1. Pendahuluan
Dengan kemajuan peradaban manusia yang diimbangi dengan kemajuan teknologi maka rata-rata umur manusia meningkat. Juga berkat kemajuan teknologi maka natalita lebih besar dari mortalita dan kemungkinan hidup dari bayi yang dilahirkan makin besar. Dengan demikian maka jika tidak dijalankan program keluarga berencana, booming pertumbuhan penduduk dunia tidak akan berhenti. Makin bertambah jumlah manusia maka makin bertambah juga kebutuhan akan air bersih. Padahal kemajuan teknologi memberikan efek negatif yaitu polusi yang meningkat sehingga makin sulitnya memperoleh air bersih. Sebaliknya kebutuhan akan air bersih terus meningkat dengan kemajuan peradaban manusia.
Asal mulanya manusia hanya butuh sekitar 5 liter per hari untuk keperluan makan dan minum, tetapi kemudian kebutuhan bertambah untuk cuci piring gelas, cuci pakaian serta mandi bahkan untuk membersihkan berbagai alat dan barang lainnya. Hal ini belum juga ditambah dengan kebutuhan air untuk pembangkit tenaga listrik yang juga makin maju peradaban manusia juga membutuhkan makin banyak batu bara putih ini. Jika asalnya hanya untuk keperluan penerangan, maka dengan adanya radio, tv, compo, hifi maka penambahan daya listrik dilakukan. Kini makin banyak peralatan yang membutuhkan listrik seperti vacum cleaner, kompor microwave, kulkas, AC, mesin cuci dll yang makin membutuhkan listrik.
Secara prinsip, jika kebutuhan akan air meningkat, sedangkan persediaan air bersih makin terbatas, maka perlu pemikiran untuk mengefisienkan serta mengefektifkan penggunaan air. Sebagai contoh, sejumlah air hangat lebih efektif untuk melarutkan lemak dan sabun dibandingkan jika menggunakan air dingin. Jadi untuk mencuci piring yang berlemak, maka dengan sejumlah sedikit air hangat saja, sudah mampu membersihkan piring tersebut dengan baik dibandingkan jika harus menggunakan air dingin. Juga untuk kenyamanan atau demi kesehatan, air hangat dibutuhkan untuk mandi. Untuk meningkatkan suhu air, tentu butuh energi panas. Mengingat krisis energi melanda dunia maka perlu dilakukan penghematan penggunaan cadangan bahan bakar yang ada.
Merupakan suatu tindakan yang bijaksana jika dalam suatu keperluan seperti penggunaan genset bertenaga diesel begitu banyak energi panas dari gas buang yang dibuang ke atmosfer secara sia-sia, kini sebelum gas buang dibuang, maka dimanfaatkan dahulu untuk memanaskan air sehingga tidak diperlukan suatu sumber energi lain yang digunakan untuk memanaskan air secara khusus. Dalam hal ini pada saluran buang (knalpot) dari gas buang diberi tambahan sebuah heat exchanger yang berfungsi untuk menyerap panas yang masih dimiliki gas buang dan dipindahkan ke air yang bersuhu relatif lebih rendah.
2. Alat-Alat Percobaan
2.1. Motor Diesel
Motor diesel 4 langkah stasioner yang digunakan untuk menggerakkan generator pembangkit tenaga listrik dapat dimanfaatkan energi panas gas buangnya untuk memanaskan air sebelum dibuang ke udara bebas. Adapun spesifikasi motor tersebut adalah sebagai berikut :
- Merek : DEUTZ
- Type motor : BF12L513/C
- Jumlah silinder : 12
- Diameter x langkah : 125 mm x 130 mm
- Volume : 19.144 cc
- Saluran gas buang : 2 buah
- Luas penampang saluran : 0,0168 m2
- Firing order : 1-8-5-10-3-7-6-11-2-9-4-12
- Putaran poros engkol : 1500 rpm
2.2. Pompa
Alat ini berfungsi untuk memompa air dari reservoir menuju heat exchanger yang terletak di dalam saluran gas buang. Spesifikasi dari pompa adalah :
- merek : Nocchi pumps
- seri : Jetinox 60/42
- daya : 0,31 Hp
- putaran : 2850 rpm
2.3. HEAT EXCHANGER
Merupakan alat yang berfungsi menyerap panas gas buang dan memberikannya ke air yang mengalir di dalamnya.
