BAB III METODE PENELITIAN 3.1
Konsep Desain Konsep
desain
awal
coolbox
berbasis
hybrid
termoelektrik
adalah
pengembangan dari desain sebelumnya. Adalah menambahkan water cooling pada sisi panas elemen peltier. Sebagai acuan digunakan temperature 15 °C di dalam coolbox dan tanpa ada beban pendinginan. Berdasarkan kriteria tersebut, maka perlu digambarkan pemikiran pemikiran umum yang dibutuhkan untuk perancangan alat yaitu : •
Digunakan dua unit elemen peltier yang dilengkapi dengan sistem water cooling terbuka (tidak memakai radiator atau cooling tower). Sistem water cooling – fan ini berfungsi sebagai konveksi paksa, mengingat tingginya temperatur yang dihasilkan pada sisi panas peltier
•
Sistem hybrid (water cooling – fan) pada sisi panas peltier berfungsi untuk menjaga Th peltier tidak terlalu tinggi. Sehingga di dapat Tc peltier yang diinginkan. Karena prinsip kerja peltier menggunakan prinsip ΔT, yaitu temperatur dingin maksimal = temperatur panas maksimal – ΔT. Sehingga Th peltier harus ditekan serendah mungkin
22
•
Digunakan bahan alumunium pada coldsink di dalam cool box dan dilengkapi oleh fan untuk sirkulasi udara di dalam box
•
Tutup cool box bagian dalam ditempelkan sterofoam agar dingin di dalam box terisolasi dengan baik sehingga kerugian dingin yang terbuang ke luar dapat ditekan
•
Dalam proses pemasangan antara water block – elemen peltier – coldsink. Tentunya ada rongga - rongga berukuran mikro yang dapat menyebabkan tidak meratanya proses heat transfer antar komponen. Untuk itu, diperlukan suatu material yang mempunyai konduktivitas thermal yang tinggi dan dapat mengisi rongga – rongga mikro. Material yang digunakan berupa pasta. Selain daya hantar thermal yang tinggi, pasta juga memiliki sifat yang dapat melekatkan, sehingga ketika cool box dioperasikan. Posisi komponen tidak bergeser
•
Cool box disuplai oleh switching power supply dengan tegangan 12 VDC
•
Air yang dialirkan pada sistem water cooling disuplai oleh pompa yang diatur debit alirannya oleh katup keluaran dan aliran air dibagi ke kedua elemen peltier oleh tie fitting
3.2
Desain alat Dalam mendesain cool box tentunya mengacu pada dimensi elemen peltier, cool
box dan komponen-komponen pelengkap lainnya. Selain ukuran, hal yang paling penting tentunya fungsi , biaya, dan ketersediaan barang di pasaran.
23
4
3
5a
2
5b
6
1 7
8
Gambar 3.1 Detail desain cool box
24
Tabel 3.1 Keterangan komponen pada coolbox 1 2 3 4 5a 5b 6 7 8
3.2.1
Tutup cool box Lembar fin alumunium heatsink Fan heatsink Water block Sisi panas elemen peltier Sisi dingin elemen peltier Coldsink Fan coldsink (resirkulasi) Bodi cool box
Komponen pada cool box Dalam pemilihan material untuk alat ini perlu pertimbangan-pertimbangan
tertentu
dalam
pembuatannya.
Sebelumnya
telah
dibahas
sedikit
mengenai
pertimbangan pemilihan material dilihat dari sisi biaya, fungsi dan ketersediaan komponen di pasaran. Sebagai rinciannya akan dijelaskan sebagai berikut :
•
Fan coldsink Dengan dimensi 40x40x10 mm. (lihat lampiran).
