PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT PLAGIATMERUPAKAN MERUPAKANTINDAKAN TINDAKANTIDAK TIDAKTERPUJI TERPUJI

AS AIR TE ENAGA GA AS LPG DE ENGAN VARIASI V PE EMBUKAA AN PEMANA SALU URAN GAS S BUANG

Skripsii Diiajukan untuuk memenuh hi salah satuu syarat Memperooleh gelar Sarjana S Teknnik Prograam Studi Teeknik Mesinn Jurrusan Teknik Mesin

Disusun olleh : C CHRISMAD DIKA N : 095214065 NIM

P PROGRAM M STUDI TEKNIK T M MESIN JURUS SAN TEKN NIK MESIN N FA AKULTAS SAINS DA AN TEKNO OLOGI U UNIVERSI ITAS SANA ATA DHARMA Y YOGYAKA ARTA 2014

i


ON OF OPE ENING AIR R EXHAUS ST WATER R HEATER R THE VARIATIO WITH LPG GAS S BURNING G Final Projject Ass Partial Fullfillment Off The Requiirement To Obbtain The Degree D In Mechanical Engineering E inn Mechanicaal Engineeriing Study Program Mechanicaal Engineeriing Departm ment

Created by b : C CHRISMAD DIKA Studennt Number : 0952140655

MECHAN NICAL EN NGINEERING STUDY Y PROGR RAM MECH HANICAL ENGINEE ERING DEP PARTMEN N SCIE ENCE AND D TECHNO OLOGY FA ACULTY SANATA DHARMA D A UNIVERS SITY Y YOGYAKA ARTA 2014 ii


September 2014


Oktober 2014


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.” (Mario Teguh)

v


PERSEMBAHAN

Karya ini kupersembahkan kepada : Tuhan Yang Maha Kuasa Orang Tuaku Istriku Adikku Semua teman – temanku

vi


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

Chrismadika

vii


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.

Oktober 2014 Yogyakarta, ______________ Yang menyatakan

Chrismadika viii


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 water heater, 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. b. Hasil percobaan water heater tanpa lubang dengan variasi terakhir yakni bukaan penuh dengan debit air keluar sebesar 5,7 liter / menit dan temperatur air keluar 43,8 °C dengan efisiensi sebesar 76,5% lebih tinggi 16,5% dari efisiensi umum alat masak yakni 60% merupakan kondisi paling baik dari setiap percobaan yang telah dilakukan.

ix


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 Surakarta yang memberikan arahan dalam penyelesaian tugas akhir.

x


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

Chrismadika

xi


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

2.1.6

Sirip ................................................................................................... 13

xii


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

4.4

Peralatan Pengujian .................................................................................. 50

xiii


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 LAMPIRAN ........................................................................................................ 72

xiv


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 2.6 Water heater Gas Tipe X-2 ................................................................. 28 Gambar 2.7 Water heater Gas Tipe X-3 ................................................................. 28 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 4.3 Pembukaan penutup 17 cm ................................................................. 49 Gambar 4.5 Pembukaan penutup 24 cm ................................................................. 49 Gambar 4.6 Tanpa plat penutup .............................................................................. 49 Gambar 4.7 Proses pengambilan data percobaan water heater .............................. 49 Gambar 5.1 Hubungan antara debit air dan suhu air keluar.dengan variasi ………………pembukaan penutup bagian atas. .................................................... 59

xv


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 5.2.a Pembukaan 2,5 cm ........................................................................... 62 Gambar 5.2.b Pembukaan 10 cm ............................................................................ 62 Gambar 5.2.c Pembukaan 17 cm ............................................................................ 62 Gambar 5.2.d Pembukaan 24 cm ............................................................................ 62 Gambar 5.2.e Pembukaan penuh. ........................................................................... 63 Gambar 5.3 Hubungan antara efisiensi dan debit air dengan variasi pembukaan ..penutup bagian atas. .......................................................................... 63 Gambar 5.3.a Pembukaan 2,5 cm ........................................................................... 64 Gambar 5.3.b Pembukaan 10 cm ............................................................................ 64 Gambar 5.3.c Pembukaan 17 cm ............................................................................ 64 Gambar 5.3.d Pembukaan 24 cm ............................................................................ 64 Gambar 5.3.e Pembukaan penuh. ........................................................................... 65 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 Gambar 5.6 Grafik perbandingan efisiensi dan debit aliran air hasil percobaan ..pemanas air dengan pembukaan bertahap sampai pembukaan ..maksimal. .......................................................................................... 68

xvi


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 5.3 Hasil Pengujian Pemanas Air Variasi dengan Bukaan Geser 17 cm ...... 53 Tabel 5.4 Hasil Pengujian Pemanas Air Variasi dengan Bukaan Geser 24 cm ...... 53 Tabel 5.6 ṁ air, qair, dan ɳ pemanas air pembukaan penutup bagian atas 2,5 cm. ... 56 Tabel 5.7 ṁ air, qair, dan ɳ pemanas air pembukaan penutup bagian atas 10 cm..... 57 Tabel 5.8 ṁ air, qair, dan ɳ pemanas air pembukaan penutup bagian atas 17 cm..... 57 Tabel 5.9 ṁ air, qair, dan ɳ pemanas air pembukaan penutup bagian atas 24 cm..... 58 Tabel 5.10 ṁ air, qair, dan ɳ pemanas air dengan pembukaan penuh. ...................... 58

xvii


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

ρ

=

Massa jenis

kg/m3

xviii


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 3740 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 pokok dalam setiap rumah sakit.

1


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 sarana pemanas.

2


2. Selama ada air yang mengalir dan gas LPG maka kapasitas air panas yang yang dihasilkan tidak terbatas dan dapat dipergunakan secara terusmenerus. 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 dapat untuk memenuhi kebutuhan yang mendadak.

3


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 penelitian bertopik pemanas air tenaga gas LPG.

4


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 42cm dan tinggi 600cm tanpa lubang di dinding. 5


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

pengembangan water heater yang telah dibuat

6


BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA DASAR TEORI DAN REFERENSI 2.1 Dasar Teori 2.1.1 Pengertian 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.. 2.1.2 Perpindahan 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 kayu adalah isolator, yaitu penghantar kalor yang buruk. Baik atau buruknya 7


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. 2.1.3 Perpindahan 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.

Figure 1Gambar 2.1 Konveksi udara dengan permukaan panas 8


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. 2.1.4 Perpindahan 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. Energi yang dirambatkan diserap oleh permukaan benda yang dikenainya

9


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. 2.1.5 Perancangan 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 Konduktivitas termal beberapa bahan logam.

