BAB I PENDAHULUAN 1. Latar Belakang Penukar kalor adalah alat alat yang digunakan untuk mengubah temperatur fluida atau mengubah fasa fluida dengan cara mempertukarkan kalornya dengan fluida lain. Kalor yang dapat dipindahkan diantara fluida tersebut, besarnya sangat bergantung pada kecepatan fluida, arah alirannya, sifat sifat fisik fluida, kondisi permukaan dan luas bidang perpindahan panas, serta beda temperatur diantara kedua fluida. Secara umum perpindahan panas didominasi oleh konveksi dan konduksi dari fluida panas ke fluida dingin, dimana keduanya dipisahkan oleh dinding. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri heat exchanger dan tiga bilangan tak berdimensi, yaitu bilangan Reynold, bilangan Nusselt dan bilangan Prandtl fluida. Besar konveksi yang terjadi dalam tiap jenis heat exchanger untuk beda temperatur yang sama harganya berbeda. Sedang besar ketiga bilangan tak berdimensi tersebut tergantung pada kecepatan aliran serta properti fluida yang meliputi massa jenis, viskositas absolut, panas jenis dan konduktivitas panas. Besar kecepatan aliran menentukan jenis aliran, yaitu aliran laminer atau turbulen. Salah satu cara yang ditempuh untuk meningkatkan efisiensi thermal adalah dengan mengunakan Alat Penukar Kalor. Adapun beberapa jenis alat penukar kalor yang digunakan adalah superheater, ekonomizer, water heater, kondensor, heat exchanger dan lain sebagainya. Contoh yang banyak digunakan saat ini dalam industri ataupun di perumahan adalah water heater. Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 1
Water heater merupakan seperangkat peralatan yang prosesnya menggunakan konsep thermodynamic, memanfaatkan sumber energi untuk memanaskan air yang hendak dialirkan sesuai temperatur yang yang telah diset sebelumnya. Secara awam, untuk memperoleh air panas, manusia perlu memanaskan air secara tradisional dengan ketel, panic dan sejenisnya sebagai alat water heater. Wadah-wadah yang terbuat dari besi ini dipanaskan oleh api lalu menyalurkan energi panasnya ke air yang terdapat didalamnya. Kekurangan water heater tradisional tersebut adalah tidak dapat menyuplai air panas secara kontinyu, karena suhu air akan menurun seiring tingkat konsumsi air dan tingkat suhu wadah. Hingga seiring perjalanan waktu dan perkembangan teknologi, orang-orang tidak perlu memasak air untuk memperoleh air panas. Dengan kata lain bisa memperoleh air panas secara instan. Semuanya berkat penemuan mesin water heater. Berawal dari seorang pelukis asal London, Inggris, Benjamin Waddy Maughan, pada tahun 1868. Maughan menemukan water heater dosmetik instan persama yang tidak menggunakan bahan bakar, alias tidak perlu masak di kompor. Ia menamai penemuannya ini Geyser, sebuah alat water heater yang bekerja secara manual. Artinya air dingin ditempatkan di bagian atas wadah berupa tabung yang juga diisi jaringan kawat-kawat tipis sebagai pengantar panas, di mana bagian bawahnya diletakan sebuah alat pemanas berbahan bakar gas. Air panas kemudian langsung mengalir ke bak mandi tanpa ada perantara. Di Inggris, water heater masih saja disebut-sebut geyser. Penemuan Maughan kemudian menjadi inspirasi untuk pengembangan water heater karya seorang ahli teknik asal Nowergia, Edwin Rudd. Saat itu ia memutuskan untuk berimigrasi ke Amerika, tepatnya ke ke Pittsburgh, Pennsylvania. Di kota itu ia menemukan blue print atau cetak biru water heater instans pertama buatan Maughan. Lalu Rudd Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 2
mengembangkan penemuan ini menjadi mesin water heater otomatis. Akhirnya ia berhasil membuat sebuah water heater otomatis pertama di sekitar tahun 1889. Mesin ini berupa wadah berbentuk tengki penyimpanan air yang suhu airnya bisa diatur secara mekanis dan di distribusikan melalui pipa penyaluran air. Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 3