- Bahan : Pipa tembaga
- Diameter : 3/8 in ( do = 0,0095 m dan di = 0,0085 m )
Pemilihan akan pipa tembaga yang memiliki konduktivitas panas 386 W/m.K, karena tidak terlalu jelek dibandingkan perak 419 W/m.K pada 20 °C tetapi harga perak yang jauh lebih mahal. Selain itu suhu gas buang yang tak lebih dari 300 °C, masih jauh lebih rendah dari temperatur lebur tembaga yang 1089 °C. Juga tembaga relative mudah untuk dibentuk. Heat exchanger seperti kumparan kawat nyamuk disusun sebanyak 4 buah dengan panjang ekivalen 2244 meter.
2.4. Thermocouple
Digunakan 4 buah thermocouple, 2 buah untuk mengukur suhu gas buang sebelum dan sesudah melewati heat exchanger, 2 buah lagi digunakan untuk mengukur suhu air sebelum dan sesudah melewati heat exchanger.
2.5. Thermocontrol
Alat ini berfungsi untuk menayangkan hasil pengukuran thermocouple ke dalam bentuk display.
2.6. Pipa U
Dua buah pipa U digunakan untuk mengukur tekanan gas buang sebelum dan setelah melewati heat exchanger.
2.7. Gelas Ukur
Berfungsi untuk mengukur volume solar yang terpakai oleh motor diesel dalam satuan waktu dan untuk menghasilkan daya tertentu.
2.8. Stop Watch
Berfungsi untuk mengukur waktu yang dibutuhkan untuk menghabiskan satu satuan volume solar dalam gelas ukur.
3. Teori Dasar
Gas buang yang mengalir secara turbulen di dalam saluran buang memindahkan energi panasnya ke dinding heat exchanger terutama secara konveksi, radiasi dan konduksi. Dinding luar heat exchanger yang menerima panas ini meneruskan panas ini ke dinding dalam secara konduksi. Dari dinding dalam heat exchanger ini kalor diteruskan ke air dengan ketiga cara yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.
3.1. Konduksi
Perpindahan panas dari suatu badan yang mempunyai perbedaan temperatur pada kedua sisinya atau dari suatu badan ke badan lain, dimana kedua badan itu bersatu. Besarnya laju perpindahan kalor ( q ) :
q = -K . A . 
[watt]
[watt]dimana :
K = konduktivitas panas [ W/m . K ]
A = luas penampang yang tegak lurus aliran panas [ m2 ]
dT = perbedaan temperatur [ K ]
dx = jarak kedua sisi / permukaan [ m ]
= gradien suhu ke arah perpindahan kalor [ K/m ]tanda (-) = menunjukkan kalor mengalir ke suhu lebih rendah.
3.2. Konveksi
Perpindahan panas antara permukaan benda dengan fluida yang bergerak, apabila antara keduanya terdapat perbedaan temperatur. Besarnya laju perpindahan kalor ( q ) :
q = h . As . ( Ts - Tn ) [ Watt ]
dimana :
h = koefisien konveksi lokal [ W/m.K ]
As = luas permukaan [ m2 ]
Ts = temperatur permukaan plat [ K ]
Tn = temperatur fluida [ K ]
3.3. Radiasi
Merupakan perpindahan panas yang terjadi antara dua badan secara gelombang elektromagnetik tanpa tergantung pada medium penghantar. Pada pengujian ini, perpindahan panas secara radiasi sangat kecil sekali dibandingkan dengan kedua jenis yang disebut di atas, maka dalam perhitungan diabaikan.
