Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya Sabtu, 21 November 2015 Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
PENGARUH LOKASI PENUKAR PANAS COLD HEAT EXCHANGER TERHADAP KINERJA SISTEM PENDINGIN TERMOAKUSTIK STACK BAHAN ORGANIK GAMBAS PUTRI E.K.N. *, CANDRARESITA A.F., ACHMADIN W.N, SETIAWAN I., SETIO UTOMO A.B. Prodi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada Bulaksumur, BLS 21, Yogyakarta 55281 Abstrak. Telah dilakukan penelitian mengenai pengaruh lokasi penukar panas yang bertujuan untuk meningkatkan kinerja sistem pendingin termoakustik. Sistem pendingin termoakustik terdiri dari loudspeaker 10 inch dengan daya input listrik sebesar 80 W dan 90 W, resonator bahan PVC (Polyvinyl Chloride) sepanjang 80 cm dengan diameter 5,25 cm, dan stack bahan gambas setebal 6 cm. Lokasi penukar panas divariasikan mulai dari 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm, dan 35 cm diukur dari loudspeaker. Pada daya input listrik 80 W dan 90 W didapatkan lokasi penukar panas Cold Heat Exchanger optimum yaitu jarak 35 cm dari sumber bunyi loudspeaker, dengan penurunan suhu pada tandon dingin masing-masing sebesar 7 oC dan 7,2 oC. Hasil ini sesuai dengan perhitungan COPc (Carnot Coefficient of Performance) yang memberikan nilai COPc paling kecil pada daya input tersebut. Kata kunci : gambas, penukar panas, dan termoakustik Abstract. The location effect of Heat Exchangers on the performance thermoacoustic reffrigerator engine has been conducted. A thermoacoustic refrigerator engine consist of a 10 inch loudspeaker with power input of 80 W and 90 W, a length of PVC tube resonator is 80 cm with 5,25 cm of diameter, and 6 cm thick of stack from gambas. The location Heat Exchanger varied from 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm, untill 35 cm to loudspeaker. At power input is 80 W and 90 W, optimum location Cold Heat Exchanger are shown at a distance of 35 cm from loudspeaker, with reducing temperature at Cold Heat Exchanger as 7 oC dan 7,2 oC, respectively. This result be in mutual accord with calculation of COPc (Carnot Coefficient of Performance) which generate the smallest COPc’s value for the power input. Keywords : gambas, heat exchanger, and thermoacoustic
1. Pendahuluan Termoakustik merupakan gabungan bidang ilmu termodinamika dan akustika untuk menggambarkan interaksi antara suhu dan bunyi. Penjelasan secara kualitatif mengenai termoakustik dimulai oleh Rayleigh pada tahun 1887 dalam bukunya “The Theory of Sound”, sedangkan penjelasan secara matematis dimulai oleh Rott pada tahun 1980. Prinsip termoakustik berdasar dari asumsi pada gelombang bunyi yang merambat tidak hanya adanya osilasi tekanan, namun terdapat osilasi panas. Pada umumnya percakapan sehari-hari terdapat osilasi panas, namun tidak terdeteksi disebabkan panas yang ditimbulkan sebesar 10-4 C [1].
*
email :
[email protected] FE-37
FE-38
Putri E.K.N, dkk
Adapun komponen utama dalam sistem termoakustik adalah stack. Daya pendinginan bergantung terhadap kontak termal jarak dinding-dinding stack. Efisiensi yang optimum dipengaruhi oleh lokasi stack dengan jarak sekitar dari ujung resonator [2]. Hal tersebut disebabkan pada lokasi tersebut memiliki nilai impedansi akustik yang besar, yaitu dekat dengan titik simpul tekanan pada gelombang berdiri. Selain itu bahan stack harus memiliki konduktivitas termal yang rendah [3]. Siklus aliran panas dalam stack terdiri dari empat langkah, yaitu dua proses adiabatik dan dua proses isobarik seperti yang ditampilkan pada Gambar 1 [4]. Proses adiabatik yang pertama (langkah 1) adalah kompresi paket gas oleh gelombang bunyi. Paket gas terdorong ke kanan sehingga volume mengecil akibat tekanan yang besar dan tidak ada perpindahan panas. Suhu paket gas menjadi lebih tinggi dibandingkan dengan suhu dinding stack sehingga terjadi perpindahan panas dari paket gas ke dinding stack (langkah 2). Proses adiabatik yang kedua (langkah 3) adalah ekspansi paket gas oleh regangan dari gelombang bunyi. Paket gas bergerak ke kiri sehingga tekanan yang dialami paket gas berkurang dan volume paket gas kembali meregang. Adanya peregangan tersebut, suhu paket gas menjadi lebih kecil dari suhu dinding stack, sehingga terjadi perpindahan panas dari dinding stack ke paket gas (langkah 4).
