pemanas air dengan panjang pipa 25 meter dan jumlah …
TRANSCRIPT
i
PEMANAS AIR DENGAN PANJANG PIPA 25 METER
DAN JUMLAH LUBANG INPUT UDARA
TABUNG LUAR 150
TUGAS AKHIR
Untuk memenuhi persyaratan mencapai derajat sarjana S-1 Teknik Mesin
Diajukan oleh
YOSEP KUWORO ADI
NIM : 085214036
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2013
ii
WATER HEATER WITH THE LENGTH OF THE PIPE
25 METER AND THE NUMBER OF THE AIR INPUT
HOLE OF THE OUTSIDE PIPE 150
FINAL PROJECT
Presented a Partial Fulfillment of the Requidments
For the Degree of Sarjana Teknik In Mechanical Engineering
Submitted by
YOSEP KUWORO ADI
Student Number : 085214036
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA
2013
iii
:
iii
iv
iv
v
v
vi
vi
vii
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan hubungan antara debit air yang
mengalir dengan suhu air keluar pemanas air, mendapatkan hubungan antara debit
air dengan laju aliran kalor, mendapatkan suhu air yang dihasilkan dari pemanas
air, menghitung kalor yang diberikan gas LPG dan menghitung efisiensi pemanas
air.Agar kalor yang dihasilkan kompor dapat diserap secara maksimal, maka
dipasang sirip-sirip tembaga yang berfungsi sebagai penyerap kalor dan
mengalirkan kalor yang diterima dari kompor pada pipa tembaga.
Kran digunakan sebagai pengatur jumlah debit air yang digunakan untuk
mengaliri pemanas air.LPG digunakan sebagai bahan bakar kompor untuk
memanasi air yang mengalir di dalam pemanas air. Data debit air diperoleh
dengan cara mengukur volume air yang mengalir mempergunakan gelas ukur dan
stopwatch. Banyaknya air yang mengalir setiap menit dicatat setiap ada perubahan
debit. Pengukuran suhu air dilakukan dengan cara memasang termokopel pada sisi
keluar pemanas air. Suhu air dicatat setiap ada perubahan debit air.
Dengan debit aliran 7,2 liter/menit dihasilkan dengan suhu air yang keluar
sebesar 43,4°C . Laju aliran kalor untuk penelitian water heater ini adalah
11571,65 watt pada debit air 4,26 liter/menit.Suhu air terbesar yang dihasilkan
dari penelitian water heater ini adalah 80,3°C, pada debit air 1,56 liter/menit, pada
tekanan udara luar (sekitar 1 atm) dan pada suhu air masuk 28,1°C. Kalor yang
diterima air dari pemanas air berkisar antara 5518,79 – 11571,65 watt. Untuk
jumlah kalor terbesar sebesar 11571,65 watt.Kalor yang diberikan gas LPG
sebesar 14530,99 watt. Untuk efisiensi terbesar adalah 79,63 % pada debit air
4,26 liter/menit.
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis haturkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas
berkat, rahmat dan bimbinganNya selalu, hingga terselesaikannya penyusunan
Tugas Akhir, yang berjudul “Pemanas Air dengan panjang pipa 25 meter dan
jumlah lubang input udara tabung luar 150” ini. Tugas Akhir ini, membahas
mengenai garis besar tentang pembuatan dan karakteristik Pemanas Air.Pemanas
Air ini diharapkan dapat digunakan sebagai salah satu alat yang dapat digunakan
di kehidupan sehari-hari sebagai pemanas air untuk keperluan mandi dan juga
bermanfaat bagi kegiatan produksi dalam skala industri. Dalam pemilihan bahan
dan ukuran, penulis menggunakan acuan Standar SI.
Dalam penulisan laporan ini penulis mendapatkan bantuan dari berbagai
pihak. Oleh karena itu pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan terima
kasih kepada :
1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc. selaku Dekan Fakultas Sains
dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.
2. Ir. PK. Purwadi, M.T. selaku Dosen Pembimbing TA dan selaku Ketua
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas
Sanata Dharma.
3. Seluruh Dosen dan karyawan Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains
dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
ix
4. Kedua orang tua saya tercinta, Ibu Yulia Sri Wahyuningsih dan Bapak
Agustinus Eko Ardianto yang telah memberi dukungan, baik material
maupun spiritual hingga saat ini.
5. Laras Arum Sekarini yang telah memberikan semangat, dukungan dan doa.
6. Rekan-rekan mahasiswa Prodi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma.
7. Semua pihak yang sudah membantu yang tidak dapat disebutkan satu-persatu.
Tugas Akhir ini baru permulaan dan masih banyak kekurangan dan perlu
pembenahan. Oleh karena itu kritik dan saran yang membangun dari semua pihak
diterima penulis dengan senang hati.Akhir kata semoga Tugas Akhir ini dapat
bermanfaat bagi para pembaca pada umumnya.Terima kasih.
Yogyakarta, 18 Desember 2013
Penulis,
x
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i
TITLE PAGE .................................................................................................. ii
HALAMAN PERSETUJUAN ....................................................................... iii
HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................ iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .................................... v
HALAMAN PERNYATAAN PUBLIKASI KARYA ................................... vi
ABSTRAK ...................................................................................................... vii
KATA PENGANTAR .................................................................................... viii
DAFTAR ISI ................................................................................................... x
DAFTAR TABEL ........................................................................................... xii
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xiii
DAFTAR NOTASI ......................................................................................... xv
BAB I PENDAHULUAN .......................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ......................................................................... 1
1.2 Tujuan ...................................................................................... 4
1.3 Batasan Masalah ...................................................................... 4
1.4 Manfaat .................................................................................... 5
BAB II DASAR TEORI .............................................................................. 6
2.1 Dasar Teori .............................................................................. 6
2.1.1 Saluran Air ................................................................... 6
2.1.2 Sirip .............................................................................. 7
2.1.3 Bahan Bakar ................................................................. 8
2.1.4 Kebutuhan Udara ......................................................... 13
2.1.5 Saluran Gas Buang ...................................................... 15
2.1.6 Sumber Api .................................................................. 16
2.1.7 Isolator ......................................................................... 18
2.1.8 Laju Aliran Kalor ......................................................... 19
2.1.9 Laju Aliran Kalor yang Diberikan Gas ........................ 19
2.1.10 Efisiensi ....................................................................... 20
2.2 Referensi ................................................................................. 20
BAB III METODE PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ..................... 24
3.1 Rancangan Alat Water Heater ................................................. 24
xi
3.2 Pembuatan Water Heater ......................................................... 28
3.2.1 Bahan Water Heater ..................................................... 28
3.2.2 Sarana dan Alat-alat yang Digunakan ......................... 29
3.2.3 Langkah-langkah Pengerjaan ....................................... 30
3.2.3.1 Persiapan .......................................................... 30
3.2.3.2 Pengerjaan ........................................................ 30
3.3 Hasil Pembuatan ...................................................................... 40
BAB IV METODOLOGI PENELITIAN ..................................................... 41
4.1 Skematis Pengujian ................................................................. 41
4.2 Variasi Penelitian ........................................................................ 42
4.3 Peralatan Pengujian dan Bahan ................................................... 42
4.4 Cara Memperoleh Data ............................................................ 44
4.5 Cara Mengolah Data ................................................................ 44
4.6 CaraMenyimpulkan ................................................................. 44
BAB V KARAKTERISTIK WATER HEATER ........................................ 45
5.1 Hasil Pengujian ........................................................................ 45
5.2 Perhitungan .............................................................................. 45
5.2.1 Perhitungan Kecepatan Air rata-rata um ...................... 46
5.2.2 Perhitungan Aliran Massa Air Q ................................. 46
5.2.3 Perhitungan Laju Aliran Kalor yang diterima Air ....... 47
5.2.4 Perhitungan Laju Aliran Kalor yang diberikan Gas .... 47
