WATER HEATER DENGAN PANJANG PIPA 20 METER DAN 150 LUBANG INPUT UDARA TUGAS AKHIR Untuk memenuhi sebagian persyaratan Mencapai derajat Sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin diajukan oleh : EKO SETIAWAN 085214019 Kepada JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA 2012 I
WATER HEATER WITH 20 METER LONG PIPE AND 150 INPUT AIR HOLES FINAL TASK To meet partial requirements Achieve the degree of S-1 Mechanical Engineering Program Department of Mechanical Engineering submitted by: EKO SETIAWAN 085214019 To MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY SANATA DHARMA UNIVERSITY 2012 II
III
IV
PERNYATAAN Dengan ini kami menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak memuat karya yang pernah diajukan disuatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan kami juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Yogyakarta,14 Agustus 2012 Eko Setiawan V
LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Yang bertandatangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma Nama : Eko Setiawan Nomor Mahasiswa : 085214019 Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah dengan judul : WATER HEATER DENGAN PANJANG PIPA 20 METER DAN 150 LUBANG INPUT UDARA Beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk data, mendistribusikan secara terbatas dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta izin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis. Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya. Yogyakarta, 14 Agustus 2012 Yang menyatakan, Eko Setiawan VI
INTISARI Saat ini air hangat sudah menjadi salah satu kebutuhan yang diperlukan dalam kehidupan masyarakat, dimana orang-orang kota yang berkecukupan, anak kecil, orang sudah lanjut usia membutuhkan air hangat untuk mandi. Air hangat juga dibutuhkan para karyawan atau pekerja yang pulang malam hari di rumah, untuk memulihkan kelelahan akibat kerja. Tulisan ini dibuat dengan tujuan untuk memberikan informasi tentang karakteristik water heater,antara lain : (a) merancang dan membuat water heater, (b) mendapatkan hubungan antara debit air dengan suhu air keluar water heater, (c) mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor (d) menghitung kalor yang diterima water heater, (e) menghitung kalor gas LPG dan (f) menghitung efisiensi water heater. Sehingga dengan adanya informasi ini diharapkan dapat membantu dalam pembuatan water heater. Water heater yang dibuat memiliki dimensi tinggi 90 cm, diameter pada dinding luar 25 cm, diameter pada dinding dalam 20 cm, panjang pipa 20 meter, diameter bahan pipa 3/8 inci, 150 lubang masuk udara pada dinding luar, 1005 lubang pada dinding dalam water heater, dan 6 buah sirip dari pipa berdiameter 3/8 inci. Variasi dilakukan terhadap besar kecilnya debit air yang masuk ke dalam pemanas air dengan debit gas yang konstan pada pemanas air. Hasil dari penelitian didapatkan (a) Water heater dapat dibuat dengan baik dan mampu bersaing dengan water heater yang ada di pasaran. Pada debit aliran : 14 liter/menit dan dengan suhu air yang keluar sebesar 45 C, (b) Hubungan antara debit air yang masuk dengan temperatur air yang mengalir dinyatakan dengan persamaan : Tout m 2 = 0,297 air m 9,566 air m + 121,9 ( air T out dalam liter/menit, dalam C ) R² = 0,990, (c) Hubungan antara debit air yang masuk dengan laju aliran kalor yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan : qair m = -171,9 air 2 m + 3154 air m + 6873 ( air dalam liter/menit, q air dalam watt) R² = 0,967, (d) Kalor yang diterima air dari water heater berkisar antara: 17551,8 14216,96 watt. Jumlah kalor terbesar sebesar : 17551,8 watt, (e) Kalor yang diberikan gas LPG sebesar : 22142,46 watt, (f) Hubungan antara debit air yang masuk dengan efisiensi water heater yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan : ƞ = -0,776 2 + 14,24 + 31,04 ( dalam liter/menit, ƞ dalam % ) R² = 0,967 m air Kata kunci : Water heater, debit air, suhu air, efisiensi m air m air VII
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis haturkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat, rahmat dan bimbingannya selalu, hingga terselesaikannya penyusunan Tugas Akhir, yang berjudul Water heater dengan panjang pipa 20 meter dan 150 lubang input udara. Tugas Akhir membahas mengenai garis besar tentang pembuatan dan karakteristik Water Heater. Informasi terkait Water Heater ini diharapkan dapat digunakan sebagai salah satu alat yang dapat digunakan di kehidupan sehari - hari sebagai pemanas air untuk keperluan mandi dan juga bermanfaat bagi kegiatan produksi dalam skala industri. Dalam pemilihan bahan dan ukuran, penulis menggunakan acuan Standar SI. Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan terima kasih atas segala bantuan sehingga laporan ini dapat terselesaikan pada waktunya, kepada : 1. Ir. PK. Purwadi, M.T. selaku Dosen Pembimbing TA dan selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma 2. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc. selaku Dekan Fakultas sains Dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma 3. Yosef Agung Cahyanta, S.T, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik. 4. Kedua orang tua saya tercinta, Ibu Sumarni dan Bapak Kirdi Wiyana yang telah memberi dukungan baik material maupun spiritual hingga saat ini. VIII
5. Keluarga besar Nenek Samirah saya terkasih yang telah memberikan dorongan dan semangat agar terselesaikannya tugas akhir ini. 6. Rekan - rekan mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma 7. Seluruh Dosen dan karyawan Prodi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Tugas Akhir ini baru permulaan dan masih banyak kekurangan dan perlu pembenahan. Oleh karena itu kritik dan saran yang membangun dari semua pihak diterima penulis dengan senang hati. Akhir kata semoga karya tulis ini dapat bermanfaat bagi para pembaca pada umumnya. Terima Kasih. Yogyakarta, 14 Agustus 2012 Penulis, IX