Gambar 1. Interaksi paket gas dengan dinding stack pada pendingin termoakustik [4].
2. Metode Penelitian Pada penelitian ini digunakan tabung resonator bahan PVC (polyvinyl chloride) sepanjang 80 cm dengan diameter 5,25 cm yang dihubungkan dengan sumber bunyi loudspeaker Hertz ES 250 Subwoofer berkemampuan maksimal 500 watt. CHX (Cold Heat Exchanger) berukuran (10,8 8 4,2) cm diletakkan 61 cm dari loudspeaker yang biasa disebut dengan tandon dingin, sedangkan HHX (Hot Heat Exchanger) berukuran (11 8 4) cm diletakkan 13 cm dari ujung resonator sisi lainnya yang biasa disebut dengan tandon panas. Penukar panas (CHX dan HHX) dibuat dari (53) pipa tembaga dan (29 untuk HHX; 38 untuk CHX) pelat tembaga yang disusun menjadi jenis finned tubular Heat Exchanger kemudian dilapisi kaca acrylic (Polymethyl methacrylate). CHX dialiri air dengan menggunakan pompa Halico Submersible Pump HC-188 yang diatur tegangan input listrik sebesar 125 V sedangkan HHX dialiri dengan menggunakan pompa Whale 812 Power Liquid Filter tegangan input listrik 220 V.
Pengaruh Lokasi Penukar Panas Cold Heat Exchanger Terhadap Kinerja.....
FE-39
Lokasi CHX pada tandon dingin berjarak 15 cm dari loudspeaker yang kemudian divariasi lokasi 20 cm, 25 cm, 30 cm, dan 35 cm dari loudspeaker. Masingmasing lokasi tersebut dioperasikan dengan daya input listrik 80 W dan 90 W. Stack yang digunakan terbuat dari bahan gambas. Keunggulan dari bahan tersebut adalah kemudahan dalam mencari dan relatif murah. Stack ini disusun setebal 6 cm yang kemudian diletakkan berdampingan dengan HHX. Stack berfungsi sebagai tempat osilasi transfer panas seperti yang ditampilkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Sistem pendingin termoakustik
Pengukuran suhu antara tandon panas dan tandon dingin dilakukan dengan menggunakan sensor suhu LM-35 sebanyak dua buah, sebuah untuk tandon panas dan sebuah untuk tandon dingin yang kemudian terhubung data logger dan perangkat lunak TcDAS (Thermoacoustic DAS) pada komputer sehingga fenomena termoakustik dapat diamati. Adapun untuk menghitung COPc (angka kerja Carnot) menggunakan persamaan sebagai berikut COPC
TC TH TC
(1)
3. Hasil dan Pembahasan Perbandingan penurunan suhu dingin dengan waktu terhadap lokasi berbeda dengan daya input listrik 80 W ditunjukkan pada Gambar 3 (a). Kenaikan penurunan suhu pada detik ke-2340 disebabkan oleh HHX yang yang telah dialiri air. Namun setelah beberapa saat kemudian terjadi pemanasan terhadap sistem yang mengakibatkan penurunan suhu menjadi menurun sehingga pengaliran air pada CHX diperlukan. Dalam penelitian ini CHX belum berfungsi dengan baik, disebabkan penurunan suhu dingin yang dihasilkan aliran air pada CHX tidak seperti hasil penurunan pada HHX. Pada detik ke-7200, suhu dingin pada sistem mengalami keadaan steady state, dan diperoleh bahwa pada lokasi 35 cm menghasilkan penurunan suhu dingin yang optimum, yaitu 7 oC. Hasil pada daya input listrik 90 W juga ditampilkan pada Gambar 3 (b). Terlihat bahwa pada detik ke-7200 bahwa lokasi 15 cm, 25 cm, dan 35 mengalami
FE-40
Putri E.K.N, dkk
kenaikan penurunan suhu yang menandakan CHX berfungsi dengan baik. Dapat disimpulkan bahwa selisih penurunan suhu dingin pada lokasi 35 cm dengan daya input listrik 90 W lebih besar dibandingkan daya input listrik 80 W.