5.2.5 Efisiensi ....................................................................... 48
5.3 Pembahasan ............................................................................. 50
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................... 52
6.1 Kesimpulan .............................................................................. 52
6.2 Saran ........................................................................................ 52
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN .................................................................................................... 55
A. Nilai Sifat-Sifat Logam ..................................................................... 55
B. Nilai Sifat-Sifat Logam (Lanjutan 1) ................................................ 56
C. Nilai Sifat-Sifat Logam (Lanjutan 2) ................................................ 57
D. Daftar Konduktifitas Termal Berbagai Bahan .................................. 58
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Daya Pemanasan dan Efisiensi Alat Masak dengan Gas LPG
dan Bahan Bakar Lainnya ............................................................ 13
Tabel 2.2 Komposisi Udara dalam Keadaan Normal ................................... 14
Tabel 2.3 Konduktifitas Termal Beberapa Media ........................................ 18
Tabel 5.1 Hasil Pengujian Pemanas Air ....................................................... 45
Tabel 5.2 Perhitungan airm dan airq ............................................................. 48
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Grafik Efisiensi Sirip Siku Empat dan Segitiga ...................... 8
Gambar 2.2 Grafik Efisiensi Sirip Siku Empat ........................................... 8
Gambar 2.3 Kompor Gas Quantum ............................................................. 17
Gambar 2.4 Kompor Gas Tungku Besar ..................................................... 17
Gambar 2.5 Kompor Gas dengan Regulator ............................................... 17
Gambar 2.6 Laju Aliran Kalor .................................................................... 19
Gambar 2.7 Water HeaterModena GI-6 ...................................................... 21
Gambar 2.8 Water Heater Wasser .............................................................. 22
Gambar 2.9 Water HeaterRinnai REU-55RTB .......................................... 23
Gambar 3.1 Rancangan Water Heater ........................................................ 24
Gambar 3.2 Lengkungan Pipa ..................................................................... 25
Gambar 3.3 Lengkungan dan Sirip Water Heater ....................................... 25
Gambar 3.4 Sirip Water Heater .................................................................. 26
Gambar 3.5 Penutup Water Heater ............................................................ 26
Gambar 3.6 Water Heatertampak dari Bawah ............................................ 27
Gambar 3.7 Water Heatertampak dari Luar ................................................ 27
Gambar 3.8 Alat Pembengkok dan Pemotong Pipa .................................. 31
Gambar 3.9 Lengkungan Pipa dan Sirip ..................................................... 31
Gambar 3.10 Pipa Tembaga Sebelum Dipotong ........................................... 32
Gambar 3.11 Pemotongan Pipa Tembaga untuk Sirip .................................. 32
Gambar 3.12 Pipa Tembaga Setelah Dipotong ............................................. 33
Gambar 3.13 Pipa Tembaga Setelah Dipotong dan Diluruskan .................... 33
Gambar 3.14 Proses Pembuatan Lubang dan Tabung Luar .......................... 34
xiv
Gambar 3.15 Tabung Luar Sebelum Dibentuk ............................................. 34
Gambar 3.16 Tabung Bagian Luar ................................................................ 35
Gambar 3.17 Tabung Bagin Dalam Sebelum Dibentuk ................................ 35
Gambar 3.18 Tabung Bagian Dalam ............................................................. 36
Gambar 3.19 Proses Membentuk Penutup Dalam Tabung Atas ................... 36
Gambar 3.20 Penutup Bagian Dalam Tabung ............................................... 37
Gambar 3.21 Proses Membentuk Penutup Tabung Bagian Atas .................. 37
Gambar 3.22 Penutup Bagian Atas ............................................................... 38
Gambar 3.23 Lubang Saluran Udara Dilihat dari Dalam .............................. 38
Gambar 3.24 Lubang Saluran Udara ............................................................. 39
Gambar 3.25 Water Heater ........................................................................... 40
Gambar 4.1 Skema Rangkaian Alat ............................................................ 41
Gambar 4.2 Tabung Gas .............................................................................. 43
Gambar 4.3 Termokopel, Kalkulator, Alat Tulis, dan Kompor .................. 43
Gambar 4.4 Gelas Ukur ............................................................................... 43
Gambar 5.1 Hubungan Debit Air dengan Suhu Air Keluar pada
Suhu Air Input 28,1 °C ............................................................ 49
Gambar 5.2 Hubungan Debit Air dengan Laju Aliran Kalor
yang Diperlukan pada Suhu Air Input 28,1 °C ...................... 49
Gambar 5.3 Hubungan Debit Air dengan Efisiensi Water Heater yang
Diperlukan pada Suhu Air Input 28,1 °C ................................ 50
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Kebutuhan air panas untuk keperluan hidup sehari-hari telah menjadi
kebutuhan primer setiap orang. Air panas tidak hanya sebagai kebutuhan di
rumah, tetapi sudah menjadi standar internasional, baik untuk keperluan hotel,
Rumah Sakit, Apartment, Industri dan lain lain. Gaya hidup manusia terus
mengalami perubahan seiring dengan tuntutan kesibukan yang semakin tinggi.
Tugas tugas di kantor yang semakin menumpuk selalu memaksa kita agar segera
menyelesaikan nya. Karena kesibukan inilah seringkali seseorang menjadi
terlambat untuk membersihkan tubuh atau mandi.Namun sayangnya, mandi pada
waktu yang kelewat malam dengan air dingin sangatlah tidak baik bagi kesehatan.
Selain dinginnya air terkadang tidak nyaman di kulit, mandi di malam hari
bisa memicu masuk angin sampai sakit persendian. Sebaliknya, mandi air hangat
akan membuat kulit terasa nyaman sehingga tubuh lebih rileks. Bahkan mandi
menggunakan air hangat bisa mengurangi kejang otot karena lelah habis kerja
seharian.
Jika anda telah memutuskan untuk mempergunakan pemanas air (water
heater) untuk kebutuhan mandi sehari-hari, penting bagi anda menyadari pilihan
yang tersedia di pasar, kebanyakan orang memiliki kecenderungan untuk
membeversi yang lebih baru dari pemanas air yang mereka pergunakan. Pemilik
rumah harus lebih menyadari bahwa rumah mereka mungkin telah di perluas dan
jumlah orang yang menggunakan pemanas air mungkin telah meningkat. Juga
2
anda mungkin telah menambahkan saluran gas ke rumah anda yang meningkatkan
pilihan anda. Semua perubahan ini akan memainkan peran penting ketika anda
membeli atau mempergunakan pemanas air yang anda akan pakai.
Ketika akan mempergunakan pemanas air, anda harus menentukan pada
sumber energi yang akan anda gunakan untuk daya pemanas. Saat ini ada tiga opsi
energi utama yang dapat anda pilih dari termasuk energi gas, surya dan listrik.
Perlu diketahui juga sebelum memutuskan untuk membeli atau memakai pemanas
airada beberapa kriteria yang harus menjadi pertimbangan, karena masing-masing
tipe pemanas air mempunyai kelebihan dan kekurangan, tentunya hanya anda
sendirilah yang bisa menentukan mau menggunakan tipe mana.
Pertimbangan-pertimbangan yang paling umum biasanya berkisar antara
lain kualitas produk, jenis dan besarnya energi yang di gunakan, kapasitas
kebutuhan volume air panas yang di inginkan, layanan purna jual dan harga
kondisi keuangan anda juga tentunya.
Pemanas air Tenaga Gas LPG (Liquefied Petroleum Gas) atau pemanas air
Tenaga Listrik. Ketiga jenis pemanas air tersebut menggunakan energi yang
berbeda untuk pengoprasiannya, hal itu juga menentukan pemasangan nya,
dimana jenis listrik bisa lebih fleksibel sementara jenis gas sebaliknya,
sedangkan untuk tipe pemanas air tenaga surya lebih membutuhkan ketrampilan
khusus dalam pemasangannya, sehingga membutuhkan tenaga ahli profesional.
Dalam melakukan pekerjaan tersebut arena tidak sembarangan orang juga bisa
memasang jenis pemanas air ini.
3
Pemanas air listrik bentuknya kecil dan mudah di pasang, untuk
kelemahannya bila tekanan air kurang maka air menjadi sangat panas dan tidak
stabil. Apabila ada kerusakan perlu mengganti element listrik dan juga
pertimbangkanlah daya listrik rumah anda, mengingat daya listrik yang
dibutuhkan oleh pemanas air tersebut cukup besar untuk tiap unit nya, pastikan
bahwa daya total listrik di rumah anda mencukupi (apabila tidak mencukupi, anda
harus tambah daya dan pastinya biaya abodemen listrik bulanan yang akan naik
juga menjadi pertimbangan anda).