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL HALAMAN PENGESAHAN.. HALAMAN PERNYATAAN.. LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI. INTISARI.. KATA PENGANTAR. DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL NOTASI. i iv v vi vii viii x xiii xiv xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang...1 1.2. Tujuan... 3 1.3. Batasan Masalah... 4 1.4. Manfaat.....4 BAB II DASAR TEORI 2.1 Dasar Teori 2.1.1 Saluran Air.........5 2.1.2 Sirip...... 6 X
2.1.3 Bahan Bakar.. 8 2.1.4 Kebutuhan Udara.... 10 2.1.5 Saluran Gas Buang.....11 2.1.6 Sumber Api......12 2.1.7 Isolator.....14 2.1.8 Laju Aliran Kalor......15 2.1.9 Laju Aliran Kalor yang diberikan Gas........16 2.1.10 Efisiensi...... 17 2.2 Referensi...17 BAB III METODE PERANCANGAN DAN PEMBUATAN 3.1 Rancangan Alat Water Heater....... 21 3.2 Pembuatan Water Heater.......26 3.2.1 Bahan Water Heater......23 3.2.2 Sarana Dan Alat-alat yang digunakan......24 3.2.3 Langkah-langkah Pengerjaan 3.2.3.1 Persiapan......27 3.2.3.2 Pengerjaan........27 3.3 Hasil Pembuatan 3.3.1 Kesulitan Pengerjaan...39 BAB IV METODOLOGI PENELITIAN 4.1 Skematis Pengujian...40 4.2 Variasi Penelitian....41 XI
4.3 Peralatan Pengujian 4.3.1 Alat-alat yang digunakan..... 41 4.4 Cara Memperoleh Data......44 4.5 Cara Mengolah Data......44 4.6 Cara Menyimpulkan...... 44 BAB V KARAKTERISTIK WATER HEATER 5.1 Hasil Pengujian... 45 5.2 Perhitungan... 45 5.2.1 Perhitungan Kecepatan Air rata-rata u m..46 5.2.2 Perhitungan Aliran Massa Air, m air... 46 5.2.3 Perhitungan Laju Aliran Kalor yang diterima Air..47 5.2.4 Perhitungan Laju Aliran Kalor yang diberikan Gas...47 5.2.5 Efisiensi..... 48 BAB VI PENUTUP 6.1 Kesimpulan 53 6.2 Saran. 54 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN XII
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Grafik Efisiensi Sirip Siku Empat dan Segitiga Gambar 2.2 Grafik Efisiensi Sirip Siku Empat Gambar 2.3 Kompor gas dengan regulator Savequam Gambar 2.4 Kompor gas tungku besar Gambar 2.5 Kompor Quantum RT Gambar 2.6 Laju aliran kalor Gambar 2.7 Water Heater Modena GI-6 Gambar 2.8 Water Heater Rinnai REU-55RTB Gambar 2.9 Water Heater Heating Equipment JLG30-BV6 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Rancangan Water Heater Lengkungan Pipa Lengkungan dan sirip Water Heater Sirip Water Heater Penutup Water Heater Water Heater tampak dari bawah Water Heater tampak dari luar Gambar 3.8 Alat pembengkok dan pemotong pipa XIII
Gambar 3.9 Lengkungan pipa dan sirip Gambar 3.10 Pipa tembaga sebelum dipotong Gambar 3.11 Pemotongan pipa tembaga untuk sirip Gambar 3.12 Pipa tembaga setelah dipotong Gambar 3.13 Pipa tembaga setelah dipotong dan diluruskan Gambar 3.14 Tabung bagian luar Gambar 3.15 Tabung bagian dalam sebelum dibentuk Gambar 3.16 Tabung bagian dalam Gambar 3.17 Penutup bagian atas Gambar 3.18 Lubang saluran udara Gambar 3.19 Water Heater Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Skema rangkaian alat Tabung gas Termokopel, kalkulator, alat tulis, dan kompor Gelas ukur Gambar 5.1 Hubungan debit air dengan suhu air keluar pada suhu air input 27 C Gambar 5.2 Hubungan debit air dengan laju aliran kalor yang diperlukan pada suhu air input 27 C Gambar 5.3 Hubungan debit air dengan efisiensi water heater yang diperlukan pada suhu air input 27 C XIV
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Daya pemanasan dan efisiensi alat masak dengan gas LPG dan bahan bakar lainnya. Tabel 2.2 Komposisi udara dalam keadaan normal Tabel 2.3 Konduktifitas termal beberapa media Tabel 5.1 Hasil pengujian pemanas air Tabel 5.2 Perhitungan mair dan qair XV
DAFTAR NOTASI m = Massa kg r = Jari-jari atau jarak, m d = Diameter, m ΔT = Perubahan temperatur, C q air = Laju aliran kalor yang diterima air watt q gas = Laju aliran kalor yang diberikan gas watt k = Konduktifitas termal, W/m. o C u m = Kecepatan air rata-rata fluida mengalir kg/s m gas = Debit gas kg/s c air = Kalor jenis air J/kg. o C c gas = Nilai kalor jenis elpiji J/kg T i = Suhu air masuk water heater o C T o = Suhu air keluar water heater o C m air = Debit air liter/menit ρ = massa jenis fluida yang mengalir kg/m 3 η = Efisiensi Water heater % XVI
BAB I PENDAHULUAN 1.1. LATAR BELAKANG Saat ini air hangat sudah menjadi salah satu kebutuhan yang diperlukan dalam kehidupan masyarakat, dimana orang-orang kota yang berkecukupan, anak kecil, orang yang sudah lanjut usia membutuhkan air hangat untuk keperluan mandi. Air hangat juga dibutuhkan untuk para karyawan atau pekerja yang pulang di malam hari di rumah, untuk memulihkan kelelahan akibat bekerja. Air hangat juga sangat dibutuhkan oleh orang-orang yang tinggal di daerah pegunungan, karena suhu di daerah pegunungan lebih dingin dibandingkan di dataran rendah. Kemudian dibidang perhotelan air hangat dipergunakan sebagai salah satu fasilitas yang disediakan untuk orang yang menginap di hotel. Selain itu,air hangat juga dipergunakan di rumah sakit, untuk memandikan orang-orang yang sedang sakit. Ada tiga macam jenis water heater antara lain water heater menggunakan tenaga Sinar Matahari atau lebih di kenal dengan sebutan solar cell, tenaga gas dan tenaga listrik. Water heater dengan Sinar Matahari (Solar cell), mudah diterapkan pada negara tropis karena memanfaatkan energi gratis dan tak terbatas dari panas matahari yang bersinar sepanjang tahun. Namun ada juga kekurangannya yaitu pemasangannya yang rumit (diletakkan di atas atap rumah) 1
