pembakaran dapat berlangsung dengan baik. Dalam perancangan pemanas air

gas buang sisa pembakaran dialirkan ke atas tungku melalui penutup bagian

atas. Tutup tersebut dapat diatur untuk besaran lubang buang yang digunakan,

hal ini bertujuan tuntuk mengatur volume gas yang terbuang keluar dari

pemanas air dapat disesuaikan.

2.1.12 Isolator

Isolator adalah benda yang tidak dapat menghantarkan kalor dari suatu

tempat ke tempat lainnya. Contohnya adalah kayu, kain, gabus, wol, dan udara.

Isolator sangat diperlukan dalam perancangan pemanas air dengan tujuan untuk

mencegah keluarnya panas hasil dari pembakaran keluar sistem pemanas air

(43)

24

pemanas air menggunakan dua lapisan tabung. Lapisan yang pertama adalah

ruang yang digunakan untuk proses pembakaran, dan lapisan kedua adalah

lapisan yang diberi isolator.

Berbagai jenis isolator dapat dipakai sebagai pertimbangan mengingat

menggunakan panas yang tinggi maka isolator harus memiliki sifat mampu

untuk menahan panas yang cukup baik dan tanpa resiko terbakar. Berikut ini

adalah jenis-jenis isolator :

2Tabel 2.3 Konduktivitas Termal Beberapa Media (Holman, 1993)

Bahan Konduktivitas Thermal W/m°C Btu/h.ft.°F

Uap Air 0,0206 0,0119

Udara 0,024 0,0139

Wol Kaca 0,038 0,022 Serbuk gergaji 0,059 0,034

Kayu 0,17 0,096

Batu pasir 1,83 1,058

Dari tabel diatas jenis isolator yang digunakan adalah jenis udara. Dasar

pemilihan bahan adalah udara mudah untuk didapat dan memiliki hambatan

yang baik sebagai isolator.

2.1.13 Kecepatan Air Rata-Rata.

Perhitungan kecepatan air rata-rata (um ) yang mengalir di dalam pipa air

menggunakan persamaan (2.1) :

ṁ

(m/s)

Pada persamaan (2.1) :

um : kecepatan air

(44)

25 ṁ : debit air

A : luas penampang pipa

2.1.14 Laju Aliran Massa Air.

Perhitungan laju aliran massa air (mair) yang mengalir melewati saluran air

pada pemanas air menggunakan persamaan (2.2) :

ṁ air = ρ .A.um (kg/s) …………..(2.2)

pada persamaan (2.2)

ṁ air : laju aliran massa air

ρ : massa jenis air

A : luas penampang pipa

um : kecepatan air

2.1.15 Laju Aliran Kalor yang Diterima Air

Laju aliran kalor yang diterima atau diserap oleh air merupakan perkalian

antara laju aliran massa, kalor jenis air, dan beda temperatur air sebelum dan

sesudah proses pemanasan yang dinyatakan dengan persamaan (2.8)

qair = ṁ . cp . (T2-T1) (watt) ………..(2.3)

qair : laju aliran kalor yang diterima air

ṁ : laju aliran massa

cp : kalor jenis air

T2 : suhu air keluar

(45)

26

2.1.16 Laju Aliran Kalor yang Dilepaskan Pembakaran Gas.

Perhitungan laju aliran kalor yang dilepaskan pembakaran gas LPG adalah

menggunakan persamaan perkalian antara laju aliran massa gas dan kapasitas

panas gas dengan hasil dalam satuan watt yang dinyatakan dengan persamaan

(2.4) :

qgas = ṁgas . Cgas(watt) ………..(2.4)

qgas : laju aliran kalor yang dilepaskan gas

ṁgas : laju aliran massa gas

Cgas : kapasitas panas gas

2.1.17 Efisiensi Pembakaran.

Efisiensi pembakaran pada pemanas air adalah perbandingan antara laju

aliran kalor yang diterima oleh air dan laju aliran kalor yang diberikan oleh gas

yang dinyatakan dengan persamaan (2.5) :

η = qair

q_gas x 100 % , atau

η = ṁ . .

