STUDI PENGGUNAAN MODUL THERMOELEKTRIK SEBAGAI SISTEM PENDINGIN PORTABLE

Vol. 1, No.1 Mei 2016

ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin

e-ISSN:2502-8944

STUDI PENGGUNAAN MODUL THERMOELEKTRIK SEBAGAI SISTEM PENDINGIN PORTABLE Jenny delly,ST.MT, Muhammad Hasbi,ST.MT, Indra fitra alkhoiron Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Halu Oleo, Kendari E-mail: [email protected]

Abstrak Pada sistem refrigrasi dan tata udara, belakangan ini telah dikenal teknologi pendinginan atau pemanasan termoelektrik. Termoelektrik merupakan sumber alternatif utama dalam menjawab kebutuhan energi tersebut. Tujuan dari penelitian ini untuk merancang sebuah alat box pendingin mini yang menggunakan alat portabel yang tersusun dari kipas, heatsink dan elemen peltier. mengetahui prinsip kerja dari sistem pendingin serta penurunan temperatur ruang pendingin yang dihasilkan oleh elemen peltier dan mengetahui pengaruh variasi laju aliran pada pipa kapiler terhadap perubahan temperature didalam box pendingin thermoelektrik. Penelitian ini difokuskan untuk merancang dan menguji pendingin thermoelektrik dengan variasi input daya pada pompa untuk beban 150 gr buah jeruk. Hasil pengujian diperoleh besarnya kalor yang diserap sebesar 0,1524 Watt dari jumlah panas total sebesar 3,165 watt. Pada saat pemberian daya listrik pada pompa sebesar 9 W selama 45 menit, temperatur dalam box adalah 22 oC dari suhu awal 31 oC.. Termoelektrik yang digunakan adalah TEC 1-12706 yang mampu mencapai temperatur 5ºC. Accumulator yang digunakan pada sistem menggunakan accumulator merek GS 12V 70 Ah. Hasil pengujian ini menyimpulkan bahwa temperatur dalam box turun 8ºC pada penggunaan daya listrik 9 W Katakunci: kotak pendingin, termoelektrik, styrofoam

Abstract The refrigeration and air-conditioning system, thermoelectric cooling or heating technology have recently been recognized. Thermoelektric is a primary alternative source in energy needs. To the effect from observational it to

design one box's tool mini coolant that utilize graded portable tool from fan, heatsink and peltier's element. knowing job principle from coolant system and cold storage temperature decrease that resulting by peltier's element and knows streaming fast variation influence on capillary tube to temperature's change at in box thermoelektrik's coolant. This research is focused to design and tests thermoelektrik's coolant with input variation energis on pump for charges 150 gr oranges. Examination result gotten to outgrow its kalor that permeated as big as 0,1524 Watts from total heat amount as big as 3,165 watts . Upon electricity application on pumps as big as 9 w up to 45 minutes, temperature in box is 22 o C from start temperature 31 o C.. termoelektrik who is utilized is TEC 1 12706 ones can reach 5ºC's temperatures. Accumulator who is utilized on system utilizes accumulator GS's brand 12V 70 Ah. Usufruct this examination concludes that temperature in box goes down 8ºC on electricity purpose 9 w. Keywords: coolbox, thermoelectric, styrofoam

Pendahuluan Latar belakang Salah satu kesulitan masyarakat yang tinggal di daerah perkotaan adalah mendapatkan kesegaran buah atau sayuran di pasar atau pusat perbelanjaan lainnya. Itu dikarenakan sebagian besar buah dan sayuran yang ada

di daerah perkotaan disuplay dari daerah perdesaan, sehingga kualitas kesegarannya berkurang atau hilang pada saat penyuplaian yang mungkin memakan waktu seharian atau bahkan sampai dua hari perjalanan. Dengan menurunkan suhu suatu produk, aktivitas enzim dan mikroba yang ada akan berkurang, sehingga penurunan mutu atau kerusakan dapat dihambat pada buah-buahan atau sayur-sayuran. Dengan cara tersebut

50

Vol. 1, No.1 Mei 2016

ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin

e-ISSN:2502-8944

jangka waktu penyimpanan atau daya tahan dapat ditingkatkan. Permasalahan yang ada saat ini adalah kurangnya pendingin portable yang dapat digunakan oleh masyarakat untuk mendinginkan bahan makanan. Pada sistem refrigerasi dan tata udara, belakangan ini telah dikenal teknologi pendinginan 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. Berdasarkan masalah tersebut maka dibuatlah sebuah penelitian tugas akhir yang berjudul “Studi Penggunaan Modul Thermoelektrik Sebagai Sistem Pendingin Portable” dengan beberapa komponen penunjang seperti heatsink dan kipas dalam merekayasa sistem pendingin.