dan kemampuanya bergantung pada banyaknya sinar matahari sehingga terbatas penggunaannya (volume air panas yang dapat dipergunakan). Bila terjadi cuaca yang tidak mendukung, water heater tidak dapat lagi digunakan terutama di daerah pegunungan dingin yang sedikit mendapatkan penyinaran matahari. Selain itu, apabila di lihat dari sisi ekonomi, water heater dengan menggunakan tenaga surya lebih mahal dibandingkan dengan water heater lainnya. Sedangkan untuk tenaga listrik, water heater ini sangat mudah di dapatkan di toko toko elektronik dan penggunaan water heater ini lebih praktis dibandingkan pemanas air dengan menggunakan tenaga surya. Namun ada juga kekuranganya yaitu apabila terjadi pemadaman listrik, maka water heater jenis ini tidak dapat digunakan dan tingkat perbaikan kerusakan sangat sulit, sehingga perlu menambah biaya yang cukup banyak tetapi hasil yang diharapkan tidak seperti yang diharapkan. Kemudian volume air panas yang dihasilkan juga tertentu, jika volume air panas yang dipergunakan sudah habis digunakan, maka jika ingin dipergunakan lagi,harus menunggu waktu water heater untuk memanaskan air lagi. Maka dari itu, jika dilihat dari sisi biaya, water heater dengan menggunakan tenaga listrik jauh lebih mahal dibandingkan water heater dengan menggunakan gas LPG. Water heater tenaga gas LPG, water heater jenis ini menggunakan bahan bakar gas untuk memanaskan air dan lebih menguntungkan dibandingkan dengan pemanas air tenaga listrik maupun water heater tenaga surya, karena konsep kerjanya yang mirip dengan penggunaan kompor gas di rumah maka 2
penggunaannya lebih mudah dibandingkan dengan water heater lainnya. Adapun keuntungan yang lainnya adalah air panas yang dipergunakan tidak terbatas, demikian juga jumlah orang yang ingin mandi air panas tidak terbatas. Selama air dapat mengalir, selama itu pula air panas dapat dihasilkan. Oleh karena itu, diperlukan suatu rancangan pemanas air berbahan bakar gas LPG yang nantinya dapat dihasilkan laju aliran perpindahaan kalor yang baik. Selain itu, dilihat dari sisi ekonomi, water heater jenis ini lebih murah dibandingkan dengan pemanas air lainnya. Kerugian dari pemanas air tenaga gas LPG, harus menjaga secara hati-hati agar tabung gas tidak mengalami kebocoran yang mengakibatkan bahaya ledakan. 1.2. TUJUAN a. Merancang dan membuat water heater b. Mendapatkan hubungan antara debit air yang mengalir dengan suhu air keluar water heater. c. Mendapatkan hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor d. Menghitung kalor yang diterima air dari water heater. e. Menghitung kalor yang diberikan gas LPG f. Menghitung efisiensi water heater. 3
1.3. BATASAN PERSOALAN a. Tinggi water heater : 90 cm, diameter : 25 cm, dengan panjang pipa tembaga : 20 m, dengan 2 lintasan. b. Banyaknya dinding plat : 2 lapis, plat lapis dalam mempunyai banyak lubang dengan diameter : 2 mm dengan jumlah 150 dan plat luar mempunyai banyak lubang dengan diameter : 1 cm (setinggi 25 cm) c. Bahan pipa tembaga dengan diameter : 0,9525 cm = 3/8 inch d. Pipa bersirip dengan jumlah sirip : 7 dan panjang sirip 50 cm e. Sirip dari pipa tembaga dengan diameter : 0,9525 cm 1.4. MANFAAT a. Memperluas pengetahuan tentang pembuatan water heater. b. Sebagai referensi bagi para pembuat water heater. c. Dapat digunakan oleh kalangan masyarakat luas. 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. DASAR TEORI 2.1.1 Saluran Air Pada umumnya saluran air berupa pipa. Ada beberapa pertimbangan dalam perancangan pipa saluran air. Pertama, hambatan pipa saluran air diusahakan kecil. Hambatan air ketika air mengalir di dalam saluran pipa diusahakan kecil. Oleh karena itu dalam pembuatan pipa saluran air diusahakan tidak mengalami pembelokan. Kalau terpaksa ada pembelokan, sudut pembelokan pipa diusahakan besar (misalnya lebih besar dari 90 o ), pembelokan diusahakan terjadi secara halus (misalnya pembelokan pipa dibuat melengkung dengan radius tertentu, atau dibuat melingkar-lingkar). Hal ini dimaksudkan agar daya pompa yang diperlukan untuk mendorong air kecil dan gesekan yang terjadi antara fluida dan pipa semakin kecil. Kehalusan permukaan saluran pipa bagian dalam juga dipilih yang baik. Semakin halus permukaan pipa bagian dalam, semakin kecil gesekan yang terjadi atau semakin kecil daya pompa yang diperlukan. Kedua, bahan pipa dipilih yang baik dalam memindahkan kalor. Bahan diusahakan mampu mengalirkan kalor konduksi yang besar, mampu memindahkan kalor yang diterima dari api ke fluida yang mengalir di dalam pipa. Tentu juga harus mempertimbangkan harga dari pipa saluran air. Terjangkau, tidak mahal, misalnya dengan mempergunakan 5
bahan dari alumunium atau tembaga. Semakin tinggi nilai konduktivitas termal bahan, semakin besar laju aliran kalornya. Ketiga, diameter pipa saluran air harus dipilih sedemikian rupa. Semakin kecil diameter pipa, semakin besar hambatan yang terjadi. Semakin kecil diameter ukuran pipa semakin besar daya pompa yang diperlukan. Disisi lain, semakin kecil diameter saluran, suhu air yang dihasilkan (suhu yang keluar dari water heater) akan semakin besar. 2.1.2 Sirip Fungsi sirip adalah untuk memperluas permukaan dari benda yang dipasangi sirip. Jika sirip dipasang di pipa saluran air yang akan dipanaskan, maka sirip akan dapat membantu pipa saluran air dalam menangkap kalor yang diberikan oleh nyala api dari kompor gas LPG. Semakin luas sirip yang akan dipasang di pipa saluran air, akan semakin besar kalor yang akan dipindahkan ke air. Dengan demikian pemasangan sirip akan berpengaruh terhadap suhu air keluar water heater. Pemilihan bahan sirip juga berpengaruh terhadap besarnya kalor yang dapat ditangkap. Semakin besar nilai konduktivitas termal bahan sirip, semakin besar kalor yang dapat ditangkap oleh sirip. 6
Gambar 2.1 grafik efisiensi sirip siku empat dan segitiga ( sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor) Gambar 2.2 grafik efisiensi sirip siku empat ( sumber: Holman, J.P, 1993, Perpindahan kalor) 7