BAB II TEORI DASAR 2.1 Jenis-jenis Water Heater Dewasa ini water heater sudah semakin berkembang, dan sudah banyak sekali sistem yang di pakai dan bahan baku yang semakin baik dari ke hari. Hal ini demi kepuasan konsumen yang mengharapkan water heater terbaik untuk mereka. Di bawah ini adalah beberapa tipe - tipe water heater yang beredar di masyarakat saat ini. 1. Water Heater Listrik ( electric water heater ) Seperti namanya water heater ini menggunakan listrik sebagai energi utama untuk memanaskan air. Electric Water Heater terdiri dari 2 ( dua ) tipe yaitu : a. Instan Electrik Water Heater b. Water Heater Listrik dengan Penampungan. Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 4
Pada jenis ini tenaga untuk memanaskan air diperoleh dari listrik di rumah yang memanaskan komponen pemanas yang ada pada unit, selain itu terdapat juga tangki atau tabung air untuk memanaskan air, diperlukan waktu untuk memanaskan air yang ada di dalam tangki ini.. Pada water heater listrik, air yang keluar dari keran atau shower dapat langsung digunakan. Beberapa hal yang perlu diperhatikan sebelum menggunakan water heater jenis ini adalah tersedianya alat pengaman listrik. Selain itu, agar pemakaian listrik tidak terlalu boros, thermostat water heater dapat diatur agar tidak terlalu panas sehingga water heater tidak bekerja terus-menerus. Untuk menghindari resiko tersengat listrik, sebaiknya memasang anti kontak pada water heater jenis ini. 2. Solar Water Heater ( SWH ) Solar Water Heater adalah pemanas air yang memanfaatkan energi matahari yang gratis. Pada tahun 1970 dan 80an, Energi Matahari pertama kali muncul sebagai energi alternatif yang potensial dan menjadi sumber energi baru yang bisa menjadi pilihan. Sebelumnya, sudah banyak sumber pemanas tradisional seperti bahan bakar minyak, gas alam, batubara, kayu, dan listrik. Sayangnya, generasi pertama kolektor surya yang mahal dan tidak efisien membuatnya kurang diminati. Dalam dekade berikutnya beberapa perusahaan dalam Industri Energi Matahari kembali bekerja, berusaha untuk membuat lebih efisien, lebih terjangkau, dan lebih efektif. Biaya pemanas air surya yang murah tidak hanya akan menjadi alternatif untuk sumber pemanas tradisional, tetapi akan mampu menggantikan sebagian besar kebutuhan Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 5
pemanasan, menurunkan ketergantungan dunia terhadap sumber energi non-terbarukan, yang tidak dapat diganti setelah mereka habis. Sekarang ini, ada tiga jenis utama dari Solar Water Heaters yang tersedia. Penggunaan kolektor adalah untuk membuat water heater lebih efisien dan efektif daripada para pendahulu mereka, dan sangat cocok untuk sejumlah aplikasi seperti instalasi perumahan kecil dan pemanas kolam renang. Ketiga kolektor antara lain Kolektor surya Tube, Kolektor Surya Plat Datar, dan kolektor surya Unglazed. Kolektor surya tube (tabung) ini biasanya yang paling mahal dari Kolektor Solar Thermal. Desain unik dari tabung kolektor membuat mereka sangat efisien dalam mengumpulkan dan mentransfer energi panas untuk air panas di rumah Anda. Karena desain yang unik, Kolektor ini tidak seperti Kolektor Plat Datar, yang beroperasi pada efisiensi tinggi di awal dan di kemudian hari dibandingkan dengan teknologi surya lain, dan selama musim dingin ketika hari-hari lebih pendek. Hal ini membuat Kolektor Tabung Surya jauh lebih efektif biaya dalam iklim dan lokasi. Kolektor Surya Plat Datar, jenis ini biasanya lebih murah daripada Kolektor Tabung Surya, tetapi dalam cuaca iklim yang lebih hangat (iklim selatan) bisa digunakan, tetapi tidak lebih efisien dan hemat biaya. Kolektor Surya Plat Datar tidak terlalu beku dilindungi, dan seperti Solar Panel untuk PV Energi yang membutuhkan sinar matahari untuk langsung menyinari dengan sudut 90 0, mungkin agar dapat beroperasi dengan efisiensi yang layak. Karena faktor ini, Kolektor Surya Plat Datar khususnya menjadi tidak efektif selama bulan-bulan musim dingin di utara, dimana iklim dingin adalah Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 6