ṁ . X 100 % …….(2.5)

(Sumber : Octo Dinaryanto , Pengaruh Jenis Burner terhadap Konsumsi

Bahan Bakar LPG,2010)

Diterangkan bahwa ṁair adalah laju aliran massa (kg/s) , ṁgas adalah laju aliran

masa gas (kg/s) ,Cair adalah kalor jenis air (4179 J/kg°C ), Cgas adalah

(46)

[image:46.595.100.512.233.769.2]

2.2 Refer 2.2.1Wa Pe masyara bermaca Ra menit de biasanya kapasita Sp Gambar Spesifik Pemasan Ukuran Kapasita Tempera Konsum Ignition Tekanan rensi Water heater nelitian dan akat semaki am-macam d

ata-rata wat

engan konsu

a digunakan

as yang lebih

pesifikasi da

2.5, Gamba

Figure 5Gamb

kasi :

ngan

(PxLxT) m

as Air Pana

atur Maksim

msi Gas

n Gas

gas LPG y n pengemb

in berkemb

dengan berb

ter heater

umsi gas LP

n dalam sk

h besar bias

an produk

ar 2.6, Gam

bar 2.5 Wate

: E

mm : 3

s : 5

mal : 6

: 0

: B

: L

27 ang ada di bangan wate

bang. Water

bagai bentu

yang dijua

PG 0,46 kg/

kala kebutu

sanya digun

water heate

mbar 2.7 .

er heater G

External/Inte 380x288x14 5 liter/menit 60 °C 0,46 kg/jam Baterai Ukur Low Pressur pasaran.

er heater u

r heater ya

uk dan kapas

al di pasaran

/jam – 0,6 k

uhan rumah

nakan di rum

er skala ru

ernal

41

t

ran D

re, 28 mBar

untuk meme

ang ditawa

sitas air yan

n berkapasi

kg/jam. Kap

h tangga, s

mah sakit da

umah tangga

as dengan

r

enuhi kebut

arkan di pa

ng mengalir

itas 5 – 8 l

pasitas sepe

sedangkan u

an hotel.

a disajikan

merek Wasser

(47)

28

Figure 6Gambar 2.6 Water heater Gas dengan merek Modena Spesifikasi :

Pemasangan : External/Internal

Ukuran (PxLxT) mm : 425x290x127

Kapasitas Air Panas : 5 liter/menit

Temperatur Maksimal : 40°C – 60 °C

Konsumsi Gas : 0,6 kg/jam

Ignition : Baterai Ukuran D

Tekanan Gas : Low Pressure, 28 mBar

Figure 7Gambar 2.7 Water heater Gas dengan merek Rinnai Spesifikasi :

Pemasangan : External/Internal

Ukuran (PxLxT) mm : 369x290x127

Kapasitas Air Panas : 5 – 8 liter/menit

Temperatur Maksimal : 40°C - 60 °C

[image:47.595.98.497.101.585.2]

(48)

29

Ignition : Baterai Ukuran D

Tekanan Gas : Low Pressure, 28 mBar

2.2.2Konstruksi water heater

Konstruksi water heater yang sering dijumpai adalah water heater dengan

tangki penampungan, water heater dengan tangki penampungan dan turbulator,

water heater dengan tangki penampungan dan pipa spiral, dan water heater

tanpa tangki penampungan.

a. Konstruksi water heater dengan tangki penampungan

Konstuksi water heater dengan tangki penampungan memiliki prinsip dasar

proses pemanasan air seperti merebus air. Prinsip kerja ini sangat sederhana

yakni mulai dari air suhu ruangan masuk ke dalam sistem dan ditampung

melalui pipa masuk water heater kemudian air di dalam tangki dipanaskan

dengan kompor gas LPG yang berada di bawah tangki penampungan tersebut.

Hasil produk berupa air panas dialirkan keluar melalui pipa keluar air panas.

Gambar 2.8 Menyajikan konstruksi water heater dengan tangki penampungan .

