4

BAB II

TEORI DASAR

2.1 Perancangan Sistem Penyediaan Air Panas

2.1.1 Kualitas Air Panas

Air akan memiliki sifat anomali, yaitu volumenya akan mencapai

minimum pada temperatur 4°C dan akan bertambah pada temperatur lebih rendah

ataupun lebih tinggi. Melalui tabel termodinamika diketahui jika air dipanaskan

dari temperatur 4 sampai 100°C, maka volumenya akan bertambah 4,3%. Pada

perancangan dan pemasangan instalasi air panas aspek ini harus diperhatikan.

2.1.2 Satuan Kalor

Secara umum banyaknya energi yang dibutuhkan untuk menaikkan

temperatur dan mengubah fasa air adalah dirumuskan sebagai berikut :

)()( 2,1, TTmCmhTTmCQ satwpfgsatvp −++−= (2.1)

dengan

Q : Kalor (joule)

m : Massa air yang dipanaskan (kg)

Cp : Panas jenis fluida (Joule/kg.K)

T1,2 : Temperatur air awal dan akhir (K)

Tsat : Temperatur jenuh air pada tekanan kerja (K)

w,v : Water, vapor

2.1.3 Pengaruh Kualitas Air dan Temperatur

Selain zat asam, air biasanya mengandung mineral yang dapat

menimbulkan karat pada logam. Semakin sedikit kandungan mineral perusak

tersebut maka kualitas air semakin baik

Temperatur air berpengaruh pada intensitas proses pengkaratan. Secara

umum, setiap peningkatan 10°C temperatur air maka kecepatan proses

pengkaratan akan menjadi dua kali lebih cepat. Sehingga dianjurkan untuk tidak

memanaskan air secara berlebihan.

5

2.2 Penyediaan Air Panas

2.2.1 Sistem Penyediaan Air Panas

Air panas disediakan dengan menggunakan sumber air bersih yang

dipanaskan dengan berbagai cara. Terdapat dua macam instalasi penyediaan air

panas yaitu lokal dan sentral. Kedua instalasi ini dipilih berdasarkan pada jenis

penggunaan gedung, cara pemakaian air panas dan harga peralatannya.

2.2.1.1 Instalasi Lokal

Pada instalasi jenis ini, pemanas air diletakkan berdekatan dengan alat

plambing yang membutuhkan air panas.

Kelebihan cara ini adalah air panas dapat dengan cepat diperoleh,

kehilangan kalor ke lingkungan relatif kecil, pemasangan dan perawatan instalasi

mudah, dan harga cukup rendah. Oleh karena itu, instalasi ini banyak digunakan

di tempat yang membutuhkan air panas terbatas.

Pada instalasi lokal proses pemanasan sesaat dapat dilakukan. Maksudnya

air dipanaskan dalam pipa yang dipasang pada alat pemanas kemudian langsung

dialirkan menuju alat plambing.

Selain itu proses pemanasan simpan dapat dilakukan juga. Air dipanaskan

dalam tanki yang dapat menyimpan air panas dalam jumlah yang tak besar.

Umumnya diperlukan waktu beberapa menit untuk memperoleh air panas.

Kemudian teknik pencampuran uap panas dan air dapat juga diterapkan.

Jika dalam suatu gedung terdapat sumber uap panas, maka uap panas tersebut

dapat langsung dicampurkan dengan air dalam tanki pemanas.

2.2.1.2 Instalasi Sentral

Air panas akan dibangkitkan di tempat lain, kemudian melalui pipa

distribusi akan dialirkan menuju seluruh alat plambing. Instalasi jenis ini

umumnya digunakan di tempat yang banyak membutuhkan air panas.

Terdapat dua macam sistem pendistribusian air panas, yaitu sistem

langsung dan sirkulasi. Pada sistem langsung air hanya dialirkan sekali menuju

alat plambing. Jika air lama tidak digunakan dan ketika akan digunakan kembali,

6

maka alat plambing yang jauh tempatnya akan memperoleh air panas dengan

temperatur yang lebih rendah.

Sedangkan pada sistem sirkulasi, jika air tidak dipergunakan, air akan

kembali menuju ke tanki pemanasan. Dengan demikian kualitas temperatur air

tetap terjaga.