Small Fan ini berfungsi
sebagai resirkulasi udara di dalam cool box untuk melewatkan udara ke coldsink bagian dalam. Karena konduktivitas termal udara rendah, hanya 0.024 W/mK. Sehingga, konveksi paksa oleh fan resirkulasi menjadi diperlukan untuk mempercepat fungsi pendinginan. Kalor di dalam cool box kemudian akan dipindahkan oleh modul peltier ke luar cool box. Prinsipnya hampir sama dengan evaporator dalam sistem refrigerasi. Hanya saja, dalam sistem termoelektrik ini tidak dilengkapi dengan fasilitas drain air kondensasi dari udara. Sehingga hanya panas sensibel yang dapat dikeluarkan oleh sistem termoelektrik tersebut
25
Gambar 3.2 coldsink fan •
Coldsink Coldsink berbahan alumunium dengan merk cooler master, memiliki konduktivitas termal yang tinggi agar dapat meningkatkan fungsi pendinginan cool box.
Coldsink Gambar 3.3 coldsink •
Thermopasta Jika ada dua material yang bersentuhan langsung, dalam hal ini adalah peltier dengan coldsink dan heatsink.Pastinya ada celah celah mikron yang dapat menghambat
26
transfer kalor. Maka perlu ditambahkan thermopasta untuk mengisi celah celah mikron tersebut agar tidak ada penghambatan heat transfer saat cool box dioperasikan
Gambar 3.4 Thermo pasta
•
Elemen peltier Peltier didapat dengan cara membeli langsung barang yang ada di pasaran. Ketersediaan barang di pasaran adalah elemen dengan dimensi 40x40x3.5 mm. Elemen peltier ini berfungsi sebagai heat pump agar kalor sensibel pada udara di dalam cool box dapat dipindahkan ke luar cool box
27
Gambar 3.5 Elemen peltier
•
Water block Alat ini merupakan bagian water cooling yang bersentuhan langsung dengan sisi panas elemen peltier. Panas dari elemen peltier akan mengalir secara konduksi ke plat water block. Kemudian panas tersebut akan mengalir secara konveksi pada air yang mengalir di bagian dalam water block
Gambar 3.6 water block •
Heatsink Heatsink bagian luar berbahan alumunium terdiri dari lembaran-lembaran tipis untuk meningkatkan transfer panas dan kalor yang dibawa oleh air pendingin dapat di disipasi ke lingkungan
28
Gambar 3.7 Fin alumunium heatsink
•
Fan bagian luar Fan ini berfungsi untuk mendinginkan air yang telah membawa panas dari water block
Gambar 3.8 Heatsink fan
•
Pompa Pompa berfungsi untuk mengalirkan air pendingin menuju waterblock. Outlet dari pompa akan dibagi ke kedua waterblock dengan menggunakan tie fitting
29
Gambar 3.9 pompa air
•
Bodi cool box Untuk bodi cool box langsung dibeli di pasaran karena sudah memiliki nilai estetika dan jika membuat baru maka akan memakan biaya yang cukup tinggi. Cool box ini memiliki dimensi 280 x 180 x 200 mm. Dan memiliki tebal 2 mm Berbahan plastik dan diinsulasi oleh polyurethane foam. Polyurethane merupakan polimer campuran antara diisocyanate dan polyol. Fungsi isolasi Polyurethane adalah untuk mencegah terjadinya perpindahan panas dari atau keluar sistem. Agar kalor pada ruang pendingin tidak bocor maka isolasi ini dibentuk menyelimuti bagian ruang pendingin.
Gambar 3.10 Bodi cool box
30
Keunggulan dari isolasi polyurethane adalah Konstanta konduktivitas kalor yang kecil sebesar 0,020 - 0,035 W/mK sehingga dapat berfungsi sebagai isolasi termal.
3.2.2
Komponen pendukung Komponen pendukung yang dimaksud adalah komponen-komponen
yang dibutuhkan untuk proses pengujian cool box. Yaitu sebagai berikut : •
Multimeter digital Multimeter ini digunakan untuk mengukur tegangan dan arus yang diberikan pada beban yang diuji yaitu elemen peltier. Multimeter yang digunakan dapat mengukur arus sampai 20 A.