Untuk pemanas air gas LPG, diperlukan selang pipa untuk suplai gas ke
pemanas air. Tipe pemanas air gas membutuhkan ketelitian ketika harus
mengganti tabung gas dan pengecekan pipa pembuangan hasil pembakaran,
karena pemanas air gas selama beroprasi terjadi proses pembakaran yang merubah
oksigen menjadi karbondioksida akan tetapi banyak ahli menyatakan bahwa gas
LPG memiliki tingkat terendah emisi karbon, menimbulkan sedikit resiko dalam
hal ancaman polusi tanah atau air.
Di sisi lain untuk keuntungan dari pemanas airini adalah air panas yang
dipergunakan tidak terbatas, demikian juga jumlah orang yang ingin mandi air
panas tidak terbatas. Selama air dapat mengalir, selama itu pula air panas dapat
dihasilkan. Karena hal itu diperlukan rancangan pemanas airberbahan bakar gas
LPG yang nantinya dapat menghasilkan laju aliran perpindahaan kalor yang baik.
Pemanas air Tenaga Surya sangat mudah diterapkan pada negara tropis
karena memanfaatkan energi gratis dan tak terbatas dari panas matahari yang
bersinar sepanjang tahun. Namun ada juga kekurangannya yaitu pemasangannya
4
yang rumit (diletakkan di atas atap rumah) dan kemampuanya bergantung pada
banyaknya sinar matahari sehingga terbatas penggunaannya (volume air panas
yang dapat dipergunakan).
Apabila terjadi cuaca yang tidak mendukung, untuk pemanas airjenisini
tidak dapat lagi bisa digunakan terutama di daerah pegunungan dingin yang
sedikit mendapatkan penyinaran matahari.Selain itu, apabila di lihat dari sisi
ekonominya, pemanas air dengan menggunakan tenaga surya lebih mahal
dibandingkan dengan pemanas air lainnya.
1.2 TUJUAN
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. merancang dan membuat pemanas airberbahan bakar gas LPG;
2. mendapatkan hubungan antara debit air yang mengalir dengan suhu air
keluar pemanas air;
3. mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor;
4. menghitung kalor yang diterima air dari pemanas air;
5. menghitung kalor yang diberikan gas LPG;
6. menghitung efisiensi pemanas air.
1.3 BATASAN PERSOALAN
Batas-batas di pembuatan pemanas air adalah:
1. tinggi pemanas air : 75 cm, diameter : 28 cm, dengan panjang pipa tembaga:
25 m, dengan 2 lintasan;
5
2. banyaknya dinding plat : 2 lapis;
3. plat lapis dalam mempunyai banyak lubang dalam dengan diameter : 3 mm
dengan jumlah 380 (setinggi 75 cm) dan, plat luar mempunyai banyak lubang
150 dengan diameter : 1 cm (setinggi 25 cm);
4. bahan pipa tembaga dengan diameter : 0,953 cm = 3/8 inch;
5. pipa bersirip dengan jumlah sirip :16 dan panjang sirip 25 cm;
6. sirip dari pipa tembaga dengan diameter : 0,953 cm.
1.4 MANFAAT
Manfaat dari penelitian ini adalah :
1. memperdalam pengetahuan tentang spesifikasi pembuatan pemanas air;
2. sebagai referensi ke depan bagi para mahasiswa dan masyarakat umum yang
akan membuat pemanas air;
3. dapat bermanfaat dan dipergunakan oleh kalangan masyarakat luas terutama
untuk para pengusaha di bidangpemanas air;
4. dapat memperoleh air panas dengan mudah dan dengan jumlah yang banyak;
5. sebagai kreatifitas mahasiswa untuk berkreasi menciptakan variasi-variasi
dalam pembuatan pemanas air.
6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 DASAR TEORI
2.1.1 Saluran Air
Untuk merancang pipa saluran air, ada beberapa pertimbangan yang harus
di perhatikan, antara lain hambatan pipa saluran air diusahakan kecil dan
hambatan air ketika air mengalir di dalam saluran pipa diusahakan kecil. Maka
dari itu dalam pembuatan pipa saluran air diusahakan tidak mengalami
pembelokan.Kalau terpaksa ada pembelokan, sudut pembelokan pipa diusahakan
besar, (misalnya lebih besar dari 90o), pembelokan pipa diusahakan terjadi secara
halus (misalnya pembelokan pipa dibuat melengkung dengan radius tertentu, atau
dibuat melingkar-lingkar). Hal ini dimaksudkan supaya daya pompa yang
diperlukan untuk mendorong air kecil dan gesekan yang terjadi antara fluida dan
pipa semakin kecil.Kehalusan permukaan saluran pipa bagian dalam juga dipilih
yang baik.Semakin halus permukaan pipa bagian dalam, semakin kecil gesekan
yang terjadi atau semakin kecil daya pompa yang dibutuhkan.
Ada berbagai macam faktor yang mempengaruhi hilangnya energi di
dalam pipa. Jenis-jenis sambungan ikut mempengaruhi hilangnya energi pada
pipa. Dengan adanya sambungan dapat menghambat aliran normal dan
menyebabkan gesekan tambahan. Pada pipa yang pendek dan mempunyai banyak
sambungan, fluida yang mengalir didalamnya akan mengalami banyak kehilangan
energi. Selain sambungan, belokan ikut mempengaruhi kehilangan energi dalam
7
pipa. Energi yang hilang dalam pipa ini tidak akan kembali melainkan diubah
dalam bentuk panas.
Temperatur air yang tinggi berpotensi merusak beberapa jenis material.
Untuk instalasi pipa air panas sebaiknya menggunakan material yang tahan
terhadap panas dan tekanan tinggi, juga bahan pipa dipilih yang baik dalam
memindahkan kalor. Pemilihan pipa yang paling baik untuk instalasi air panas
adalah menggunakan pipa tembaga.
2.1.2 Sirip
Besarnya laju perpindahan kalor benda tidak bersirip dengan benda
bersirip berbeda. Pada umumnya, sirip dipasang berfungsi untuk memperluas
permukaan dari benda, sehingga laju perpindahan kalor konveksinya menjadi
besar. Tetapi seberapa besar pengaruh sirip itu di pasang terhadap laju
perpindahan kalornya di bandingkan jika tidak di pasang sirip.Yang diinginkan
tentunya pengaruh sirip sangat besar terhadap laju perpindahan kalornya agar
tidak dirugikan dengan biaya untuk membuat sirip.
Apabila sirip dipasang di pipa saluran air yang akan dipanaskan, maka
sirip akan dapat membantu pipa saluran air di dalam menangkap kalor yang
diberikan oleh nyala api dari kompor gas LPG. Semakin luas sirip atau semakin
banyak sirip yang akan dipasang di pipa saluran air, maka akan semakin besar
juga kalor yang akan dipindahkan ke air. Dengan demikian pemasangan sirip pada
pipa saluran air akan sangat berpengaruh terhadap suhu air keluar pemanas air.
Pemilihan bahan sirip juga sangat berpengaruh terhadap besarnya kalor yang
dapat diterima.Penggunaan sirip menggunakan bahan tembaga di pilih karena
8
nilai konduktifitas bahan tembaga sangat bagus unuk menghantarkan laju
perpindahan kalor.
Gambar 2.1 Grafik Efisiensi Sirip Siku Empat dan Segitiga (sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor)
Gambar 2.2 Grafik Efisiensi Sirip Siku Empat ( sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor)
2.1.3 Bahan Bakar
Bahan bakar adalah suatu materi apapun yang bisa diubah menjadi
energi.Biasanya bahan bakar mengandung energi panas yang dapat dilepaskan dan
dimanipulasi. Kebanyakan bahan bakar digunakan manusia melalui proses
9
pembakaran (reaksi redoks) dimana bahan bakar tersebut akan melepaskan panas
setelah direaksikan dengan oksigen di udara. Bahan bakar gas ada dua jenis, yakni
Compressed Natural Gas (CNG) dan Liquid Petroleum Gas (LPG). CNG pada
dasarnya terdiri dari metana sedangkan LPG adalah campuran dari propana,
butana dan bahan kimia lainnya. LPG yang digunakan untuk kompor rumah
tangga, sama bahannya dengan bahan bakar gas yang biasa digunakan untuk
sebagian kendaraan bermotor.