ujung yang lain”. Demikian pula menurut Bayu (2008) menyatakan, “Termoelektrik memiliki aplikasi dalam hal apapun yang menggunakan sumber panas sebagai penghasil listrik. Secara sederhana, termoelektrik adalah suatu pembangkit yang menggunakan elemen peltier yang mengubah energi termal menjadi energi listrik (elektrik). Hal ini didasari pada efek seebeck. Ketika perbedaan temperatur terjadi, elemen peltier ini akan menggalirkan arus sehingga menghasilkan tegangan”. Dari kedua uraian tersebut dapat disimpulkan bahwa efek seebeck merupakan prinsip kerja dari termoelektrik yang dapat dimanfaatkan sebagai energi alternatif. Deddy Reza Dwi Prayudatama dalam tugas akhir terdahulu dengan judul “perpindahan panas Heatsink disisi panas thermoelektrik TEC 12706 dengan daya 22,4 Watt” menggunakan Box yang terbuat dari cork dan acrylic sebagai bahan pelapis dalam box serta menggunakan satu buah peltier dalam waktu dua jam menghasilkan suhu terendah dalam box sebesar 10C.

Pustaka Terdahulu

Mesin pendingin merupakan mesin yang berfungsi untuk memindahkan panas dari lingkungan bersuhu rendah ke lingkungan bersuhu tinggi. Mesin pendingin dapat dibayangkan sebagai mesin kalor yang beroperasi secara terbalik (Young, 2002). Rasio antara Qoutput/W, disebut sebagai Koefisien Kinerja (K). Semakin besar rasio ini, semakin baik pendinginnya. Salah satu mesin pendingin adalah refrigerator atau kulkas. Komponen refrigerator terdiri dari kompresor, kondensor, evaporator, pipa kapiler atau katup eskpansi, filter, thermostat, heater, dan kipas.

Pengaruh penambahan elemen peltier terhadap kemampuan menjaga temperature penyimpanan vaksin dengan berbahan dasar PVC. Penelitian ini menyimpulkan bahawa suhu vaksin dapat dipertahankan dengan memberikan daya listrik 72 watt. (Ishak limbong, 2014) Pada tahun 1822, Thomas Johann Seebeck menemukan bahwa gaya gerak listrik (ggl) dapat tercetus diantara dua sambungan logam yang berbeda dan berada pada temperatur yang berlainan” (Reynolds dan Perkins, 1996:322). Pada percobaannya, Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian. Di antara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Kemudian diketahui, hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam yang menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut kita kenal dengan efek Seebeck. Terdapat suatu elemen elektrik yang dikenal sebagai elemen peltier yang dapat berfungsi sebagai pompa kalor. Komponen ini banyak digunakan sebagai pendingin, misalnya dispenser, pendingin processor komputer dan lainnya. Elemen peltier mempunyai bentuk yang compact dan dapat diaplikasikan dengan daya yang relatif kecil (sugiyanto, 2008). Muhaimin (1993) menyatakan “Prinsip kerja dari termoelektrik adalah dengan berdasarkan Efek Seebeck yaitu jika dua buah logam yang berbeda disambungkan salah satu ujunganya, kemudian diberikan suhu yang berbeda pada sambungan, maka terjadi perbedaan tegangan pada ujung yang satu dengan

Mesin pendingin

Pendingin Thermoelektrik Prinsip kerja termoelektrik adalah berdasarkan efek Seebeck, yaitu ketika arus DC dialirkan keelemen Peltier yang terdiri dari beberapa pasang semikonduktor tipe p (yaitu semikonduktor yang mempunyai tingkat energi yang lebih rendah) dan tipe n (yaitu semikonduktor dengan tingkat energi yang lebih tinggi) akan menyebabkan salah satu sisi elemen Peltier menjadi dingin (kalor diserap) dan sisi lain menjadi panas (kalor dilepas) dan sebaliknya jika arah arus dibalik. Elektron yang mengalir dari semikonduktor tipe-p kesemikonduktor tipe-n menyebabkan sisi dingin elemen Peltier menjadi dingin.