Gambar 3.11 Multimeter digital
•
Termokopel Termokopel adalah suatu sensor temperatur berdasarkan prinsip 2 logam berbeda yang dihubungkan yang akan menghasilkan tegangan yang
31
berhubungan dengan perbedaan temperature antara ujung pengukuran dan ujung referensi (biasanya dihubungkan ke alat ukur). Termokopel yang digunakan pada penelitian ini adalah tipe-K
Gambar 3.12 Termokopel tipe-k
Sumber : https://www.tokopedia.com/onoshop/digital-thermometer-lutron-902-c
Gambar 3.13 Spesifikasi termokopel lutron
•
Termometer infrared Alat ini digunakan untuk mengukur temperature di bagian yang sulit dan untuk mengukur temperature air pendingin yang masuk dan keluar dari water block
32
Gambar 3.14 Termometer infrared
Sumber : http://www.alatukurmurah.com/infrared-thermometer-50-330/
Gambar 3.15 Spesifikasi termometer infrared
•
Power supply Untuk mengoperasikan cool box, digunakan power supply jenis DC. Saat melakukan pengujian, ada dua jenis power supply yang digunakan. Yaitu : 1. DC Voltage Regulator yang dilengkapi alat ukur voltase dan arus yang dapat diubah nilai tegangan dan arus aktualnya. Power supply tersebut menggunakan
33
tegangan input sebesar 220 VAC kemudian akan diubah menjadi arus DC dengan range tegangan maksimum 30 VDC dan arus 10 Ampere. Power supply jenis ini akan disambungkan ke elemen peltier
Gambar 3.16 regulated DC power supply
2. Switching mode power supply. Tidak seperti power supply pada umumnya yang menggunakan trafo dan rectifier atau dioda sebagai penyearah. Catu daya jenis ini menggunakan transistor sebagai saklar elektronika untuk memutus dan menyambung arus listrik dari input tegangan AC 50Hz. Kemudian hanya gelombang sinusoidal bagian positif saja yang diteruskan oleh saklar. Sehingga output yang didapat akan menjadi arus listrik searah atau DC. Catu daya ini bermerk hiled dengan output 12 VDC ; 8 A. Catu daya ini akan disambungkan ke fan heatsink maupun fan coldsink
34
Gambar 3.17 Switching mode power supply
3.3
Pembuatan alat Proses pembuatan dan pemasangan alat dapat langsung dipasang ketika dibeli
dari pasaran dan ada juga beberapa alat yang perlu di customize, agar sesuai dengan desain yang diinginkan. Namun semua komponen-komponen mengacu pada ketersediaan alat di pasaran. Untuk lebih detail langkah langkah pembuatan alat, dapat dijelaskan sebagai berikut :
35
Mulaii
Pembuatan lubang untuk dudukan peltier dan heatsink
Pemasangan elemen peltier
Modifikasi heatsink
Pemasangan coldsink dan fan
Pemasangan selang air
Pemasangan styrofoam
Selesai
Gambar 3.18 Skema proses pembuatan alat
•
Pembuatan lubang untuk dudukan peltier dan heatsink Bodi cool box berbahan dasar polyurethane yang dilapisi metal stainless steel untuk insulasi thermal. Cool box ini dapat dibeli langsung dari toko dengan ukuran volume yang sudah ditentukan yaitu 6 liter. Bodi cool box yang telah dibeli di pasaran tersebut harus diproses lebih lanjut untuk pembuatan lubang sebagai tempat dudukan heatsink juga elemen peltier. Lubang untuk baut heatsink dipasangi ring karena diameter mata bor yang digunakan untuk melubangi tutup cool box lebih besar dari diameter baut heatsink. Proses pelubangan. Setelah proses pelubangan baut dan dudukan elemen peltier selesai, maka dilanjut dengan pemasangan elemen peltier tepat diantara waterblock dan coldsink, lalu fan resirkulasi dibaut.Tujuannya ialah agar menahan elemen peltier tetap pada tempatnya
36
•
Modifikasi heatsink Karena akan digunakan watercooling sebagai pendingin sisi panas elemen peltier, maka heatsink harus dimodifikasi sedemikian rupa agar dapat dialiri oleh air pendingin. Pertama heatpipe harus dipotong lalu diamplas agar hasil potongan tidak tajam, lalu lembaran alumunium diambil 4pcs agar selang air dapat dihubungkan dengan heat pipe