2.1.3 Bahan Bakar Ada banyak jenis bahan bakar. Pada water heater jenis gas sebagian besar bahan bakarnya adalah Liquified Petroleum Gas (LPG). LPG di Indonesia dipasarkan oleh Pertamina dengan merek Elpiji. Ada tiga macam LPG yang diproduksi Pertamina antara lain, LPG untuk keperluan rumah tangga, LPG gas Propana dan LPG gas Butana. Dari ketiga jenis LPG, yang umum digunakan untuk water heater adalah LPG untuk rumah tangga, yang komposisinya adalah campuran antara Propana dan Butana. Komponen utama bahan bakar LPG(dari hasil produksi kilang minyak dan gas) adalah gas Propana ( C ) dan Butana ( C ) 3 H 8 4 H 10, dengan komposisi kurang lebih sesbesar 99 %, selebihnya adalah gas Pentana ( C H 5 12 yang dicairkan. Perbandingan komposisi Propana dan Butana adalah 30 : 70. LPG lebih berat dari udara dengan berat jenis sekitar 2,01 (dibandingkan dengan udara). Tekanan uap LPG cair dalam tabung sekitar 5 6,2 kg 2 cm ). Nilai kalori sekitar : 21.000 BTU/lb. zat mercaptan umumnya ditambahkan ke LPG untuk memberikan bau khas, supaya kalau terjadi kebocoran, dapat segera terdeteksi dengan cepat dan mudah. 8
sebagai berikut : Reaksi pembakaran Propana ( C ) 3 H 8 3 H 8, jika terbakar sempurna adalah C + 5 3 CO + 4 O + panas O2 2 H 2 Propana + oksigen karbondioksida + uap air + panas Menurut wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut setara dengan 46000000 J/kg atau 46MJ/kg. sebagai berikut : Reaksi pembakaran Butana ( C H 4 10 ),jika terbakar sempurna adalah 2 + 13 8 CO + 10 O + panas C H 4 10 O2 2 Butana + oksigen karbondioksida + uap air + panas H 2 Menurut wikipedia panas yang dihasilkan (LHV) reaksi tersebut hampir sama dengan Propana setara dengan 46 MJ/kg. Sebagai gambaran : Untuk menaikkan 1 gram air sebesar 1 C dibutuhkan energi sebesar 4,186 J. untuk menaikkan suhu 1 liter air dari suhu ruangan (30 C) akan dibutuhkan energi sebesar 293.020 J. pada tahap ini, air baru mencapai suhu 100 C dan belum mendidih. Diperlukan energi lagi sebesar 2257 J/gram air untuk merubah air menjadi uap. Pada kondisi udara luar, 1 kg Propana memiliki volume sekitar 0,543 3 m. Satu kg elpiji memiliki energi yang setara untuk mendidihkan air 90 L.Tabel 2.1 Menyajikan daya pemanasan dari 9
efisiensi alat masak LPG dengan bahan bakar gas. Terlihat bahwa efisiensi alat masak dengan gas LPG berkisar sebesar 60 %. Tabel 2.1 Daya pemanasan dan efisiensi alat masak dengan gas LPG dan bahan bakar lainnya. (Sumber: aptogaz.files.wordpress.com/2007/07/peranan-lpg-di-dapur-anda.pdf) Bahan Bakar Daya Pemanasan Efisiensi alat masak Kayu bakar 4.000 kkal/kg 15 % Arang 8.000 kkal/kg 15 % Minyak Tanah 11.000 kkal/kg 40 % Gas Kota 4500 kkal/m3 55 % Listrik 860 kkal/kwh 60 % L P G 11.900 kkal/kg 60 % Listrik 860(kkal/KWh) 60 % 2.1.4 Kebutuhan Udara Di dalam proses pembakaran memerlukan oksigen. Pada proses pembakaran bahan bakar untuk pemanas air dapat mempergunakan oksigen yang dapat diambil dari lingkungan (udara bebas). Aliran udara yang diperlukan harus disesuaikan dengan ukuran tabung pemanas air dan pipa yang digunakan dengan kata lain aliran udara yang diperlukan harus dikondisikan sedemikian rupa agar api yang diperlukan dalam proses pembakaran mendapatkan kebutuhan udara yang cukup. Kekurangan oksigen dapat mengakibatkan nyala api tidak sesuai dengan apa yang diinginkan. Kekurangan kebutuhan udara dapat menyebabkan kalor yang dipindahkan ke air kurang. Kelebihan oksigen juga mengakibatkan kecilnya panas yang dapat diserap oleh pipa. Bentuk api atau nyala api 10
diusahakan mampu memberikan kalornya secara efisien ke fluida air yang mengalir di dalam saluran pipa. Dengan kata lain, akan didapatkan suhu air keluar dari pemanas air kurang tinggi. Tabel 2.2 Komposisi udara dalam keadaan normal (Sumber : repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/16641/4/chapter %20I.pdf) No Udara Komposisi (%) 1 Nitrogen 78,1 2 Oksigen 20,93 3 Karbon dioksida 0,03 4 Gas lain 0,94 2.1.5 Saluran Gas Buang Hasil pembakaran bahan bakar akan menghasilkan gas buang. Gas buang yang dihasilkan berupa gas dan uap air yang keluar. Kemudian gas buang atau gas asap harus diberikan jalan untuk keluar dari water heater agar nyala api tidak terganggu. Perancangan gas buang harus mempertimbangkan besar kecilnya debit gas buang yang terjadi. Dalam perancangan saluran gas buang, diusahakan agar gas buang dapat mengalir keluar dengan lancar. Perlu diperhatikan juga, penempatan lubang keluar dari gas buang, harus dipilih sedemikian rupa agar tidak mengganggu pengguna dari water heater. Suhu gas buang akan menguntungkan jika suhu gas buang hampir sama dengan suhu udara atau tidak begitu besar perbedaannya antara suhu gas buang dengan suhu udara. 11
Semakin kecil perbedaan kalor yang diberikan sumber pemanas, maka semakin banyak kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu air. Oleh karena itu, dalam perancangan dan pembuatan saluran gas buang, diusahakan sedemikian rupa, sehingga tidak banyak energi yang terbuang secara percuma. Ukuran lubang dan posisi lubang keluaran sangat menentukan besarnya suhu gas asap yang keluar dari water heater. Perancangan saluran gas buang ternyata juga menentukan nyala api pembakaran yang dihasilkan. Jika saluran gas tidak terancang dengan baik, misalnya gas buang tidak dapat keluar, maka tekanan gas buang yang dihasilkan akan dapat menyebabkan api terdorong keluar dari ruang bakar. Api tidak berfungsi dengan baik untuk memanaskan air. Tentunya dalam perancangan ini dibutuhkan nyala api yang mampu memindahkan kalor yang besar ke dalam air. 2.1.6 Sumber Api Sumber nyala api dapat diambil dari kompor. Ada berbagai macam kompor dengan bentuk geometri dan bahan bakar kompor yang berbeda. Bahan bakar kompor juga menentukan titik nyala api. Ada kompor yang mampu memberikan api yang besar tetapi ada pula yang mampu memberikan api yang kecil. Pada kenyataanya setiap kompor menghasilkan bentuk api dan besar api yang khas. Semakin banyak api yang mampu dihasilkan kompor dan semakin banyak api yang mampu menyentuh sistem saluran pipa air dengan siripnya, tentu akan semakin besar kalor yang dapt dipindahkan ke dalam air melalui 12
saluran pipa air. Dengan catatan proses pembakaran yang terjadi dalam peralatan water heater berlangsung dengan sempurna. Berikut ini adalah contoh sumber api berbahan bakar gas LPG yang terdapat di pasaran, tersaji pada Gambar 2.3, Gambar 2.4, Gambar 2.5. Gambar 2.3 Kompor gas dengan regulator Savequam Gambar 2.4 Kompor gas tungku besar 13
