SIMULASI ANALISA SUHU PENDINGIN DAN ALIRAN
FLUIDA PADA KOTAK PENDINGIN YANG
MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN
TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBERENERGI
SURYA
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Dwyanto NIM 100401037
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Namo Sanghyang Adi Buddhaya, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “SIMULASI ANALISA SUHU PENDINGIN DAN ALIRAN FLUIDA PADA KOTAK PENDINGIN YANG MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN
TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBERENERGI 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 oleh penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa, dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih 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. Dosen pembanding I Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Dosen pembanding II Bapak Dipl.-Ing.Samar,S.T.yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
5. Kedua orang tua penulis, Sasputra dan Melinda yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. 6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah
membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis melaksanakan perkuliahan.
7. Rekan-rekan khususnya Hendri dan Wilsen, dan seluruh rekan mahasiswa angkatan 2010 serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
Penulis menyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis 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,18Maret 2015
ABSTRAK
Penggunaan mesinpendinginsaat ini membutuhkan refrigeranyang mengandungODP (Ozone Depleting Substance) yang dapat merusak ozon. Penggunaan termoelektrik di dalam kotak pendingin dapat dijadikan alternatif pengganti mesin pendingin yang menggunakan refrigeran. Penelitian ini menggunakan metode simulasi dengan perangkat lunak Ansys Fluent dan Gambit yang bertujuan untuk menganalisis temperatur dan aliran udara di dalam kotak pendingin. Simulasi ini menggunakan parameter kecepatan, tekanan dan temperatur sebagai masukan (input) yang kemudian diolah oleh perangkat lunak ini sehingga menghasilkan keluaran (output) berupa temperatur, tekanan dan kecepatan di dalam kotak pendingin. Hasil dari simulasi ini diperoleh temperatur maksimal sebesar 310 K di sudut kotak pendingin dan temperatur minimal sebesar 296 K di ruang tengah kotak pendingin. Tekanan maksimal diperoleh sebesar 120,937 Pa di sekitar ruang masuk udara dingin dari peltier, sedangkan tekanan terendah diperoleh sebesar -81,22 Pa yang berada di ruang tengah kotak pendingin. Untuk kecepatan tertinggi berada di sekitar ruang masuk udara dingin dari peltier sebesar 12 m/s, dan kecepatan terendah 0,5 m/s berada di sudut bawah kotak pendingin.
ABSTRACT
Cooling engine’s usage needs refrigerant containing ODP (Ozone Depleting Substance) that can damage the ozone. The use of thermoelectric inside the cooling box can become an alternative to replace the cooling engine using refrigerant. This research uses simulation method with Ansys Fluent and Gambit software as a purpose to analise the temperature and fluid flow inside the cooling box. This simulation uses velocity, pressure and temperature range as input, and then being processed by this software with the result as output like temperature, pressure and velocity inside the cooling box. The result of this simulation shows the maximum temperature as 310 K at the corner of cooling box and the minimal temperature as 296 K at the center of cooling box. Maximum pressure shows 120,937 Pa as the number around the cold air’s entrance from peltier, whereas the minimum temperature is -81,22 Pa at the center of cooling box. For the maximum velocity, it is shown as 12 m/s around the cold air’s entrance from peltier, and the minimum temperature shows 0,5 m/s as the number at the corner of cooling box.
DAFTAR ISI
2.1.1 Sejarah Pendingin Termoelektrik ... ... 5
2.1.2 Prinsip Kerja Termoelektrik ... ... 6
2.1.3 Efek Peltier... ... 8
2.1.4 Peredam Panas (Heat Sink) ... ... 8
2.1.5 Efek-Efek Pendingin Termoelektrik ... 9
2.1.6 Perpindahan Kalor ... 11
2.1.7 Perhitungan Pendinginan Sistem Termoelektrik ... 14
2.2 Energi Surya... 17
2.2.1 Sejarah Energi Surya ... 17
2.2.2 Pengertian Energi Surya ... ... 18
2.2.3Fotovoltaik ... ... 18
2.2.4Perhitungan Solar Cell ... 19
2.2.5Alasan Penggunaan Energi Surya pada Kotak Pendingin ... 20
2.3 Computational Fluid Dynamics ... 21
BAB III METODOLOGIPENELITIAN ... 24
4.2 Kondisi Batas dan Meshing Pada Gambit 2.4.6 ... 30
4.3 Analisa Kecepatan, Tekanan dan Temperatur ... 32
4.3.1 Kotak Pendingin Tertutup …... ... 32
4.3.2 Kotak Pendingin Terbuka ... 36
4.4 Grafik Perbandingan Hasil Pengujian dan Hasil Simulasi ... 38
4.5 Analisa Perhitungan Aliran Fluida Pada Kotak Pendingin ... 42
4.6 Perbandingan Aliran Fluida Hasil Hipotesa dan Hasil Simulasi ... 43
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 46
5.1 Kesimpulan ... 46
5.2 Saran ... 47
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Perbandingan Input Aliran Stedi dengan Aliran Unstedi Pada Kotak Pendingin 59
Gambar 2.1 Modul Pendingin Termoelektrik ... 6
Gambar 2.2 Arah Aliran Elektron Pada Modul Termoelektrik ... 7
Gambar 2.3 Proses Perpindahan Kalor Secara Konduksi ... 12
Gambar 2.4 Proses Perpindahan Kalor Secara Konveksi Pada Suatu Plat ... 14
Gambar 2.5 Solar Furnace ... 18
Gambar 2.6 Fotovoltaik (PV) ... 20
Gambar 2.7 Aliran Laminar dan Turbulen ... 23
Gambar 3.1 Model Autocad 3D Kotak Pendingin (Tertutup) ... 25
Gambar 3.2 Model Autocad 3D Kotak Pendingin (Terbuka) ... 26
Gambar 3.3 Laptop ... 26
Gambar 3.4 Diagram Alir Penelitian ... 27
Gambar 3.5 Skema Pengujian Kotak Pendingin ... 28
Gambar 4.1 Model 2D Pandangan Depan Kotak Pendingin Pada Gambit 2.4.6 ... 29
Gambar 4.2 Model 2D Pandangan Atas Kotak Pendingin Pada Gambit 2.4.6 ... 29
Gambar 4.3 Model Mesh 2D Pandangan Depan Kotak Pendingin Pada Gambit 2.4.6 .... 31
Gambar 4.4 Model Mesh 2D Pandangan Atas Kotak Pendingin Pada Gambit 2.4.6 ... 31
Gambar 4.5 Hasil Analisa Kontur Kecepatan (Pandangan Depan) ... 33
Gambar 4.6 Hasil Analisa Kontur Kecepatan (Pandangan Atas) ... 33
Gambar 4.7 Hasil Analisa Kontur Tekanan (Pandangan Depan) ... 34
Gambar 4.8 Hasil Analisa Kontur Tekanan (Pandangan Atas) ... 34
Gambar 4.9 Hasil Analisa Kontur Temperatur (Pandangan Depan) ... 35
Gambar 4.10 Hasil Analisa Kontur Temperatur (Pandangan Atas) ... 35
Gambar 4.11 Hasil Analisa Kontur Kecepatan (Pandangan Depan) ... 36
Gambar 4.12 Hasil Analisa Kontur Tekanan (Pandangan Depan) ... 37