LPG merupakan bahan bakar berupa gas yang dicairkan (Liquified
Petroleum Gasses) merupakan produk minyak bumi yang diperoleh dari proses
distilasi bertekanan tinggi. Fraksi yang digunakan sebagai umpan dapat berasal
dari beberapa sumber yaitu dari gas alam maupun gas hasil dari pengolahan
minyak bumi (Light End). Komponen utama LPG terdiri dari Hidrokarbon ringan
berupa Propana (C3H8) dan Butana (C4H10), serta sejumlah kecil Etana (C2H6,)
dan Pentana (C5H12).LPG digunakan sebagai bahan bakar untuk rumah tangga dan
industri.LPG terutama digunakan oleh masyarakat tingkat menengah keatas yang
kebutuhannya semakin meningkat dari tahun ketahun karena termasuk bahan
bakar yang ramah lingkungan. Sebagai bahan bakar untuk keperluan rumah
tangga, LPG harus memenuhi beberapa persyaratan khusus dengan tujuan agar
aman dipakai dalam arti tidak membahayakan bagi si pemakai dan tidak merusak
peralatan yang digunakan serta efisien dalam pemakaiannya. Oleh sebab itu untuk
menjaga faktor keselamatan, LPG dimasukan ke dalam tabung yang tahan
terhadap tekanan yang terbuat dari besi baja dan dilengkapi dengan suatu pengatur
tekanan.
10
Di samping itu untuk mendeteksi terjadinya kebocoran LPG, maka LPG
sebelum dipasarkan terlebih dahulu ditambahkan zat pembau (odor) sehingga
apabila terjadi kebocoran segera dapat diketahui. Pembau yang ditambahkan harus
melarut sempurna dalam LPG, tidak boleh mengendap. Untuk maksud itu
digunakan etil merkaptan (C2H5SH) atau butil merkaptan (C4H9SH), sedangkan
dibidang industri produk elpiji digunakan sebagai pengganti freon, aerosol,
refrigerant atau cooling agent, kosmetik dan dapat pula digunakan sebagai bahan
baku produk khusus.
Jenis LPG sesuai dengan penggunaannya sebagai bahan bakar elpiji
dibedakan atas:
1. LPG Mix
Adalah campuran propane dan butana dengan komposisi antara
70-80% dan 20-30% volume dan diberi odorant (Mercaptant) dan umumnya
digunakan untuk bahan bakar rumah tangga
2. LPG propane dan Elpiji butana.
Adalah elpiji yang masing-masing mengandung propane 95 % dan
butana 97,5 % volume dan diberi odorant (mercaptant), umumnya digunakan
untuk keperluan industri.
Persyaratan LPG, syarat-syarat utama dalam pemakaian LPG adalah harus
dipenuhinya:
1. Syarat Pembakaran
Pada saat digunakan sebagai bahan bakar untuk kompor LPG harus
memberi warna api kompor yang biru dan tidak memberi asap. Agar api
11
kompor berwarna biru, maka komposisi campuran propana dan butana harus
minimum 97,5%. Sebaliknya jika LPG mengandung fraksi C5+(C6 heavier)
lebih dari maksimumnya yaitu 2,0% maka nyala api kompor agak
kemerahmerahan. Jadi agar syarat pembakaran menjadi baik maka komposisi
C2 harus maksimum 0,2% vol, C3 dan C4 minimum 97,5% vol serta
kandungan C5+(C6 heavier) maksimum 2,0% vol.
2. Syarat Penguapan
Kemampuan menguap adalah sifat penting dalam penggunaan, LPG
harus cukup mudah menguap agar mudah dinyalakan diwaktu dingin. Seperti
diketahui saat dalam tabung gas LPG adalah berbentuk cair, namun saat
dipakai dalam kompor (pada tekanan atmosfer) dengan cepat LPG berubah
menjadi gas.Untuk memenuhi persyaratan penguapan maka Tekanan Uap
LPG tidak boleh lebih dari 120 psig.
3. Syarat Keselamatan
Dalam pemakaiannya sebagai bahan bakar rumah tangga, jika terjadi
kebocoran maka LPG harus cepat dapat dideteksi dengan diberi bau yang
khas, agar baunya cepat dikenali saat terjadi kebocoran maka pada LPG
diberi campuran Ethyl atau Buthyl mercaptan sebanyak 50/100 AG.
Saat masih di pabrik, jika terjadi kebocoran LPG di malam hari akan
sangat berbahaya, karena Spesific Grafity LPG sama dengan atau lebih besar
dari SG udara, maka LPG akan terdistribusi merata di atas tanah pada malam
hari. Untuk menjaga agar cairan LPG tidak merusak tabung gas dalam
penyimpanan atau merusak kompor dalam penggunaannya dengan terjadinya
12
proses pengkaratan maka harus ada persyaratan pemeriksaan Copper strip
pada 100oF selama 1 jam dengan nilai maksimum.
4. Syarat Kebersihan
Syarat kebersihan secara umum adalah dibatasinya kandungan air dan
kandungan belerang, dimaksudkan agar pada penggunaannya LPG tidak
memberikan kotoran sama sekali. Sifat LPG, perlu diketahui, gas LPG
bersifat flammable (mudah terbakar). Dalam batas flammabality, LPG adalah
sumber api yang terbuka sehingga letupan (percikan api) yang sekecil apapun
dapat segera menyambar gas LPG.
Maka untuk menjaga keamanan pastikan bahwa bau gas LPG telah hilang
sama sekali dari dalam rumah, walaupun membutuhkan waktu yang agak lama.
Hal ini karena sifat gas LPG yang sangat lamban berputar di udara. Sebagai bahan
bakar, gas LPG mudah terbakar apabila terjadi persenyawaan di udara oleh karena
itu kita perlu tau beberapa sifat-sifatnya.
Untuk mencegah hal-hal yang tidak diinginkan, maka perlu diketahui
beberapa sifat khususnya antara lain :
1. Tekanan gas LPG cukup besar, sehingga bila terjadi kebocoran LPG akan
membentuk gas secara cepat, memuai dan sangat mudah terbakar.
2. LPG menghambur di udara secara perlahan sehingga sukar mengetahuinya
secara dini.
3. Berat jenis LPG lebih besar dari pada udara sehingga cenderung bergerak ke
bawah.
4. LPG tidak mengandung racun.
13
5. Daya pemanasannya cukup tinggi, namun tidak meninggalkan debu dan abu
(sisa pembakaran).
6. Cara penggunaannya cukup mudah dan praktis.
Tabel 2.1 Daya Pemanasan dan Efisiensi Alat Masak
dengan Gas LPG dan Bahan Bakar Lainnya
Bahan Bakar Energi Persatuan Massa 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%
Listrik 860 kkal/kWh 60%
L P G 11900 kkal/kg 60%
Listrik 860 kkal/kwh 60%
(Sumber: http://aptogaz.files.wordpress.com/2007/07/peranan-lpg-di-dapur-anda.pdf )
2.1.4 Kebutuhan Udara
Pembakaran (combustion) didefinisikan sebagai reaksi kimia yang cepat
pada temperatur tinggi antara oksigen dengan unsur-unsur bahan bakar yang dapat
terbakar. Tujuan utama dari pembakaran adalah untuk melepaskan semua energi
dalam bahan bakar, dengan seminimal mungkin terjadi kehilangan yang
disebabkan oleh pembakaran yang tidak sempurna dan udara lebih.
Syarat kondisi agar terjadi penyalaan (pembakaran yang baik) dikenal
dengan rule of thunb ”3 T”, yaitu:
1. Temperature. Temperatur yang digunakan harus cukup tinggi sehingga dapat
menyebabkan terjadinya reaksi kimia atau pirolisis.
14
2. Turbulence (Turbulensi). Turbulensi harus cukup tinggi sehingga terjadi
pencampuran yang baik antara bahan bakar dengan pengoksidasi dan panas
dapat ditransfer dari media yang telah bereaksi ke media yang belum
bereaksi.
3. Time (Waktu). Waktu harus cukup agar input panas dapat terserap oleh
reaktan sehingga berlangsung proses termokimia.
Tiga unsur bahan bakar yang dapat terbakar dalam bahan bakar fosil ialah
karbon, hidrogen, dan sulfur. Sulfur memiliki signifikasi yang kecil sebagai
sumber panas, namun berkontribusi besar terhadap masalah korosi dan
pencemaran. Udara merupakan sumber oksigen bagi pembakaran yang terdiri dari
oksigen, nitrogen, karbon dioksida, argon, dan lain-lain. Komposisi udara dapat
dilihat pada tabel di bawah ini.