masalah, hari-hari sangat pendek, dan matahari berada pada sudut yang sangat rendah setiap hari. Namun, dalam iklim selatan di mana musim dingin yang ringan, hari-hari tetap panjang, dan matahari tetap pada sudut yang relatif tinggi, sangat bagus digunakan karena menurunkan biaya awal mereka. Kolektor Plat Datar Surya adalah salah satu Pemanas Solar Water paling efektif yang tersedia. Kolektor surya Unglazed, kolektor ini secara khusus dirancang untuk pemanasan kolam renang. Kolektor ini efektif untuk pemanasan kolam renang karena memiliki suhu rendah dan volume tinggi pemanas. Kolektor ini termasuk kolektor yang memiliki biaya terendah dari semua Pemanas Air Surya, biayanya di bawah $200 per kolektor, dan umumnya terbuat dari tabung fleksibel seperti bahan yang hanya dapat digulung dan dipasang langsung ke atap, pagar, atau tanah dalam hitungan menit. Kolektor ini sangat efisien dan kuat di semua wilayah di Amerika Serikat selama musim panas, tetapi tidak berlaku untuk cuaca musim dingin yang memiliki kendala seperti banyaknya salju, es, dan suhu beku. Sering timbul salah pengertian dengan Pemanas air tipe solar water ini. Banyak yang menganggap energi panas matahari di tangkap lalu di simpan di batere yang akan di gunakan untuk memanaskan air di dalam tangki. Padahal dari semua water heater yang beredar justru tipe ini yang paling sederhana cara kerjanya. Air dingin yang mengalir justru langsung di panaskan matahari di kolektor lalu di simpan di tangki sampai akhirnya dipergunakan. Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 7
3. Air Conditioning Water Heater ( ACWH ) Air Conditioner, yang lebih dikenal dengan AC adalah mesin penyejuk ruangan. Di dalam AC terdapat zat yang disebut refrigerant (freon). Zat ini mampu menyerap hawa panas/kalor yang ada di dalam ruangan dan dibuang ke luar. Pemanas air jenis ini adalah jenis pemanas yang memanfaatkan panas freon dari AC yang biasanya di buang. Freon yang panas dialirkan ke Heat Exchanger yang akan memanaskan air di tangki penampungan. Ketika masuk evaporator, freon berbentuk cair dan sangat dingin, hawa dingin freon ini yang dihembuskan ke dalam ruangan. Pada saat yang sama udara panas dari ruangan akan dihisap dari bagian blakakang evaporator sehingga keluar dari evaporator, freon tersebut akan naik suhunya. Ketika melewati kompresor, freon panas ini dimampatkan lagi sehingga tekanan dan suhunya naik, freon berubah menjadi gas. Masuk ke condensor, freon didinginkan kembali dengan menggunakan kipas. Agar kembali menjadi cair, tekanan freon harus diturunkan menggunakan expansion valve (katup ekspansi). 4. Heat Pump Water Heater Heat Pump Water Heater cara kerjanya tidak berbeda dengan ACWH, hanya saja di Heat Pump semua sudah menjadi satu kesatuan yang didesain untuk air panas, sedangkan ACWH memanfaatkan AC yang sudah ada, sehingga harus kita modifikasi untuk bisa di salurkan ke tangki penampungan. Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 8