2.2.2 Cara Pemanasan

2.2.2.1 Pemanasan Langsung

Salah satu cara pemanasan langsung adalah dengan menggunakan ketel

pemanas. Air akan dipanaskan oleh dinding ruang bakar ketel dan kemudian

didistribusikan. Kelemahan pada proses ini adalah :

1. Saat air panas keluar dari ketel, air dingin akan masuk untuk mengganti

massa air yang hilang. Hal ini akan menyebabkan perubahan temperatur

yang terus-menerus pada dinding ketel sehingga dapat menyebabkan

perubahan tegangan dalam dinding ketel, dan akhirnya memperpendek

umur ketel.

2. Jika kualitas air pengisi ketel kurang baik akan timbul kerak.

Selain langsung didistribusikan air dari ketel dapat pula ditampung dalam

tanki penyimpanan.

2.2.2.2 Pemanasan Tidak Langsung

Digunakan penukar panas sebagai media untuk menghasilkan air panas.

Efisiensi sistem ini lebih rendah, tetapi kekurangan yang ada pada sistem lain

dapat diatasi.

2.2.3 Temperatur Air Panas

Berdasarkan pustaka Perancangan dan Pemeliharaan Sistem Plambing, S.

Noerbambang diketahui bahwa temperatur air yang digunakan untuk berbagai

macam keperluan akan berbeda-beda, seperti tercantum pada Tabel 2.1. Untuk

dapat mengatasi panas yang hilang saat pendistribusian, maka temperatur

persediaan harus dibuat sedikit lebih tinggi dari temperatur pemakaian.

7

Tabel 2.1 Standard temperatur air panas menurut jenis pemakaiannya

Jenis Pemakaian Temperatur

°C 1 Minum 50-55 2 Mandi : dewasa 42-45 Mandi : anak-anak 40-42 3 Pancuran mandi 40-43 4 Cuci muka dan tangan 40-42 5 Cuci tangan untuk pengobatan 43 6 Bercukur 46-52 7 Dapur : Macam-macam keperluan 45 Pencucian mesin cuci 45-60 Pembilasan mesin cuci 70-80 8 Cuci pakaian Macam-macam pakaian 60 Bahan sutra dan wol 33-49 Bahan linen dan katun 49-60 9 Kolam renang 21-27

10 Cuci mobil (bengkel) 24-30

Apabila diasumsikan bahwa kerugian panas diabaikan, maka temperatur

air campuran dapat dihitung sebagai berikut

hc

hhCcm mm

TmTmT

++

= (2.2)

dengan

Tm : Temperatur campuran (°C)

Tc : Temperatur air dingin (°C)

Th : Temperatur air panas (°C)

mc : Massa air dingin (kg)

mh : Massa air panas (kg)

Formulasi tersebut dapat pula digunakan untuk menghitung banyaknya air panas

yang diperlukan untuk memperoleh air campuran pada temperatur Tm untuk setiap

kilogram air dingin, yaitu

mh

cmh TT

TTm

−−

= (2.3)

Hasil perhitungan jumlah air panas yang diperlukan untuk mendapatkan air hangat

diketahui dari pustaka yang sama dan ditabelkan pada Tabel 2.2

8

Sedangkan persentase air panas dalam campuran dinyatakan sebagai

%100mh

cm

TTTT

P−−

= (2.4)

Hasil perhitungan persentase air panas dalam campuran ditabelkan pada Tabel 2.3

Tabel 2.2 Jumlah air panas yang dibutuhkan dalam campuran untuk mendapatkan air hangat

Tabel 2.3 Persentase air panas dalam campuran untuk mendapatkan air hangat

9

2.2.4 Laju Aliran Air Panas

Kuantitas air panas yang digunakan bergantung pada jenis pemakaian

gedung, jumlah orang yang menggunakan air panas, banyaknya alat plambing,

kebiasaan dan kebudayaan orang, juga musim.

Terdapat dua cara untuk menghitung kebutuhan air panas, yaitu kebutuhan

berdasar jumlah pemakai dan kebutuhan berdasar jumah dan alat plambing.