Tabel 2.2 Komposisi Udara dalam Keadaan Normal
No Komposisi Udara Prosentasi (%)
1 Nitrogen 78,1
2 Oksigen 20,93
3 Karbon dioksida 0,03
4 Gas lain 0,94
(Sumber: http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/16641/4/Chapter%20I.pdf )
Reaksi pada proses pembakaran berlangsung pada fase gas, kecuali pada
pembakara arang (karbon) yang berlangsung pada fase padat. Produk-produk
pembakaran dihasilkan dari reaksi unsur-unsur yang terdapat pada bahan bakar
dengan oksigen. Unsur-unsur yang terdapat dalam bahan bakar meliputi karbon
(C), hidrogen (H), nitrogen (N), dan sulfur (S). Unsur karbon akan bereaksi
15
dengan oksigen menghasilkan CO2 jika reaksinya merupakan pembakaran
sempurna, dan CO jika pembakarannya tidak sempurna. Unsur hidrogen bereaksi
menghasilkan air (H2O) dan sulfur menghasilkan SO2.
Udara teoritis (stoikiometris) adalah udara minimum yang dibutuhkan
untuk pembakaran sempurna.Dalam prakteknya, kebutuhan udara pembakaran
selalu lebih besar dari kebutuhan udara teoritis, dan disebut sebagai udara berlebih
(excess air). Besarnya jumlah udara yang harus dusuplai ke dalam proses
pembakaran terutama dipengaruhi oleh jenis bahan bakar.
Dengan demikian aliran udara yang diperlukan untuk proses pembakaran
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.
2.1.5 Saluran Gas Buang
Pencampuran udara dan bahan bakar bereaksi dalam proses pembakaran
menghasilkan panas dan gas buang. Gas buang yang dihasilkan berupa gas dan
uap air yang keluar. Kemudian gas buang atau gas asap harus diberikan jalan
16
untuk keluar dari pemanas air supaya nyala api tidak terganggu. Untuk itu dalam
perancangan dan pembuatan saluran gas buang, diusahakan sedemikian
rupa.Perancangan saluran gas buang ternyata juga menentukan nyala api
pembakaran yang dihasilkan.
Jika saluran gas tidak terancang dengan baik, misalnya gas buang tidak
dapat keluar atau terhambat, maka tekanan gas buang yang dihasilkan akan dapat
menyebabkan api terdorong keluar dari ruang bakar, akibatnya untuk masalah
yang di timbulkan adalah api tidak bisa berfungsi dengan baik dan tidak bisa
maksimal untuk memanaskan air.
2.1.6 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, tersaji pada Gambar 2.3,
Gambar 2.4, Gambar 2.5.
17
Gambar 2.3 Kompor Quantum
Gambar 2.4 Kompor Gas Tungku Besar
Gambar 2.5 Kompor Gas dengan Regulator
18
2.1.7 Isolator
Isolator adalah bahan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Hampir
seluruh bahan non logam adalah isolator.Contoh isolator adalah asbes, kayu
kering, gelas, plastik, karet, udara dan lain-lain. Isolator sangat didibutuhkan
supaya kalor dari hasil pembakaran bahan bakar tidak banyak yang keluar dari
pemanas air.
Oleh karena itu tabung dalam, dimana ruangan di dalam tabung dalam
digunakan untuk proses pembakaran, untuk itu sebaiknya permukaan sebelah luar
dari tabung dalam diberi isolasi agar kalor hasil pembakaran tidak keluar. Ada
berbagai macam isolasi, di antaranya adalah udara salah satu isolator panas yang
sangat mudah didapat.
Apabila mempergunakan udara sebagai isolator, maka pemasukan udara
untuk kebutuhan pembakaran dapat melalui lubang-lubang yang dibuat di dinding
tabung dalam.
Tabel 2.3 Konduktifitas Termal Beberapa Media
Media Konduktivitas Termal (k)
W/m.ºC
Gabus 0,042
Wol 0,040
Kayu 0,08-0,016
Bata 0,84
Busa 0,024
Udara 0,023
(Sumber: http://www.scribd.com/doc/61109210/BAB-II-Termal )
19
2.1.8 Laju Aliran Kalor
Laju aliran kalor yang diterima air ketika mengalir di dalam saluran pipa
dapat dihitung dengan persamaan :
Gambar 2.6 Laju aliran kalor
qair maircair Ti To .............................................................. (2.1)
.d2
mair = ( ) um ............................................................................. (2.2)
4
Pada persamaan (2.1) dan (2.2) :
qair : laju aliran kalor yang diterima air, watt
mair : laju aliran massa air, kg/detik
cair : kalor jenis air, J/kgoC
Ti : suhu air masuk water heater, oC
To : suhu air keluar water heater, oC
um : kecepatan rata-rata fluida mengalir, m /s
: massa jenis fluida yang mengalir, kg/m3
d : diameter saluran, m
2.1.9 Laju aliran kalor yang diberikan gas
Kalor yang diberikan gas dapat dihitung dengan persamaan.
q air
m air c air Air keluar
ρ d U m
Air Masuk
T 1 T 0
d
20
gasq = gasgascm ......................................................................................... (2.3)
Pada persamaan (2.3) :
gasm = masa gas elpiji yang terpakai persatuan waktu (kg/s)
gasc = 11,900 kkal/kg, nilai kalor jenis elpiji (J/kg), (1kkal = 4186,6 J),
tersaji pada Tabel 2.1
2.1.10 Efisiensi
Efisiensi water heater dapat dihitung dengan persaman :
%100xq
q
gas
air ...................................................................................... (2.4)
Pada persamaan (2.4) :
: Efisiensi water heater (%)
airq : Laju aliran kalor yang diterima air, watt
gasq : Laju aliran kalor yang diberikan gas, watt
2.2 REFERENSI
Pemanas air telah menjadi sebuah kebutuhan penting seiring dengan gaya
hidup masyarakat masa kini yang modern. Tidak dapat di pungkiri pula dengan
adanya perkembangan jaman dan teknologi pemanas air semakin memudahkan
anda dalam memperoleh air panas untuk berbagai kebutuhan rumah tangga yang
semakin tahun semakin banyak permasalahan dalam kehidupan sehari- hari.
Pemanas air yang ditawarkan dipasaran bermacam-macam misalnya, dari
model bentuk, kapasitas air yang mengalir, dan juga sumber bahan bakar yang
dipergunakan. Sumber bahan bakar yang dipergunakan dalam pemanas air
antaralain, LPG, energi listrik, energi matahari, biogas, dan masih banyak lagi.
Untuk kapasitas debit air per menit juga bervariasi, rata-rata pemanas air yang
21
dijual di pasaran berkapasitas 5-8 liter per menit, biasanya dipergunakan dalam
rumah tangga, sedangkan untuk kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan
dihotel dan rumah sakit. Referensi untuk pembanding pembuatan pemanas air
bahan bakar gas LPG adalah pemanas air merk Modena GI-6, pemanas air
Wasser, dan pemanas air.
Rinnai yang karakteristiknya adalah sebagai berikut.
1. Gas Water Heater Modena GI-6
Gambar 2.7Water heater Modena GI-6
Nama Produk : Modena
Negara Pembuat : Italia
Spesifikasi
Model : GI-6
Warna : Putih (GI-6), Inox (GI-6S)
Kapasitas Maksimum : 6 L / menit
Dimensi Luar : 740 mm x 430 mm x 248 mm
Tipe Gas : NG LPG
Temperatur Maksimum : 65°C
(Sumber: http://www.modena.co.id/detail-2-26-344.php )
22
2. Gas Water Heater Wasser
Gambar 2.8 Gas Water Heater Wasser
Kode : PR 222
Nama : Water Heater Low Pressure
Merk : Wasser
Tipe : WH 50 6A-LPG
Spesifikasi Produk
Sistem Pemanas : Gas LPG
Kapasitas : 5 Liter
Tekanan Air : 0,2 / cm2
Debit : 5 Liter / menit
Komsumsi Gas : 0,46 kg / jam
Fitur : Auto cut off, sistem pengaman yang menutup aliran
gas secara otomatis bila api padam, pengaman
pembatas panas air yang berlebihan, pengaman
tekanan air masuk yang berlebihan, pengaman disaat
air tidak mengalir, penyaring air masuk ke unit,
pemantik api dengan baterai, lampu indikasi baterai,
Gas stabilizer.