(49)

30

b. Konstruksi water heater dengan tangki penampungan dan turbulator

Konstruksi water heater dengan tangki penampungan dan turbulator

menggunakan metode seperti merebus air, tetapi dilengkapi dengan bagian

baffle atau turbulator yakni perangkat spiral, dengan posisi di atas kompor gas

LPG. Perangkat ini berputar dalam saluran gas buang yang berfungsi untuk

meratakan aliran kalor. Gambar 2.10 menyajikan konstruksi water heater

dengan tangki penampungan dan turbulator :

Figure 9Gambar 2.9 Konstruksi tangki penampungan dan turbulator water heater

c. Konstruksi water heater dengan tangki penampungan dan pipa spiral

Konstruksi water heater dengan tangki penampungan dan pipa spiral

menggunakan metoda seperti merebus air, tetapi dilengkapi dengan pipa spiral,

[image:49.595.102.500.249.602.2]

(50)

31

udara panas dari kompor gas LPG untuk memanaskan air di dalam tangki

penampungan, sekaligus berfungsi sebagai saluran gas buang. Gambar 2.11

Konstruksi water heater dengan penampungan dan pipa spiral.

Figure 10Gambar 2.10 Konstruksi tangki penampungan dan pipa spiral water heater

d. Konstruksi water heater tanpa tangki penampungan.

Konstruksi water heater gas LPG tanpa tangki penampungan menggunakan

metode memanaskan air dalam pipa yang dipanaskan dengan ompor gas LPG,

seperti diperlihatkan pada Gambar 2.12. Panas diterima langsung oleh pipa dan

sirip kemudian didistribusikan ke dalam air yang melewati pipa, sehingga

penyediaan air panas menjadi lebih cepat dibandingkan dengan water heater

[image:50.595.100.498.195.563.2]

(51)

Figure 11G 2.2.3Ha a. Wate Pada Pu berjudul Udara P 1. Mera 2. Men 3. Men diter 4. Men Penelitia 1. Wate 2. Diam 3. Diam Gambar 2.11 asil Peneliti

er Heater D

a Dinding L

utra, PH. (20

l “Water He

ada Dinding

ancang dan

ndapatkan hu

ndapatkan h

rima oleh ai

ndapatkan hu

an tersebut d

er heater ya

meter pada d

1 Konstruks

ian Water Dengan Panj

Luar.

012) telah m

eater Denga

g Luar” yan

membuat w

ubungan an

hubungan an

ir.

ubungan an

dilakukan d

ang dibuat m

dinding luar

dinding dala

32 si tanpa tang

Heater Ga jang Pipa 20

melakukan

an Panjang

ng bertujuan

water heater

ntara debit d

ntara debit a

dengan bata

memiliki dim

r 25 cm.

am 20 cm.

gki penamp

as LPG 0 Meter dan

penelitian w

Pipa 20 Me

n :

r.

dengan suhu

air dengan l

air dengan e

san-batasan

mensi tingg

pungan wate

n 300 Luban

water heate

eter dan 300

u air keluar

laju perpind

efisiensi wat

n sebagai be

gi 90 cm.

er heater

ng Masuk U

er gas LPG

0 Lubang M

water heate

dahan kalor

ter heater.

(52)

33 4. Panjang pipa 20 meter.

5. Diameter bahan pipa 3/8 inci.

6. Lubang masuk udara pada dinding luar sejumlah 300 buah

7. Lubang pada dinding dalam sejumlah 1005 buah.

8. 6 buah sirip dari pipa berdiameter 3/8 inci.

Hasil penelitian ini adalah :

1. Water heater yang dibuat mampu bersaing dengan water heater yang ada

dipasaran.

2. Water heater mampu menghasilkan panas dengan temperatur 42,9 °C pada

debit 10 liter/menit.