51

Vol. 1, No.1 Mei 2016

ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin

e-ISSN:2502-8944

media penyerap kalor, teknologi pendingin termoelektrik relatif lebih ramah lingkungan, tahan lama dan dapat digunakan dalam skala besar dan kecil Perbedaan suhu antara kedua bagian adalah sekitar 30 derajat celcius. Sehingga apabila bagian Hot Side bersuhu 45 derajat C maka Cool Side akan bersuhu sekitar 15 derajat jadi semakin dingin Hot Side maka Cold Side akan semakin dingin pula dan bisa sampai dibawah 0 derajat celcius. Gambar 1 gambar aliran elektron dari tipe P ke tipe N Penyerapan kalor dari lingkungan terjadi pada sisi dingin lalu dibuang pada sisi panas dari modul Peltier. Sehingga nilai kalor yang dilepaskan pada sisi panas akan sama dengan nilai kalor yang diserap ditambah dengan daya yang diberikan kemodul. Sebagai pompa kalor, modul termoelektrik akan menyerap kalor dari salah satu sisinya dan dialirkan ke sisi lainnya. Pada pendingin termoelektrik hal ini yang akan menjadi kunci bagi kita untuk mencapai temperatur yang lebih rendah pada sisi dingin modul. Mengalirkan kalor dari sisi panas secara alami, tanpa bantuan alat tambahan bukanlah ide yang baik pada pendingin termoelektrik apabila target kita ingin mendapatkan temperatur sisi dingin yang lebih rendah. ada beberapa alat yang digunakan untuk membantu mengalirkan kalor dari sisi panas modul yaitu Heatsink dan fun (kipas) Elemen Peltier Elemen peltier atau pendingin termoelektrik (thermoelectric cooler) adalah alat yang dapat menimbulkan perbedaan suhu antara kedua sisinya jika dialiri arus listrik searah pada kedua kutub materialnya, dalam hal ini semikonduktor. Keramik Peltier atau lebih dikenal dengan lempengan Peltier adalah lempengan berbahan dasar keramik yang memiliki fungsi sangat unik. Peltier ini adalah modul Thermo-Electric, umumnya dibungkus oleh keramik tipis yang berisikan batang-batang Bismuth Telluride di dalamnya. Ketika disupply tegangan DC 12volt-15volt salah satu sisi akan menjadi panas dan sisi lainnya menjadi dingin. Mengapa bisa begitu? karena Peltier memiliki 2 bagian yang berbeda, yakni : 1. Cool Side (Heat Absorbed) yang bekerja menyerap kalor (panas) sehingga bagian ini merupakan lempengan yang dingin 2. Hot Side (Heat Released) yang bekerja melepas kalor (panas) sehingga bagian ini merupakan lempengan panas Pendingin thermoelektrik merupaakan solid state technology yang bisa menjadi alternatif teknologi pendingin selain sistem vapor compression yang masih memanfaatkan refrijeran. Dibandingakn dengan teknologi kompresi uap yang menggunakan uap sebagai

Gambar 2 Peltier Kalor yang diserap mesin pendingin Kalor yang diserap merupakan jumlah panas yang diserap oleh mesin pendingin untuk mendinginkan suatu ruangan .dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut : Keterangan : Q = Kalor yang diserap (Kcal) m = berat dari produk yang didinginkan (kg) Cp= panas jenis dari produk di atas titik beku (Kcal/kg 0 C) ΔT= perubahan temperaturair (0C) Kalor yang dilepas beban pendingin Beban pendinginan merupakan jumlah panas yang dipindahkan oleh suatu sistem pendingin. Beban pendinginan total merupakan jumlah beban pendinginan suatu ruang. Beban ruang tiap jam dipengaruhi oleh perubahan temperatur udara luar, perubahan efek penyimpanan panas pada struktur/dinding bagian luar wadah pendingin. 1. Field heat (Q) Beban kalor yang dibawa oleh produk yang akan didinginkan atau disimpan: Dimana: Q = jumlah panas (Kcal) m = berat dari produk yang didinginkan (kg) Cp= panas jenis dari produk diatas titik beku (Kcal/kg 0C) ΔT= perubahan temperaturruangan (0C) 2. Kalor Jenis buah jeruk