Gambar 4.13 Hasil Analisa Kontur Temperatur (Pandangan Depan) ... 37
Gambar 4.14 Perbandingan Grafik Perubahan Temperatur terhadap Waktu (Sisi Bawah Aluminium) ... 39
Gambar 4.15 Perbandingan Grafik Perubahan Temperatur terhadap Waktu (Sisi Depan Aluminium) ... 40
Gambar 4.16 Perbandingan Grafik Perubahan Temperatur terhadap Waktu (Sisi Kiri Aluminium) ... 41
Gambar 4.17 Aliran Udara Jenis Laminar ... 43
Gambar 4.19 Aliran Fluida Pada Kotak Pendingin (Pandangan Atas) ... 44 Gambar 4.20 Aliran Fluida Pada Kotak Pendingin Hasil Hipotesa ... 44
Lampiran 1 Cara Penggunaan Ansys Fluent dan Gambit ...61
�� = laju perpindahan panas yang dilepaskan pada permukaan panas elemen Peltier (Watt)
�� = laju perpindahan panas yang diserap pada permukaan dingin
elemenPeltier (Watt)
Pin = daya input (Watt)
α = koefisienSeebeck (Volt/K)
��� = potential termoelektrik terinduksi (Volt)
T = temperatur (K)
�� = laju perpindahan panas akibat efek Seebeck (Watt)
I = arus (Ampere)
R = tahanan (Ohm)
����� = laju perpindahan panas akibat efek konduksi (Watt)
U = konduktivitas termal (Watt/K)
Th = temperatur permukaan panas (K)
Tc = temperatur permukaan dingin(K)
��� = koefisienPeltier (Volt)
q = lajuperpindahanpanas(Watt)
I = arus (Ampere)
� = koefisienThomson(Volt/K)
�� = perbedaan temperatur (K)
�� = laju perpindahan kalor (Watt)
(�1−�2)
� = gradien suhukearahperpindahankalor (
o C/m)
k = koefisientermalbahan (W/m.oC)
Ts = suhu permukaan (oC)
T∞ = suhufluida (oC)
h = koefisienperpindahankalor konveksi (W/m2.oC)
qrad = laju perpindahan kalor radiasi (Watt)
� = emisivitas termal material
σ = konstanta Stefan-Boltzman (5,669 x 10-8 W/m2.K4)
K = konduktifitas termal dari 2 material (Watt/K)
A = luas permukaan elemen (cm2)
L = panjang elemen
ρ = tahanan listrik (Ohm cm)
r = hubungan tahanan listrik (Ohm cm2)
Iopt = arusoptimum (Ampere)
α = kekuatan termoelektrik (V/K)
Z = figure of merit(K-1)
Tm = temperatur rata-rata (K)
vs = kecepatan fluida(m/s)
μ = viskositas absolut fluida dinamis(kg/ms)
ν = viskositaskinematikfluida(m2/s)
ρ = kerapatan (densitas) fluida (kg/m3)
Pk = daya kipas (Watt)
r = jari-jari baling kipas (cm)
V = kecepatan udara (m/s)
ReL = bilangan Reynold
�∞ = kecepatan fluida (m/s)
ABSTRAK
Penggunaan mesinpendinginsaat ini membutuhkan refrigeranyang mengandungODP (Ozone Depleting Substance) yang dapat merusak ozon. Penggunaan termoelektrik di dalam kotak pendingin dapat dijadikan alternatif pengganti mesin pendingin yang menggunakan refrigeran. Penelitian ini menggunakan metode simulasi dengan perangkat lunak Ansys Fluent dan Gambit yang bertujuan untuk menganalisis temperatur dan aliran udara di dalam kotak pendingin. Simulasi ini menggunakan parameter kecepatan, tekanan dan temperatur sebagai masukan (input) yang kemudian diolah oleh perangkat lunak ini sehingga menghasilkan keluaran (output) berupa temperatur, tekanan dan kecepatan di dalam kotak pendingin. Hasil dari simulasi ini diperoleh temperatur maksimal sebesar 310 K di sudut kotak pendingin dan temperatur minimal sebesar 296 K di ruang tengah kotak pendingin. Tekanan maksimal diperoleh sebesar 120,937 Pa di sekitar ruang masuk udara dingin dari peltier, sedangkan tekanan terendah diperoleh sebesar -81,22 Pa yang berada di ruang tengah kotak pendingin. Untuk kecepatan tertinggi berada di sekitar ruang masuk udara dingin dari peltier sebesar 12 m/s, dan kecepatan terendah 0,5 m/s berada di sudut bawah kotak pendingin.
ABSTRACT
Cooling engine’s usage needs refrigerant containing ODP (Ozone Depleting Substance) that can damage the ozone. The use of thermoelectric inside the cooling box can become an alternative to replace the cooling engine using refrigerant. This research uses simulation method with Ansys Fluent and Gambit software as a purpose to analise the temperature and fluid flow inside the cooling box. This simulation uses velocity, pressure and temperature range as input, and then being processed by this software with the result as output like temperature, pressure and velocity inside the cooling box. The result of this simulation shows the maximum temperature as 310 K at the corner of cooling box and the minimal temperature as 296 K at the center of cooling box. Maximum pressure shows 120,937 Pa as the number around the cold air’s entrance from peltier, whereas the minimum temperature is -81,22 Pa at the center of cooling box. For the maximum velocity, it is shown as 12 m/s around the cold air’s entrance from peltier, and the minimum temperature shows 0,5 m/s as the number at the corner of cooling box.
PENDAHULUAN
1.1. LatarBelakang
Penemuan energiterbarukanmempunyaiperan yang sangatpentingdalammemenuhikebutuhanenergi di masa yang akan datang.Hal
inidisebabkan,penggunaanbahanbakaruntukpembangkit-pembangkit listrik konvensional dalamjangkawaktu yang panjangakanmengurassumberminyakbumi,
gas dan batu bara yang ketersediannya semakin menipis serta mengakibatkanpencemaranlingkungan.
Indonesia merupakandaerahtropis dengan potensi pemanfaatan energi matahari yang cukup besar sehingga energisurya (matahari) merupakan salah satu jawaban atas permasalahan sumber energi terbarukan. Energi surya mulaibanyakdiaplikasikan pada berbagai sektor, dimanasalahsatunyaadalah pada penggunaanselsuryasebagaisumber energipendinginan kotak pendingin (cooling box).
Di samping itu, kebutuhanalatpendingintidakpernahlepasdarikehidupanmanusia pada saat ini.
Manusiamembutuhkanalatpendinginuntukmenyimpan berbagai benda, seperti: bahanbakumasakan (sayur, daging, bumbumasak, dll), makanan, dan minuman.
Pemakaian teknologi pendingin saat inimasihterdapatberbagaikelemahan. Alatpendingin(kulkas)memiliki kelemahan, seperti: ancamanterhadap lingkungan (dengan gas-gas CFC), sertabanyak menggunakandayalistrik dimana rata-rata sumber energi listriknya berasal dari bahan bakar fosil.
Teknologi termoelektrikdapatmenjadi alternatifuntuk kebutuhanalatpendingin yang lebih baik. Termoelektrikmerupakansuatu plat semi
Pendinginanpada teknologi termoelektrik menggunaka menciptakan dibutuhkanolehtermoelektrikuntukmelaluimasing-masing material adalah berbeda. Hal inimengakibatkan untuksisipertama, energi
diserapterusmenerussehinggasisitersebutmenjadidingin. Sedangkan, sisilainnyaenergi dilepasterusmenerussehinggamenjadisisipanas.
Keuntunganutamadaripendinginanefek
Peltierdibandingkandengankulkaskompresiuapadalahkurangnyabagian yang bergerakatau peredaran cairan, mengurangi potensi kebocoran dandimensi yang lebih kecil sebesar ±40x40 mmserta daya yang dibutuhkan hanya sebesar ±51 W.Kerugianutamanyaadalahcepat panas dan efisiensi suhu dingin yang dihasilkan rendah sekitar 60%.