3. Hubungan antara debit air yang mengalir (ṁ) dengan temperatur air keluar

water heater (To), laju perpindahan kalor (Qair), dan efisiensi (ɳ)dapat

dinyatakan berturut-turut dengan persamaan To = -0,027 m3 +1,126 m2 –

16,52 m +129,9 (m dalam liter/menit, To dalam °C), Qair = 17,09 m3 + 489

m2 + 439 m +3654 (m dalam liter/menit, Qair dalam watt), dan ɳ = 0,077 m3

– 2,208 m2 + 19,84 m + 16,50 (m dalam liter/menit, η dalam %).

b. Karakteristik Water Heater dengan Panjang Pipa 8 Meter Diameter 0,5 Inci

dan Bersirip.

Prasongko,Gregorius Ega Buddhi (2014) melakukan penelitian water heater

gas dengan judul “Karakteristik Water Heater dengan Panjang Pipa 8 Meter

Diameter 0,5 Inci dan Bersirip” yang bertujuan :

1. Merancang dan membuat alat water heater yang menggunakan energi gas

(53)

34

2. Mengetahui karakteristik dari water heater gas LPG yang meliputi

hubungan antara suhu air keluar water heater dan debit yang mengalir dalam

water heater dengan variasi pembukaan tutup water heater, besar energi

kalor yang diserap oleh air yang mengalir di daam pipa water heater.

3. Menghitung laju aliran kalor yang diberikan gas LPG. dan menghitung

efisiensi water heater.

Penelitian tersebut dilakukan dengan batasan-batasan masalah sebagai berikut :

1. Tinggi water heater adalah 30 cm.

2. Diameter luar : 30 cm, dengan tutup yang bisa diatur ketinggiannya.

3. Pipa saluran air terbuat dari material tembaga dengan diameter 0,5 inci

dengan panjang 8 meter dengan 2 lintasan ditambah sirip dari tembaga

dengan diameter 0,5 inci.

4. Menggunakan 3 tabung dengan pelat galvanum diberi lubang saluran udara

dengan jumlah lubang udara tabung dalam 156 lubang dengan diameter 0,5

cm, tabung tengah70 lubang dan tabung luar 95 lubang dengan diameter 1,5

cm.

5. Sumber pemanas atau proses pembakaran menggunakan gas LPG dan

menggunakan kompor gas bertekanan tinggi (high pressure).

6. Suhu air yang masuk ke dalam water heater sama dengan suhu air di dalam

kamar mandi (sekitar 25 °C – 27 °C).

7. Suhu air panas yang dihasilkan water heater harus lebih dari 40° C dengan

(54)

35 Hasil penelitian ini adalah :

1. Water Heater mampu menghasilkan air panas dengan temperature 43,1 °C

dengan debit 9 liter /menit pada kondisi water heater tertutup rapat.

2. Karakteristik water heater dinyatakan dengan persamaan yang dijabarkan

sebagai berikut:

a. Kondisi tertutup rapat Tout =94,641. deb0,337 (liter/menit)-0,337 °C dan R2

= 0,9211. Variasi 10 putaran tutup Tout = 91,175. deb0,337 (liter/menit)

-0,337

°C dan R2 = 0,9375. Variasi 20 putaran tutup Tout = 92,793. deb0,33

(liter/menit)-0,33 °C dan R2 = 0,9243.(dengan deb dalm liter/menit dan

Tout dalam °C).

b. Hubungan antara debit air yang dihasilkan water heater dengan laju

aliran kalor yang diterima air dinyatakan dengan persamaan : kondisi

tertutup rapat qair = 0,0001 deb3. (liter/menit)-3 + 0,0077

deb2.(liter/menit)-2 – 0,1189 deb.(liter/menit)-1 + 10,067 dan R2 =

0,1184. Variasi 10 putaran qair = 0,0002 deb3. (liter/menit)-3 + 0,00173

0,6317. Variasi 20 putaran qair = 0,0001 deb3. (liter/menit)-3 + 0,0059

0,5648.(dengan deb dalam liter /menit dan qair dalam kW).

c. Hubungan antara debit air yang dihasilkan water heater dengan

efisiensi yang dihasilkan water heater dinyatakan dengan persamaan :

kondisi tutup rapat ɳ = 0,0003 deb3.(liter/menit)-3 + 0,021

(55)

36

0,1184. Variasi 10 putaran ɳ = 0,0005 deb3.(liter/menit)-3 + 0,00474

0,6317. Variasi 20 putaran ɳ = 0,0004 deb3.(liter/menit)-3 + 0,0161

0,5648.(dengan deb dalam liter/menit dan ɳ dalam %).

