BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Beberapa tahun kebelakang, isu lingkungan adalah isu yang menarik bagi seluruh peneliti di dunia. Peneliti dan engineer bekerja untuk menciptakan teknologi yang memudahkan kehidupan manusia, namun sebagian teknologi tersebut justru merusak lingkungan. Mesin bakar dan refrigerator adalah teknologi di abad 20 yang berkaitan erat dengan isu lingkungan diatas. Asap dan gas rumah kaca (CO2, Chlorofluorocarbons, dll) adalah salah satu limbah dari teknologi diatas yang menyebabkan lapisan ozon rusak. Lapisan ozon di atmosfer berfungsi untuk menyerap radiasi sinar matahari yang berbahaya untuk kehidupan di bumi seperti sinar ultraviolet yang menyebabkan kanker, katarak, penurunan sistem imun manusia, kesuburan tanah dan kehidupan di lautan. Selain itu by-product dari teknologi diatas juga membuat suhu bumi meningkat atau biasa kita kenal global warming. Dua dekade kebelakang, peneliti telah bekerja untuk membuat penemuan yang mampu menggantikan peran teknologi diatas tanpa memiliki pengaruh signifikan terhadap lingkungan. Salah satu teknologi yang mampu memberi solusi dari permasalahan diatas adalah mesin yang bekerja dengan efek termoakustik. Termoakustik adalah suatu bidang yang mempelajari fenomena fisis dimana perbedaan suhudapat membangkitkan gelombang bunyi, atau sebaliknya, gelombang bunyi dapat menimbulkan perbedaan temperatur. Termoakustik menjelaskan tentang konversi energi yang terjadi pada interaksi osilasi suhuyang didampingi osilasi tekanan dalam gelombang bunyi dengan dinding batas. Untuk pengaplikasian fenomena ini dibutuhkan suatu alat yang disebut dengan mesin termoakustik. Mesin termoakustik dibagi menjadi dua macam. Pertama, mesin yang mampu menghasilkan gelombang bunyi akibat adanya perbedaan suhudisebut prime mover termoakustik (thermoacoustic engine atau prime mover engine). Kedua, mesin yang mampu menghasilkan perbedaan suhuakibat adanya kerja dari gelombang bunyi. Apabila produksinya suhudingin disebut pendingin termoakustik
1
(thermoacoustic refrigerator) dan jika produksinya suhupanas disebut pompa kalor termoakustik (thermoacoustic heat pump). Adapun beberapa keunggulannya adalah memiliki reliabilitas tinggi, relatif murah, ramah lingkungan, no moving part, dan terintegrasi (Setiawan, 2005). Sudah dua dekade efisiensi prime mover termoakustik telah diupayakan agar mampu menyaingi mesin bakar konvensional. Beberapa mesin termoakustik telah digunakan di pesawat luar angkasa dan kapal perang, namun untuk keperluan komersial masih terkendala rendahnya efisiensi. Sehingga untuk menambah efisiensi, digunakan sumber panas yang tak terpakai atau sumber panas yang melimpah. Symko et al. (2004) menggunakan panas terbuang dari komponen mikroelektronik untuk dijadikan pembangkit bunyi. Bunyi ini kemudian digunakan sebagai driver pendingin termoakustik untuk mendinginkan permukaan prosessor. Kemampuan pendinginan alat ini mampu menghasilkan 0,1 - 0,6 watts untuk tiap cm2 penampang melintang resonator. Hatazawa et al. (2004) meneliti tentang driver pendingin termoakustik dengan memanfaatkan panas dari gas buang mesin. Zoontjens (2005) melakukan penelitiaan yang sama dengan Hatazawa namun pendingin termoakustik yang dihasilkan, digunakan sebagai pengganti pendingin udara konvensional pada kendaraan bermotor. Adeff dan Hofler (2000) membuat prime mover termoakustik memanfaat panas dari energi surya, dilanjutkan oleh Chen (1998) menghasilkan driver pendingin termoakustik dari tenaga surya. Kalor dari tenaga surya didapat dari kolektor parabolik yang dipusatkan pada satu titik. Prime mover termoakustik merupakan alat untuk mengkonversi kalor menjadi gelombang bunyi. Prime mover termoakustik menggunakan aliran kalor antara sisi panas dan sisi dingin untuk menghasilkan gelombang bunyi. Gelombang bunyi yang dihasilkan prime mover termoakustik ada dua tipe, yaitu gelombang berdiri (standing wave) dan gelombang berjalan (traveling wave). Kedua tipe gelombang ini bergantung pada jenis resonator yang digunakan. Prime mover termoakustik membutuhkan gradien suhuyang tinggi untuk menghasilkan bunyi. Gradien suhusendiri terjadi di bagian yang sering disebut βstackβ (untuk mesin termoakustik gelombang berdiri) atau regenerator (untuk mesin termoakustik gelombang berjalan), diletakkan antara sisi panas dan sisi dingin dari prime mover
2
termoakustik. Perhatian khusus ditujukan kepada stack karena jantung dari mesin termoakustik sebagai tempat terjadinya konversi energi termal dan akustik. Sehingga peneliti berusaha untuk meningkatkan efisiensi prime mover termoakustik dengan mengoptimasi stack dari sisi bentuk, material, dan harga. Stack yang digunakan merupakan material yang tahan suhutinggi seperti keramik dan logam. Stack yang digunakan memiliki geometri dan bahan berbeda-beda, seperti stack pelat paralel (Backhauss dan Swift, 2001), ceramic catalist (Abduljalil, 2011), stack wire mesh screen stainless steel (kasa kawat berbahan stainless steel) (Backhaus dan Swift , 2000), dan tumpukan wool berbahan stainless steel (Abduljalil, 2011).