10


Tabel 2.1 Konduktivitas Termal Beberapa Bahan Logam (Holman, 1993) Bahan Perak Tembaga Aluminium Nikel

Konduktifitas Termal (k) Btu/h.ft.°F W/m°C 410 385 202

Besi

93 73

Baja Karbon

43

237 223 117 54 42 25

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

11


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 dalam pipa adalah dengan membuat saluran air melengkung tidak sama

12


denggan 90°, denngan acuan ini maka bentuk b spiraal cocok sebbagai desain n pipa salurran air kareena mampu mengurang gi hambatann dalam yanng terjadi dalam d aliraan air di dallam pipa saaluran air. Alasan A lain desain spiraal dipakai dalam d pembbuatan pippa saluran air adalaah dengan desain sppiral permu ukaan perppindahan kallor efektif adalah a samaa dengan dinnding spirall sehingga sangat tergaantung pada diameter serta berap pa jumlah spiral yangg ada dari pusat hinggga diameterr terluar. 2.1.6 Sirrip Saalah satu carra untuk meeningkatkan n laju perpinndahan panaas adalah deengan cara mem mperluas biidang yang mengalamii konveksi. Ini dapat ddilakukan deengan menggunnakan siripp agar dinddingnya leb bih luas teerhadap fluuida lingku ungan. Kondukttivitas term mal material sirip mem miliki dampaak besar terrhadap distrribusi temperattur di sepannjang sirip dan d oleh karrena itu lajuu perpindahaan panasnyaa juga dapat dittingkatkan. Dibawah inni adalah Gaambar 2.2 Contoh pipa bersirip.

F Figure 2Gam mbar 2.2 Co ontoh pipa bersirip. b Paada aplikasinnya jenis sirrip yang dip pilih untuk dibuat d terganntung pada ruang r yang terrsedia, beraat, proses peembuatan, biaya, b dan tentunya beesar perpind dahan panas taambahan yaang dapat dihasilkan. d Semakin banyak siripp maka mun ngkin

13


luasnya semakin besar untuk perpindahan panas yang lebih besar, akan tetapi akan menyebabkan pressure drop juga untuk aliran fluida tersebut. 2.1.7 Saluran 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. 2.1.8 Proses Pembakaran Pembakaran adalah serangkaian reaksi-reaksi kimia eksotermal antara bahan bakar dan oksidan berupa udara yang disertai dengan produksi energi berupa panas dan konversi senyawa kimia. Pelepasan panas dapat 14


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. Oksigen di dalam udara mendorong pembakaran bahan bakar fasa gas

15


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. Pirolisis adalah degradasi termal dari bahan-bahan kimia. Hal ini

16


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 Glowing combustion adalah fasa pembakaran, dimana hanya bara dari

17


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. 2.1.9 Gas 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. Besarnya nilai kalor hasil pembakaran bergantung pada jenis bahan bakar

18


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

Kayu Bakar Arang Minyak Tanah Gas Kota LPG Listrik

4000 (Kkal/kg) 8000 (Kkal/kg) 11000 (Kkal/kg) 4500 (Kkal/m3) 11900 (Kkal/kg) 860 (Kkal/KWh)

Efisiensi alat masak 15 % 15 % 40 % 55 % 60 % 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 fas gas. Perbandingan volume gas alam dalam fasa gas dibandingkan ketika

19


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. b. Gas tidak beracun dan tidak berwarna.

20


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)

3Gambar 2.3 Kompor gas LPG High Pressure

21


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 dari ketiga elemen dasar tidak lagi tersedia. Prinsip segitiga api ini banyak

22


digunakan sebagai prinsip dasar untuk menyalakan atau memadamkan api. 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 sehingga mengakibatkan kerugian panas (heat loss). Dalam perancangan

23


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 : 2

Tabel 2.3 Konduktivitas Termal Beberapa Media (Holman, 1993) Bahan Uap Air Udara Wol Kaca Serbuk gergaji Kayu Batu pasir

Konduktivitas Thermal W/m°C

Btu/h.ft.°F

0,0206 0,024 0,038 0,059 0,17 1,83

0,0119 0,0139 0,022 0,034 0,096 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

Pada persamaan (2.1) : um

: kecepatan air

24

(m/s)

…………… (2.1)


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) pada persamaan (2.3) qair

: laju aliran kalor yang diterima air

ṁ

: laju aliran massa

cp

: kalor jenis air

T2

: suhu air keluar

T1

: suhu air masuk

25

……………..(2.3)


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)

pada persamaan (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=

η=

qair qgas ṁ

x 100 % , atau .

.

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 (11.900 x 4186,6 J/kg),T2 = suhu air keluar (°C), T1=suhu air masuk (°C).

26


2.2 Referrensi 2.2.1 Water Wa heater gas LPG yang ada di pasaran. Penelitian dann pengembbangan wateer heater untuk u memeenuhi kebuttuhan masyaraakat semakiin berkembbang. Waterr heater yaang ditawaarkan di paasaran bermacaam-macam dengan d berbbagai bentu uk dan kapassitas air yanng mengalir. Raata-rata watter heater yang dijuaal di pasarann berkapasiitas 5 – 8 liter l / menit deengan konsuumsi gas LP PG 0,46 kg//jam – 0,6 kg/jam. k Kappasitas seperti ini biasanyaa digunakann dalam skkala kebutu uhan rumahh tangga, ssedangkan untuk u kapasitaas yang lebihh besar biassanya digun nakan di rum mah sakit daan hotel. Sppesifikasi daan produk water heateer skala ruumah tanggaa disajikan pada Gambar 2.5, Gambaar 2.6, Gam mbar 2.7 .

Figure 5

Gambbar 2.5 Wateer heater Gas dengan merek Wasser

Spesifikkasi : Pemasanngan

: External/Inte E ernal

Ukuran (PxLxT) mm m

: 380x288x14 3 41

Kapasitaas Air Panas

: 5 liter/menitt

Temperaatur Maksim mal

: 60 6 °C

Konsum msi Gas

: 0,46 0 kg/jam

Ignition

: Baterai B Ukurran D

Tekanann Gas

: Low L Pressurre, 28 mBarr 27


Figure 6

Gambar 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 7

Gambar 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

Konsumsi Gas

: 0,5 kg/jam

28


Ignition

: Baterai Ukuran D

Tekanan Gas

: Low Pressure, 28 mBar

2.2.2 Konstruksi 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 .

Figure 8

Gambar 2.8 Konstruksi tangki penampungan water heater 29


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 9

Gambar 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, dengan posisi di atas kompor gas LPG. Pipa spiral berfungsi sebagai saluran

30


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 10

Gambar 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 yang menggunakan metode tangki penampungan.

31


Figure 11

G Gambar 2.111 Konstrukssi tanpa tang gki penamppungan wateer heater

2.2.3 Haasil Penelitiian Water Heater Ga as LPG a. Wateer Heater Dengan D Panjjang Pipa 20 0 Meter dann 300 Lubanng Masuk Udara U Padaa Dinding Luar. L Puutra, PH. (20012) telah melakukan m penelitian water w heateer gas LPG yang berjudull “Water Heeater Dengaan Panjang Pipa 20 Meeter dan 3000 Lubang Masuk M Udara Pada Dindingg Luar” yanng bertujuan n: w heaterr. 1. Meraancang dan membuat water 2. Menndapatkan huubungan anntara debit dengan d suhuu air keluar water heateer. 3. Menndapatkan hubungan h anntara debit air a dengan laju l perpinddahan kalor yang diterrima oleh aiir. 4. Menndapatkan huubungan anntara debit air a dengan efisiensi e watter heater. Penelitiaan tersebut dilakukan d d dengan batasan-batasann sebagai beerikut : 1. Wateer heater yaang dibuat memiliki m dim mensi tingggi 90 cm. 2. Diam meter pada dinding d luarr 25 cm. 3. Diam meter pada dinding d dalaam 20 cm. 32


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 LPG.

33


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 debit 6 liter per menit.