3. Laju aliran kalor yang diberikan gas LPG sebesar 36,535 kW.

c. Water Heater dengan 3 Model Pembuangan Gas Buang

Kristianto, Hari. (2013) telah melakukan penelitian water heater gas LPG

yang berjudul “Water Heater dengan 3 Model Gas Buang” yang bertujuan :

1. Merancang dan membuat water heater dan mendapatkan hubungan antara

debit air yang megalir dengan suhu air yang keluar water heater untuk

berbagai model pembuangan gas buang.

2. Mendapatkan hubungan antara debit air yang mengalir dengan kalor yang

diterima air.

3. Menghitung kalor yang diterima air dari water heater untuk berbagai

model pembuangan gas buang.

4. Menghitung kalor yang diberikan gas LPG untuk berbagai model

pembuangan gas buang.

5. Menghitung efisiensi water heater untuk berbagai model pembuangan gas

buang.

Penelitian tersebut dilakukan dengan batasan-batasan sebagai berikut :

1. Tinggi water heater adalah 95 cm, diameter water heater 30 cm dengan

(56)

37

2. Banyaknya dinding plat water heater 2 lapis, plat lapis dalam mempunyai

lubang sebanyak 48 buah dengan diameter 10 mm dan plat luar

mempunyai lubang sebanyak 48 buah dengan diameter 10 mm.

3. Pipa diberi sirip dengan panjang sirip 5 cm.

4. Sirip dari tembaga dengan tebal 0,2 mm.

5. Pembuangan gas buang menggunakan 3 macam model yakni dengan

cerobong dan blower 4 inci, cerobong, dan mempergunakan penutup plat.

Hasil penelitian ini adalah :

1. Water heater yang dirancang mampu bersaing dengan water heater yang

ada dipasaran , yang mampu menghasilkan air panas dengan temperatur

35,4 °C pada debit 7,2 liter/menit untuk water heater model pertama, 34,8

°C pada debit 6,6 liter/menit untuk water heater model kedua, 36 °C pada

debit 6,4 liter/menit untuk water heater model ketiga.

2. Hubungan antara debit air yang mengalir dengan temperatur air keluar

water heater (To) dapat dinyatakan dengan persamaan : Tout = -0,2215 m3

+ 4,5633 m2 – 29,935 m + 96,878 dan R2 = 0,9807 untuk water heater

model 1, Tout = -0,6662 m3 + 9,5524 m2 – 46,115 m + 113,83 dan R2 =

0,9444 untuk water heater model 2, Tout = -0,1928 m3 + 4,2317 m2 –

29,218 m + 99,895 dan R2 = 0,9532 untuk water heater model 3, (m dalam

liter/menit dan To dalam °C).

3. Hubungan antara debit air yang mengalir dengan laju perpindahan kalor

dinyatakan dengan persamaan : qair = -2,6026 m3 + 6,9591 m2 – 302,15

(57)

38

321,19 m2 + 1200,5 m + 2401,2 dan R2 = 0,3227 untuk water heater

model 2, qair = 4,4255 m3 – 90,392 m2 – 494,55 m + 3083,1 dan R2 =

0,2333 untuk water heater model 3, (m dalam liter/menit dan qair dalam

watt).