Gambar 2.5 Kompor Quantum RT 2.1.7 Isolator Isolator diperlukan agar kalor hasil pembakaran bahan bakar tidak banyak keluar dari pemanas air. Oleh karena itu tabung dalam, dimana ruangan di dalam tabung dalam digunakan untuk proses pembakaran, maka sebaiknya permukaan sebelah luar dari tabung dalam diberi isolasi agar kalor hasil pembakaran tidak keluar. Ada banyak macam isolasi. Udara adalah salah satu isolator panas yang cukup murah dan mudah didapat. Jika dipergunakan udara sebagai isolator, maka pemasukan udara untuk keperluan pembakaran dapat melalui lubang lubang yang dibuat di dinding tabung dalam. 14
Tabel 2.3 Konduktifitas termal beberapa media (Sumber : http://www.scribd.com/doc/61109210/bab-ii-termal) Media Konduktifitas Termal (k) W/m.ºC Gabus 0,042 Wol 0,040 Kayu 0,08-0,016 Bata 0,84 Busa 0,024 Udara 0,023 2.1.8 Laju Aliran Kalor Laju aliran kalor yang diterima air ketika mengalir di dalam saluran pipa dapat dihitung dengan persamaan : ρ Gambar 2.6 Laju aliran kalor q air air air ( Ti To = m c )... (2.1) π. d ρ )u... (2.2) 4 2 m air = ( m 15
Pada persamaan (2.1) dan (2.2): q air : laju aliran kalor yang diterima air, watt m air : debit air, liter/menit c air : kalor jenis air, J/kg o C. T i : suhu air masuk water heater, o C T o : suhu air keluar water heater, o C. u m : kecepatan rata-rata fluida mengalir, m /s ρ : massa jenis fluida yang mengalir, kg/ m 3 d : diameter saluran, m 2.1.9 Laju aliran kalor yang diberikan gas Kalor yang diberikan gas dapat dihitung dengan persamaan. q gas = m gas c..(2.3) gas Pada persamaan (2.3) : m gas = masa gas elpiji yang terpakai (kg/s) c gas = nilai kalor jenis elpiji ( J/kg), (1kkal = 4186,6 J), tersaji pada Tabel 2.1 16
2.1.10 Efisiensi Efisiensi water heater dapat dihitung dengan persaman : qair η = x100%..(2.4) q gas Pada persamaan (2.4) : η : Efisiensi water heater (%) q air q gas : Laju aliran kalor yang diterima air, watt : Laju aliran kalor yang diberikan gas, watt 2.2. REFERENSI Kegiatan rekayasa dan pengembangan water heater untuk memenuhi kebutuhan masyarakat berkembang pesat. Water heater yang ditawarkan dipasaran bermacam macam misalnya, dari model bentuk, kapasitas air yang mengalir, dan juga sumber bahan bakar yang digunakan. Sumber bahan bakar yang digunakan dalam water heater misalnya, LPG, energi listrik, energi matahari, biogas, dan masih banyak lagi. Untuk kapasitas air per menit juga bervariasi, rata rata water heater yang dijual di pasaran berkapasitas 5 8 L/menit, biasanya digunakan dalam rumah tangga, sedangkan untuk kapasitas yang lebih besar biasanya digunakan dihotel. Referensi pembanding untuk pembuatan water heater bahan bakar gas LPG adalah water heater merk Modena seri GI-6,water heater Rinnai REU- 17
55RTB, dan water heater Heating Equipment JLG30-BV6 yang karakteristiknya adalah sebagai berikut : a. Gas water heater Modena GI-6 Gambar 2.7 Water heater Modena GI-6 Nama Produk Negara Pembuat : Modena : Italia Spesifikasi Model Warna Kapasitas maksimum Dimensi Luar Tipe Gas : GI-6 : Putih (GI-6), Inox (GI-6S) : 6 L/menit : 740 mm x 430 mm x 248 mm : NG LPG Temperatur maksimum : 65 C 18
b. Gas water heater Rinnai REU-55RTB Gambar 2.8 Water heater Rinnai REU-55RTB Nama Produk Negara Pembuat : Rinnai : Japan Spesifikasi Gas Input : 0,5 kg/jam Model : REU-55RTB Dimensi Luar : 369 mm x 290 mm x 138 mm Kapasitas Maksimum : 6 L/menit Temperatur Maksimum : ± 50 C Tipe Gas : LPG 19
c. Water heater Heating Equipment JLG30-BV6 Gambar 2.9 Water heater Heating Equipment JLG30-BV6 Negara Pembuat Nama Produk : China : Smales Spesifikasi Model : JLG30-BV6 Kapasitas maksimum : 6 L/menit Berat : 39 kg Dimensi Luar : 760 mm x 430 mm x 320 mm Tipe Gas : NG LPG Jangkauan Temperatur : 40 C - 80 C 20
BAB III RANCANGAN WATER HEATER 3.1 RANCANGAN WATER HEATER Gambar rancangan water heater dengan menggunakan bahan seng dan pipa tembaga. Disajikan pada Gambar 3.1 sampai Gambar 3.7. Gambar 3.1 memperlihatkan rancangan water heater, Gambar 3.2 memberikan informasi tentang lengkungan pipa dan diameternya, Gambar 3.3 memperlihatkan lengkungan pipa dan sirip tembaga yang sudah terpasang, Gambar 3.4 memperlihatkan tinggi lengkungan pipa dan sirip, Gambar 3.5 memberikan informasi tentang penutup bagian atas,gambar 3.6 memperlihatkan water heater tampak dari bawah dan Gambar 3.7 memperlihatkan tinggi water heater. Gambar 3.1 Rancangan water heater 21
Gambar 3.2 Lengkungan pipa Gambar 3.3 Lengkungan dan sirip water heater 22
Gambar 3.4 Sirip water heater Gambar 3.5 Penutup water heater 23
Gambar 3.6 Water heater tampak dari bawah Gambar 3.7 Water heater tampak dari luar 24
Cara Kerja dari water heater ini sebenarnya sangat sederhana yaitu sama seperti memasak air. Perbedaanya adalah terletak pada kondisi/keadaan air yang dipanaskan. Pada water heater, air yang dipanaskan mengalir secara terus menerus. Oleh karena itu, agar kalor yang dihasilkan kompor dapat diserap secara maksimal maka dipasang sirip-sirip tembaga. Telah diketahui bahwa siripsirip tembaga berfungsi sebagai penyerap panas dan mengalirkan panas yang diterima dari nyala api pada pipa tembaga. Pemilihan bahan tembaga sebagai sirip dan pipa tembaga sebagai media untuk aliran air berdasarkan nilai konduktor termal bahan (koefisien perpindahan kalor konduksi) yaitu tembaga murni memiliki harga k = 386 W/m C dan nilai ekonomimnya. Sebenarnya masih banyak bahan yang memiliki nilai konduktor termal lebih tinggi dibandingkan tembaga seperti emas dan perak. Akan tetapi jika dilihat dari segi ekonomi, tembaga lebih murah dibandingkan emas dan perak. Mekanisme perpindahan kalor yang terjadi pada water heater yaitu perpindahan kalor secara konduksi dan perpindahan kalor konveksi. Proses perpindahan kalor konveksi terjadi pada saat nyala api menyentuh sirip-sirip tembaga, kemudian, dari sirip-sirip tembaga panas yang diterima mengalir menuju pipa tembaga, proses ini disebut perpindahan kalor secara konduksi dan perpindahan panas secara konveksi terjadi dari pipa tembaga ke air yang mengalir. 25