(Sumber: http://www.ecvv.com/product/1974688.html )
23
3. Water Heater Rinnai
Gambar 2.9 Gas Water Heater Rinnai REU-55RTB
Nama Produk : Rinnai
Negara Pembuat : Japan
Spesifikasi
Gas Input : 0,5 kg / jam
Model : REU-55RTB
Dimensi Luar : 369 mm x 290 mm x 138 mm
Kapasitas Maksimum : 6 Liter / menit
Temperatur Maksimum : ± 50°C
Tipe Gas “ LPG
(Sumber: http://www.rinnai.co.id/product-rinnai/hot-water-solution/instant-gas-
water-heater )
24
BAB III
RANCANGAN WATER HEATER
3.1 RANCANGAN WATER HEATER
Gambar rancangan pemanas air dengan menggunakan bahan seng dan pipa
tembaga. Disajikan pada Gambar 3.1 sampai Gambar 3.7. Gambar 3.1
memperlihatkan rancangan pemanas air, Gambar 3.2 memberikan informasi
tentang lengkungan pipa dan diameternya, Gambar 3.3 memperlihatkan
lengkungan pipa dan sirip tembaga yang sudah terpasang, Gambar 3.4
memperlihatkan tinggi lengkungan pipa dan sirip, Gambar 3.5 memberikan
informasi tentang penutup bagian atas, Gambar 3.6 memperlihatkan pemanas air
tampak dari bawah dan Gambar 3.7 memperlihatkan tinggi pemanas air.
Gambar 3.1 Rancangan Pemanas Air
25
Gambar 3.2 Lengkungan Pipa
Gambar 3.3 Lengkungan dan Sirip Pemanas Air
26
Gambar 3.4 Sirip pemanas air
Gambar 3.5 Penutup pemanas air
27
Gambar 3.6 Pemanas air tampak dari bawah
Gambar 3.7 Pemanas air tampak dari luar
28
Pemanas air gas, prinsip kerjanya hampir sama bila kita sedang memasak
air dengan menggunakan kompor gas. Hanya saja air tidak ditempatkan kedalam
panci atau ceret, tetapi air dilalukan kedalam pipa pipa tembaga yang meliukliuk
dengan di tambahkan sirip-sirip (seperti radiator atau condensor), kemudian
dibagian bawah nya di bakar dengan menggunakan gas LPG. Perpindahan kalor
atau panas akan di serap oleh sirip-sirip dan pipa yang telah berisi air.
Pemilihan bahan tembaga sebagai sirip dan pipa tembaga sebagai media
untuk aliran air berdasarkan nilai konduktor termal bahan (koefisien perpindahan
kalor konduksi) yaitu tembaga murni memiliki harga k = 386 W/m°C dan nilai
ekonominya. Sebenarnya masih banyak bahan yang memiliki nilai konduktor
termal lebih tinggi dibandingkan tembaga seperti emas dan perak.Akan tetapi jika
dilihat dari segi ekonomi, tembaga lebih murah dibandingkan emas dan perak.
Mekanisme perpindahan kalor yang terjadi pada pemanas air yaitu
perpindahan kalor secara konduksi dan perpindahan kalor konveksi. Proses
perpindahan kalor konveksi terjadi pada saat nyala api menyentuh sirip-sirip
tembaga, kemudian, dari sirip-sirip tembaga panas yang diterima mengalir menuju
pipa tembaga, proses ini disebut perpindahan kalor secara konduksi dan
perpindahan panas secara konveksi terjadi dari pipa tembaga ke air yang mengalir.
3.2 PEMBUATAN WATER HEATER
3.2.1 Bahan Water Heater
1. Pipa tembaga dengan diameter 0,9525 cm sebagai saluran air.
2. Kawat besi sebagai pengikat sirip tembaga.
29
3. Seng sebagai body pemanas air.
4. Sirip dibuat dari pipa tembaga diameter 0,9525 cm, panjang 25 cm.
3.2.2 Sarana dan Alat-alat yang Digunakan
Sarana dan alat-alat yang digunakan untuk proses pembuatan pemanas air
ini adalah:
1. Mesin bor, digunakan untuk membuat lubang saluran udara yang berada di
sisi luar tabung dan sisi dalam tabung.
2. Alat penekuk plat, digunakan untuk menekuk lempengan seng.
3. Palu, digunakan saat membuat lubang saluran udara dibagian tabung dalam.
4. Gunting plat, digunakan untuk memotong seng.
5. Tang, digunakan saat memasang sirip pipa tembaga dengan lengkungan pipa
tembaga.
6. Obeng (- , +), untuk mengencangkan selang yang dipasang di saluran masuk
dan keluar.
7. Penggaris, digunakan saat menggaris agar lebih mudah saat memotong seng.
8. Paku, digunakan untuk membuat garis pemotongan plat.
9. Kawat besi, mengikat atau menyambungkan pipa tembaga dengan
lengkungan pipa.
10. Jangka, untuk membuat lingkaran pada seng sebelum dipotong.
11. Alat pembengkok, untuk membengkokkan pipa.
12. Alat pemotong, digunakan dalam pembuatan sirip untuk memotong pipa
tembaga.
30
3.2.3 Langkah-langkah Pengerjaan
3.2.3.1 Persiapan
Sebelum memulai pembuatan pemanas air, terlebih dahulu harus
melakukan persiapan yaitu sebagai berikut.
a. Menyiapkan rancangan pemanas air
Dalam merancang pembuatan desain pemanas air dapat dilakukan dengan
menggambar instalasi tersebut dengan gambar tangan atau menggunakan
software-software yang mendukung.
b. Menyiapkan alat-alat dan bahan
Setelah rancangan pemanas air sudah selesai maka, kita dapat menentukan
bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan pemanas air lalu kemudian,
membelinya.
c. Menyiapkan keperluan lainnya
Membeli alat-alat lainnya selain alat yang digunakan untuk membuat
pemanas air dan meminta izin atas peminjaman alat di laboratorium.
3.2.3.2 Pengerjaan
Dalam pelaksanaan pembuatan pemanas air banyak hal-hal yang harus
dilakukan seperti berikut ini.
a. Melengkungkan pipa
Dalam membengkokkan pipa tembaga agar dapat berbentuk spiral maka
harus digunakan mesin roll atau alat pembengkok (manual) untuk
membengkokkannya. Jika dalam proses membengkokkan pipa tembaga secara
manual maka hasil yang diperoleh kadang tidak sesuai dengan apa yang kita
inginkan dan kemungkinan pipa tersebut bisa rusak bahkan patah.
31
Gambar 3.8 Alat Pembengkok dan Pemotong Pipa
Gambar 3.9 Lengkungan Pipa dan Sirip
32
b. Memotong pipa tembaga
Memotong pipa tembaga sesuai dengan ukuran yang telah dirancang
sebelumnya.
Gambar 3.10 Pipa Tembaga Sebelum Dipotong
Gambar 3.11 Pemotongan Pipa Tembaga Untuk Sirip
33
Gambar 3.12 Pipa Tembaga Setelah Dipotong
Gambar 3.13 Pipa Tembaga Setelah Dipotong dan Diluruskan
34
c. Membuat tabung
Bahan yang digunakan dalam pembuatan tabung adalah seng.
Gambar 3.14 Proses Pembuatan Lubang dan Tabung Luar
Gambar 3.15 Tabung Luar Sebelum Dibentuk
35
Gambar 3.16 Tabung Bagian Luar.
d. Membuat tabung bagian dalam
Plat yang digunakan sebagai penutup bagian dalam adalah seng. Tabung bagian
dalam ini berfungsi sebagai isolator agar panas yang dihasilkan itu tidak hilang
ke samping.
Gambar 3.17 Tabung Bagian Dalam Sebelum Dibentuk
36
Gambar 3.18 Tabung Bagian Dalam
e. Membuat penutup bagian luar bagian atas
Bahan yang digunakan untuk membuat penutup bagian atas masih sama
yaitu menggunakan seng. Fungsi dari penutup atas ini adalah sebagai penutup saja
dan apabila nanti jika dalam percobaan suhu yang dihasilkan tidak sesuai dengan
apa yang di inginkan maka penutup bagian atas ini dapat dilepas agar suhu naik.