34


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 deb2.(liter/menit)-2 – 0,4242 deb.(liter/menit)-1 + 7,2648 dan R2 = 0,6317. Variasi 20 putaran qair = 0,0001 deb3. (liter/menit)-3 + 0,0059 deb2.(liter/menit)-2 – 0,0558 deb.(liter/menit)-1 + 8,0032 dan R2 = 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 deb2.(liter/menit)-2 – 0,3254 deb.(liter/menit)-1 + 27,554 dan R2 =

35


0,1184. Variasi 10 putaran ɳ = 0,0005 deb3.(liter/menit)-3 + 0,00474 deb2.(liter/menit)-2 – 1,1609 deb.(liter/menit)-1 + 19,855 dan R2 = 0,6317. Variasi 20 putaran ɳ = 0,0004 deb3.(liter/menit)-3 + 0,0161 deb2.(liter/menit)-2 – 0,1526 deb.(liter/menit)-1 + 8,0032 dan R2 = 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 panjang pipa tembaga 10 meter.

36


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

m + 2536,7 dan R2 = 0,814 untuk water heater model 1, qair = 25,138 m3 –

37


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 persen)

38


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

No. Gambar 3.1 3.2 3.3 -

Jumlah 1 1 2 1 2

Tabel 3.1 Kebutuhan material Nama Komponen Tungku Pipa Kalor Pasak Penutup Atas Tungku Selang Air

39

Jenis Material Plat Seng Tembaga Beton Esser Plat Seng (190x450)mm Plastik (3/8"x1 meter)


T Ta Gambbar rancanngan waterr heater selengkapny s ya disajikaan pada bagian b lampiran. Berikut inii adalah pennjabaran dan n gambarann dari kompponen komp ponen yang direnncanakan unntuk membuuat water heeater: 3.1.1 Tu ungku Pem manas . Tungku pem manas ini dii rancang dengan mem mberikan seekat antara udara u dahan luar dann dalam peembakaran, hal ini beertujuan sebbagai isolaator perpind panas daari bagian dalam d tunggku dengan sisi luar tuungku sehinngga panas yang timbul dapat d diserapp oleh pipa kalor secarra maksimall. Tungku inni juga berffungsi sebagai tempat keddudukan pennukar kalorr yang beruupa pipa tem mbaga berbentuk p n gas LPG yang spiral seebagai kondduktor panaas dari api hasil dari pembakaran dilakukaan oleh meedia kompoor dengan air a yang adda di dalam m pipa tem mbaga. Materiall yang digunnakan dalam m perancang gan adalah pelat p seng kketebalan 0,,5mm dengan alasan kareena faktor ekonomis e dan d keterseddiaan materrial yang mudah m didapatkkan. Tungkku pemanas ini diranccang tidak menggunak m kan lubang pada dinding--dindingnyaa hal ini karena k alasaan penelitian, sedangkan udara akan didapat hanya darri dasar tuungku . Diibawah ini adalah gaambar 3.1 yang merupakkan gambar tungku watter heater

F Figure 12Gaambar 3.1 Tungku T water heater

40


3.1.2 Pipa 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 W/m°C. Pada pipa saluran air ini ditambahkan sekat pelat tembaga yang berfungsi sebagai sirip guna menambah luas permukaan media penangkap panas dan untuk menaikkan efektifitas penukar kalor. Dibawah ini adalah gambar 3.2 rancangan dan bentuk hasil pembuatan pipa saluran air yang dilengkapi dengan pelat tembaga sebagai sirip pada water heater.

Figure 13Gambar 3.2 Rancangan dan pola hasil dari pembuatan penukar kalor 3.1.3 Pasak Pasak dirancang secara sederhana dengan bentuk L yang nantinya akan diselipkan didalam tungku sebagai penyangga dari penukar kalor yang berada di dalam tungku. Dalam rancangan akan dibuat sebanyak 2 buah dengan material

41


besi behel atau beton esser yang mudah dijumpai dalam pasaran material. Berikut dibawah ini adalah gambar 3.3 gambar pasak yang digunakan dalam water heater.

Figure 14Gambar 3.3 Pasak penyangga penukar kalor 3.1.4 Plat Penutup Penutup atas pada water heater menggunakan material seng dengan ketebalan 0,5 mm dan dimensi panjang 450 mm dan lebar 190 mm. Penutup ini akan digunakan sebagai variabel pada penelitian ini, yakni dengan melakukan pergeseran sejauh variabel yang ditentukan. 3.1.5 Selang Air Selang air pada water heater menggunakan material yang ada dalam pasaran pada umumnya dengan ukuran 3/8” sepanjang 1 meter sebanyak 2 buah. Selang air ini akan digunakan untuk mengalirkan air masuk kedalam pipa tembaga yang dipanasi dan mengalirkan air panas hasil pemanasan keluar sistem water heater. 3.2 Pembuatan Water Heater Pembuatan alat percobaan water heater ini dibantu oleh seorang pengrajin pelat yang ada di kota Surakarta, ini dimaksudkan agar waktu yang dibutuhkan untuk pembuatan alat dapat cepat selesai. Hal-hal yang perlu untuk disiapkan dalam pembuatan water heater ini adalah :

42


3.2.1 Bahan Water Heater Bahan dalam pembuatan water heater secara garis besar terdiri dari pipa tembaga sebagai saluran air dengan diameter 3/8 inchi , pelat tembaga dengan ketebalan 0,5 mm sebagai sirip dan seng sebagai body water heater. Hal lain secara detail disajikan dalam lampiran gambar detail. 3.2.2 Sarana dan Peralatan Yang Digunakan Berikut ini adalah sarana dan peralatan yang digunakan dalam pembuatan water heater adalah : a. Alat penekuk plat, digunakan untuk menekuk lempengan seng. b. Palu, digunakam saat menguatkan lipatan seng. c. Gunting pelat, digunakan untuk memotong seng. d. Tang , digunakan saat memasang sirip pipa tembaga dengan lengkungan pipa tembaga. e. Penggaris , digunakan untuk membuat garis pada bagian tertentu . f. Alat pembengkok, untuk membengkokkan pipa. g. Alat pemotong pipa, digunakan untuk memotong pipa tembaga. 3.2.3 Langkah-langkah Pengerjaan. Langkah-langkah pekerjaan yang dilakukan dalam pembuatan water heater adalah dijabarkan sebagai berikut ini : a. Persiapan Pembuatan Water Heater Persiapan pembuatan water heater dijabarkan sebagai berikut ini : 1. Merancang water heater

43


Dalam merancang water heater dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak (software). Perangkat lunak CAD dan Solid Work adalah yang dipilih dalam melakukan rancangan ini. Hasil dari rancangan tersebut ditampilkan dalam bentuk gambar rakitan dan bagian, hasil dari perancangan ini ditunjukan dalam lampiran pada karya tugas akhir ini. 2. Menentukan alat dan bahan Rancangan dan tabel kebutuhan material yang terdapat dalam gambar rakitan adalah panduan dalam menentukan alat dan bahan yang digunakan untuk membuat water heater . 3. Membuat daftar komponen Pembuatan daftar komponen water heater dilakukan agar dapat menentukan prioritas dan urutan pekerjaan dalam pembuatan water heater. Hal ini dilakukan agar pekerjaan dapat berjalan secara sistematis dan teliti sehingga resiko komponen yang tertinggal dalam perakitan dapat dicegah. b. Proses Pembuatan Water Heater Langkah-langkah pembuatan water heater adalah dijabarkan sebagai berikut ini : 1. Membuat saluran air tipe spiral dan sirip. Membuat saluran air tipe spiral adalah dengan cara melengkungkan pipa tembaga dengan bantuan mesin roll atau dibengkokkan secara manual dengan alat pembengkok. Dalam pembuatan saluran air ini dipilih dengan cara manual , karena cara tersebut lebih praktis mengingat jenis pipa tembaga yang digunakan hanya berdiameter 3/8 inchi atau setara 9,5 cm. Dalam cara manual ini hanya