3.2. PEMBUATAN WATER HEATER 3.2.1 Bahan water heater a. Pipa tembaga dengan diameter 0,9525 cm sebagai saluran air b. Kawat besi sebagai pengikat sirip tembaga c. Seng sebagai body water heater 3.2.2. Sarana dan alat-alat yang digunakan Sarana dan alat-alat yang digunakan untuk proses pembuatan pemanas air ini adalah: a. Mesin bor, digunakan untuk membuat lubang saluran udara yang berada di sisi luar tabung. b. Alat penekuk plat, digunakan untuk menekuk lempengan seng. c. Palu, digunakan saat membuat lubang saluran udara dibagian tabung dalam. d. Gunting, digunakan untuk memotong seng. e. Tang, digunakan saat memasang sirip pipa tembaga dengan lengkungan pipa tembaga. f. Obeng (-, +), untuk mengencangkan selang yang dipasang di saluran masuk dan keluar. g. Penggaris, digunakan saat menggaris agar lebih mudah saat memotong seng. h. Paku, digunakan untuk membuat lobang saluran udara di tabung dalam. i. Kawat besi, mengikat atau menyambungkan pipa tembaga dengan lengkungan pipa. j. Jangka, untuk membuat lingkaran pada seng sebelum dipotong. 26
k. Alat pembengkok, untuk membengkokkan pipa. l. Alat pemotong, digunakan dalam pembuatan sirip untuk memotong pipa tembaga. 3.2.3. Langkah-langkah pengerjaan 3.2.3.1 Persiapan Sebelum memulai pembuatan water heater, terlebih dahulu harus melakukan persiapan yaitu : a. Menyiapkan rancangan water heater Dalam merancang pembuatan desain water heater dapat dilakukan dengan menggambar instalasi tersebut dengan gambar tangan atau menggunakan software-software yang mendukung. b. Menyiapkan alat-alat dan bahan Setelah rancangan water heater sudah selesai maka, kita dapat menentukan bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan water heater lalu kemudian, membelinya. c. Menyiapkan keperluan lainnya Membeli alat-alat lainnya selain alat yang digunakan untuk membuat pemanas air dan meminta izin atas peminjaman alat di laboratorium. 3.2.3.2 Pengerjaan Dalam pelaksanaan pembuatan water heater banyak hal-hal yang harus dilakukan yaitu : 27
a. Melengkungkan pipa Dalam membengkokkan pipa tembaga agar dapat berbentuk spiral maka digunakan mesin roll atau alat pembengkok(manual) untuk membengkokkannya. Jika dalam proses membengkokkan pipa tembaga secara manual maka hasil yang diperoleh kadang tidak sesuai dengan apa yang kita inginkan dan kemungkinan pipa tersebut bisa rusak bahkan patah. Gambar 3.8 Alat pembengkok dan pemotong pipa 28
Gambar 3.9 Lengkungan pipa dan sirip 29
b. Memotong pipa tembaga Memotong pipa tembaga sesuai dengan ukuran yang telah dirancang sebelumnya. Gambar 3.10 Pipa tembaga sebelum dipotong 30
Gambar 3.11 Pemotongan pipa tembaga untuk sirip 31
Gambar 3.12 Pipa tembaga setelah dipotong 32
Gambar 3.13 Pipa tembaga setelah dipotong dan diluruskan 33
c. Membuat tabung Bahan yang digunakan dalam pembuatan tabung adalah seng. Gambar 3.14 Tabung bagian luar. 34
d. Membuat tabung bagian dalam Plat yang digunakan sebagai penutup bagian dalam adalah seng. Tabung bagian dalam ini berfungsi sebagai isolator agar panas yang dihasilkan itu tidak hilang ke samping. Gambar 3.15 Tabung bagian dalam sebelum dibentuk 35
Gambar 3.16 Tabung bagian dalam 36
e. Membuat penutup bagian luar bagian atas Bahan yang digunakan untuk membuat penutup bagian atas masih sama yaitu menggunakan seng. Fungsi dari penutup atas ini adalah sebagai penutup saja dan apabila nanti jika dalam percobaan suhu yang dihasilkan tidak sesuai dengan apa yang di inginkan maka penutup bagian atas ini dapat dilepas agar suhu naik. Gambar 3.17 Penutup bagian atas. 37
f. Membuat saluran udara Dalam proses pembakaran sangat diperlukan oksigen, oleh karena itu maka dibuatlah lubang saluran udara, agar kalor yang dihasilkan bisa lebih maksimal. Selain itu, lubang ini juga berfungsi sebagai saluran gas buang. Gambar 3.18 Lubang saluran udara g. Pemasangan kompor Pada pemasangan kompor ini, hanya proses penginstalan kompor dan tungkunya saja disesuaikan. Sehingga bentuk dari kompor tidak banyak mengalami perubahan hanya bagian belakang kompor dipotong untuk mengurangi ukuran atau besar dari kompor. 38
3.3. HASIL PEMBUATAN disatukan. Gambar 3.19 memberikan informasi tentang water heater yang sudah Gambar 3.19 Water heater 3.3.1. Kesulitan dalam pengerjaan a) Pembuatan tabung seng dimana penyambungan seng ini harus dipatri, dan hanya orang ahli dibidang patri yang biasa membuatnya. b) Pembentukan pipa spiral, dimana kami mengalami kesulitan pada saat melengkungkan pipa agar berbentuk spiral. 39
BAB IV METODOLOGI PENELITIAN 4.1. SKEMATIS PENGUJIAN Skematis pengujian pada water heater telah tergambar dan dijelaskan pada Gambar 4.1. Gambar 4.1 Skema rangkaian alat Untuk mengalirkan air menuju alat water heater diperlukan adanya air dan kran. Kran digunakan sebagai pengatur jumlah debit air yang digunakan untuk mengaliri water heater. LPG digunakan sebagai bahan bakar kompor untuk 40
memanasi air yang mengalir di dalam water heater. Untuk mengukur suhu air masuk ( input ) dan suhu air keluar menggunakan termokopel digital. 4.2.VARIASI PENELITIAN Variasi dilakukan terhadap besar kecilnya debit air yang masuk ke dalam pemanas air dengan debit gas yang konstan pada pemanas air. 4.3. PERALATAN PENGUJIAN 4.3.1 Alat alat yang digunakan a. Thermokopel, sebagai alat pengukur suhu fluida yang keluar. b. Kompor dan gas LPG, sebagai pengatur debit gas sekaligus menjadi penyuplai kalor. c. Kran, sebagai pengatur debit air. d. Selang air, sebagai penyambung dari kran ke pipa tembaga masuk water heater. e. Mur dan baut / kawat, sebagai pegunci. f. Selang karet, sebagai penyambung dari gas ke kompor. g. Kalkulator dan alat tulis,digunakan untuk menulis dan mengolah data. h. Penyangga,sebagai tumpuan water heater. i. Stopwatch, sebagai penunjuk waktu. j. Gelas ukur, sebagai tempat penampung fluida dan juga pengukur banyaknya air permenit. 41
Gambar 4.2 Tabung gas Gambar 4.3 Termokopel, kalkulator, alat tulis dan kompor 42