1.2. Tujuan Analisa
Adapun tujuan dari simulasi ini adalah :
1. Mengetahui parameter kecepatan, tekanan dan temperaturpada kotak pendingin.
2. Membandingkan data hasil simulasi dengan data hasil pengujian dari kotak pendingin.
3. Mengetahui aliran fluida yang terjadi padakotak pendingin.
1.3. Manfaat Analisa
1. Bagi Penulis
a. Merupakan wahana menerapkan pengetahuan teori mata kuliah metode perhitungan dinamika fluida dan teknik pendingin yang telah diperoleh di bangku kuliah, serta membandingkannya dengan kondisi di lapangan.
b. Mengetahui aliran fluida yang terjadi pada mesin pendingin. 2. Bagi Akademik
b. Sebagai referensi dasar untuk dilakukannya penelitian lebih mendalam pada jenjang yang lebih tinggi.
3. Bagi Masyarakat sekitar
a. Memberikan solusi terhadap masalah ketersediaan mesin pendingin yang murah dan ramah lingkungan sehingga dapat mengurangi resiko pemanasan global.
b. Sebagai kontribusi positif dalam mengurangi kerusakan lapisan ozon.
c. Sebagaisalahsatuperalatanpendinginalternatif yang
menggunakansumberlistrikterbarukan dalam mengurangi ketergantungan pada sumber listrik dengan bahan bakar fosil.
1.4. BatasanMasalah
Dalamsimulasiini,penulismembatasimasalahpada:
1. Analisa pada kotak pendingin dilakukandenganmenggunakansoftware CFD FLUENT 6.3
2. Analisis dilakukan pada kotak pendingin bermaterial aluminum yang dilapisi oleh sterofoam dan triplek.
3. Variabel yang dianalisis pada software CFD FLUENT 6.3 adalahtekanan, temperatur dan kecepatan udara pada kotak pendingin.
4. Penggunaan elemen pendingin termoelektrik dibatasi maksimal hanya dua buah.
5. Analisa pada kotak pendingin didesain dengan menggunakan software GAMBIT 2.4.6.
Berisitentanglatarbelakang yang menentukanpengambilanpenelitiandandilanjutkandengantujuanpenelitian,
batasanpenelitian, manfaatpenelitian, dansistematikapenulisanskripsiini. BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Padababinimenjelaskantentang landasan teori dan studi literatur yang berhubungandenganpenelitianskripsi.Literatur yang diambil
berkaitandenganpokokpermasalahansertametodependekatan yang digunakanuntukmenganalisapersoalan.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Padababiniakandibahasmengenaiobjek penelitian, waktu penelitian, peralatan penelitian, langkah-langkahpenelitian dan skema pengujian yang akandigunakanuntukmenyelesaikanpermasalahandaritopik yang diangkat.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab iniakanmenjelaskanhasil yang didapatdari analisa dengan Computational Fluid Dynamic (CFD) pada kotak pendingin yang dirancang dengan sistem pendingin termoelektrik.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab iniberisitentangkesimpulandarisemuapenelitian yang dilakukanuntukskripsiinidan saran yang mendukungkedepannya.
DAFTAR PUSTAKA
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Dalam tinjauan pustaka, akan dibahas mengenai termoelektrik sebagai alternatif penganti refrigeran, energi surya yang merupakan sumber energi terbarukan, dan dinamika fluida komputasi yang digunakan untuk membantu analisis serta aliran fluida yang mengalir.
2.1 Pendingin Termoelektrik
2.1.1 Sejarah Perkembangan Termoelektrik
Termoelektrik merupakan alat yang dapat mengubah energi elektrik menjadi energi termal. Konsep termoelektrik pertama sekali diperkenalkan oleh T.J. Seebeck pada tahun 1821. Seebeck menunjukkan bahwa medan magnet dapat diproduksi dengan membuat perbedaan panas di antara dua konduktor elektrik yang berbeda[3].
Tiga belas tahun setelah penemuan Seeback, J. Peltier menemukan efek termoelektrikyang kedua. Dia menemukan bahwa bagian dari arus listrik yang dilalui oleh dua konduktor elektrikdapat menghasilkan panas dan dingin bergantung pada arah pergerakan elektronnya.
Pada awalnya, tidak terlihat adanya hubungan antara penemuan
yangmemiliki kemampuan keterbalikan ketika berlangsungnya pemanasan dan pendinginan dengan aliran arus elektron.
2.1.2Prinsip Kerja Termoelektrik
Efek Peltier merupakan dasar dari teknologi pendingin termoelektrik saat ini. Teknologi termoelektrik memanfaatkan efek
Seebeck yang memaksa munculnya tegangan yang digunakan untuk menjalankan arus [9]. Modul pendingin termoelektrik tersebut bekerja berdasarkan efek Peltieryang berfungsi apabila arus listrik DC dialirkan ke elemen Peltier yang terdiri dari beberapa pasangan semikonduktor tipe N (semikonduktor dengan tingkat energi lebih tinggi) dan tipe P (semikonduktor dengan tingkat energi yang lebih rendah) [13].
Gambar 2.1 Modul Pendingin Termoelektrik[21]
pada sisi panas sehingga elektron pada tipe-n dapat mengalir menuju semikonduktor tipe-p.
Hasilnya, nilai kalor yang dilepaskan pada sisi panas sama dengan nilai kalor yang diserap pada sisi dingin ditambah dengan daya yang diberikan ke modul termoelektrik [10].
�ℎ =�� +��� ………... (2.1)
Keterangan :
qh = laju perpindahan panas yang dilepaskan pada permukaan panas elemen Peltier[Watt]
qc = laju perpindahan panas yang diserap pada permukaan dingin elemen
Peltier [Watt] Pin = daya input [Watt]
Pada kondisi ideal, jumlah kalor yang diserap pada sisi dingin dan dilepas pada sisi panas bergantung pada koefisien Peltier dan arus listrik yang digunakan. Pada saat dioperasikan, jumlah kalor yang diserap pada sisi dingin akan berkurang dikarenakan oleh dua faktor, yaitu kalor yang terbentuk pada material semikonduktor akibat perbedaan temperatur antara sisi dingin dan sisi panas modul (conducted heat) dan Joule Heat
Gambar 2.2 Arah aliran elektron pada modul termoelektrik[20]
Selain ukuran yang relatif kecil, modul termoelektrik memiliki keunggulan lain, yaitu:
• Modul termoelektrik tidak memiliki bagian yang bergerak, sehingga untukperawatan lebih mudah.
• Pengujian usia pakai membuktikan bahwa modul termoelektrik bisa digunakan selama kurang lebih 100.000 jam sehingga memiliki ketahanan yang lebih baik.
• Modul termoelektrik tidak memiliki kandungan chloroflourocarbons
(CFC) atau material lainnya sehingga ramah terhadap lingkungan.
• Modul termoelektrik dapat dioperasikan pada lingkungan yang sensitif karena tidak adanya ketergantungan terhadap posisi peletakan
2.1.3Efek Peltier
arah aliran arus, panas dapat dihapus dari persimpangan untuk membekukan air menjadi es, atau dengan membalik arus, panas dapat dihasilkan untuk melelehkan es.Panas yang diserap atau diciptakan di persimpangan sebanding dengan arus listrik.Perbandingan konstan dikenal sebagai koefisien Peltier[6].
Jika arus DC dialirkan ke sepasang keping yang berbeda, maka sisi yang satu akan menjadi panas, sedangkan di sisi lain akan menjadi dingin tergantung dari kombinasi 2 material. Peltier mencoba merubah arus yang dialirkan dan menemukan tiap rataan pendinginan dan pemanasan pada pasangan material yang berbeda [2].
2.1.4 Peredam Panas (Heat Sink)
Sistem pendingin termoelektrik yang baik tidak terlepas dari alat pendamping yang bagus yang dikenal dengan peredam panas. Desain dan pemilihan peredam panassangat krusial dan mempengaruhi secara keseluruhan pada sistem kerja termoelektrik dalam mempercepat laju pendinginan[5].