2.2.4.1 Kebutuhan Berdasarkan Jumlah Orang

Pada metode ini kebutuhan air panas dihitung berdasarkan jumlah orang

dan kebutuhan air panas setiap harinya. Secara umum diformulasikan sebagai

)( chd

d

hdh

dd

TTQHvQVqQQ

NqQ

−====

γ

(2.5)

dengan

Qd = Jumlah air panas per hari (L/hari)

Qh = Laju aliran air panas maksimum (L/jam)

V = Volume tanki penyimpanan (liter)

H = Kapasitas pemanas (Joule/jam)

N = Jumlah orang pemakai air panas

qd,h = Faktor pengali penggunaan. Lihat Tabel 2.4 Tabel 2.4 Faktor pengali pemakaian air panas pada temperature 60°C

2.2.4.2 Kebutuhan Berdasarkan Jumlah Alat Plambing

Kebutuhan air panas dihitung berdasarkan frekuensi pemakaian alat

plambing pada beban puncak. Angka yang diperoleh dari perhitungan merupakan

10

suatu volume efektif, sehingga diperlukan faktor keamanan untuk menjamin

sistem tidak mengalami kekurangan air. Umumnya besar faktor keamanan yang

ditambahkan 25 – 30%.

2.3 Aliran Dalam Pipa

Pada umumnya fluida dialirkan dari satu tempat menuju tempat lain

melalui sistem pemipaan. Sistem ini merupakan gabungan konstruksi dari

komponen-komponen pemipaan yang meliputi run pipe sebagai penyalur fluida,

elbow sebagai pengarah arah aliran, tee sebagai pembagi dan penambah aliran,

juga reducer atau difusor sebagai pengatur kecepatan aliran.

Analisis mengenai sistem pemipaan akan meliputi perhitungan mengenai

laju aliran, ukuran, jenis, panjang dan jumlah pipa, juga energi yang terbuang.

2.3.1 Ukuran Pipa Air Panas

Ukuran pipa air panas dihitung berdasarkan kecepatan aliran air dalam

pipa. Kecepatan aliran yang terlampau tinggi dapat menyebabkan timbulnya

pukulan air pada alat plambing, menimbulkan suara berisik, tahanan aliran yang

lebih tinggi dan menyebabkan keausan pada dinding pipa. Nilai kecepatan aliran

air dalam pipa yang ideal adalah 0,9 sampai 1,2m/s. Nilai maksimumnya dibatasi

antara1,5 m/s sampai 2 m/s.

Ukuran pipa air panas secara singkat dihitung dengan menggunakan

formulasi sebagai berikut

4

2dA

AVqπ

=

= (2.6)

dengan

q = Debit aliran air (m3/s)

A = Luas penampang pipa (m2)

V = Kecepatan air dalam pipa (m/s)

d = Diameter dalam pipa (m)

11

2.3.2 Jenis aliran dalam pipa

2.3.2.1 Aliran Laminar dan Turbulen

Aliran laminar merupakan suatu bentuk aliran yang menggambarkan

keadaan kecepatan suatu titik dalam pipa yang konstan setiap waktu. Sedangkan

aliran turbulen menggambarkan kecepatan suatu titik dalam pipa yang berbeda

secara acak setiap waktu.

Keadaan jenis aliran yang terjadi di dalam pipa dapat diketahui dengan

menghitung besar bilangan Reynolds pada aliran tersebut. Bilangan Reynolds, Re

dirumuskan sebagai

μρVd

=Re (2.7)

dengan

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

μ = keksaran permukaan pipa (m)

Re sama dengan 2300, merupakan Re maksimum untuk menyatakan aliran

laminar. Re sama dengan 4000 merupakan Re minimum untuk menyatakan aliran

turbulen. Sedangkan nilai diantaranya menunjukkan jenis aliran transisi.

Jenis aliran yang terjadi dalam pipa akan memberikan pengaruh pada besar

energi yang terbuang. Hal tersebut diindikasikan dengan besarnya penurunan

tekanan yang terjadi sepanjang jalur pemipaan.

Setiap jenis aliran akan memiliki jenis perhitungan penurunan tekanan

yang berbeda.

2.3.2.2 Fully Developed Flow

Aliran fluida dikategorikan berkembang penuh jika profil kecepatan fluida

dalam pipa tidak berubah lagi. Aliran berkembang penuh akan terjadi jika keadaan

fluida dalam pipa tenang.

Keadaan berkembang penuh diindikasikan dengan nilai perbandingan

antara panjang pemasukan Le, dengan diameter pipa, D. Jika hasil perhitungan

12

0 .0 6 R eL eD

≈ , maka aliran berkembang penuh bersifat laminar, sedangkan jika

164 .4 R eL e

D≈ maka aliran berkembang penuh akan bersifat turbulen.

Untuk menganalisis aliran berkembang penuh dalam pipa akan digunakan

asumsi bahwa viskositas fluida konstan.