52

Vol. 1, No.1 Mei 2016

ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin

Kalor jenis (cp), merupakan banyaknya kalor (Q), yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur (T), dan satu satuan massa (m). Kalor jenis buah jeruk(cp) secara umum adalah = 1.96 Kj/Kg K. 3. Beban panas luar Beban panas dari luar adalah panas yang mengalir karena adanya perbedaan temperatur udara luar dan dalam coolbox itu sendiri. Oleh karena itu diguanakan insulasi guna meminimalisir aliran panas. Besarnya beban panas dari luar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: Q = A . U . ∆t Keterangan : Q = Jumlah panas yang dipindahkan (Watt) A = Luas Permukaan (m2) U = Angka koefisien perpindahan panas (Watt/ m2.0C) ∆t = Perbedaan temperatur (0C) Harga koefisien perpindahan panas total (U) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: = Keterangan: U

⋯

= Harga koefisien perpindahan panas [Watt/m2.oC] k1,k2,..kn = Konduktivitas thermal material [Watt/m.oC] x = Tebal material [m] 1 = Koefisien lapisan udara bagian Dalam [Watt/m2.oC] Nilai 1 adalah 1,65 BTU/h = 9,27 Watt/m2.oC 0= Koefisien lapisan udara bagian luar [Watt/cm2.oC] Nilai 0 adalah 4 BTU/h = 22,7 Watt/m2.oC Hasil dan Pembahasan

Spesifikasi dan Data awal Pengujian Pendingin Termoelektrik yang digunakan pada coolbox adalah terrmoelektrik dengan tipe TEC112706 , dengan keterangan sebagai berikut: Size : 40 x 40 x 3.8 mm Internal resistance : 1.98 Ohm +/- 10% Imax. : 6.0 A Vmax. : 15.4 V Qmax. : 53.3W tmax : 68 degree Maximum. Compress : 1Mpa

Elemen peltier yang digunakan adalah: Panjang tiap elemen = 1 cm Diameter tiap elemen = 0,5 cm Temperatur hot junction = 31 0 C = 304 K 0 Temperatur cold junction = 22 C = 295 K

e-ISSN:2502-8944

Ukuran elemen termoelektrik adalah sebagai berikut: Kekuatan termoelektrik = 0,00021 V/K Koefisien termal dari couple = 0,015 W/cm. K Tahanan listrik = 0,001 ohm cm Hubungan tahanan listrik = 0,0001 ohm-cm2 1. Luas penampang elemen (A) Menggunakan persamaan sebagai berikut: Diketahui: d = 0,5 cm Maka: 3,14 . (0,5) = 4 = 0,196 cm2 2. Tahanan listrik Untuk menghitung tahanan listrik dapat digunakan persamaan sebagai berikut: Diketahui: L = 1 cm, A = 0,196 cm2, ρ = 0,001 Ohm cm r = 0,0001 ) Ohm cm2 Maka:

= 2 0,001.

,

+

. , ,

= 2 (0,005 + 0,001) = 0,012 Ohm

3. Konduktifitas thermal Konduktivitas termal dari dua material yang berbeda dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: Diketahui : k = 0,015 Watt/cm. K A = 0,196 cm2 L = 1 cm Maka : =2 ,

= 2.0,0015 . = 0,0059 Watt /K 4. Figure of merit Figure of merit dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: Diketahui: Z = Figure of merit [K-1 ] = 0,00021 V/K R = 0,012 Ohm K = 0,0059 Watt/K Maka: 4. (0,00021) = 0,0059 .0,012 Z = 0,0025 K -1 Dari hasil rangkaian box pendingin thermoelektrik dengan menggunakan spesifikasi alat tersebut diperoleh data dan hasil pengujian pendinginan box thermoelektrik dengan menggunakan fariasi laju aliran sebagai berikut: Pengujian penurunan temperatur 1. Pengujian penurunan temperatur air refrigran dengan variasi input daya. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui perubahan temperatur air yang didinginkan oleh elemen peltier yang disalurkan kepipa kapiler

53

ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin

Vol. 1, No.1 Mei 2016

dengan variasi input daya pada pompa. diperoleh hasil sebagai berikut: HUBUNGAN ANTARA TEMPERATUR (T) DENGAN WAKTU (t)

TEMPERATUR (˚C)

40 suhu akhir untuk daya 3 watt

30

suhu akhir untuk daya 6 watt

20 10

suhu akhir untuk daya 9 watt

0 0

15

30

45

60

WAKTU (menit)