Gambar 3.19 Proses Membentuk Penutup Dalam Tabung Atas
37
Gambar 3.20 Penutup Bagian Dalam Tabung
Gambar 3.21 Proses Membentuk Penutup Tabung Bagian Atas
38
Gambar 3.22 Penutup Bagian Atas.
f. Membuat saluran udara
Dalam proses pembakaran sangat diperlukan oksigen, oleh karena itu
maka dibuatlah lubang saluran udara, agar kalor yang dihasilkan bisa lebih
maksimal. Selain itu, lubang ini juga berfungsi sebagai saluran gas buang.
Gambar 3.23 Lubang Saluran Udara Dilihat dari Dalam
39
Gambar 3.24 Lubang Saluran Udara
g. Pemasangan kompor
Sumber api dapat diambil dari kompor. Ada berbagai macam kompor
dengan bentuk geometri kompor yang berbeda. Ada kompor yang mampu
memberikan api yang besar tetap ada pula yang hanya mampu memberikan api
yang kecil. Pada pemasangan kompor ini, hanya proses penginstalan kompor dan
tungkunya saja yang disesuaikan. Sehingga bentuk dari kompor tidak banyak
mengalami perubahan hanya bagian belakang kompor dipotong untuk mengurangi
ukuran atau besar dari kompor.
40
3.3 HASIL PEMBUATAN
Gambar 3.19 memberikan informasi tentang pemanas air yang sudah
disatukan.
Gambar 3.25 Pemanas Air
3.3.1. Kesulitan dalam pengerjaan
1. Pembentukan pipa spiral, dimana kami mengalami kesulitan pada saat
melengkungkan pipa agar berbentuk spiral.
2. Pembuatan tabung seng dimana penyambungan seng ini harus dipatri.
3. Pembuatan penutup tabung saat proses pembengkokan seng.
41
BAB IV
METODOLOGI PENELITIAN
4.1 SKEMATIS PENGUJIAN
Skematis pengujian pada pemanas air telah tergambar dan dijelaskan pada
Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Skema Rangkaian Alat
Untuk mengalirkan air menuju alat pemanas air diperlukan adanya air dan
kran.Kran digunakan sebagai pengatur jumlah debit air yang digunakan untuk
mengaliri pemanas air.LPG digunakan sebagai bahan bakar kompor untuk
memanasi air yang mengalir di dalam pemanas air. Untuk mengukur suhu air
masuk ( input ) dan suhu air keluar menggunakan termokopel digital.
42
4.2 VARIASI PENELITIAN
Variasi dilakukan dalam pengambilan data, yaitu dengan cara pengambilan
debit air dilakukan berubah-ubah.
4.3 PERALATAN PENGUJIAN
Alat-alat yang digunakan adalah sebagai berikut.
1. Kompor dan gas LPG, sebagai pengatur debit gas sekaligus menjadi
penyuplai kalor.
2. Thermokopel, sebagai alat pengukur suhu fluida yang keluar.
3. Kran, sebagai pengatur debit air.
4. Stopwatch, sebagai penunjuk waktu.
5. Gelas ukur, sebagai tempat penampung fluida dan juga pengukur banyaknya
air permenit.
6. Selang air, sebagai penyambung dari kran ke pipa tembaga masuk pemanas
air.
7. Mur dan baut atau kawat, sebagai pegunci.
8. Selang karet, sebagai penyambung dari gas ke kompor.
9. Kalkulator dan alat tulis, digunakan untuk menulis dan mengolah data.
10. Penyangga, sebagai tumpuan pemanas air.
11. Obeng (- , +), untuk mengencangkan selang yang dipasang di saluran masuk
dan keluar.
12. Tang, digunakan untuk memasang kawat bendrat pada selang saluran air
keluar pada kran.
43
Gambar 4.2 Tabung Gas
Gambar 4.3 Termokopel, Kalkulator, Alat Tulis dan Kompor
Gambar 4.4 Gelas Ukur
44
4.4 CARA MEMPEROLEH DATA
Data debit air diperoleh dengan cara mengukur debit air yang mengalir
mempergunakan gelas ukur dan stopwatch. Banyaknya air yang mengalir setiap
menit dicatat setiap ada perubahan debit. Untuk pengukuran suhu air dilakukan
dengan cara memasang termokopel pada sisi keluar pemanas air Suhu air dicatat
setiap ada perubahan debit air.
4.5 CARA MENGOLAH DATA
Dengan data-data yang diperoleh, maka data dapat diolah. Data-data hasil
pengolahan kemudian dipergunakan untuk mengetahui.
1. Hubungan antara debit air dengan suhu air keluar dari pemanas air.
2. Hubungan antara debit air dengan laju aliran keluar pemanas air.
Perhitungan laju aliran kalor dilakukan dengan mempergunakan
persamaan (2.1). Untuk memudahkan mendapatkan kesimpulan data-data
disajikan dalam bentuk grafik.
4.6 CARA MENYIMPULKAN
Dengan hasil data-data yang telah diperoleh, maka data tersebut dapat
diolah. Data-data kemudian disajikan dalam bentuk grafik untuk memudahkan
analisis nya. Pembuatan grafik dan untuk menyimpulkan persamaan hubungan
antara debit air dengan suhu air dari pemanas air dapat dilakukan dengan
mempergunakan fasilitas dari Microsoft Office Excel.
45
BAB V
KARAKTERISTIK WATER HEATER
5.1 HASIL PENGUJIAN
Hasil pengujian pemanas air, yang meliputi: debit air, suhu air masuk Ti,
suhu air keluar To disajikan pada Tabel 5.1. Pengujian dilakukan pada kondisi
tekanan udara luar.Aliran gas pada kompor gas diposisikan pada posisi
maksimum.Air yang dipergunakan, adalah air kran.
Tabel 5.1 Hasil Pengujian Pemanas Air
No Debit air, Q
( liter/menit )
Suhu air masuk T
(°C)
Suhu air keluar T
(°C)
ΔT
(°C)
1 12 28,1 34,8 6,7
2 11,16 28,1 35,2 7,1
3 9,72 28,1 36,5 8,4
4 9,06 28,1 37,1 9
5 8,04 28,1 39,8 11,7
6 7,2 28,1 43,4 15,3
7 6,3 28,1 45,1 17
8 5,46 28,1 56,8 28,7
9 4,26 28,1 67,1 39
10 3,48 28,1 70,1 42
11 1,56 28,1 80,3 52,2
5.2 PERHITUNGAN
Perhitungan kecepatan air rata rata um, laju aliran massa air m dan laju
aliran kalor q yang diserap air dilakukan dengan mempergunakan data data seperti
tersaji pada Tabel 5.1. Data lain yang dipergunakan adalah:
Jari jari pipa saluran (r) : 0,004765 m
46
Massa jenis air (ρ) : 1000 kg/m3
Kalor jenis air (cp) : 4186,6 J/(kgoC)
Debit gas (mgas) : 1,05 kg/60 menit
5.2.1 Perhitungan Kecepatan air rata rata um
Perhitungan kecepatan air rata rata um yang mengalir di dalam saluran pipa
air mempergunakan persamaan :
smr
Q
pipapenampangluas
airdebitum /
2
........................................................ (5.1)
Sebagai contoh perhitungan, dipilih debit air sebesar 12 liter/menit. (data lain
pada Tabel 5.1). Satuan debit air dijadikan dalam satuan m3/s.
sms
mx
menit
literQairdebit /0002,0
60
101212)( 3
33
................................. (5.2)
Kecepatan air rata rata um :
2r
Qum
.......................................................................................................... (5.3)
sm
mx
smum
/81,2
004765,014,3
/0002,022
3
Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.2.
5.2.2 Perhitungan laju aliran massa air, mair
Perhitungan laju aliran massa air m di dalam saluran pipa air
mempergunakan persamaan berikut :
airkecepapenampangluasjenismassamair tan
mur 2
.............................................................................................. (5.4)
47
Sebagai contoh perhitungan, diambil debit air sebesar 12 liter/menit. (data lain
pada Tabel 5.1)
skgxmair /81,2004765,014,31000 2
skg /2,0
Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.2.
5.2.3 Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air
Perhitungan laju aliran kalor yang diserap oleh air di dalam saluran pipa
mempergunakan persamaan:
airq wattTTairjeniskalormassalajualiran niout
wattTTcm inoutairair .