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 1.1 Stack pada prime mover termoakustik : (a) ceramic catalist, (b) wool stainless steel, (c) wire mesh screen, dan (d) pelat paralel (Abduljalil, 2011) Prime mover termoakustik yang menggunakan stack berbahan wire mesh screen stainless steel telah banyak dilakukan. Reed (1996) menggunakan stack wire mesh screen pada prime mover termoakustik gelombang berdiri untuk membandingkan kinerja dengan stack plat sejajar. Shuliang (1998) menggunakan wire mesh screen berbahan tembaga. Sedangkan Backhaus dan Swift (2000) melakukan penelitian prime mover termoakustik gelombang berdiri menggunakan stack wire mesh screen dengan nomor mesh 120 dan menghasilkan daya akustik terbaik sebesar 890 W. Setiawan (2013) melakukan studi numerik untuk
3
mengetahui beda suhukritis stack wire mesh screen prime mover termoakustik gelombang berdiri dengan nomor mesh 30. Pada penelitian sebelumnya stack wire mesh adalah stack yang ideal untuk digunakan dalam penelitian karena murah, mudah didapatkan, dan mempunyai daya tahan terhadap suhutinggi. Selain itu, kawat pada mesh memberikan konduksi termal lateral yang baik, yang penting dalam memberikan profil suhulebih seragam pada stack. Sehingga diharapkan mampu menghasilkan kinerja prime mover termoakustik lebih baik. Prime mover termoakustik gelombang berdiri dipilih karena sederhana dan mudah untuk proses manufaktur. Melihat keunggulan diatas, prime mover termoakustik dengan stack terbuat dari wire mesh screen stainless steel dipilih untuk penelitian ini. optimasi dilakukan pada stack dengan mengganti beberapa jejari hidrolik dan panjang stack untuk mendapatkan kinerja alat yang baik.
1.2. Rumusan masalah Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana pengaruh varian jejari hidrolik dan panjang stack yang terbuat dari susunan wire mesh screen stainless steel terhadap suhu onset (βπ)πππ ππ‘ , waktu terjadinya suhu onset, amplitudo tekanan, frekuensi gelombang bunyi, daya akustik dan efisiensi prime mover termoakustik gelombang berdiri.
1.3. Batasan Masalah Untuk menyederhanakan permasalahan di atas, maka dalam penelitian ini perlu diambil batasan masalah sebagai berikut: a. Penelitian dilakukan pada suhu kamar dan tekanan satu atmosfer. b. Diasumsikan tidak ada kebocoran udara di dalam pipa resonator. c. Pengamatan dalam penelitian ini dibatasi sampai membangkitkan gelombang bunyi, tidak untuk aplikasi sebagai pembangkit energi listrik dan driver pendingin termoakustik. d. Gas kerja yang digunakan pada penelitian ini adalah udara pada kondisi suhu kamar.
4
1.4. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah mengetahui pengaruh varian jejari hidrolik dan panjang stack wire mesh screen stainless steel terhadap beberapa parameter operasional prime mover termoakustik gelombang berdiri seperti: a. suhu onset; b. waktu untuk mencapai suhu onset; c. frekuensi gelombang bunyi; d. amplitudo tekanan; e. daya akustik; f. efisiensi.
1.5. Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan pada penelitian ini adalah memberikan informasi kinerja stack wire mesh screen pada prime mover termoakustik gelombang berdiri. Prime mover termoakustik bisa digunakan untuk membangkitkan energi listrik atau sebagai driver pendingin termoakustik, dan bisa memanfaatkan sumber kalor yang melimpah dan sumber-sumber kalor yang tak terpakai seperti dari gas buang insenerator pembakaran sampah-sampah peralatan medis rumah sakit, panas matahari, panas bumi,.
5