•
Pemasangan selang air Setelah heatpipe selesai dipotong, selanjutnya adalah pemasangan selang air
yang
menghubungkan antara pompa ke masing masing heatsink, konfigurasi pemasangan selang dapat dilihat pada gambar dibawah ini,
Ke tanki
Ke tanki
Dari pompa Gambar 3.19 Konfigurasi pemasangan selang air Selang air dicabangkan ke kedua heatsink dengan menggunakan tie fitting, lalu outlet dari tiap heatsink akan dihubungkan ke tanki yang sebelumnya melewati ball valve terlebih dahulu agar flow air pendingin dapat diatur
37
•
Pemasangan elemen peltier Sebelum elemen peltier dipasang, perlu dilakukan pengolesan thermal pasta pada sisi dingin dan sisi panas elemen peltier agar dengan tujuan membantu pelepasan kalor. Hal ini perlu dilakukan karena permukaan baik alumunium maupun peltier tidak sepenuhnya rata. Bila terdapat rongga antara permukaan yang bersentuhan seperti permukaan sisi panas atau dingin dengan alumunium maka panas yang diberikan akan terhambat dikarenakan adanya proses konveksi dirongga tersebut yaitu adanya medium udara (Gambar 3.20). Dengan adanya pasta termal tersebut dapat meningkatkan konduktivitas Termal antarmuka. Akan tetapi penggunaan berlebihan pasta termal tersebut dapat mencegah kontak antarmuka dan terjadi sebaliknya, konduktivitas termalnya berkurang. Umumnya pasta termal terbuat dari silicon dengan tambahan ZnO yang menghasilkan performa yang baik.
Sumber : A design method of thermoelectric cooler. Elsevier Inc
Gambar 3.20 Thermal pasta yang dioleskan antar muka logam
•
Pemasangan coldsink dan fan resirkulasi Coldsink yang digunakan berbahan alumunium yang dapat dibeli di pasaran yang biasa digunakan untuk pelepas panas pada processor mainboard komputer. Diatas sirip coldsink diletakkan fan kecil untuk resirkulasi udara di dalam cool box. Fan kemudian dibaut ke tutup cool box, Pemasangan baut ini sebaiknya dilakukan dengan hati-hati
38
agar tekanan yang diberikan tidak kurang dan tidak lebih. Jika tekanan yang diberikan kekurangan, maka peltier dan coldsink akan mudah bergeser dari tempatnya. Jika tekanan yang diberikan berlebihan tentunya dapat merusak peltier sehingga tidak dapat digunakan lagi
•
Pemasangan styrofoam Fungsi dari pemasangan styrofoam ini ialah membatasi proses serapan kalor supaya hanya terjadi pada ruang pendingin dan tidak menyebar ke bodi dan sekitarnya. Sekaligus pula untuk mencegah masuknya kalor dari luar system pendingin. Maka dari itu isolasi harus memiliki sifat isolator yang bagus /daya hantar kalor yang sangat rendah (daya hantar kalor yang sangat rendah karena berfungsi sebagai pembatas utama antara sistem dengan lingkungan), mudah dibentuk sesuai keinginan, dan elastis (supaya dapat mengisi celah antara heatsink dengan tutup)
3.4
Spesifikasi teknis
Gambar 3.21 Coolbox
39
Tabel 3.2 Spesifikasi teknis coolbox
SPESIFIKASI TEKNIS
3.5
Dimensi Total
270 x 180 x 170 mm
Volume
6 liter
Input
12 VDC; 3,4 A
Fungsi
Pendingin berbasis termoelektrik
Modul peltier
2 buah (TECI-12706)
Material insulasi
polyurethane
Temperature minimum
15°C (susunan pararel)
Tujuan pengujian Tujuan dari penelitian yang dilakukan adalah merancang dan membuat alat cool
box yang berbobot ringan, mudah dipindahkan, memiliki konsumsi daya yang rendah, dan menguji kinerja pendinginan elemen peltier dengan digunakannya pendingin heat pipe-cooling water pada sisi panas elemen peltier dan merupakan pengembangan dari desain terdahulu
3.6
Instalasi alat pengujian Instalasi meliputi proses pemasangan komponen – komponen tambahan sebelum
alat yang telah selesai dirakit akan di uji. Hal ini dilakukan untuk mendukung lancarnya proses pengambilan data. Hal ini penting dilakukan agar data yang di ambil dapat akurat dan tepat.