Peredam panas yang optimal akan meningkatkan koefisien perfomansi dari sistem pendingin termoelektrik. Hal ini dapat dilakukan dengan memaksimalkan luas permukaan atau menggunakan peredam panas yang mempunyai kapasitas penyimpanan kalor yang besar sehingga dapat menjaga peredam panas pada temperatur rendah.
Peredam panas plat bersirip banyak digunakan untuk meningkatkan pelepasan panas pada komponen mikroelektronik dan komponen elektronik penghasil panas lainnya. Plat bersirip peredam panas berfungsi untuk menurunkan tahanan termal dan temperatur operasi komponen.
2.1.5 Efek-Efek Pendinginan Termoelektrik
Efek pendinginan termoelektrik merupakan gejala termal yang muncul pada suatu termokopel. Ada lima efek yang mempengaruhi atau terjadi pada sistem pendinginan termoelektrik, yaitu efek Seebeck, efek
Joule, efek konduksi, efek Peltier, dan efek Thomson[7].
a. Efek Seebeck
Thomas J. Seebeck merupakan orang pertama yang menemukan fenomena termoelektrik. Apabila dua buah material yang berbeda jenis digabung lalu pada salah satu ujungnya diberi sumber panas maka akan mengalir arus. Koefisien Seebeck (S) disebut juga daya termoelektrik, seperti pada persamaan berikut:
� =���
� ……….………..………...………...………... (2.2) Keterangan:
α = koefisien Seebeck [Volt/K] ��� = potensial termoelektrik terinduksi [Volt]
T = temperatur [K]
b. Efek Joule
Akibat timbulnya arus listrik dalam rangkaian karena adanya efek
Seebeck, maka akan timbul panas. Hal ini sesuai dengan hukum joule pada persamaan berikut:
qj= I2 .R………... (2.3) Keterangan:
qj = laju perpindahan panas akibat efek Seebeck [Watt]
I = arus [Ampere]
R = tahanan [Ohm]
c. Efek Konduksi
disebut efek konduktivitas. Besarnya perambatan tersebut dinyatakan dalam persamaan:
qkond= U.(Th-Tc) ……...………..……… (2.4) Keterangan:
qkond = laju perpindahan panasakibat efek konduksi [Watt] U = konduktivitas termal [Watt/K] Th = temperatur permukaan panas [K] Tc = temperatur permukaan dingin [K]
d. Efek Peltier
Pada saat arus mengalir melalui termokopel,temperaturakan berubah dan panas akan diserap pada salah satu permukaan, sementara permukaan yang lainnya akan membuang panas. Jika sumber arus dibalik, maka permukaan yang panas menjadi dingin dan sebaliknya. Gejala ini disebut efek Peltier yang merupakan dasar pendinginan termoelektrik. Dari percobaan diketahui, bahwa perpindahan panas sebanding terhadap arus yang mengalir. Persamaan dari efek Peltier adalah sebagai berikut: ��� =���� ………...……… (2.5)
Keterangan:
��� = koefisien Peltier [Volt] q = laju perpindahan panas [Watt]
I = arus [Ampere]
e. Efek Thomson
Pada tahun 1854, seorang berkebangsaan Inggris yang bernama William Thomson mengemukakan hasil penelitiannya bahwa terdapat penyerapan atau pengeluaran panas bolak-balik dalam konduktor homogen mengenai perbedaan panas dan perbedaan listrik secara simultan. Koefisien Thomson dapat dinyatakan dalam:
� = �
Keterangan:
� = koefisien Thomson [Volt/K] q = laju perpindahan panas [Watt]
I = arus [Ampere]
�� = perbedaan temperatur [K]
2.1.6 Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor atau heat transfer merupakan ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur diantara benda atau material. Energi yang berpindah ini dinamakan kalor atau panas (heat). Perpindahan kalor ini tidak hanya menjelaskan bagaimana energi kalor itu berpindah dari satu benda ke benda lain, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Adapun modus perpindahan kalornya dapat terjadi dengan tigacara yaitu [11]:
a. Perpindahan kalor secara konduksi
Perpindahan kalor secara konduksi terjadi dikarenakan perpindahan energi dari partikel yang memiliki energi lebih tinggi ke partikel yang energinya lebih rendah akibatadanya interaksi antara kedua partikel. Jadi, jika pada suatu benda terdapat gradien, maka akanterjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah sehingga laju perpindahan kalor berbanding dengan gradien suhunya.
Berdasarkan hukum Fourier, perpindahan kalor secara konduksi dapat dirumuskan sebagai berikut:
�� = ����1−�� 2 …………..……...………... (2.7)
Keterangan:
Ac = luas benda [m2]
Gambar 2.3 Proses Perpindahan Kalor Secara Konduksi[1]
b. Perpindahan kalor secara konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi terdiri dari 2 mekanisme, yang pertama terjadinya perpindahan energi akibat gerak acak fluida dan yang kedua akibat pergerakan fluida secara makro. Pergerakan fluida yang memiliki perbedaan temperatur akan meningkatkan perpindahan kalor. Perpindahan kalor secara konveksi dibedakan menjadi 2, yaitu:
i. Konveksi paksa
Konveksi paksa terjadi dimana fluida dialirkan oleh media lain seperti fan, pompa atau kompresor.
ii. Konveksi alamiah
Persamaan dasar untuk perpindahan kalor secara konveksi dapat dirumuskan sebagai berikut:
qk= h.A.(Ts- T∞).………...……….………... (2.8)
Gambar 2.4 Proses Perpindahan Kalor Secara Konveksi Pada Suatu Plat[1]
c. Perpindahan kalor secara radiasi
Berlainan dengan mekanisme konduksi dan konveksi dimana perpindahan energinya terjadi melalui bahan perantara, pada perpindahan kalor secara radiasi terjadi karena radiasi elektro magnetik atau daerah-daerah hampa dimana mekanismenya berupa sinaran atau radiasi elektromagnetik. Pembahasan secara termodinamika menunjukkan bahwa penyinar ideal atau benda hitam, memancarkan energi dengan laju yang sebanding dengan pangkat empat suhu absolut benda itu dan berbanding lurus dengan luas permukaan.
Persamaan dasar untuk perpindahan kalor radiasi adalah:
qrad = laju perpindahan kalor radiasi [Watt] � = emisivitas termal material
σ = konstanta Stefan-Boltzman [W/m2.K4] A = luas permukaan [m2] Ts = suhu permukaan [K] T∞ = suhu fluida [K]
2.1.7Perhitungan Pendinginan Sistem Termoelektrik
Bahan termoelektrik merupakan semikonduktor yang merupakan benda padat ataupun logam yang mempunyai nilai diantaranya nilai resistansi konduktor dan isolator. Permukaan dingin menyerap panas dari produk yang dikondisikan, bagian ini mempunyai fungsi yang sama dengan evaporator pada sistem pendinginan kompresi uap. Permukaan panasmengeluarkan atau membuang panas ke luar, bagian ini mempunyai fungsi yang sama dengan kondensor[7].
