RANCANG BANGUN KOTAK PENDINGIN YANG MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBER ENERGI SURYA
SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Wilsen Simon NIM. 100401095
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “RANCANG BANGUN KOTAK PENDINGIN YANG MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBER ENERGI SURYA”. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, do’a, dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada : 1. Bapak Tulus B. Sitorus, S.T,M.T. selaku Dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Dosen pembanding I yang dengan penuh kesabaran telah memberikan kritik dan saran yang membangun. 3. Bapak Dipl. -Ing. Samar, S.T. selaku Dosen pembanding II yang penuh kesabaran telah memberikan kritik dan saran yang membangun. 4. Kedua orang tua penulis, Tjoa Tjoang Thiam dan Yuliwaty Juman serta adik penulis, Andrew Senjaya dan Vincentius Senjaya yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, do’a serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. 5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah. 6. Rekan-rekan khususnya Dwyanto, Hendri, Christianto, Stefanus, Wunardi dan seluruh rekan mahasiswa angkatan 2010 serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
7. Teman – teman yang selalu memotivasi khususnya Rudi Kirana, Melia Oktiva, Jusco, Michael , Deni Natalia dan semua teman – teman yang berada di Keluarga Mahasiswa Buddhis yang telah memberi semangat. 8. Rekan-rekan bimbingan les tempat saya mengajar seperti Jimmy Leonardo, Viera Fransisca, Jesslyn CL, Adeline, dan lain yang tidak dapat saya sebutkan semua. 9. Murid-murid yang saya ajar yang selalu memberi semangat supaya saya tidak terlalu stress.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca, Terima kasih.
Medan,
Maret 2015
Wilsen Simon
ABSTRAK Pada sistem refrigerasi dan tata udara, belakangan ini telah dikenal teknologi pendinginan atau pemanasan teknologi termoelektrik. Termoelektrik merupakan sumber alternatif utama dalam menjawab kebutuhan energi tersebut. Kotak pendingin merupakan salah satu alat pendingin yang menggunakan sistem pendingin termoelektrik. Tujuan rancang bangun ini adalah untuk merancang kotak pendingin termoelektrik yang efisien untuk digunakan pedagang minuman dibandingkan dengan penggunaan kotak pendingin es batu beserta komponen penyusun dan juga ketahanan material yang digunakan kotak pendingin. Dalam melakukan rancang bangun akan dilakukan pemakaian styrofoam yang sering digunakan pedagang minuman, pembuatan rancangan dengan AUTOCAD 2007, penyiapan alat bahan dan perakitan kotak pendingin. Hasil rancang bangun adalah penggunaan styrofoam sebagai media tempat pendingin benda yang akan diuji. Termoelektrik yang digunakan adalah TEC 1-12706 yang mampu mencapai temperatur 5oC. Akumulator yang digunakan pada sistem menggunakan akumulator merek GS 12V 70Ah. Sementara fotovoltaik yang digunakan adalah merek SA100-72M yang dapat mengeluarkan 18,9 V atau dalam seharinya 100 Watt. Ketahanan material untuk beban 20 kg dari aluminium 112,45 N/mm 2 dan triplek 50,45 N/mm2. Kata kunci: kotak pendingin, termoelektrik, fotovoltaik, AutoCAD, ketahanan material.