5. Gas Water Heater Pemanas air ini menggunakan gas ( baik gas elpiji ataupun gas alam ) sebagai sumber energi untuk memanaskan air. Caranya dengan pembakaran seperti kompor gas. Pipa yang dalamnya mengalir air dingin langsung di panasi, sehingga air yang keluar langsung panas tanpa perlu di tampung terlebih dahulu. 6. Solar Rubber Pool Heating Pemanas air ini di desain untuk kolam renang dengan memanfaatkan panas matahari. cara kerjanya hampir sama dengan solar water heater, hanya untuk kolektor atau penangkap panas menggunakan panel karet ( polymer ) yang tahan terhadap chlor atau zat kimia kolam renang. sistem pemanasan ini tidak menggunakan tangki penampungan, justru kolam renang itu sendirilah sebagai tangki penampungan dan di sirkulasi langsung. 2.2 Komponen Water Heater a. Tabung Pemanas Stainless Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 9
Tabung stainless dipilih sebagai penampung air yang nantinya akan akan dipanaskan. Dipilihnya jenis stainless dengan alasan sebagai berikut : 1. Tahan karat, agar air yang digunakan tetap terjaga kehigienisannya. 2. Tahan terhadap suhu panas 3. Dapat menhan suhu panas, sehingga suhu air tidak cepat turun kembali b. Elemen Pemanas Elemen pemanas merupakan lilitan kawat yang digunakan untuk menghasilkan panas dengan mengkonversikan energi listrik menjadi energi kalor. Cepat atau lambatnya air yang dipanaskan tergantung dari panas yang dihasilkan oleh elemen panas ini. Semakin baik bahan yang digunakan dan semakin daya listrik yang digunakan, maka semakin cepat air untuk mencapai suhu tinggi. Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 10
c. Glasswool Glasswool digunakan untuk menghambat rambatan panas yang dihasilkan elemen pemanas ke casing. Glasswool ini ditempelkan pada permukaan luar tabung pemanas stainless agar panas tidak merambat ke tabung casingg, sehingga tabung casing tidak akan terasa panas bila disentuh. Glasswool terbuat dari campuran faberglas yang disusun menjadi sebuah tekstur mirip dengan wool. Namun ada juga glasswool dengan bahan lain yang mamiliki fungsi lain pula. d. Kertas Aluminium Foil Kertas alumunium foil digunakan untuk membungkus tabung pemanas yang telah dipasang glasswool. Hal ini ditujukan untuk menhan panas air yang telah dipanaskan agar tidak keluar secara langsung. Sehingga suhu air terjaga dalam waktu yang cukup lama. Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 11
Selain itu kertas alumunium juga untuk mencegah tetesan air agar tidak mengenai terminal sumber elemen panas. 2.3 Prinsip kerja Water Heater Water heater adalah suatu alat yang digunakan untuk memanaskan air dalam tabung pemanas. Kalor disini dihasilkan oleh elemen pemanas 1000W yang digunakan untuk memanaskan tabung stainless pemanas untuk mengkonveksi panas ke air. Menggunakan ELCB untuk mengamnakan jika terjadi arus bocor dan thermostat untuk mensetingsuhu yang diinginkan pada air. Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 12
Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 13
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan 1. Prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari 2 fluida pada temperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung. 2. Kolektor surya plat datar bias jadi pilihan paling bagus untuk digunakan sebagai water heater, disamping murah dan efisien juga mampu menghemat penggunaan energi listrik. 3. Kolektor surya plat datar tidak bisa digunakan kapan saja, karena pada musim dingin sinar dari matahari tidak maksimal diakibatkan cuaca dingin, dan juga factor lain misalnya jika banyak salju yang menempel pada plat surya. 4. Air Conditioner Water Heater adalah Pemanas Air yang memanfaatkan panas dari kompressor AC. 3.2 Saran Jika suatu rumah atau pabrik menggunakan AC, ada baiknya jika menggunakan Air Conditioner Water Heater. Karena hawa panas/kalor yang ada di dalam ruangan yang dibuang ke luar dapat dimanfaatkan untuk menjadi pemanas air, sehingga bisa menghemat pemakaian energi listrik untuk memanaskan air. Aplikasi Penukar Kalor (Water Heater) Page 14