Sama halnya dengan kondensor yang menggunakan sirip-sirip untuk mempercepat pembuangan panasnya, termoelektrik pada sisi permukaanpanasjuga ditambahkan dengan peredam panas untuk mempercepat proses pembuangan panas. Sumber arus searah pada termoelektrik mempunyai fungsi yang sama dengan kompresor pada sistem kompresi uap. Pengeluaran dan penyerapan panas hanya terjadi pada kedua sisi permukaan.Besarnya kalor yang diserap dan dikeluarkan adalah sebagai berikut:
qc= 2.α. Tc.I – I2
(R/2) – K.(Th– Tc) ………...…..….. (2.10) qh=2.α. Th.I – K.ΔT + ½ .I2.R……….………... (2.11) Keterangan:
qc = laju perpindahanpanas yang diserap [Watt] qh = laju perpindahan panas yang dilepas [Watt] ΔT = perbedaan temperatur [K] α = kekuatan termoelektrik dari 2 material [Volt/K]
K = konduktifitas termal dari 2 material [Watt/K] I = arus yang mengalir [Ampere] Th = temperatur permukaan panas [K] Tc = temperatur permukaan dingin [K]
a. Luas permukaan elemen
Luas permukaan elemen dapat dihitung dengan persamaan berikut: � = π .�2
Tahanan total dari 2 material dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
Besarnya konduktifitas termal dari 2 material dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
�= 2� �
K = konduktivitas termal dari elemen [Watt/K] k = koefisien termal dari elemen [Watt/cm.K] A = ukuran elemen [cm2]
L = panjang elemen [cm]
d. Arus optimum
Arus optimum yang mengalir pada termoelektrik dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
���� = 2.�.(�1−�0)
Temperatur rata-rata dihitung dengan menggunakan rumus:
�� = �1+2�0 ……..………...……….……..……….. (2.16)
2.2 Energi Surya
2.2.1Sejarah Energi Surya
Energi surya adalah sumber energi tertua yang pernah digunakan. Pemakaian energi surya pertama yang dikenal adalah dalam pengeringan makanan pengawet. Pada abad ke-18, tungku pembakaran energi surya telah digunakan dalam melelehkan besi, tembaga, dan logam lainnya yang digunakan untuk dikonstruksi menjadi besi halus, lensa kacamata ataupun cermin. Tungku tersebut digunakan di seluruh Eropa dan Timur Tengah [19]
Satu dari penggunaan pertama yang terbesar adalah tungku surya yang dibangun oleh ahli kimia terkenal dari Prancis, Lavoisier, di sekitar tahun 1774, mengkonstruksi lensa kuat untuk mengkonsentrasi radiasi surya. Tungku ini dapat mencapai panas yang luar biasa dengan suhu 1750oC. Tungku tersebut menggunakan sebuah lensa dengan panjang 1,32 m ditambah lensa sekunder dengan panjang 0,2 m untuk mendapatkan temperatur tersebut.
Gambar 2.5Solar Furnace [6]
Pada abad ke-19, percobaan dilakukan untuk mengkonversi energi surya ke bentuk lain didasarkan pada generasi uap tekanan rendah untuk mengoperasikan mesin-mesin uap. August Monchot merintis bidang ini dengan mengkonstruksi dan mengoperasikan beberapa mesin uap tenaga surya diantara tahun 1864 dan 1878 di Eropa dan Afrika Utara.
2.2.2 Pengertian Energi Surya
Energi surya adalah energi yang berasal dari sinar dan panas dari serangkaian teknologi seperti
Total energi surya yang diserap oleh atmosfer, lautan, dan daratan Bumi sekitar 3.850.000 eksajoule(EJ) per tahun. Pada tahun 2002, jumlah energi ini dalam waktu satu jam lebih besar dibandingkan jumlah energi yang digunakan dunia selama satu tahun. Fotosintesis menyerap sekitar 3.000 EJ per tahun dalam bentuk biomassa.Potensi teknis yang tersedia dari biomassa adalah 100-300 EJ per tahun.
Jumlah energi surya yang mencapai permukaan planet Bumi dalam waktu satu tahun sangatlah besar. Jumlah ini diperkirakan dua kali lebih banyak dibandingkan dengan semua sumber daya alam Bumi tidak terbarukan yang bisa diperoleh, seperti batubara, minyak bumi, gas alam, dan uranium. Energi surya dapat dimanfaatkan pada berbagai tingkatan di seluruh dunia, yang utamanya bergantung pada jarak dari khatulistiwa.
2.2.3Fotovoltaik (PV)
Sel surya, atau sel fotovoltaik, adalah peralatan yang mengubah cahaya menjadi aliran listrik dengan menggunakan efek fotovoltaik. Sel fotovoltaik pertama dibuat ole tahun 1931, seorang insinyur Jerman, Dr. Bruno Lange, membuat sel fotovoltaik menggunaka Walaupun sel selenium mengubah kurang dari 1% cahaya yang masuk menjadi listr melihat pentingnya penemuan ini[18].
Dengan mengikuti kerja Gerald Pears mencapai efisiensi 4,5 - 6 %.Menjelang tahun 2012, efisiensi yang tersedia melebihi 20% dan efisiensi maksimum fotovoltaik dari penelitian melebihi 40%.
awal, produksi global mencapai kapasitas generator ini meliput ini dilakukan di atas tanah (dan kadang-kadang digabungkan dengan pertanian dan penggarapan) atau dibangun di atap atau dinding bangunan, yang dikenal sebagai
Gambar 2.6 Fotovoltaik (PV)[18]
2.2.4Perhitungan Solar Cell
Sel surya menerima penyinaran matahari yang sangat bervariasi dalam satu hari. Hal ini dikarenakan, sinar matahari memiliki intensitas yang lebih besar pada siang hari dibandingkan dengan pagi hari[8].
Contoh ilustrasi perhitungan daya listrik yang dibutuhkan pada kotak pendingin:
1. Tentukan daya total yang dibutuhkan kotak pendingin
Hitung berapa watt daya yang dibutuhkan sungap bahang, fan,
peltier dan sebagainya serta berapa jam per hari pemakaiannya, sehingga didapatkan perhitungan daya dalam satuan watt jam per hari.
2. Menghitung kebutuhan modul surya
3. Kebutuhan baterai
Ukuran baterai ditentukan berdasarkan tegangan dalam satuan Volt (V) dan daya dalam satuan ampere jam (Ampere Hour), dimana umumnya digunakan baterai dengan daya 12 V atau 24 V.
4. Menghitung kebutuhan solar charge controller
Untuk menghitung kebutuhan solar charge controller, perlu diperhatikan Isc (short circuit current) dari solar panel. Kemudian, nilainya dikalikan dengan jumlah panel surya, maka didapat hasil nilai minimal dari solar charge controller.
2.2.5Alasan Penggunaan Energi Surya pada Kotak Pendingin
Energi surya merupakan energi yang telah tersedia di alam. Mengingat posisi Indonesia yang terletak di garis khatulistiwa, sumber energi dari matahari akan selalu ada. Dengan kelebihannya, energi surya dapat dipilih menjadi sumber energi kotak pendingin [12]:
a. Ramah lingkungan, energi surya tidak menghasilkan polusi yang dapat mencemari lingkungan.
b. Berkelanjutan, sehingga energi surya dapat dimanfaatkan setiap saat.
c. Mengurangi polusi bunyi, dimana energi surya tidak memiliki bagian yang bergerak.
d. Kotak pendingin tidak membutuhkan daya yang besar sehingga listrik yang dihasilkan oleh energi surya cukup untuk digunakan.
2.3 Computational Fluid Dynamics (CFD)
menganalisis masalah yang melibatkan aliran fluida tersebut. Pada analisis ini, komputer digunakan untuk melakukan perhitungan yang diperlukan untuk mensimulasikan interaksi cairan dan gas dengan permukaan yang didefinisikan oleh kondisi batas, dengan kecepatan tinggi superkomputer, agar hasil analisis yang lebih baik dapat dicapai[16].
Dalam berbagai penelitian yang sedang berlangsung, telah banyak dihasilkan perangkat lunak yang meningkatkan akurasi dan kecepatan skenario simulasi yang kompleks seperti aliran transonik atau turbulen. Validasi awal dari perangkat lunak tersebut dilakukan dengan menggunakan terowongan angin dengan validasi akhir datang dalam tes penerbangan. Dewasa ini telah banyak software engineering yang dibuat untuk analisa CFD seperti ANSYS FLUENT, GAMBIT, dan lainnya.