ABSTRACT In the refrigeration and air-conditioning system, thermoelectric cooling or heating technology have recently been recognized technology. Thermoelectric is a primary alternative source in energy needs. Cooling box is a cooling device that uses thermoelectric cooling system. The purpose of this tcooling box design is to design the efficient thermoelectric cooling box used by beverage merchant compare with ice cube cooling box, and other components along with the durability of cooling box. Designing this cooling box use styrofoam that use most for beverage merchant, designed by AUTOCAD 2007, preperation of tool materials, and assembling the cooling box. The result of this design is used of styrofoam as a cooling box to be tested. TEC 1-12706 is hoped to reach the temperature of 5oC. Accumulator of the system is GS 12V 70Ah brand. Beside the photovoltaic is SA100-72M brand which can release 18,9 V or 100 Watt in a day. The durability for 20kg weight from aluminium is 112,45 N/mm 2 and for plywood is 50,45 N/mm2. Keywords: coolbox,thermoelectric, photovoltaic, AutoCAD, durability
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ............................................................................................ i ABSTRAK .............................................................................................................. iii ABSTRACT ........................................................................................................... iv DAFTAR ISI ........................................................................................................... v DAFTAR TABEL .................................................................................................. vii DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... viii DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... x DAFTAR NOTASI ................................................................................................. xi BAB I
PENDAHULUAN .............................................................................. .1
1.1
Latar Belakang Masalah ...................................................................... .1
1.2
Tujuan Rancang Bangun .................................................................... .2
1.3
Manfaat Rancang Bangun ................................................................... .2
1.4
Batasan Masalah.................................................................................. .2
1.5
Sistematika Penulisan ......................................................................... 3
BAB II 2.1
TINJAUAN PUSTAKA ................................................................... .4 Pendingin Termoelektrik ..................................................................... .4 2.1.1 Sejarah perkembangan Termoelektrik ....................................... 4 2.1.2 Prinsip Kerja Termoelektrik ...................................................... 4 2.2.3 Peredam Panas ........................................................................... 7 2.2.4 Karakteristik Bahan – Bahan Termoelektrik .............................10 2.2.5 Efek – Efek Pendinginan Termoelektrik ...................................11 2.2.6 Perhitungan Pendinginan Sistem Termoelektrik .......................13
2.2
Energi Surya .......................................................................................17 2.2.1 Pengertian Energi Surya ............................................................17 2.2.2 Fotovoltaik (PV).........................................................................18 2.2.3 Cara Kerja Fotovoltaik...............................................................20
2.4
Beban Pendinginan.............................................................................21 2.4.1 Beban Panas dari Luar...............................................................21 2.4.2 Beban Panas dari Dalam............................................................22
2.5 Perpindahan Kalor.................................................................................23
BAB III
METODOLOGI PEMBUATAN...................................................27
3.1
Membuat Desain Pendingin Elemen Peltier......................................28
3.2
Mengambar Desain dengan AUTOCAD 2007..................................28
3.3
Penyiapan Alat dan Bahan ...............................................................28 3.3.1 Penyiapan Alat ........................................................................29 3.3.2 Penyiapan Bahan .....................................................................32
3.4 BAB IV
Perakitan Pendingin Elemen Peltier..................................................37 RANCANG BANGUN KOTAK PENDINGIN .........................39
4.1
Rancang Bangun Kotak Pendingin...................................................39
4.2
Pemasangan Fotovoltaik (PV)...........................................................46
4.3
Skema Pengujian dan Aliran Fluida dalam Kotak Pendingin
Termoelektrik..............................................................................................46 4.4
Biaya Pembuatan Kotak Pendingin...................................................48
4.5
Desain Rancang Bangun Menggunakan Software AutoCAD..........49
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN .....................................................52
5.1
Kesimpulan .......................................................................................52
5.2
Saran .................................................................................................52
DAFTAR PUSTAKA........................................................................................54 LAMPIRAN
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Dimensi Styrofoam Garuda Indonesia MEA-02198 REPORT................ 27 Tabel 4.1 Karakteristik logam Aluminium ............................................................. 39 Tabel 4.2 Karakteristik kayu triplek ........................................................................ 43 Tabel 4.3 Perhitungan biaya pembuatan kotak pendingin ...................................... 48