2.3.3 Persamaan Energi

Perhitungan mengenai energi terbuang yang diindikasikan dengan

penurunan tekanan akan didasarkan pada perumusan dengan menggunakan

hukum Bernoulli.

Lp ghgzVP

HgzVP

++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=++⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+ 2

22

22

1

21

11

22α

ρα

ρ (2.8)

Jika digunakan asumsi aliran berkembang penuh, maka α1 akan sama α2

dan V1 sama dengan V2, sehingga

Lp ghgzP

HgzP

++=++ 22

11

ρρ (2.9)

Kemudian dengan menggunakan analisis dimensional akan diketahui besar

penurunan tekanan sebagai berikut 2

2, R e , ,1 2

2

LL

g h L VF h KD D gV

ε ⎛ ⎞⎛ ⎞= = ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(2.10)

K merupakan koefisien friksi dari aliran. Nilai K akan ditentukan oleh jenis aliran

yang terjadi dan jenis komponen pipa.

Pada komponen jenis run pipe, apabila aliran laminar dan berkembang

penuh, maka besar penurunan tekanan adalah sebagai berikut

2

2 322Re

64dVLV

dLghL ρ

μ=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= (2.11)

Sedangkan pada komponen yang sama untuk aliran turbulen, perumusan

penurunan tekanan adalah

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=2

/7.3log

5.0 2

2

VdL

d

ghL

ε

(2.12)

13

2.3.4 Aliran seri dan paralel

Untuk dapat memenuhi kebutuhan mengalirklan fluida maka pompa

sebagai pemicu aliran dapat disusun secara seri ataupun paralel. Susunan seri

dapat digunakan jika diinginkan head pompa yang besar. Sedangkan susunan

paralel digunakan jika diinginkan debit aliran yang besar.

Pada susunan pipa seri, maka QA = QB = … = QN, sedangkan pada susunan

pipa parallel, maka Q = QA + QB + … + QN, sehingga pada percabangan akan

berlaku hubungan

...A

A to ta lA B N

AQA A A

⎛ ⎞= ⎜ ⎟+ + +⎝ ⎠

Q (2.13)

2.4 Perpindahan Panas

Perpindahan panas akan berlangsung secara spontan apabila terjadi

perbedaan temperatur. Panas akan berpindah dari medium dengan temperatur

tinggi menuju medium yang temperaturnya lebih rendah.

2.4.1 Balans energi

Fluida akan mengalir dengan membawa energi, berupa energi kinetik,

energi potensial dan energi termal. Gambar 2.1 akan menunjukan balans energi

yang terjadi.

Gambar 2.1 Balans energi aliran

Apabila energi potensial dan energi kinetik diabaikan. Maka aliran fluida hanya

akan mempengaruhi energi termal yang dimiliki oleh fluida.

Jika fluida yang mengalir memiliki temperatur yang berbeda dengan

lingkungan sekitarnya, maka akan terjadi perpindahan panas sehingga temperatur

fluida berubah. Perpindahan panas ini dapat terjadi secara konveksi, konduksi,

ataupun radiasi.

14

Secara umum besarnya perpindahan energi dirumuskan sebagai berikut :

)( 12 TTmcQ p −= (2.14)

Laju energi yang dipindahkan secara konveksi dirumuskan sebagai :

)( 12 TThAQ −= (2.15)

dengan

h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2K)

Laju energi yang dipindahkan secara konduksi dirumuskan sebagai :

xTTkAQ )( 12 −= (2.16)

dengan

k = konduktivitas termal (W/mK)

Laju energi yang dipindahkan secara radiasi dirumuskan sebagai :

)( 44surs TTAQ −= σε (2.17)

dengan

ε = emisivitas (0 < ε < 1)

σ = konstanta Stefan-Boltzmann ( 5,67E-8 W/m2K4)

Ts = Temperatur permukaan (K)

Tsur = Temperatur lingkungan (K)

2.4.2 Perpindahan panas dalam saluran.

Besarnya perpindahan panas dalam saluran dapat dihitung dengan

mengetahui jenis aliran dalam saluran (laminar, turbulen). Kemudian untuk

mengetahui besarnya koefisien perpindahan panas dalam saluran, hd, maka perlu

diketahui terlebih dahulu bilangan Nusselt, Nu, dari aliran tersebut.

Pada aliran turbulen, nNu PrRe023.0 8.0= (2.18)

n=0,3 untuk cooling process dan n=0,4 untuk heating process.