CFD dapat melakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut. Hal lain yang mendasari penggunaan konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor, ataupun kontur.
Alasan penggunaan Ansys Fluent dalam analisis kotak pendingin dikarenakan memberikan kemudahan dalam memahami aliran fluida hasil analisa yang didukung dengan grafik, vektor, ataupun kontur sehingga pengguna dapat dengan cepat memahami hasil analisa yang didapat, sedangkan untuk Gambit lebih mudah digunakan dalam mendukung analisa padaFluent
dengan memberikan kondisi batas serta meshing.
2.4Aliran Fluida
Aliran laminar adalah aliran fluida yang bergerak dengan kondisi lapisan-lapisan yang membentuk garis-garis alir dan tidak berpotongan satu sama lain. Alirannya relatif mempunyai kecepatan rendah dan fluidanya bergerak sejajarserta mempunyai batasan-batasan yang berisi aliran fluida[14].
terangkat (saltation). Pada laju aliran rendah, aliran laminar tergambar sebagai filamen panjang yang mengalir sepanjang aliran dimana aliran laminar mempunyai Bilangan Reynold lebih kecil dari 500.000.
Aliran turbulen adalah aliran fluida yang partikel-partikelnya bergerak secara acak dan tidak stabil dengan kecepatan berfluktuasi yang saling interaksi. Akibatnya, garis alir antar partikel fluidanya saling berpotongan. Aliran turbulen mempunyai Bilangan Reynoldyang lebih besar dari 500.000.
Gambar 2.7 Aliran Laminar dan Turbulen[15]
Faktor yang mempengaruhi aliran laminar dan turbulen adalah bilangan Reynold. Dalam mekanika fluida, bilangan Reynold adalah rasio antara gayainersia terhadap gaya viskos yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen.
berbeda pula, sehingga memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, maka keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis[15].
�� =��∞�
Analisa kotak pendingin (cooling box) dilakukan
denganmenggunakansoftwareCFD FLUENT 6.3.
3.1ObjekPenelitian
Pengujianinidilakukanpadaobjekpenelitianyaitukotakpendingindengan material aluminium yang dilapisiolehsterofoamdantriplek. Material aluminiummempunyaiukuranpanjang36,8 cm; lebar 27,9 cm dantinggi26,7 cm sertatebal 1 mm. Material sterofoammempunyaiukuranluardenganpanjang 40,6 cm; lebar 31,7 cm dantinggi28,6 cm. Material triplekmempunyaiukuranpanjang 41,6 cm; lebar32,7 cm dantinggi29,1 cm sertatebal 5 mm.
Gambar3.1Model Autocad 3D Kotak Pendingin (Tertutup)
Gambar3.2Model Autocad 3D Kotak Pendingin (Terbuka)
Simulasikotakpendingindilakukan di Laboratorium Energi Surya DepartemenTeknikMesinUniversitas Sumatera Utara.
3.3 Peralatan yang Digunakan
Jenis peralatan yang dibutuhkan untuk analisis kotakpendingin adalah sebuah laptop dengan spesifikasi sebagai berikut :
Processor: Intel Core i5 RAM: 2 GB
CPU : 2,3 GHz
System: Windows 7 64 – bit VGA :NVIDIA GEFORCE Software : FLUENT 6.3 dan
GAMBIT 2.4.6
Gambar3.3Laptop
3.4Diagram AlirPenelitian
Secaragarisbesar,
Gambar3.5Skema Pengujian Kotak Pendingin Prinsip kerja skema pengujian, yaitu :
1. Modul fotovoltaik akan menyerap cahaya matahari, dimana cahaya matahari akan diubah menjadi arus listrik oleh modul dengan tegangan maksimum 18,9 V dan arus maksimum 5,3 A.
2. Solar charge contollermenjadi pusat kontrol dalam mendistribusi arus listrik yang dihasilkan oleh modul, dimana sebagian arus dialirkan ke baterai aki dan sebagian dialirkan ke kotak pendingin dengan tegangan 12 V.
3. Baterai aki dengan kapasitas 70 Ah digunakan apabila modul fotovoltaik kurang cukup menghasilkan arus listrik, dimana arus akan dialirkan dari baterai aki ke kotak pendingin dengan bantuan solar charge controller.
4. Kabel-kabel termokopel dilekatkan ke permukaan kotak pendingin yaitu: permukaan bawah aluminium, permukaan depan aluminium, permukaan kiri aluminium, permukaan luar kotak pendingin dan minuman.
5. Termokopel akan mencatat temperatur setiap menit dan data tersebut akan disimpan ke dalam USB.
6. Data termokopel kemudian ditampilkan di laptop. BAB IV
HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN
dilakukan pada kotak pendingin meliputi analisa kecepatan, tekanan dan temperaturyang akan ditampilkan dalam gambar berwarna, disertai dengan parameter nilai yang dicapai serta aliran fluida di dalamnya.
Analisa pada kotak pendingin dilakukan dalam dua keadaan. Pertama, analisa dilakukan ketika kotak pendingin dalam kondisi tertutup, dimana suhu dingin yang didapat dari peltier akan dijaga suhunya di dalam kotak. Kedua, kotak pendingin dianalisa kembali dengan kondisi terbuka sehingga suhu dari luar akan masuk ke dalam kotak pendingin yang akan meningkatkan temperatur di dalamnya.
4.1. DESAIN PADA GAMBIT 2.4.6
Kotak pendingindidesain dengan Gambit 2.4.6. dalam dua dimensi (2D). Desain tersebut dibuat berdasarkan pandangan depan dan pandangan atas terhadap kotak pendingin. Untuk pandangan depan, kotak pendingin didesain dalam bentuk persegi panjang yang digabung dengan bentuk desain minuman. Panjang persegi panjang tersebut sama dengan panjang aluminium yaitu 36,8 cm, dan untuk lebar persegi panjang adalah 26,7 cm yang memiliki kesamaan ukuran dengan tinggi aluminium, sedangkan ukuran
peltier di bagian kiri dan kanan adalah 3,5 cm.
Gambar 4.1Model 2D Pandangan Depan Kotak Pendingin Pada Gambit 2.4.6
Gambar 4.2Model 2D Pandangan Atas Kotak Pendingin Pada Gambit 2.4.6
gas ideal danincompressible. Asumsi-asumsi lain yang digunakanadalahaliran unstedi, dua dimensi dangravitasidiabaikan.
4.2. KONDISI BATAS DAN MESHING PADA GAMBIT 2.4.6
Kondisi batasdigunakan pada aluminium, peltierdan minuman dari kotak pendingin sehingga aliranudara di dalamnya dapat dianalisa. Pada kotak pendingin pandangan depan, kondisi batas yang diberikan pada aluminium adalah wall, dimanayang bersangkutan mencegah aliran udara di dalam kotak untuk keluar. Untuk peltieryang berada di sisi kanan dan kiri kotak pendingin diberikan kondisi batas velocity inlet, dimana udara dingin memasuki ruang dalam kotak pendingin dengan bantuan kipas yang mempunyai kecepatan putar 3000 rpm, sedangkan bagian minuman diberikan kondisi batas wall untuk dianalisa.
Sama halnya dengan kotak pendingin pandangan atas, kondisi batas yang sama diberikan pada aluminium, peltier dan minuman yaitu wall dan
velocity inlet dikarenakan fungsinya adalah sama seperti kotak pendingin pandangan depan.