3.4. Kecepatan Aliran Gas
Dengan bantuan tabung pitot maka pengukuran beda tekanan statis dan dinamis dapat dilakukan, sehingga kecepatan aliran dapat dihitung dengan menggunakan rumus dari tekanan fungsi massa jenis kali kwadrat dari kecepatan sebagai berikut :
DP = 1/2 . r . V2 [ cm H2O ]
Dengan mengetahui luas penampang yang dialiri, maka debit dapat dihitung dengan mengalikan kecepatan aliran dengan luas :
Q = V . A [ m3/det ]
3.5. Azas Black
Jumlah kalor yang dilepas oleh gas (Qgas) akan diterima oleh air untuk meningkatkan suhunya (Qair), tetapi tentu tidak semua energi yang diberikan gas dapat diterima semuanya oleh air yang dapat dijabarkan dengan rumus : (mgas.Cpgas.DTgas).hHE = mair.Cpair.DTair dimana hHE merupakan efisiensi dari heat exchanger.
4. Prosedur Pengujian
Setelah dilakukan berbagai pemeriksaan seperti kecukupan jumlah minyak pelumas, bahan bakar serta berbagai peralatan yang dibutuhkan, juga heat exchanger dalam keadaan siap diuji, maka motor distart. Ada 4 macam jenis pembebanan yang dilakukan yaitu 110/120 kW, 155/160 kW, 160/165 kW dan 180/185 kW. Pada setiap pembebanan dilakukan pengujian sebagai berikut :
1. Pompa mengalirkan air dengan debit 10 liter/detik.
2. Mencatat tekanan gas buang sebelum dan setelah heat exchanger.
3. Mencatat suhu gas buang sebelum dan setelah heat exchanger.
4. Mencatat tekanan air.
5. Mencatat suhu air sebelum dan setelah heat exchanger.
6. Mencatat kebutuhan bahan bakar (liter/jam).
Setiap pembebanan dilakukan 5 kali pengujian.
5. Kesimpulan
Setelah diketahui konduktivitas panas bahan yang digunakan, luas permukaan heat exchanger dapat dibuat sesuai dengan kebutuhan akan suhu air keluar serta debit yang dibutuhkan. Sedangkan untuk memperoleh efisiensi yang maksimal pada suatu beban yang diperkirakan, maka luas permukaan heat exchanger juga dapat dihitung. Pada pembebanan yang relatif rendah (110/120 kW) diperoleh temperatur gas buang yang relatif tinggi yaitu sekitar 297 °C. Gas buang yang masih memiliki energi yang masih cukup tinggi akan lebih bermanfaat jika panasnya bisa digunakan.
Setelah melalui heat exchanger, suhu menjadi turun hingga sekitar 178 °C. Suhu ini dapat diterima untuk langsung dibuang ke udara luar, mengingat jika masih akan dimanfaatkan lagi energinya, maka beberapa bagian seperti sulfur dsb dapat berubah ujud dari gas menjadi cair dan hal ini akan menimbulkan korosi. Suhu air yang bisa diperoleh adalah sekitar 58,5 °C jika beban 110/120 kW dan bisa mencapai 97 °C jika beban ditingkatkan hingga 180/185 kW. Dengan beban sebesar 180/185 kW ini maka air sudah mendekati titik didihnya, maka jika beban akan ditingkatkan lagi perlu dilakukan peningkatan kapasitas airnya juga agar jangan sampai airnya berubah menjadi uap yang tentunya bisa meruakkan peralatan heat exchanger itu sendiri.
Pemanfaatan energi panas yang dimiliki gas buang sebelum dibuang ke atmosfer untuk memanaskan air berarti merupakan penghematan energi cukup besar. Penghematan yang dimaksud dapat berupa pengiritan bahan bakar untuk memanaskan air sehingga mencapai suhu yang diinginkan, atau jika untuk proses pencucian, juga menghemat jumlah air yang digunakan, mengingat lemak dan sabun serta kotoran lebih mudah larut dengan air panas dari pada air dingin.