44


dibutuhkan dua jenis pipa PVC berdiameter 25 cm dan 15 cm. Setelah tersedia alat bantu tersebut maka pembuatan pipa saluran air pun dimulai dengan melilitkan pipa tembaga pada pipa PVC berdiameter 15 cm sepanjang 7 meter dan pada pipa PVC berdiameter 25 cm sepanjang 8 meter dengan berbalik arah. Untuk langkah akhir pembuatan saluran air tinggal mengatur jarak kerenggangan saluran air tersebut sehingga memiliki jarak yang sama. Sirip ditambahkan dalam pipa saluran air yang telah jadi dengan memotong plat tembaga lalu melilitkan hasil potongan tersebut pada saluran air secara merata. 2. Membuat tungku water heater. Pembuatan tungku water heater dilakukan dengan cara antara lain : menggaris, memotong, melubangi, dan membuat tekukan plat sehingga menghasilkan body luar dan body dalam serta kaki water heater yang menjadi tempat pembakaran berlangsung (kompor gas) dalam satu kesatuan. Pada bagian kaki dibuat lubang yang fungsinya adalah untuk masuknya pasak penyangga saluran air ketika proses pembakaran berlangsung. Berikut dibawah ini adalah Gambar 3.4 Tungku water heater yang telah selesai buat dan siap untuk digunakan untuk percobaan :

Figure 15Gambar 3.4 Tungku water heater. 45


3. Membuat penutup tungku bagian atas. Penutup atas tungku terbuat dari seng dengan ukuran 190 x 450 mm. dibuat sederhana sehingga dalam pembuatannya cukup dengan cara menandai dan memotong plat seng tersebut sesuai dengan ukuran yang diminta. c. Hasil Pekerjaan Komponen –komponen yang telah dibuat kemudian dirakit sesuai dengan petunjuk dalam gambar rakitan (terlampir). Hasil rakitan ditunjukkan dalam Gambar 3.5 Hasil rakitan water heater dibawah ini yang diambil ketika melakukan percobaan.

Figure Gambar 3.5 Hasil rakitan water heater 16

46


BAB IV METODOLOGI PENELITIAN METODOLOGI PENELITIAN 4.1 Objek Penelitian Objek yang diteliti pada pengujian water heater disajikan pada Gambar 4.1

17Gambar 4.1 Obyek penelitian 4.2 Skema Pengujian Skema instalasi peralatan pada waktu pengujian water heater berlangsung disajikan pada Gambar 4.1 .

Figure 18Gambar 4.2 Skema pengujian water heater 47


Pada proses percobaan ini air mengalir melalui kran air menuju water heater dengan debit yang diatur, yakni dengan cara menyetel besarnya bukaan aliran pada kran. Nyala api dari kompor yang berbahan bakar LPG dijadikan sebagai energi pemanas air yang masuk ke dalam water heater. Untuk melakukan pengukuran suhu air masuk dan keluar menggunakan termokopel digital. 4.3 Variasi Penelitian Variasi dilakukan pada besar kecilnya debit air yang mengalir ke dalam water heater dan variasi pembukaan tutup gas buang, dengan debit gas pembakaran konstan. Pengujian dilakukan dalam satu model water heater dengan pembukaan penutup gas buang digeser sebesar 2,5 cm, 7,5 cm, 10 cm, 15 cm dan tanpa penutup. Gambar 4.3, Gambar 4.4, Gambar 4.5, Gambar 4.6, dan Gambar 4.7, memperlihatkan kondisi dengan berbagai pembukaan penutup gas buang. Proses pengambilan data percobaan, dimulai dari pembukaan penutup sebesar 2,5 cm sampai dengan tanpa penutup (Gambar 4.3 - 4.7) :

Gambar 4.3 Pembukaan penutup 2,5 cm Gambar 4.4 Pembukaan penutup 10 cm

Gambar19.

Figure 20

48


Figure 21

Gambar 4.5 Pembukaan penutup 17 cm

Figure 23

Figure 22

Gambar 4.6 Pembukaan penutup 24 cm

Gambar 4.7 Tanpa plat penutup

Figure 24Gambar 4.8 Proses pengambilan data percobaan water heater 49 2


4.4 Peralatan Pengujian Dalam proses percobaan dan pengujian water heater diperlukan alat-alat pendukung percobaan dan pengujian untuk mendapatkan data yang dibutuhkan guna melakukan analisa secara teoritis. Alat-alat pembantu tersebut adalah : a. Thermokopel, sebagai alat pengukur suhu fluida yang masuk dan keluar. b. Kompor gas, sebagai media atau tempat terjadinya proses pembakaran gas LPG yang menghasilkan panas. c. Tabung dan gas LPG, sebagai media penyimpan gas dan gas LPG sebagai bahan bakar atau sumber energi dalam proses pembakaran. d. Kran , sebagai pengatur debit air yang masuk ke dalam pipa saluran air water heater. e. Selang karet, sebagai penyambung aliran gas dari tabung ke kompor. f. Selang plastik, sebagai penyambung aliran air dari kran menuju pipa saluran air water heater. g. Kalkulator, sebagai alat bantu hitung data yang didapat selama proses percobaan berlangsung. h. Alat tulis, sebagai alat penyimpan rekaman hasil percobaan. i. Stopwatch, sebagai alat penghitung waktu ketika percobaan dilakukan. j. Gelas ukur , sebagai tempat penampung fluida hasil percobaan water heater dan media mengetahui volume air dalam per satuan waktu selama percobaan. 4.5 Cara Pengumpulan Data Untuk data-data hasil penelitian diperoleh langsung dari pencatatan data yang ditampilkan oleh alat-alat ukur saat penelitian berlangsung. Debit air diperoleh

50


dengan mengukur volume air yang mengalir persatuan selang waktu dengan mempergunakan gelas ukur dan stopwatch. Banyaknya air yang mengalir setiap selang waktu, dicatat setiap ada perubahan debit. Pengukuran suhu air dilakukan dengan memasang thermokopel pada sisi keluar water heater. Debit gas diperoleh dengan mengukur volume gas yang mengalir persatuan selang waktu. Suhu air dicatat setiap ada perubahan debit air. 4.6 Cara Pengolahan Data dan Pembahasan Data yang telah diperoleh kemudian diolah dan dilakukan pembahasan untuk menjawab persoalan-persoalan yang sesuai dengan tujuan penelitian ; Untuk memudahkan pembahasan, data-data yang sudah diolah disajikan dalam bentuk grafik. Untuk pembuatan grafik dilakukan dengan mempergunakan bahasa pemrograman tertentu. Dalam pembahasan harus juga memperhatikan hasil –hasil penelitian yang dilakukan sebelumnya. 4.7 Metoda Pengambilan Kesimpulan Dari hasil pengolahan data dan pembahasan akan dapat diperoleh kesimpulan. Kesimpulan harus dapat menjawab tujuan dari penelitian.