Sedikit perbedaan terjadi pada kotak pendingin terbuka pandangan depan, kondisi batas diberikan sama seperti kotak pendingin tertutup pandangan depan, kecuali pada aluminium atas diberikan kondisi batas
velocity inlet dikarenakan aliran fluida dari luar memasuki kotak pendingin yang terbuka dari bagian aluminium atas.
Gambar 4.3Model Mesh 2D Pandangan Depan Kotak Pendingin Pada Gambit 2.4.6
4.3. ANALISA KECEPATAN, TEKANAN DAN TEMPERATUR
Setelah desain selesai dan kondisi batas diberikan pada GAMBIT 2.4.6, kotak pendingin selanjutnya dianalisa dengan menggunakan software FLUENT 6.3. Pada software FLUENT 6.3, data-dataperhitungan diinput terlebih dahulu untuk selanjutnya, dikalkulasi dan dianalisa.
Ketebalan aluminium yang diabaikan pada GAMBIT 2.4.6, dimasukkan sebesar 0,001 m dalam analisis FLUENT 6.3 sehingga hasil analisa kotak pendingin akan memiliki ketelitian yang lebih baik.Untuk nilai kecepatan udara yang masuk ke dalam kotak pendingin oleh bantuan kipas, dihitung dengan rumus :
Pk = ½.p.A.V3... (4.1)
4.3.1. KOTAK PENDINGIN TERTUTUP
Setelah data diinput pada FLUENT 6.3, analisa kotak pendingin tertutup diiterasi sampai 100 kali sehingga hasil analisa yang didapat akan memiliki ketelitian yang lebih baik. Hasil analisa aliran fluida, kecepatan, tekanan dan temperatur kotak pendingin yang disertai parameter yang dicapai akan ditampilkan pada gambar di bawah :
a. Analisa KonturKecepatan
Gambar 4.5Hasil Analisa Kontur Kecepatan (Pandangan Depan)
Gambar 4.6Hasil Analisa Kontur Kecepatan (Pandangan Atas)
b. Analisa Kontur Tekanan
Dari hasil analisa tekanan yang dilakukan, kita dapat memperhatikan bahwa pada gambar 4.7tekanan terendah sebesar -48,85 Pa terletak di bagian pertengahan dari kotak pendingin sedangkan tekanan tertinggi berada di sekitar ruang masuk temperatur dingin pada kotak pendingin sebesar 120,937 Pa.
Gambar 4.7Hasil Analisa Kontur Tekanan (Pandangan Depan)
Pada gambar 4.8, tekanan terendah juga terdapat di pertengahan kotak pendingin yaitu sebesar -81,22 Pa. Sama seperti tekanan terendah, tekanan tertinggi terjadi di sekitar ruang masuk temperatur dingin pada kotak pendingin yaitu sebesar 50,12 Pa.
c. Analisa Kontur Temperatur
Gambar 4.9Hasil Analisa Kontur Temperatur (Pandangan Depan)
Pada gambar 4.9 dan 4.10, dapat diperhatikan bahwa setelah kotak pendingin dihidupkan selama 8 jam, temperatur di dalam kotak pendingin rata-rata berada pada parameter 296-298 K. Temperatur terbesar berada di beberapa sudut atas dan bawah kotak pendingin dengan besar 306-310 K.
4.3.2. KOTAK PENDINGIN TERBUKA
Setelah data diinput, analisa kotak pendingin terbuka pada FLUENT 6.3 diiterasi sampai 100 kali sehingga hasil analisa yang didapat memiliki ketelitian yang cukup tinggi. Hasil analisa aliran fluida beserta parameter dan nilai yang dicapai pada kotak pendingin akan ditampilkan dalam gambar di bawah :
a. Analisa KonturKecepatan
b. Analisa KonturTekanan
Pada gambar 4.12 di bawah, dapat diperhatikan bahwa tekanan terendah terjadi di sekitar bagian sudut kiri bawah dan kanan bawah akibat hadangan aliran fluida yang berasal dari peltier sebesar -83,02 s/d -19,1 Pa. Tekanan di sekitar ruang tengah kotak pendingin rata-rata sama yaitu sebesar 20,9 – 44,5 pa. Lain halnya dengan tekanan tertinggi sebesar 76,86 Pa, terjadi di sekitar ruang masuk temperatur dingin.
Gambar 4.12Hasil Analisa Kontur Tekanan (Pandangan Depan)
c. Analisa KonturTemperatur
Pada gambar 4.13, kita dapat memperhatikan bahwa suhu dari luar meningkatkan temperatur di dalam kotak pendingin sehingga temperatur minuman juga meningkat. Aliran fluida dari peltier menghadang suhu luar yang mengakibatkan kenaikan temperatur di sudut kiri bawah dan kanan bawah melambat. Temperatur minimum terjadi di sekitar bagian peltier
sebesar 296 K, sedangkan temperatur maksimum terjadi di sekitar ruang tengah kotak pendingin sebesar 304 K (asumsi suhu luar 303,976 K).
4.4. GRAFIK PERBANDINGAN HASIL PENGUJIAN DAN HASIL
SIMULASI
Pada grafik perbandingan di bawah, kita dapat memperhatikan bahwa terjadi penyimpangan antara hasil pengujian dengan hasil analisa dengan CFD. Penyimpangan ini terjadi akibat faktor-faktor yang terjadi selama melakukan pengujian, seperti :
1. Terjadinya perubahan temperatur pada suhu lingkungan yang mengakibatkan perpindahan panas tidak konstan selama pengujian, sedangkan data simulasi yang digunakan adalah konstan.
2. Timbulnya panas yang berasal dari kipas yang tidak dianalisa pada simulasi.
Gambar 4.14Perbandingan Grafik Perubahan Temperatur terhadap Waktu
Gambar 4.15Perbandingan Grafik Perubahan Temperatur terhadap Waktu
Gambar 4.16Perbandingan Grafik Perubahan Temperatur terhadap Waktu
4.5. ANALISA PERHITUNGAN ALIRAN FLUIDA PADA KOTAK PENDINGIN
Aliran fluida di dalam kotak pendingin termasuk aliran paksa dikarenakan udara masuk berasal dari fan. Jenis aliran fluida ada 2, yaitu laminar dan turbulen sehingga jenis aliran di dalam kotak pendingin akan dicari dengan bantuan bilangan Reynold.
Apabila bilangan Reynold yang didapat lebih kecil dari 500.000 maka jenis aliran fluida di dalam kotak pendingin merupakan aliran laminar, dan sebaliknya apabila bilangan Reynold yang dihitung lebih besar dari 500.000 maka jenis aliran fluida di dalam kotak pendingin merupakan aliran turbulen.
Rumus perhitungan bilangan Reynold, yaitu :
��� =�∞�.� ... (2)
15,267. 10−6 = 221.759,3502
Gambar 4.17Aliran Udara Jenis Laminar
4.6. PERBANDINGAN ALIRAN FLUIDA HASIL HIPOTESA
DENGAN HASIL SIMULASI
Pada gambar 4.18 dan 4.19, kita dapat memperhatikan aliran fluida hasil simulasi dimana fluida yang berasal dari bagian kiri dan kanan
peltier saling bergabung dan membentuk gerakan melingkar.
Gambar 4.19Aliran Fluida Pada Kotak Pendingin (Pandangan Atas)
Gambar 4.20Aliran Fluida Pada Kotak Pendingin Hasil Hipotesa
BAB 5
1. Hasil dari simulasi menunjukkan bahwa kecepatan maksimum terjadi di ruang sekitar peltier sebesar 10-12 m/s, sedangkan kecepatan terendah berada dalam parameter 0,5-4 m/s yang terdapat di setiap sudut kotak pendingin. Tekanan paling rendah sebesar -48,85 Pa terletak di pertengahan kotak pendingin sedangkan tekanan tertinggi di sekitar ruang masuk temperatur dingin sebesar 120,937 Pa. Untuk temperatur di dalam kotak pendingin, rata-rata berada pada parameter 296-298 K.