..........................................................................(5.5)
Sebagai contoh perhitungan, diambil debit air sebesar 12 liter/menit. (data lain
pada Tabel 5.1)
1,288,3441792,0 airq
watt86,5599
Catatan : 1 watt = J/s
5.2.4 Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas
Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan oleh gas di luar saluran pipa
mempergunakan persamaan :
gasq wattgasjeniskalordebitgas
...................................................................(5.6)
gasq )6,4186.11900)).(60.60/(05,1(
watt99,14530
48
5.2.5 Efisiensi
Perhitungan Efisiensi kompor gas dapat menggunakan persamaan :
%100xq
q
gas
air
……………...………………………………......…………….(5.7)
%10099,14530
86,5599x
%54,38
Hasil perhitungan lain untuk data yang lain secara lengkap disajikan pada
Tabel 5.2.
Tabel 5.2 Perhitungan airm dan airq
NO Um
(m/s)
mgas
(liter/s)
mair
(kg/detik)
qair
(watt)
qgas
(watt)
Efisiensi
(%)
1 2,81 0,0006 0,2 5599,86 14530,99 38,54
2 2,61 0,0006 0,186 5518,79 14530,99 37,98
3 2,27 0,0006 0,162 5686,78 14530,99 39,14
4 2,12 0,0006 0,151 5679,26 14530,99 39,08
5 1,88 0,0006 0,134 6551,84 14530,99 45,09
6 1,68 0,0006 0,12 7672,64 14530,99 52,80
7 1,47 0,0006 0,105 7459,52 14530,99 51,34
8 1,28 0,0006 0,091 10914,29 14530,99 75,11
9 1,00 0,0006 0,071 11571,65 14530,99 79,63
10 0,81 0,0006 0,058 10180,04 14530,99 70,06
11 0,36 0,0006 0,026 5671,74 14530,99 39,03
Dari Tabel 5.1 dan 5.2 Hubungan debit air dengan suhu air yang keluar
dapat di buat dan hasilnya disajikan pada Gambar 5.1. Hubungan antara debit air
dengan laju aliran kalor pemanas air dapat dibuat dan hasilnya disajikan dalam
49
bentuk grafik pada Gambar 5.2. Gambar 5.3 memberikan informasi tentang
hubungan efisiensi pemanas air dengan debit air.
Gambar 5.1 Hubungan Debit Air dengan Suhu Air Keluar
pada Suhu Air Input 28,1 °C
Gambar 5.2 Hubungan Debit Air dengan Laju Aliran Kalor
yang Diperlukan pada Suhu Air Input 28,1 °C
50
Gambar 5.3 Hubungan Debit Air dengan Efisiensi Water Heater
yang Diperlukan pada Suhu Air Input 28,1 °C
5.3 PEMBAHASAN
Dari Gambar 5.1, dapat diperoleh informasi bahwa debit air berpengaruh
terhadap suhu keluar dari pemanas air. Semakin besar debit air, suhu air yang
keluar semakin rendah. Hubungan tersebut dinyatakan dengan persamaan,
Tout = 0,439 Q2 – 10,76 Q + 99,73
Persamaan tersebut, berlaku untuk 1,56 liter/menit < Q <12 liter/menit pada
tekanan udara luar saat itu (sekitar 1 atm) dan pada suhu air masuk 28,1°C.
Hasil rancangan pemanas air yang telah dibuat dapat bersaing dengan
pemanas airyang berada di pasaran.Pemanas air yang dibuat mampu
menghasilkan suhu air keluar sebesar 43,4°C pada debit : 7,2 liter/menit.
Dipasaran pemanas air dengan debit 5 - 6 liter/menit, suhu air keluar dari pemanas
air berkisar antara 50 - 65°C.
Dari Gambar 5.2 nampak bahwa besarnya laju aliran kalor yang diterima
air bergantung pada debit air yang mengalir. Semakin besar debit air yang
51
mengalir, semakin besar laju aliran kalor yang diterima air (berlaku untuk debit <
4,26 liter/menit), tetapi setelah debit > 4,26 liter/menit, semakin besar debit air
yang mengalir laju aliran kalor yang diterima semakin rendah.
Dari Gambar 5.3 nampak bahwa besarnya efisiensi pemanas air
bergantung pada debit air yang mengalir. Hubungan antara efisiensi pemanas air
(dalam %) dengan debit air (mair dalam liter/menit), dapat dinyatakan dengan
persamaan :
Ƞ = 0,0597 Q2 – 1,6182 Q+ 39,373
Persamaan tersebut, berlaku untuk 1,56 liter/menit < Q < 12 liter/menit pada
tekanan udara luar saat itu (sekitar 1 atm) dan pada suhu air masuk 28,1°C.
Nilai efisiensi pemanas air berkisar antara : 37,98 – 79,63 %. Nilai
efisiensi terbesar sebesar : 79,63 %. Efisiensi pemanas air yang dibuat tidak dapat
mencapai 100 %. Hal ini disebabkan karena, adanya kalor hilang melalui radiasi,
ataupun terbawa gas buang.Gas buang memiliki suhu yang lebih tinggi daripada
udara luar ketika masuk pemanas air, juga adanya kalor yang terhisap oleh tabung,
sehingga suhu tabung lebih tinggi dari keadaan awal.
Untuk keperluan mandi pada umumnya suhu air yang di pergunakan
sebesar 38-39 °C (untuk orang dewasa). Jika mempergunakan pemanas airhasil
rancangan, maka debit yang dihasilkan alat pemanas air lebih besar dari 8,04
liter/menit.
52
BAB VI
KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 KESIMPULAN
Dari penelitian yang dilaksanakan, dapat diambil beberapa kesimpulan
sebagai berikut.
1. Pemanas air dapat dibuat dan mampu bersaing dengan pemanas air yang ada
di pasaran. Pada debit aliran: 7,2 liter/menit pemanas air mampu
menghasilkan suhu air keluar sebesar 43,4 °C.
2. Laju aliran kalor terbesar untuk penelitian pemanas air ini adalah 11571,65
watt pada debit air 4,26 liter/menit.
3. Suhu air terbesar yang dihasilkan dari penelitian pemanas air ini adalah
80,3°C, pada debit air 1,56 liter/menit. Pada tekanan udara luar (sekitar 1
atm) dan pada suhu air masuk 28,1°C.
4. Kalor yang diterima air dari pemanas air berkisar antara: 5518,79 – 11571,65
watt. Jumlah kalor terbesar sebesar : 11571,65 watt.
5. Kalor yang diberikan gas LPG sebesar : 14530,99 watt.
6. Efisiensi terbesar adalah 79,63 % pada debit air 4,26 liter/menit.
6.2 SARAN
Adapun beberapa saran yang dapat menjadikan pengembangan dan
perbaikan pembuatan pemanas air.
1. Diameter pipa dan panjang pipa dapat dibuat berbeda.
2. Bentuk sirip dan besarnya sirip dapat di ubah.
53
3. Besar lubang keluar gas buang dapat dibuat berbeda.
4. Banyaknya lubang luar dapat dibuat berbeda agar kebutuhan udara pada saat
proses pembakaran seimbang.
54
DAFTAR PUSTAKA
Holman, J.P, 1993, Perpindahan Kalor, Edisi Keenam, Erlangga: Jakarta.
Santoso, A.U,2003, Diktat Teknik Pembakaran, Fakultas Teknik Universitas
Sanata Dharma: Yogyakarta.
Anonim, www.aptogaz.files.wordpress.com/2007/07/peranan-lpg-di-dapur-
anda.pdf ) diakses pada tanggal 07 Februari 2013.
Anonim, http://www.tokowaterheater.com diakses pada tanggal 19 maret 2013
Anonim,
http://www.sinarelectric.com/WATER%20HEATER/Water%20Heater%2
0RINNAI%20REU-55.htm diakses pada tanggal 05 Maret 2013.
Anonim, http://teknindogas.wordpress.com/2010/05/25/kompor-gas-tungku-
besarrp-300-000/ diakses pada tanggal 06 april 2013.
Anonim, http://lpg-3kg.blogspot.com/ diakses pada tanggal 06 april 2013.
55
LAMPIRAN
A. Nilai Sifat-Sifat Logam (sumber: Holman. J.P. 1993.Perpindahan Kalor)
(sumber: Holman. J.P. 1993.Perpindahan Kalor)
56
B. Nilai Sifat-Sifat Logam (Lanjutan 1)
57
C. Nilai Sifat-Sifat Logam (Lanjutan 2)
58
D. Daftar Konduktifitas Termal Berbagai Bahan