40
3.6.1
Skema alat pengujian Sumber listrik yang digunakan untuk pengujian alat adalah dari arus AC PLN
kemudian dialirkan ke ketiga beban yaitu, DC voltage regulator, SMPS power supply, dan pompa air pendingin. Agar lebih jelas, dapat dilihat pada skema rangkaian pengujian sebagai berikut :
`
(a)
(b)
(c)
Gambar 3.22 Skema rangkaian pengujian alat
Pada Gambar 3.22 (a) ,
arus AC diubah menjadi arus DC yang kemudian akan
digunakan untuk menyuplai arus listrik pada elemen peltier. Arus listrik pada elemen peltier dapat diubah baik tegangan maupun arusnya, sehingga dapat diberikan beberapa variasi daya listrik pada elemen peltier. Arus listrik yang digunakan pada peltier juga terpisah dengan fan heatsink maupun fan coldsink. Hal ini ditujukan agar variasi daya yang diberikan hanya digunakan untuk peltier saja, sehingga data hasil pengujian dapat lebih akurat dan didapat daya paling optimal untuk mencapai temperatur minimum. Sumber listrik yang digunakan oleh fan heatsink dan fan coldsink disuplai oleh SMPS power supply (gambar 3.22 b) dengan tegangan 12VDC. Rangkaian yang digunakan
41
pada fan adalah pararel. Arus listrik yang digunakan oleh pompa air pendingin langsung dari listrik AC PLN
3.6.2
Persiapan sebelum pengujian Beberapa persiapan yang perlu dilakukan sebelum pengujian adalah sebagai
berikut •
Pemasangan termokopel Termokopel yang digunakan adalah termokopel type-K dengan spesifikasi range pengambilan temperature antara -50 °C sampai 1100 °C. Termokopel ini digunakan untuk mengukur temperature ruang di dalam cool box, sisi panas peltier, dan sisi dingin peltier.
•
Pemasangan kabel peltier dan kabel fan heatsink-coldsink Dalam pengujian ini dilakukan variasi rangkaian seri dan pararel.
(a)
(b)
Gambar 3.23 Rangkaian pada peltier
42
Untuk pengujian rangkaian pararel (gambar 3.23 a), kabel merah (positif) dari kedua peltier disatukan lalu kemudian dihubungkan ke sisi positif power supply, begitu pula dengan kabel hitam (negatif) dari kedua peltier disatukan dan dihubungkan ke sisi negatif power supply. Untuk rangkaian seri (gambar 3.23 b) kabel merah dari peltier A dihubungkan ke sisi positif power supply, kabel hitam peltier A dihubungkan ke kabel merah peltier B, dan terakhir kabel hitam peltier B dihubungkan ke sisi negatif power supply. Untuk rangkaian pada fan heatsink-coldsink, kabel merah dari tiap fan disatukan dan dihubungkan ke sisi positif power supply. Begitu juga kabel hitam dari tiap fan disatukan dan dihubungkan ke sisi negatif dari power supply
•
Sistem air pendingin Pompa air sudah terendam di dalam air tanki pendingin dan siap untuk mendinginkan sisi panas kedua elemen peltier, namun karena diameter lubang keluaran pompa tidak sama dengan diameter selang air yang digunakan, maka perlu dipasang adaptor di bagian keluaran pompa, lalu noozle keluaran adaptor dihubungkan ke selang air. Karena air akan dialirkan ke kedua heatsink, maka dipasang tie fitting dan outlet dari tie fitting akan dihubungkan ke bagian inlet masing masing heatsink. Kemudian keluaran tiap tiap heatsink akan dialirkan kembali ke tanki air pendingin
•
Pemasangan multimeter digital Sebenarnya pada power supply DC voltage regulator sudah dilengkapi dengan jarum penunjuk tegangan dan arus, namun penunjukan kurang akurat karena masih menggunakan display analog, maka perlu ditambahkan ke rangkaian suatu alat ukur digital sehingga pengukuran menjadi lebih presisi. Untuk mengukur tegangan, 43
multimeter dipasang pararel pada rangkaian. Sedangkan untuk mengukur arus, multimeter dipasang seri.