51


BAB V KARAKTERISTIK WATER HEATER KARAKTERISTIK WATER HEATER

Hasil Pengujian

5.1

Hasil pengujian pemanas air yang meliputi debit air, suhu air masuk T1 dan suhu air keluar T2 , ditampilkan pada Tabel 5.1, Tabel 5.2, Tabel 5.3, Tabel 5.4, dan Tabel 5.5 dibawah ini : Table 4

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

No

Debit Air

Massa Gas LPG Temperatur Selisih Air Air Sebelum Setelah Masuk Keluar

Selisih

Waktu Percobaan

ṁ

T1

T2

ΔT

mgas awal

mgas akhir

Δmgas

t=25menit

l / min

°C

°C

°C

kg

kg

kg

s

1 2 3 4 5

4,5 3,75 2,4 1,7 1,4

27 27 27 27 27

45,3 51,6 62,1 68,4 88,5

18,3 24,6 35,1 41,4 61,5

17,85

17,50

0,35

1500

6

1,1

27

94,9

67,9

Table 5

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

No

Debit Air

Temperatur Air Air Masuk Keluar

Massa Gas LPG Selisih

Sebelum Setelah

Selisih

Waktu Percobaan

ṁ

T1

T2

ΔT

mgas1

mgas2

Δmgas

t=25menit

l / min

°C

°C

°C

kg

kg

kg

s

1 2 3 4 5

5,4 5,1 3,6 2,4 1,6

27 27 27 27 27

43,7 44,8 51,9 62,4 75,2

16,7 17,8 24,9 35,4 48,2

17,48

17,15

0,33

1500

6

1,2

27

93,7

66,7

52


Table 6


No

Debit Air

Massa Gas LPG Temperatur Waktu Selisih Selisih Air Air Percobaan Sebelum Setelah Masuk Keluar

ṁ

T1

T2

ΔT

mgas1

mgas2

Δmgas

t=20menit

l / min

°C

°C

°C

kg

kg

kg

s

1 2 3 4

4,8 3,3 2,55 2,1

27 27 27 27

40,4 44,9 51,7 57,5

13,4 17,9 24,7 30,5

17,12

16,93

0,19

1200

5

1,4

27

73,7

46,7

6

0,83

27

95,5

68,5

Table 7


No

Debit Air



Sebelum Setelah

Selisih

Waktu Percobaan

ṁ

T1

T2

ΔT

mgas1

mgas2

Δmgas

t=25menit

l / min

°C

°C

°C

kg

kg

kg

s

1 2 3 4

5,25 3,9 2,25 1,3

27 27 27 27

42,3 47,3 62,1 70,4

15,3 20,3 35,1 43,4

16,92

16,71

0,21

1200

5

1,2

27

84,9

57,9

6

1,1

27

88,5

61,5

Tabel 5.5 Hasil Pengujian Pemanas Air dengan Variasi Bukaan Geser Penuh

No

1 2 3 4 5 6

Debit Air



Sebelum Setelah

Selisih

Waktu Percobaan

ṁ

T1

T2

ΔT

mgas1

mgas2

Δmgas

t=20menit

l / min

°C

°C

°C

kg

kg

kg

s

5,7 3,6 3,3 2,6 1,8 1,2

27 27 27 27 27 27

43,8 46,8 54,2 58,8 72,2 93,2

16,8 19,8 27,2 31,8 45,2 66,2

16,69

16,48

0,21

1200

Table 8

53


Hasil percobaan pemanas air dengan 5 variasi bukaan penutup gas buang pada tungku pembakaran dengan kondisi pada tekanan udara luar . Aliran gas pembakaran diposisikan maksimum dan aliran air yang masuk ke dalam pemanas air menggunakan air kran. 5.2

Perhitungan Matematis Data penting terkait dengan dimensi dan sifat dari bahan dalam percobaan

adalah penggunaan pipa saluran air dengan jenis material tembaga dan berjari-jari pipa saluran 3/8 inchi atau sama dengan 9,525 mm dibulatkan menjadi 9,5 mm atau 0.0095 m . Fluida yang mengalir berupa air dengan massa jenis (ρair = 1000 kg/m3). 5.2.1 Perhitungan kecepatan air rata-rata Perhitungan kecepatan air rata-rata (um) yang mengalir di dalam pipa air menggunakan persamaan (2.1). Sebagai contoh perhitugan untuk debit air

4,5

liter / menit (Tabel 5.1 nomor 1) setelah dilakukan penyetaraan satuan debit dari liter / menit menjadi m3/s , besarnya debit air menjadi 0,000075 m3/s. Besar kecepatan air rata-rata adalah dalam satuan m/s : 3

um =

3

0,000075 (m /s)

ṁ (m /s) 2

2

π.r (m )

=

2

2

π.0,0047625 (m )

= 1,053 (m/s)

5.2.2 Perhitungan laju aliran massa air Perhitungan laju aliran massa air (mair) yang mengalir melewati saluran air pada pemanas air menggunakan persamaan perkalian antara massa jenis fluida yang mengalir, luas penampang saluran air dan kecepatan aliran fluida .

54


Persamaan (2.2) adalah persamaan yang dipergunakan dalam perhitungan laju aliran massa air. Contoh perhitungan laju aliran disesuaikan dengan data pada Tabel 5.1 nomor 1 adalah sebagai berikut : ṁair = (1000)(π.0,00476252)(1,053) kg/s = 0,075 kg/s 5.2.3 Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air Perhitungan laju aliran kalor yang diterima atau diserap oleh air menggunakan persamaan perkalian antara debit air yang masuk dan kalor jenis fluida serta selisih temperatur fluida sebelum dan sesudah proses pemanasan. Besarnya laju aliran kalor dapat dihitung dengan persamaan (2.3). Contoh perhitungan laju aliran kalor yang diterima oleh air disesuaikan dengan data pada Tabel 5.1 nomor 1 adalah sebagai berikut : qair = 0,075 x 4179 x (45,2-27) watt = 5735,68 watt 5.2.4 Perhitungan laju aliran kalor yang dilepaskan pembakaran gas. Perhitungan laju aliran kalor yang dilepaskan pembakaran gas LPG menggunakan persamaan perkalian antara debit gas dan kalor jenis gas LPG yang dapat dinyatakan dengan persamaan (2.4). Contoh perhitungan laju aliran kalor yang dilepaskan pembakaran gas LPG diambil dari data pada Tabel 5.1 nomor 1 adalah sebagai berikut : qgas = (0,35 / (25x60)).(11900x4186,6) = 11624,79 watt

55


5.2.5 Efisiensi Perhitungan efisiensi pemanas air diambil dari tabel 5.1 nomor 1 adalah sebagai berikut : ɳ=

5735,68 11624,79

x100%

= 49,34 %

Hasil Pengolahan Data

5.3

Hasil perhitungan matematis dari seluruh data hasil percobaan dihitung dengan mempergunakan program Microsoft Excel adalah sebagai berikut : 5.3.1 Tabel Perhitungan a. Hasil pengolahan data percobaan ke-1 dengan pembukaan penutup bagian atas sebesar 2,5 cm disajikan dalam Tabel 5.6. Tabel 5.6 mair, qair, dan ɳ pemanas air pembukaan penutup bagian atas 2,5 cm. ṁ