Setelah bilangan Nu diketahui, besar koefisien perpindahan panas diketahui

dengan menggunakan perumusan

khDNu = (2.19)

15

2.4.3 Perpindahan panas diluar saluran

Perpindahan panas di luar saluran banyak dimanfaatkan pada perancangan

shell and tube heat exchanger karena saluran yang dilewati umumnya berupa

jajaran dari tube atau pipa.

Analisis dilakukan untuk mengetahui terlebih dahulu bilangan Re,

kemudian bilangan Nu, dan nilai h. Terdapat beberapa perumusan Nu yang

disesuaikan dengan jumlah tube dan bilangan Pr. 3/1

max1 PrRe,13.1 mCNu = (2.20)

untuk N>10, Pr > 0,7

25.036.0

max PrPrPrRe, ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

s

mCNu (2.21)

untuk N>20, 0.7<Pr<500

25.036.0

max2 PrPrPrRe, ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

s

mCNu (2.22)

untuk N<20, 0.7<Pr<500

Besar nilai c, m, C1, C2 merupakan konstanta dari persamaan yang dapat dilihat

pada buku Introduction to Heat Transfer, Incropera.

Bilangan Re,max diketahui dengan menggunakan formulasi 2.7, tetapi

menggunakan kecepatan aliran maksimum Vmax, yang diformulasikan sebagai

VSS

SVDT

T

−=max (2.23)

Tetapi apabila

)()(2 DSDS TD −<− (2.24)

maka

VDS

SVD

T

)(2max −= (2.25)

ST, SD merupakan jarak antara tube yang dapat pula dilihat pada buku yang sama

2.4.4 Perpindahan Panas Dua Fasa Dalam Saluran

Proses perpindahan panas mungkin akan menyebabkan terjadinya

perubahan fasa. Uap menjadi cair ataupun cair menjadi uap. Besar

16

koefisienperpindahan panas secara keseluruhan , pada proses perubahan fasa

dirumuskan

−

h

25.0'3

)()(

555.0⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

−

−=

−

DTThkg

hssatl

fglgll

μρρρ

(2.26)

dengan

)(83' , ssatlpfgfg TTChh −+= (2.27)

2.4.5 Alat Penukar Panas

Penukar panas merupakan suatu peralatan yang digunakan sebagai sarana

untuk menukarkan panas pada dua atau lebih medium. Pemilihan jenis penukar

panas umumnya didasarkan pada beberapa hal, antara lain efisiensi termal, biaya,

dan jangkauan perubahan temperatur.

Penukar panas umumnya diklasifikasikan berdasarkan jenis aliran dan tipe

konstruksinya. Tipe aliran dapat berupa aliran paralel, Gambar 2.2, counter flow,

Gambar 2.3 dan cross flow, Gambar 2.4.

Gambar 2.2 Penukar panas parallel flow

Gambar 2.3 Penukar panas counter flow

17

Gambar 2.4 Penukar panas cross flow

Jenis penukar panas yang sederhana adalah double pipe heat exchanger,

DPHE. Konstruksi DPHE serupa dengan Gambar 2.2 dan Gambar 2.3. Pada

penukar panas jenis ini, masing-masing fluida panas dan dingin akan mengalir

melalui suatu pipa.

Jenis lain adalah shell and tube heat exchanger, STHE, seperti tampak

pada Gambar 2.5. Kalsifikasi jenis ini didasarkan pada jumlah shell dan tube.

Pada penukar panas ini terdapat baffle yang dimanfaatkan untuk meningkatkan

perpindahan panas yang terjadi. Peningkatan ini diakibatkan oleh aliran turbulen

yang diciptakan oleh baffle.

Gambar 2.5 Shell and Tube Heat Exchanger

Umumnya STHE digunakan apabila tekanan fluida cukup tinggi dan

dibutuhkan perubahan temperatur fluida yang cukup besar.

Apabila perubahan temperatur yang dibutuhkan tidak besar dapat

digunakan jenis plate heat exchange,PHE. Tetapi temperatur dan tekanan awal

18

fluida tidak boleh terlampau tinggi juga. Hal tersebut dimaksudkan untuk menjaga

fungsi dari karet gasket yang dapat mengalami kerusakan pada temperatur tinggi.

Selain itu, terdapat pula jenis direct contact heat exchanger. Pada jenis ini

fluida panas dan dingin akan bercampur secara langsung untuk mengalami

perubahan temperatur. Dengan menggunakan penukar panas ini dapat diperoleh

perbedaan temperatur fluida yang cukup besar.