Gambar 4.4 Gelas ukur 43
4.4. CARA MEMPEROLEH DATA Data debit air diperoleh dengan mengukur debit air yang mengalir mempergunakan gelas ukur dan stopwatch. Banyaknya air yang mengalir setiap menit dicatat setiap ada perubahan debit. Pengukuran suhu air dilakukan dengan memasang termokopel pada sisi keluar water heater. Suhu air dicatat setiap ada perubahan debit air. 4.5. CARA MENGOLAH DATA Dengan data-data yang diperoleh, maka data dapat diolah. Data - data kemudian dipergunakan untuk mengetahui a. Hubungan antara debit air dengan suhu air keluar dari water heater. b. Hubungan antara debit air dengan laju aliran keluar water heater. Perhitungan laju aliran kalor dilakukan dengan mempergunakan persamaan (2.1). Untuk memudahkan mendapatkan kesimpulan data-data disajikan dalam bentuk grafik. 4.6. CARA MENYIMPULKAN Persamaan hubungan antara debit air dengan suhu air dari pemanas air dapat dilakukan dengan mempergunakan fasilitas dari Microsoft Excel. 44
BAB V KARAKTERISTIK WATER HEATER 5.1 HASIL PENGUJIAN Hasil pengujian pemanas air, yang meliputi : debit air, suhu air masuk T i, suhu air keluar T o disajikan pada Tabel 5.1. Pengujian dilakukan pada kondisi tekanan udara luar. Aliran gas pada kompor gas diposisikan pada posisi maksimum. Air yang dipergunakan, adalah air kran. Tabel 5.1 Hasil Pengujian Pemanas Air Debit air Suhu air masuk Suhu air keluar No (liter/menit) T( C) T( C) ΔT ( C) 1 14 27 45 18 2 12 27 50,2 23,2 3 10,2 27 57,8 30,8 4 9 27 60,2 33,2 5 7,8 27 65,5 38,5 6 7 27 69,8 42,8 7 5,8 27 75 48 8 5 27 78,9 51,9 9 4,4 27 85 58 10 2,8 27 99,9 72,9 5.2. PERHITUNGAN Perhitungan kecepatan air rata rata u m, laju aliran massa air m dan laju aliran kalor q yang diserap air dilakukan dengan mempergunakan data data seperti tersaji pada Tabel 5.1. Data lain yang dipergunakan adalah : Jari jari pipa saluran (r) : 0,004765 m Massa jenis air (ρ) : 995,8 kg/m 3 Kalor jenis air (cp) : 4179 J/(kg o C) 45
Debit gas (mgas) : 0,8 kg/30 menit 5.2.1. Perhitungan Kecepatan air rata rata u m Perhitungan kecepatan air rata rata u m yang mengalir di dalam saluran pipa air mempergunakan persamaan : debit air debit air u m = = m / s 2 luas penampang pipa πr..(5.1) Sebagai contoh perhitungan, untuk debit air = 14 liter/menit. (data lain pada Tabel 5.1). Satuan debit air dijadikan dalam satuan m 3 /s. 3 ( 14 x10 ) 3 14 liter m 3 debit air = = = 0.000233 m / s menit ( 60 s)......(5.2) Kecepatan air rata rata u m : u m debit air = π 2 r...(5.3) u m 0,000233 m = 3,14 x0,004765 = 3,2 m / s 3 / s m 2 2 Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.2. 5.2.2.Perhitungan laju aliran massa air, mair Perhitungan laju aliran massa air m di dalam saluran pipa air mempergunakan persamaan berikut : m air = ( massa jenis )( luas penampang )( kecepa tan air ) = ρ ( πr 2 )( ) u m...(5.4) 46
Sebagai contoh perhitungan, untuk debit air = 14 liter/menit. (data lain pada Tabe 5.1) 2 ( 1000)( 3.14x0,004765 )( 3,2728) kg s m air = / = 0,233 kg / s Hasil perhitungan untuk data yang lain, secara lengkap disajikan pada Tabel 5.2. 5.2.3. Perhitungan laju aliran kalor yang diterima air Perhitungan laju aliran kalor yang diserap oleh air di dalam saluran pipa mempergunakan persamaan : q = ( debitair )( kalor jenis air )( T T ) watt air out ni = m. c air air ( T T ) watt out in...(5.5) Sebagai contoh perhitungan, untuk debit air = 14 liter/menit. (data lain pada Tabel 5.1) q = ( 0,232)( 4179 )( 45 27) air = (969,528 )(18) watt = 17551,8watt Catatan : 1 watt = J/s 5.2.4. Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan gas Perhitungan laju aliran kalor yang diberikan oleh gas di luar saluran pipa mempergunakan persamaan : q = ( debitgas )( kalor jenis gas )watt gas...(5.6) q = (0,8 /(30.60 )).(11900.4186,6) gas 47
= 22142,46watt 5.2.5. Efisiensi Perhitungan Efisiensi kompor gas dapat menggunakan persamaan : η = q q air gas x100%....(5.7) η = 17551,8 22142,46 x100 % = 79,26 % Hasil perhitungan lain untuk data yang lain secara lengkap disajikan pada Tabel 5.2 Tabel 5.2 Perhitungan mair dan qair Suhu air masuk T( C) Suhu air keluar ( C) m air No Debit air (liter/menit) ΔT ( C) (kg/s) Um (m/s) qair (watt) Efisiensi 1 14 27 45 18 0,233 3,2 17551,8 79,26 2 12 27 50,2 23,2 0.2 2,8 19390,56 87,57 3 10,2 27 57,8 30,8 0,17 2,3 21881,24 98,82 4 9 27 60,2 33,2 0,15 2,1 20811,42 93,98 5 7,8 27 65,5 38,5 0,13 1,8 20915,9 94,46 6 7 27 69,8 42,8 0,12 1,6 20867,14 94,24 7 5,8 27 75 48 0,09 1,3 19390,56 87,57 8 5 27 78,9 51,9 0,08 1,1 18074,18 81,62 9 4.4 27 85 58 0,07 1,02 17774,68 80,27 10 2,8 27 99,9 72,9 0,05 0,6 14216,96 64,20 Dari Tabel 5.2 Hubungan debit air dengan suhu air yang keluar dapat di buat dan hasilnya disajikan pada Gambar 5.1. Hubungan antara debit air dengan laju aliran kalor pemanas air dapat dibuat dan hasilnya disajikan dalam bentuk grafik pada 48
Gambar 5.2. Gambar 5.3 memberikan informasi tentang hubungan efisiensi water heater dengan debit air. suhu air keluar(tout ), C 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 Tout= 0,297 7mair 2-9,566mair + 121,,9 R² = 0,9900 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Debit air (mair ), liter/menit Gambar 5.1 Hubungan debit air dengan suhuu air keluar pada suhu air input 27 C 250000 Jumlah kalor (qair),watt 200000 150000 100000 50000 air = -171.9mair 2 + 3154.mair + 6873. R² = 0.967 qa 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Debit air (mair), liter/menit Gambar 5.2 Hubungan debit air suhu air input 27 C dengan laju aliran kalor yang diperlukan pada 49