4. Hubungan antara debit air yang mengalir dengan efisiensi water heater

dapat dinyatakan dengan persamaan : ɳ = -0,0376 m3 + 0,1006 m2 +

4,3666 m + 36,66 dan R2 = 0,814 untuk water heater model 1, ɳ = 0,3633

m3 - 4,6418 m2 + 17,35 m + 34,701 dan R2 = 0,3227 untuk water heater

model 2 , ɳ = 0,064 m3 – 1,3063 m2 + 7,1472 m + 44,556 dan R2 =

0,2333 untuk water heater model 3, (m dalam liter/menit dan ɳ dalam

(58)

39

BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN WATER HEATER

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN WATER HEATER

3.1 Perancangan Water Heater

Perancangan Water Heater yang akan dibuat adalah untuk mengetahui

efektifitas perpindahan energi panas hasil pembakaran gas LPG yang diserap oleh

aliran air yang melewati saluran pipa spiral dari tembaga di dalam tungku

pemanas yang berbentuk persegi dengan sisi-sisi nya tidak berlubang dan hanya

ada lubang tungku bawah dan atas. Rancangan sederhana ini menyesuaikan

dengan variasi yang akan dilakukan selama percobaan, yakni adalah variasi

bukaan tutup atas secara horizontal berturut-turut 2,5 cm, 5 cm, 7,5 cm, 10 cm,

dan bukaan penuh. Perancangan ini dibantu dengan menggunakan program

gambar yakni Auto CAD dan Solid Work agar waktu yang dihasilkan dalam

membuat gambar rancangan dapat lebih cepat, akurat, dan mampu dibaca oleh

orang lain secara baik serta dapat digunakan sebagai acuan dalam pembuatan

produk Water Heater dengan jelas . Berikut ini adalah daftar komponen yang

disajikan pada tabel 3.1 Tabel kebutuhan material , yang diperlukan untuk

membuat Water Heater :

3

Tabel 3.1 Kebutuhan material

No.

Gambar Jumlah Nama Komponen Jenis Material

3.1 1 Tungku Plat Seng

3.2 1 Pipa Kalor Tembaga

3.3 2 Pasak Beton Esser

- 1 Penutup Atas Tungku Plat Seng (190x450)mm

(59)

Gamb lampiran. yang diren 3.1.1Tu T luar dan panas da timbul d sebagai spiral se dilakuka Material dengan didapatk dinding-didapat merupak T bar rancan Berikut ini ncanakan un ungku Pem ungku pem

n dalam pe

ari bagian d

dapat diserap

tempat ked

ebagai kond

an oleh me

l yang digun

alasan kare kan. Tungk -dindingnya hanya dar kan gambar F Ta

ngan water

i adalah pen

ntuk membu

manas . manas ini di

embakaran,

dalam tung

p oleh pipa

dudukan pen

duktor pana

edia kompo

nakan dalam

ena faktor e

ku pemanas

a hal ini k

ri dasar tu

tungku wat

Figure 12Ga

40

r heater s

njabaran dan

uat water he

i rancang d

hal ini be

gku dengan

kalor secar

nukar kalor

as dari api

or dengan a

m perancang

ekonomis d

ini diranc

karena alasa

ungku . Di

ter heater

ambar 3.1 T

selengkapny

n gambaran

eater:

engan mem

ertujuan seb

sisi luar tu

ra maksimal

r yang beru

hasil dari p

air yang ad

gan adalah p

dan ketersed

cang tidak m

an peneliti

ibawah ini

Tungku wat

ya disajika

n dari komp

mberikan se

bagai isola

ungku sehin

l. Tungku in

upa pipa tem

pembakaran

da di dalam

pelat seng k

diaan mater

menggunak

an, sedang

adalah ga

er heater

an pada b

ponen komp

ekat antara u

ator perpind

ngga panas

ni juga berf

mbaga berb

n gas LPG

m pipa tem

ketebalan 0,

rial yang m

(60)

41 3.1.2Pipa Saluran Air

Pipa saluran air ini dirancang dengan bentuk spiral karena

mempertimbangkan luas penampang ruang pembakaran dan kemampuan dalam

pembentukan pola. Penggunaan material pada pipa saluran air menggunakan

material yang bersifat konduktif. Mempertimbangkan faktor ekonomi dan

ketersediaan pada penjualan material maka dipilih menggunakan bahan material

tembaga sebagai komponen pipa kalor dengan k= 385