3.7
Prosedur pengujian Prosedur pengujian menjelaskan mengenai urutan langkah-langkah yang perlu
dilakukan untuk mendapatkan data. Pengambilan data dilakukan untuk mencapai tujuan dari pengujian yaitu mengetahui unjuk kerja dari alat. Langkah - langkah tersebut adalah sebagai berikut : 1. Prosedur perakitan •
Peletakan posisi cool box dalam pengujian sebaiknya di sekitarnya tidak dekat/tidak
ada
sumber
panas
yang
dapat
menyebabkan
proses
pendinginan menjadi tidak maksimal. yang pada akhirnya berakibat tidak optimalnya proses pendinginan dan ketidaktelitian hasil data pengujian. •
Dalam memasang termokopel pada cool box sebaiknya dipastikan termokopelnya statis di tempat, tidak berubah – ubah dalam semua proses pengambilan data. Bila posisi termokopel berbeda - beda, maka hasil data yang didapat tidak akurat
•
Pemasangan rangkaian pada peltier maupun pada fan heatsink-coldsink sudah terpasang dengan benar. Kemudian tutup junction dengan selotip agar sisi positif listrik tidak bersentuhan dengan sisi negatif listrik yang dapat menimbulkan konsleting listrik
44
2. Prosedur pengujian •
Siapkan air ke dalam ember sebagai tanki air pendingin, kemudian periksa kembali rangkaian selang air yang menuju heatsink sampai kembali ke tanki air. Nyalakan pompa air dan atur pembukaan katup sampai full-open. 8.2 liter/min
•
Tutup dan kunci penutup cool box, lalu nyalakan power supply untuk fan heatsink-coldsink. Kemudian ukur dengan multimeter agar diketahui besar daya yang digunakan
•
Nyalakan display termokopel dan pastikan temperature di dalam cool box sudah sama atau mendekati dengan temperature ambient 29 – 30°C
•
Nyalakan power supply, atur daya yang diinginkan. Setelah itu matikan kembali power supply
•
Siapkan alat tulis dan stopwatch untuk menulis data pengujian
•
Pasang rangkaian peltier dan cek sudah dalam kondisi yang benar, kemudian secara bersamaan nyalakan power supply dan mulai hitung waktu pada stopwatch
•
Pengujian dilakukan selama satu jam dan pengambilan data temperature dan arus tiap-tiap 5 menit
•
Setelah satu jam pengujian, matikan power supply dan catat kenaikan temperatur hingga mencapai temperatur ambient
3.8
Variasi pengambilan data pengujian Pengambilan data pengujian dilakukan dengan asumsi temperatur ambien sekitar
29-30 °C. Terdapat beberapa variasi pengambilan data yang dilakukan untuk mengetahui karakteristik alat. Variasi pengujian tersebut meliputi :
45
1. Variasi susunan rangkaian peltier Variasi susunan peltier dilakukan untuk mengetahui karakteristik arus, tegangan, dan daya dari masing-masing susunan peltier tersebut. Variasi susunan peltier meliputi susunan peltier secara seri, susunan peltier secara paralel
2. Penggunaan arus optimum Pengunaan arus optimum dilakukan untuk mengetahui unjuk kerja alat dan waktu yang dibutuhkan sistem untuk mencapai kondisi setimbang pada range suhu yang diperlukan, yaitu 15 oC.
3. Cool Box dengan Beban Penggunaan coolbox dengan menambahkan beban panas berupa kaleng minuman, untuk mengetahui berapa waktu yang dibutuhkan untuk mencapai temperature 15°C
46