Grafik 4.1 gambar grafik gabungan hubungan antara temperature air dan waktu Dari grafik diatas menunjukan perubahan temperatur pada air yang didinginkan oleh elemen peltier. Temperatur terendah yang dapat dicapai pada pendinginan selama 45 menit adalah 20 0C pada pemberian input daya pada pompa sebesar 9 W, 23 0C untuk daya 6 W dan 25 0C pada daya sebesar 3 W. Dengan demikian menggunakan input daya pada pompa sebesar 9 Watt lebih baik karena semakin besar daya yang diberikan pada pompa air DC semakin besar kalor yang diserap akibat kecepatan aliran dalam pipa refrigran. 2. Hasil pengujian mesin pendingin dalam box dengan variasi input daya pada pompa sebesar 3 W, 6 W dan 9 W menggunakan aki bertegangan 11 Volt dan arus 3,5 Ampere dengan pengecasan selama 45 Menit.

e-ISSN:2502-8944

terendah yang dicapai di ruang pendingin pada kondisi pembebanan 150 gr buah jeruk adalah 22 0C untuk daya pompa 9 W. 24 0C untuk daya 6 W dan 27 0C untuk daya 3 W. Pada pengujian dengan variasi input daya pada pompa air DC beban yang digunakan adalah 150 g buah jeruk. Dalam mesin pendingin ini ada banyak hal yang dapat mempengaruhi proses pendinginan diantaranya yaitu penggunaan tegangan dan arus yang sesuai dengan spesifikasi alat, penggunaan tegangan dan arus listrik yang stabil, luas penampang heatsink, kipas pengurai panas yang baik dan durasi pendinginan yang lama, karena semakin lama proses pendinginan dengan tegangan dan arus listrik yang stabil maka akan semakin cepat pula penurunan temperaturnya. Adapun arus yang digunakan modul thermoelektrik ini adalah: Arus Optimum dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: Diketahui: α = 0,00021 V/K R = 0,012 Ohm Th = 310C =304K Tc = 220C =205K Maka: . , .( ) I = = 2,47 A ,

. √

Keterangan =

,

.

I : Arus optimum (A) R : tahanan listrik (Ohm) α : kekuatan thermoelektrik (V/K) Th : temperatur hot (K) Tc : temperatur cold (K)

Kesimpulan Dari hasil penelitian dan analisa data yang dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwa: .

1. Pada

kotak pendingin dengan menggunakan thermoelektrik tipe TEC 12706 pada pembebanan 150 g buah jeruk selama 45 menit diperoleh besarnya kalor yang diserap sebesar 0,1524 Watt dari jumlah panas total sebesar 3,165 watt.

2. Prinsip kerja dari pendingin thermoelektrik ini identik dengan system refrigerasi kompresi uap dimana: a.

b. Grafik 4.5 Gambar grafik gabungan hubungan antara temperature dalam box terhadap waktu Pada grafik tersebut menunjukan penurunan temperatur didalam box pendingin thernoelektrik dengan menggunakan variasi input daya. Temperatur

c. d.

Pompa sebagai kompresor yang mengalirkan air pendingin untuk menjalankan proses pendinginan Modul thermoelektrik sebagai kondensor yang mendinginkan air yang mengalir kepipa evaporator. Pipa kapiler sebagai evaporator yang menyerap panas didalam box pendingin Wadah pendingin sebagai katup ekspansi.

54

Vol. 1, No.1 Mei 2016

ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin

e-ISSN:2502-8944

Daftar Pustaka Arismunandar, W. 1995. Penyegaran udara. Bandung, 2(1): 1-2. Dongliang, Zhao dan Gang tan. 2014. A review of Thermoelektric cooling: material, Modeling and applications. Applied thermal Enginering. Vol. 66. PP 14-24. Dossat R. J. (1961). Principle of refrigeration edition. New york: John Wiley. Duan, Z. 2003. Impingement air cooled plate fin heatsink. University of New Foundland. Fardy, M.A. 2010. Semiconductor nanowires and nanotubes for energy conversion . University of California Hasan, S. 2008. System refrigasi dan tata udara. Edisi 1. Direktorat pembinaan SMK. Bandung. Handoko, K. (1981). Teknik lemari es. Jakarta: PT. Ichtiar baru Holman, J. 1988. Perpindahan Kalor. Edisi 6. Erlangga. Jakarta Imaduddin, M. Kaisar. 2008. Desain cool box dengan pompa kalor peltier. Skripsi program sarjana FTUI: Depok.

55