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Modul pendingin termoelektrik ............................................................ 5 Gambar 2.2 Aliran arus listrik yang menimbulkan panas dan dingin ...................... 6 Gambar 2.3 Extruded Heat Sink................................................................................ 7 Gambar 2.4 Folded Fin Heat Sink ............................................................................. 8 Gambar 2.5 Cold Forged Heat Sink .......................................................................... 8 Gambar 2.6 Bonded/Fabricated Heat Sink ................................................................ 9 Gambar 2.7 Skived Fin Heat Sink ........................................................................... 10 Gambar 2.8 Fotovoltaik (PV) ................................................................................. 20 Gambar 2.9 Cara Kerja Fotovoltaik (PV) ............................................................... 21 Gambar 2.10 Proses Perpindahan Kalor Secara Konduksi ....................................... 24 Gambar 2.11 Proses Perpindahan Kalor Secara Konveksi Pada Suatu Plat .............. 25 Gambar 3.1 Diagram Alir Pembuatan pendingin elemen peltier ............................ 27 Gambar 3.2 Gunting ............................................................................................... 29 Gambar 3.3 Gergaji tangan ..................................................................................... 29 Gambar 3.4 Tang potong ........................................................................................ 30 Gambar 3.5 Selotip .................................................................................................. 30 Gambar 3.6 Termokopel.......................................................................................... 31 Gambar 3.7 Bor Listrik ........................................................................................... 31 Gambar 3.8 Aspire 4732Z ....................................................................................... 31 Gambar 3.9 Meteran .............................................................................................. 32 Gambar 3.10 Styrofoam ............................................................................................. 32 Gambar 3.11 Lempengan Aluminium ...................................................................... 33 Gambar 3.12 Peredam Panas ..................................................................................... 33 Gambar 3.13 Kipas (Fan) ......................................................................................... 34 Gambar 3.14 Termoelektrik ..................................................................................... 34 Gambar 3.15 Kabel Listrik ....................................................................................... 35 Gambar 3.16 Kabel Tie ............................................................................................. 35 Gambar 3.17 Akumulator ......................................................................................... 35 Gambar 3.18 Fotovoltaik (PV) ................................................................................. 36 Gambar 3.19 Solar Charge Controller ..................................................................... 36
Gambar 3.20 Triplek ................................................................................................ 37 Gambar 3.21 Pembuatan lempeng aluminium dan lubang peredam panas .............. 37 Gambar 3.22 Pemasangan kabel tie dan peredam panas .......................................... 38 Gambar 3.23 Pembuatan triplek dan lubang peredam panas ................................... 38 Gambar 3.24 Ujicoba dengan menggunakan akumulator ......................................... 38 Gambar 4.1 Distribusi gaya dan beban pada aluminium ......................................... 40 Gambar 4.2 Distribusi gaya dan beban pada triplek................................................ 43 Gambar 4.3 Pemasangan fotovoltaik ....................................................................... 46 Gambar 4.4 Skema pengujian.................................................................................. 47 Gambar 4.5 Aliran fluida pada kotak pendingin tampak depan .............................. 47 Gambar 4.6 Aliran fluida pada kotak pendingin tampak atas ................................. 48 Gambar 4.7 Assembling kotak pendingin ............................................................... 49 Gambar 4.8 Potongan styrofoam, aluminium,dan triplek........................................ 50 Gambar 4.9 Pandangan depan dan kiri peredam panas ........................................... 50 Gambar 4.10 Tutup kotak pendingin ......................................................................... 51 Gambar 4.11 Penggambaran AutoCAD .................................................................... 51
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN PART NUMBER TERMOELEKTRIK .....................................................
57
DAFTAR NOTASI
Pin
= daya input (Watt)
h
= koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2.oC)
S
= koefisien Seebeck
(Volt/K)
= potential termoelektrik terinduksi (Volt) T
= temperatur (K)
qj
= efek joule (panas joule) (Watt)
I
= arus (Ampere)
R
= tahanan (Ohm)
qc
= laju aliran panas sisi dingin (Watt)
qh
= laju aliran panas sisi panas (Watt)
U
= konduktivitas termal (Watt/K)
Th
= temperature sisi panas (K)
Tc
= temperature sisi dingin (K) = koefisien Peltier (Volt)
q
= laju perpindahan panas (Watt)
I
= arus (Ampere) = koefisien Thomson = perbedaan temperature (K) = gradient suhu kearah perpindahan kalor (oC/m)
k
= koefision perpindahan kalor konduksi (W/m. oC)
Tw
= suhu plat (oC)
T∞
= suhu fluida (oC)
σ
= konstanta Stefan-Boltzman(5,669 x 10-8 W/m2.K4)
ε
= Emisivitas
K
= konduktifitas termal dari kopel (Watt/K)
ρ
= tahanan listrik (Ohm cm)
r
= hubungan tahanan listrik (Ohm cm2)
Iopt
= arus optimum (Ampere)
α
= kekuatan termoelektrik
Z
= figure of merit (K-1)
(V/K)
Tm
= temperatur rata-rata (K)
I
= momen inersia (mm4)
b
= lebar plat (mm)
h
= tebal plat (mm)
Z
= modulus penampang (mm2)
ymaks
= jarak sumbu netral ke tegangan normal (mm)
F
= beban yang diberikan (N)
A
= Luas penampang (mm)
σmaks
= tegangan lentur maksimum (N/mm2)
COP
= Koefisien Performansi
L
= Luas Penampang (cm)
W
= Daya (Watt)
Ac
= Luas benda (m2)