T1

T2

ΔT

mgas

mair

Um

qair

qgas

ɳ

No

l/ min

°C

°C

°C

kg

kg/s

m/s

watt

watt

%

1 2 3 4 5

4,5 3,75 2,4 1,7 1,4

27 27 27 27 27

45,3 51,6 62,1 68,4 88,5

18,3 24,6 35,1 41,4 61,5

0,075 0,0625 0,04 0,0284 0,0233

1,053 0,877 0,561 0,398 0,327

5735,68 6425,21 5867,32 4913,5 5988,3

6

1,1

27

94,9

67,9

0,0183 0,257 Rata-rata hasil percobaan

5192,7

44,67%

5687,12

48,92%

0,35

56

11624,79

Table 9

49,34% 55,27% 50,47% 42,27% 51,51%


b. Hasil pengolahan data percobaan ke-2 dengan pembukaan penutup bagian atas sebesar 10 cm disajikan dalam Tabel 5.7. Tabel 5.7 mair, qair, dan ɳ pemanas air pembukaan penutup bagian atas 10 cm. ṁ

T1

T2

ΔT

mgas

mair

Um

qair

qgas

ɳ

No

l/ min

°C

°C

°C

kg

kg/s

m/s

watt

watt

%

1 2 3 4 5

5,4 5,1 3,6 2,4 1,6

27 27 27 27 27

43,7 44,8 51,9 62,4 75,2

16,7 17,8 24,9 35,4 48,2

0,09 0,085 0,06 0,04 0,0266

1,263 1,193 0,842 0,561 0,374

6281,04 6322,83 6243,43 5917,46 5357,98

6

1,2

27

93,7

66,7


5574,79

50,86%

5949,59

54,28%

0,33

10960,52

Table 10

57,31% 57,69% 56,96% 53,99% 48,88%

c. Hasil pengolahan data percobaan ke-3 dengan pembukaan penutup bagian atas sebesar 17 cm disajikan dalam Tabel 5.8. Table 11

Tabel 5.8 mair, qair, dan ɳ pemanas air pembukaan penutup bagian atas 17 cm. T1

T2

ΔT

mgas

mair

Um

qair

qgas

ɳ

No

l/ min

°C

°C

°C

kg

kg/s

m/s

watt

watt

%

1 2 3 4 5

4,8 3,3 2,55 2,1 1,4

27 27 27 27 27

40,4 44,9 51,7 57,5 73,7

13,4 17,9 24,7 30,5 46,7

0,08 0,055 0,0425 0,035 0,0233

1,123 0,772 0,596 0,491 0,327

4479,89 4114,23 4386,91 4461,08 4547,21

6

0,83

27

95,5

68,5


3950,41

50,08%

4323,29

54,81%

0,19

57

7888,25

ṁ

56,79% 52,16% 55,61% 56,55% 57,65%


d. Hasil pengolahan data percobaan ke-4 dengan pembukaan penutup bagian atas sebesar 24 cm disajikan dalam Tabel 5.9. Tabel 5.9 mair, qair, dan ɳ pemanas air pembukaan penutup bagian atas 24cm. ṁ

T1

T2

ΔT

mgas

mair

Um

qair

qgas

ɳ

No

l/ min

°C

°C

°C

kg

kg/s

m/s

watt

watt

%

1 2 3 4 5

5,25 3,9 2,25 1,3 1,2

27 27 27 27 27

42,3 47,3 62,1 70,4 84,9

15,3 20,3 35,1 43,4 57,9

0,0875 0,065 0,0375 0,0217 0,02

1,228 0,912 0,526 0,304 0,281

5594,64 5514,19 5500,61 3935,7 4839,28

8718,59

Table 12

64,17% 63,25% 63,09% 45,14% 55,51%

6

1,1

27

88,5 61,5


4703,26

53,95%

5014,61

57,52%

0,21

e. Hasil pengolahan data percobaan ke-5 dengan pembukaan penuh disajikan dalam Tabel 5.10. Tabel 5.10 mair, qair, dan ɳ pemanas air dengan pembukaan penuh.

ṁ

T1

T2

ΔT

mgas

mair

Um

qair

qgas

ɳ

No

l/ min

°C

°C

°C

kg

kg/s

m/s

watt

watt

%

1 2 3 4 5

5,7 3,6 3,3 2,6 1,8

27 27 27 27 27

43,8 46,8 54,2 58,8 72,2

16,8 19,8 27,2 0,21 31,8 45,2

0,095 0,06 0,055 0,0433 0,03

1,333 0,842 0,772 0,608 0,421

6669,68 4964,65 6251,78 5754,23 5666,72

8718,59

Tabl 13

76,50% 56,94% 71,71% 66,00% 65,00%

6

1,2

27

93,2

66,2

0,02 0,281 5533 Rata-rata hasil 5806,68 percobaan

63,46% 66,60%

5.3.2 Grafik Hasil Penelitian Berdasarkan hasil perhitungan matematis yang disajikan dalam Tabel 5.6, Tabel 5.7, Tabel 5.8, Tabel 5.9, dan Tabel 5.10, dapat digambarkan :

58


a. Hubungan antara debit air dan suhu air yang keluar yang hasilnya disajikan Gambar 5.1, Gambar 5.1a, Gambar 5.1b, Gambar 5.1c, Gambar 5,1d, dan Gambar 5.1e . b. Hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor pemanas air yang hasilnya disajikan pada Gambar 5.2, Gambar 5.2a, Gambar 5.2b, Gambar 5.2c, Gambar 5.2d, dan Gambar 5.2e. c. Hubungan antara efisiensi dan debit air yang hasilnya berupa Gambar 5.3, Gambar 5.3a, Gambar 5.3b, Gambar 5.3c, Gambar 5.3d, dan Gambar 5.3e. Hubungan antara debit air dan suhu air variasi pembukaan penutup bagian atas , disajikan sebagai berikut : 100

Buka 2,5 cm

Temperatur Air Keluar T2 (°C )

90 80

Buka 10cm

Buka penuh

70 60 50

Buka 24cm

40 30

Buka 17cm

20 10 0 0

1

2

3

4

5

Debit Air ṁ (liter/menit)

Figure 25

Gambar 5.1 Hubungan antara debit air dan suhu air keluar.dengan variasi pembukaan penutup bagian atas.

59

6

100

100

90

90 Temperatur Air Keluar T2 (°C )



80 70 60 50 40 30 20

80 70 60 50 40 30 20

10

10

0

0 0

2

4

6

0


Figure 28

90

90 Temperatur Air Keluar T2 (°C )

100

80 70 60 50 40 30 20

70 60 50 40 30 20 10

0

0 4

6

0


Figure 27

80

10 2

6

Gambar 5.1.c Pembukaan 17 cm

100

0

4


Gambar 5.1.a Pembukaan 2,5 cm


Figure 26

2

2

4

6


Gambar 5.1.b Pembukaan 10 cm

Figure 29

60

Gambar 5.1.d Pembukaan 24 cm


100


90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

2

4

6


Gambar 5.1.e Pembukaan penuh.