2. Terjadinya penyimpangan dalam grafik perbandingan temperatur hasil simulasi dengan hasil pengujian diakibatkan oleh beberapa hal, seperti : perpindahan panas tidak konstan akibat perubahan suhu lingkungan, timbulnya panas dari kipas yang tidak dianalisa pada simulasi, serta kecepatan masuk konstan pada simulasi tidak diikuti kecepatan kipas yang konstan.
3. Aliran fluida di dalam kotak pendingin merupakan aliran fluida laminar dimana hasil simulasi menunjukkan aliran fluida lebih kompleks dari hasil hipotesa dengan saling bergabung membentuk gerakan melingkar.
1. Untuk menghasilkan hasil simulasi yang lebih akurat, dapat dilakukan simulasi analisa dalam 3 dimensi.
2. Sebaiknya, pengujian dilakukan pada daerah dengan suhu lingkungan yang lebih dingin.
3. Panas yang timbul dari kipas dapat diminimalkan.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Atmadja, S.T. 2006. Pengaruh Jarak Swirl Fan terhadap Laju PenurunanTemperatur Case, Hambatan Termal danEfektifitas Fin pada Extrude Fin. 8 (4): 41-49.
[2]
Dabhi, J.B., Nimesh B.P., & Dr. Nirvesh S.M. 2012. Consideration for Design of Thermoelectric Refrigeration System. International Journal of Advanced Engineering Research and Studies. 1(2):259-261
[3]
Goldsmid, J.H. 2009.Introduction to Thermoelectricity. New York: Springer [4]
Holman, J.P. 1997. PerpindahanKalor. EdisikeEnam.Jakarta: Erlangga [5]
Incropera, Frank.P. 1981. Fundamental of Heat Transfer. Canada: John Willey & Son. Inc
[6]
Kalogirou, S.A. 2009. Solar Energy Engineering Processes And Systems. USA : Elsevier Inc
[7]
Rahman, M., InuH.K., &MumuK. 2013. Analisis Pendinginan Coolbox Termoelektrik dengan Menggunakan Photovoltaic Sebagai Sumber Energi.
Jurnal Universitas Pendidikan Indonesia.1:1-16 [8]
Suriadi, M.Syukri. 2010. Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) Terpadu Menggunakan Software PVSYST Pada Komplek Perumahan di Banda Aceh. Jurnal Rekayasa Elektrika. 9(2): 77-80
[9]
[10]
Wardoyo, S.H. 2014. Rancang Bangun System Pendingin Menggunakan Thermoelektrik Berbasis Mikrokontroller ATMEGA 8535. USU Institutional Repository Student Papers-Physics. 1: 4-24.
[11]
Welty, J.R., Wicks, C.E., Wilson, R.E., Rorrer, G. 2004. Dasar-dasarFenomena Transport Volume 2 Transfer Panas. EdisikeEmpat. Jakarta: Erlangga,
[12]
6 Kelebihan Super Menggunakan Energi Matahari. Energitop. 18 September 2013. Tersedia dalam:
[13]
Alit Putra, I.P. 2012. Pendingin Termoelektrik (Thermoelectric Cooler).
[Online]. Tersedia dalam:
[14]
Aliran Laminer dan Turbulen. Anggerdumas. 27 Mei 2012. Tersedia dalam: [Diakses 17 Januari 2015]
[15]
Aliran Laminar dan Aliran Turbulen Pada Fluida. Arandityo Narutomo
Blog’s. 18 April 2012. Tersedia dalam:
http://arandityonarutomo.blogspot.com/2012/04/aliran-laminar-dan-aliran-turbulen-pada.html. [Diakses 20 Januari 2015] [16]
Computational Fluid Dynamics. Wikipedia,Ensiklopedia bebas.2 Maret 2015. Tersedia dalam: en.wikipedia.org/wiki/Computational_fluid_dynamics. [Diakses 7 Maret 2015]
[17]
[18]
Fotovoltaik. Wikipedia,Ensiklopedia bebas. 1 Desember 2014. Tersedia dalam:
[19]
Research Group Univeristas Indonesia. Applied Heat Transfer. 2011. [Online]. Tersedia dalam: [Diakses 29 Oktober 2014]
[20]
Suprapto, Briandhika U., Eddo P. dkk. 2013. Modul Praktikum-Termoelektrik. Tersedia dalam: [21]
LAMPIRAN
Lampiran 1
Cara Penggunaan Ansys Fluent dan Gambit
Langkah-langkah analisa dengan menggunakan FLUENT 6.3 dan GAMBIT 2.4.6 :
I. Kotak Pendingin Tanpa Pengaruh Suhu Lingkungan
a. GAMBIT 2.4.6
1. Kotak pendingin didesain terlebih dahulu dengan aplikasi GAMBIT 2.4.6
Gambar 1 Cara Membuat Titik Pada Gambit 2.4.6
Gambar 2 Cara Membuat Garis Pada Gambit 2.4.6
Gambar 3 Cara Membuat Bidang Pada Gambit 2.4.6
Gambar 4 Cara Membuat Kondisi Batas Pada Gambit 2.4.6
6. Untuk kotak pendingin tertutup, seluruh bidang aluminium dan minuman diberi batas tipe “wall”, sedangkan untuk peltier diberi batas tipe “velocity inlet”
bagian atas disamakan dengan peltier dan diberi batas tipe “velocity inlet”
8. Kemudian kotak pendingin dimesh dengan perintah “Mesh Command Button” “Face Command Button”
b. FLUENT 6.3
1. Kotak pendingin kemudian dianalisa dengan aplikasi FLUENT 6.3 2. Untuk aliran unstedi, pada menu “Define” “Models” “Solver”,
klik pilihan “Unsteady”
Gambar 6 Cara Membuat Aliran Unstedi Pada Fluent 6.3
3. Kemudian untuk analisa temperatur, pada menu “Define” “Models” “Energy”, centang pilihan “Energy Equation”
4. Suhu permukaan aluminium, tebal aluminium serta suhu peltier dan kecepatan udaranya diberikan dengan menu “Define” “Boundary Conditions”
Gambar 8 Cara Mengisi Data Kondisi Batas Pada Fluent 6.3
5. Kemudian untuk menampilkan grafik temperatur terhadap waktu, dapat diaktifkan dari menu “Solve” “Monitor” “Surface”
6. Kemudian sebelum memulai analisa, pada menu “Solve”
“Initialize”, pilihlah “All Zones” pada menu “Compute From”, lalu klik “Init”
Gambar 10 Cara Memulai Analisa Data Awal Pada Fluent 6.3
Gambar 11 Cara Memulai Analisa Unstedi Pada Fluent 6.3 Tabel 1 Perbandingan Input Aliran Stedi dengan Aliran Unstedi Kotak
Pendingin
Input Aliran Steadi Aliran Unsteadi Suhu Aluminium Bawah 297,194 K 297,194 K Suhu Aluminium Depan 297,783 K 297,783 K Suhu Aluminium Kiri 297,231 K 297,231 K
Suhu Peltier 296 K 296 K
Kecepatan Udara 9,2 m/s 9,2 m/s
![Gambar 2.5Solar Furnace [6]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/188677.14100/33.595.152.506.225.449/gambar-solar-furnace.webp)
![Gambar 2.6 Fotovoltaik (PV)[18]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/188677.14100/35.595.208.407.186.345/gambar-fotovoltaik-pv.webp)
![Gambar 2.7 Aliran Laminar dan Turbulen[15]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/188677.14100/38.595.138.484.243.486/gambar-aliran-laminar-dan-turbulen.webp)