Gambar 3. Pengaruh lokasi penukar panas CHX terhadap penurunan suhu dingin dengan daya input listrik (a) 80 W dan (b) 90 W.
Penelitian ini pun juga perlu dibandingkan dengan nilai COPc untuk mengetahui perbandingan antara teori dengan hasil eksperimen. Berdasarkan hasil perhitungan COPc, lokasi CHX 35 cm dari sumber bunyi loudspeaker menghasilkan nilai COPc terkecil, baik untuk daya masukan 80 W maupun 90 W. Kurva untuk daya input listrik 80 W berbentuk sinusoidal, sedangkan kurva untuk daya input listrik 90 W hampir menunjukkan linear, titik terendah keduanya terdapat pada lokasi CHX 35 cm dari sumber bunyi loudspeaker. Oleh karena COPc terkecil dihasilkan dari variasi lokasi CHX 35 cm dari sumber bunyi loudspeaker, maka jarak optimum CHE dari loudspeaker adalah 35 cm yang merupakan jarak terjauh dalam penelitian ini. Pada Gambar 4 ditunjukkan bahwa untuk daya masukan 90 W kurva COPc terus turun, sehingga tidak menutup kemungkinan jika CHX diletakkan lebih jauh dari loudspeaker (mendekati stack).
Pengaruh Lokasi Penukar Panas Cold Heat Exchanger Terhadap Kinerja.....
FE-41
Gambar 4. Pengaruh lokasi penukar panas CHX dan daya input listrik terhadap COPc
4. Kesimpulan Didasarkan uraian di atas, didapatkan beberapa kesimpulan bahwa sumber panas muncul akibat adanya aliran balik panas secara konduksi di dalam stack dan efisiensi sumber bunyi loudspeaker yang rendah sehingga menyebabkan sinyal masukan lebih banyak yang diubah menjadi energi panas. Penggunaan HHX dan CHX berfungsi untuk membuang panas. Berdasarkan hasil yang diperoleh jarak optimum lokasi CHX adalah 35 cm dari sumber bunyi loudspeaker, dengan mampu menurunkan suhu pada tandon dingin 7 C dan 7,2 C pada daya input listrik 80 W dan 90 W. Nilai COPc pada lokasi tersebut sangat kecil, yaitu 34,53 dan 32,64 pada daya input listrik 80 W dan 90 W. Sehingga baiknya kinerja pendingin termoakustik ditandai dengan perolehan nilai COPc yang kecil. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan lokasi CHX yang lebih jauh dari 35 cm dari sumber bunyi loudspeaker dengan daya input listrik lebih dari 90 W. Ucapan terima kasih Penulis mengucapkan terimakasih kepada Jurusan Fisika dan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Gadjah Mada yang telah memberikan dukungan finansial untuk pelaksanaan penelitian ini. Daftar Pustaka 1. I. Girgin, dan M. Türker, Thermoacoustic Systems as an Alternative to Conventional Coolers, Journal of Naval Science and Engineering, Vol.8, No.1, (2012) pp.14-32. 2. G. W. Swift, Thermoacoustic Engines, J. Acoust. Soc. Am. 84, (1988) 11451180. 3. G. W. Swift, Thermoacoustic engine dalam Encyclopedia of Acoustics, editor M. J. Crocker, Wiley, New York, (1997) 695-701. 4. P. H. M. Wilhelmus, Mathematical Aspects of Thermoacoustics, PhD Thesis, Technische Universiteit Eindhoven, The Netherlands, 2009.