Figure 30

8000

Buka 2,5cm

Buka 10cm

Buka 24cm

7000

qair (Watt)

6000 5000 4000 3000

Buka 17cm

Buka penuh

2000 1000 0 0

1

2

3

4

5


Figure 31

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

61

6

7000

7000

6000

6000

5000

5000 qair (Watt)

qair (Watt)


4000 3000

4000 3000

2000

2000

1000

1000

0

0 0

2

4

6

0


Figure 32

2

4

6



Figure 33

5000

Gambar 5.2.b Pembukaan 10 cm 6000 5000

4000

qair (Watt)

qair (Watt)

4000 3000

2000

3000 2000

1000

1000

0

0 0

2

4

6

0


Figure 34

2

4



Figure 35

62


6


8000 7000

qair (Watt)

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0

2

4

6


Figure 36

90%


Buka penuh

Buka 24cm

80% Effisiensi

70% 60% 50% 40%

Buka 10cm

30%

Buka 17cm

Buka 2,5cm

20% 10% 0% 0

1

2

3

4

5

6


Figure 37

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

63


60%

70% 60% 50%

Effisiensi

Effisiensi

50% 40%

40%

30% 30% 20%

20%

10%

10%

0%

0% 0

2

4

0

6

Figure 40

70%

60%

60%

50% 40%

40% 30%

20%

20%

10%

10%

0%

0% 4

0

6

2

4



Figure 39

50%

30%

2

6


70%

Effisiensi

Effisiensi


0

4



Figure 38

2

Gambar 5.3.b Pembukaan 10 cm

Figure 41

64


6


90% 80%

Effisiensi

70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0

2

4

6


Figure 42


5.3.3 Pembahasan Pada seluruh percobaan yang dilakukan dengan melihat tabel 5.1, 5.2, 5.3 terlihat jelas pengaruh perubahan debit air yang masuk ke dalam pemanas air terhadap suhu air keluar yang dihasilkan, yakni adalah semakin besar debit air yang mengalir maka suhu air yang keluar akan semakin menurun. Hal ini dapat ditunjukkan pada Grafik 5.4 yang membandingkan hasil percobaan pada plat penutup tungku yang dibuka maksimal dan minimal, adalah sebagai berikut :

65


Temperatur Air Keluar T2 ( °C )

Perbandingan temperatur hasil percobaan pemanas air dengan pembukaan bertahap sampai pembukaan penuh

Figure 43

120 100 80 60 40 20 0

Debit Max/Min 4,5/1,1





Bukaan 2,5cm

Bukaan 10cm

Bukaan 17cm

Bukaan 24cm

Bukaan penuh

Temperatur Pada Debit Maksimal

45.3

43.7

40.4

42.3

43.8

Temperatur Pada Debit Minimal

94.9

93.7

95.5

88.5

93.2

Gambar 5.4 Grafik perbandingan temperatur hasil percobaan pemanas air dengan pembukaan bertahap sampai pembukaan penuh. Besarnya laju aliran kalor yang diterima air bergantung pada debit air yang mengalir. Semakin besar debit air yang masuk semakin besar laju aliran kalor yang mengalir ke dalam air, begitu pula sebaliknya semakin kecil debit semakin kecil laju aliran air yang masuk ke air. Hal ini dapat ditunjukkan pada Grafik 5.5 yang membandingkan laju aliran kalor hasil percobaan pemanas air dengan plat penutup dibuka maksimal dan minimal, adalah sebagai berikut :

66


Laju Aliran Kalor ( watt )

Perbandingan laju aliran kalor hasil percobaan pemanas air dengan pembukaan bertahap sampai pembukaan penuh

Figure 44

8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0






Bukaan 2,5cm

Bukaan 10cm

Bukaan 17cm

Bukaan 24cm

Bukaan penuh

Laju Aliran Kalor Pada Debit Maksimal (watt)

5735.68

6281.04

4479.89

5594.64

6669.68

Laju Aliran Kalor Pada Debit Minimal (watt)

5192.7

5574.79

3950.41

4703.26

5533

Gambar 5.5 Grafik perbandingan laju aliran kalor hasil percobaan pemanas air dengan pembukaan bertahap sampai pembukaan penuh. Efisiensi water heater berdasarkan data hasil perhitungan percobaan

mengalami kenaikan yang disebabkan oleh variasi pergeseran plat yang semakin membesar (celah buang pada tungku pembakaran) mulai dari celah 2,5cm sampai pada tanpa plat penutup. Hal ini ditunjukkan dengan bukti perbandingan pada Grafik 5.6 yang membandingakan antara debit dan Efisiensi dengan variasi besarnya celah pada tungku pemanas air seperti ditunjukkan dibawah ini :

67


Perbandingan efisiensi hasil percobaan pemanas air dengan pembukaan bertahap sampai pembukaan penuh 90% 80%

Efisiensi %

70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

Figure 45






Bukaan 2,5cm

Bukaan 10cm

Bukaan 17cm

Bukaan 24cm

Bukaan penuh

Efisiensi Pada Debit Maksimal (%)

49.34%

57.31%

56.79%

64.17%

76.50%

Efisiensi Pada Debit Minimal (%)

44.67%

50.86%

50.08%

53.95%

63.46%

Gambar 5.6 Grafik perbandingan efisiensi dan debit aliran air hasil percobaan pemanas air dengan pembukaan bertahap sampai pembukaan maksimal. Efisiensi water heater yang dibuat tidak dapat mencapai 100%. Hal ini

disebabkan karena adanya kalor yang hilang melalui radiasi, aliran gas buang dimana suhu gas buang lebih tinggi dibanding dengan suhu udara disekitarnya, dan adanya konveksi panas yang masuk kedalam tungku pembakaran yang kemudian dilanjutkan dengan konduksi panas pada seluruh bagian tungku tersebut. Hal ini dapat dibuktikan ketika percobaan untuk pengambilan data usai dilaksanakan suhu tungku menjadi lebih tinggi dibandingkan suhu lingkungan, sehingga memerlukan waktu untuk mendinginkan tungku tersebut.

68


Hasil rancangan water heater yang telah dibuat dapat dikatakan mampu disetarakan dengan produk di pasaran yang memiliki hasil keluaran air panas 6 liter /menit dengan suhu 35 °C. Hal ini ditunjukkan dengan bukti pada percobaan dengan variasi terakhir yakni bukaan penuh atau tanpa plat penutup yang tercatat debit air keluar adalah 5,7 liter / menit dengan suhu 43,8 °C Suhu yang diperlukan untuk orang dewasa mandi adalah 35°C sampai dengan 40°C sehingga dengan menggunakan water heater model ini seseorang hanya perlu menambah pasokan atau debit air dengan suhu ruangan untuk mengatur suhu air yang akan digunakan, Dengan metoda interpolasi total debit dan suhu air keluar pada percobaan bukaan penuh, suhu 35°C dapat tercapai pada debit 11,8 liter / menit dan suhu 39°C dapat tercapai pada debit 9,1 liter / menit dengan efisiensi sebesar 67,79 % dan 78,37 % dengan perkiraan laju aliran gas sebesar 0,26 kg.