110 100 90 Efisiensi (η), % 80 70 60 50 40 30 20 10 1 2 3 η = -0,776mair 2 + 14,24mair + 31,04 R² = 0,967 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Debit air (mair),liter/menit Gambar 5.3 Hubungan debit air dengan efisiensi water heater yang diperlukan pada suhu air input 27 C Pembahasan : Dari Gambar 5..1, dapat diperoleh informasi bahwa debit air berpengaruh terhadap suhu keluar dari water heater. Semakin besar debit air, suhu air yang keluar semakin rendah. Hubungan tersebutt dinyatakan dengan persamaan, T out = 0,297 m 2 9,566 m + 121,,9 R² = 0,990 air 6 air Persamaan tersebut, berlaku untuk 2,8 liter/menit < m <1 4 liter/menitt pada tekanan udara luar saat itu (sekitar 1 atm) dan pada suhuu air masuk 27 C. Hasil rancangan water heater yang telah dibuat dapat bersaing dengan water heater yang berada di pasaran. Water heater yang dibuat mampu menghasilkan suhu air 50
air keluar sebesar 45 C pada debit : 14 liter/menit. Dipasaran water heater dengan debit 6 liter/menit, suhu air keluar dari water heater berkisar antara 40-80 C. produk lain mampu menghasilkan suhu air keluar : 50 C dan ada juga yang mencapai 65 C dengan debit yang sama. Dari Gambar 5.2 nampak bahwa besarnya laju aliran kalor yang diterima air bergantung pada debit air yang mengalir. Semakin besar debit air yang mengalir, semakin besar laju aliran kalor yang diterima air (berlaku untuk debit < 9 liter/menit), tetapi setelah debit > 9 liter/menit, semakin besar debit air yang mengalir laju aliran kalor yang diterima semakin rendah. Hubungan antara laju aliran kalor q (dalam watt) dengan debit air (dalam liter/menit), dapat dinyatakan dengan persamaan : q = -171,9 m air air 2 + 3154 m + 6873. air R² = 0,967 Persamaan tersebut, berlaku untuk 2,8 liter/menit < m air < 14 liter/menit pada tekanan udara luar saat (sekitar 1 atm) dan pada suhu air masuk 27 C. nilai pada debit seteleh 10,2 liter/menit. q air paling tinggi Dari gambar 5.3 nampak bahwa besarnya efisiensi water heater bergantung pada debit air yang mengalir. Hubungan antara efisiensi water heater (dalam %) dengan debit air (mair dalam liter/menit), dapat dinyatakan dengan persamaan : 51
ƞ = -0,776 m air 2 + 14,24 m + 31,04 air R² = 0,967 Persamaan tersebut, berlaku untuk 2,8 liter/menit < m air < 14 liter/menit pada tekanan udara luar saat itu (sekitar 1 atm) dan pada suhu air masuk 27 C. Nilai efisiensi water heater berkisar antara : 64,2-98,82 %. Nilai efisiensi terbesar sebesar : 98,82 %. Efisiensi water heater yang dibuat tidak dapat mencapai 100 %. Hal ini disebabkan karena, adanya kalor hilang melalui radiasi, ataupun terbawa gas buang. Gas buang memiliki suhu yang lebih tinggi daripada udara luar ketika masuk water heater, juga adanya kalor yang terhisap oleh tabung, sehingga suhu tabung lebih tinggi dari keadaan awal. Untuk keperluan mandi pada umumnya suhu air yang di pergunakan sebesar 38-39 C (untuk orang dewasa). Jika mempergunakan water heater hasil rancangan, maka debit yang dihasilkan alat water heater lebih besar dari 14 liter/menit. 52
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 KESIMPULAN Dari penelitian yang dilaksanakan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : a. Water heater dapat dibuat dengan baik dan mampu bersaing dengan water heater yang ada di pasaran. Pada debit aliran : 14 liter/menit dan dengan suhu air yang keluar sebesar 45 C b. Hubungan antara debit air yang masuk dengan temperatur air yang mengalir dinyatakan dengan persamaan : T out = 0,297 m 2 9,566 + 121,9 ( dalam liter/menit, dalam C ) air mair mair Tout R² = 0,990 Persamaan ini berlaku untuk debit 2,8 liter/menit < m air < 14 liter/menit, pada tekanan udara luar (sekitar 1 atm) dan pada suhu air masuk 27 C. c. Hubungan antara debit air yang masuk dengan laju aliran kalor yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan : q air m = -171,9 air 2 m + 3154 air m + 6873 ( air dalam liter/menit, qair dalam watt) 53
R² = 0,967 Persamaan ini berlaku untuk debit 2,8 liter/menit < m air tekanan udara luar (sekitar 1 atm) dan pada suhu air masuk 27 C. <.14 liter/menit, pada d. Kalor yang diterima air dari water heater berkisar antara: 17551,8 14216,96 watt. Jumlah kalor terbesar sebesar : 17551,8 watt. e. Kalor yang diberikan gas LPG sebesar : 22142,46 watt. f. Hubungan antara debit air yang masuk dengan efisiensi water heater yang diperlukan dinyatakan dengan persamaan : ƞ = -0,776 m air 2 + 14,24 m + 31,04 ( m dalam liter/menit, ƞ dalam % ) air air R² = 0,967 Persamaan ini berlaku untuk debit 2,8 liter/menit < m air tekanan udara luar (sekitar 1 atm) dan pada suhu air masuk 27 C. <.14 liter/menit, pada 6.2 SARAN Adapun beberapa saran yang dapat menjadikan pengembangan dan perbaikan pembuatan pemanas air : a. Pemilihan bahan dalam pembuatan water heater sangat berpengaruh pada hasil yang diperoleh. bahan dengan kondiktivitas termal tinggi mampu memindahkan kalor dengan baik. 54
b. Bentuk sirip berpengaruh terhadap hasil yang diperoleh. kontruksi atau bentuk sirip dirancang sedemikian rupa sehingga optimal dalam memindahkan kalor dari api ke fluida air c. Besar lubang keluar gas buang berpengaruh terhadap hasil yang diperoleh. Perancangan yang tepat akan memberikan hasil yang optimal d. Pemilihan diameter dan panjang pipa berpengaruh terhadap hasil yang diperoleh. Pilih sesuai dengan kebutuhan e. Kebutuhan udara berpengaruh terhadap besarnya laju aliran kalor. Rancang sedemikian rupa agar kebutuhan udara mampu memberikan proses pembakaran bahan baku yang sempurna. 55
DAFTAR PUSTAKA Holman, J.P, 1993, Perpindahan Kalor, Edisi Keenam, Erlangga: Jakarta Anonim, aptogaz.files.wordpress.com/2007/07/peranan-lpg-di-dapur-anda.pdf) diakses pada tanggal 5 Juli 2012 Anonim,http://www.tokowaterheater.com/,diakses pada tanggal 02 juli 2012 Anonim,http://www.sinarelectric.com/WATER%20HEATER/Water%20Heater%20RINNAI%20REU-55.htm, diakses pada tanggal 02 juli 2012 Anonim,http://teknindogas.wordpress.com/2010/05/25/kompor-gas-tungku-besar-rp- 300-000/, diakses pada tanggal 18 Juli 2012 Anonim,http://lpg-3kg.blogspot.com/,diakses pada tanggal 18 Juli 2012 Santoso,A.U,2003, Diktat Teknik Pembakaran, Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma: Yogyakarta 56
LAMPIRAN Beberapa Tabel dan Daftar ( sumber: Holman. J.P. 1993. Perpindahan kalor ) 57
58
59
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 60