69


BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN DAN SARAN 6.1

Kesimpulan

Hasil dari penelitian yang dilaksanakan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : c. Rancangan dan pembuatan water heater telah berhasil dibuat dengan baik, dan unjuk kerja dari alat ini mampu untuk menghasilkan air panas. d. Hasil percobaan water heater tanpa lubang dengan variasi terakhir yakni bukaan penuh dengan debit air keluar sebesar 5,7 liter / menit dan temperatur air keluar 43,8 °C dengan efisiensi sebesar 76,5% lebih tinggi 16,5% dari efisiensi umum alat masak yakni 60% merupakan kondisi paling baik dari setiap percobaan yang telah dilakukan. 6.2

Saran

Saran yang dapat menjadikan pengembangan dan perbaikan dalam pembuatan pemanas air atau water heater adalah : a. Perlu dilakukan penelitian terkait dengan panjang rambatan kalor pada material pipa tembaga yang di aliri kalor secara continous yang berhubungan dengan titik lebur dari material yang saling bersentuhan. b. Perlu penelitian untuk mengetahui kalor yang hilang selama proses pemanasan air dalam water heater supaya mengetahui besarnya kalor yang di serap oleh aliran air dalam pipa dari kalor hasil pembakaran bahan bakar.

70


DAFTAR PUSTAKA

Anonim,2013. Gas Water Heater, http://cdn.amybsells.com/wpcontent/uploads/2007/08/gas_water_header.jpg, (diakses 07 Maret 2014) Anonim,2013. Tankless Gas Water Heater Diagram, http://www.mammothplumbing.com/wp-content/uploads/2013/06/Tankless-GasWater-Heater-Diagram-1.png, (diakses 07 Maret 2014) Anonim.2013. Detail Produk Wasser WH506A (LPG), http://tokopompaair.com/water-heater/wasser-wh-506a-lpg/, (diakses 08 Maret 2014) Acton,Q. Ashton, PhD. 2013. Alkadienes—Advances in Research and Application: 2013 Edition: ScholarlyBrief. Oxford:ScholarlyEditions. Carson Dunlop,2011. High Efficiency Gas Water Heater, http://njplumbingandheating.com/wp-content/uploads/2012/04/water-heaterefficiency.gif, (diakses 07 Maret 2014) Geankoplis, Christie J. 1993. Transport Process and Unit Operations. New Jersey: Prentice Hall. Holman,J.P, 1993, Perpindahan Kalor,Edisi Keenam, Jakarta:Erlangga. K’ledgeBldr. 2011. Electric&Gas Fired Hot Water Heaters, http://www.citydata.com/forum/house/1458198-water-heater-urban-myths-about-quality-2.html, (diakses 08 Maret 2014) Perry, Robert H. 1984. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook, 4th edition. Singapore: McGraw Hill. Yunus,Asyari.D.2010.Thermodinamika.Teknik.II.Jakarta: Persada.

71

Universitas

Dharma


LAMPIRAN

72

Air Dingin

SN 258440 - Middle

Description

Origin :

RI __ __ __ __

RNo. ____ ____ ____ ____

Date __.__.__ __.__.__ __.__.__ __.__.__

Name ____ ____ ____ ____

Register :

Universitas Sanata Dharma

Wt :

Assy.

Water Heater Detail of : ...

Title

Dim/Dwg.No.

MU :

Hard.HRc. Item F : 3 DT: ... Sc : 1 : 10

Material

-

Termokopel

Pipa Spiral

Tungku

Kompor

Dwn 20.01.2014 Yani Chk Val

Item

Air Panas Gelas Ukur

0.5 >6 >30 >120 >400 >1000 Nom 6 30 120 400 1000 2000 Tol 0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 1.2

Qt'y

Kran Air

Tabung LPG

SN :

Dwg.No. NS :

WHI

Operation

Rem/Seat No.


420

SN 258440 - Middle

Botom Cover Outside Body Inside Body Top Cover Description

3

Origin :

RI __ __ __ __

RNo. ____ ____ ____ ____

Date __.__.__ __.__.__ __.__.__ __.__.__

Name ____ ____ ____ ____

0.5 >6 >30 >120 >400 >1000 Nom 6 30 120 400 1000 2000 Tol 0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 1.2

1 1 1 1 Qt'y

1

Universitas Sanata Dharma Register :

Hard.HRc. Item F : 3 DT: ... Sc : 1 : 5

Dim/Dwg.No.

Wt :

Assy. MU :

4

SN :

Dwg.No. NS :

WHI

Operation

WHI -4 WHI -3 WHI -2 WHI -1 Rem/Seat No.

Tungku Water Heater Detail of : ...

Title

t=0.5 t=0.5 t=0.5 t=0.5

Material

Plat Plat Plat Plat

Dwn 17.01.2014 Yani Chk Val

4 3 2 1 Item

2


601

450 150 420


420

50

320

t=0.5

420

320

*Break all sharp 0.2x45 1 Qt'y

Top Cover Description SN 258440 - Middle

0.5 >6 >30 >120 >400 >1000 6 30 120 400 1000 2000 Tol 0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 1.2 Nom

RI RNo. __ ____ __ ____ __ ____ __ ____ Origin :

Date __.__.__ __.__.__ __.__.__ __.__.__

1 Item

Plat t=0.5 Material

Dwn 17.01.2013 Yani Chk Val Title

Dim/Dwg.No.

F : 4 Hard.HRc. Item DT: ... Sc : 1 : 10

Rem/Seat No. Operation

Top Cover

Name ____ Detail of : ... ____ ____ Universitas Sanata Assy. ____ Dharma Wt : Register :

Dwg.No.

WHI - 1 MU :

SN :

NS :

450


320

320

0.5


Inside Body Description SN 258440 - Middle

0.5 >6 >30 >120 >400 >1000 6 30 120 400 1000 2000 Tol 0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 1.2

Nom

RI RNo. __ ____ __ ____ __ ____ __ ____ Origin :

Date __.__.__ __.__.__ __.__.__ __.__.__

2 Item

Plat t=0.5 Material


Rem/Seat No.

Dim/Dwg.No.


Operation

Inside Body

Name ____ Detail of : ... ____ ____ Universitas Sanata Assy. Dharma ____ Register : Wt :

Dwg.No.

WHI - 2 MU :

SN :

NS :

450


400

400

0.5


Outside Body Description SN 258440 - Middle

0.5 >6 >30 >120 >400 >1000 6 30 120 400 1000 2000 Tol 0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 1.2

Nom

RI RNo. __ ____ __ ____ __ ____ __ ____ Origin :

Date __.__.__ __.__.__ __.__.__ __.__.__

3 Item

Plat t=0.5 Material


Rem/Seat No.

Dim/Dwg.No.


Operation

Outside Body

Name ____ Detail of : ... ____ ____ Universitas Sanata Assy. Dharma ____ Register : Wt :

Dwg.No.

WHI - 3 MU :

SN :

NS :

150


400

0.5

400

50

50


Bottom Cover Description SN 258440 - Middle

0.5 >6 >30 >120 >400 >1000 6 30 120 400 1000 2000 Tol 0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 1.2

Nom

RI RNo. __ ____ __ ____ __ ____ __ ____ Origin :

Date __.__.__ __.__.__ __.__.__ __.__.__

4 Item

Plat t=0.5 Material


Rem/Seat No.

Dim/Dwg.No.


Operation

Bottom Cover

Name ____ Detail of : ... ____ ____ Universitas sanata Assy. Dharma ____ Register : Wt :

Dwg.No.

WHI - 4 MU :

SN :

NS :

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

Recommend Documents