• Tidak ada hasil yang ditemukan

PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN BEBAN PANAS PADA KOTAK PENDINGIN YANG MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBER ENERGI SURYA

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Membagikan "PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN BEBAN PANAS PADA KOTAK PENDINGIN YANG MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBER ENERGI SURYA"

Copied!
23
0
0

Teks penuh

(1)

PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN BEBAN PANAS PADA KOTAK

PENDINGIN YANG MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN

TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBER ENERGI SURYA

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Hendri NIM. 100401033

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)

i

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 “PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN

BEBAN PANAS PADA 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, ST,MT 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, Jan Tjie Min dan Tjen Lien serta abang dan adik penulis, Hendra dan Hendro yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, do’a 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 kuliah.

(11)

ii

7. Rekan-rekan khususnya Dwiyanto, Wilsen, Stefanus, Wunardi, dan seluruh rekan mahasiswa angkatan 2010 serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

8. Teman – teman yang selalu memotivasi khususnya Helbert, Christianto, Darman, Hosea, Kenny dan semua teman – teman yang berada di Keluarga Mahasiswa Buddhis yang telah memberi semangat.

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, 10 Maret 2015

(12)

iii

ABSTRAK

Saat ini penggunaan mesin pendingin dengan refrigeran sebagai sumber pendingin banyak digunakan oleh masyarakat, akan tetapi penggunaan dari refrigeran seperti CFC dan HFC dapat menyebabkan penipisan lapisan ozon di angkasa dan juga menyebabkan efek rumah kaca. Termoelektrik dapat digunakan sebagai sumber pendingin alternatif utama dalam memenuhi kebutuhan masyarakat. Salah satu contoh penggunaan termoelektrik adalah kotak pendingin (cooling box). Tujuan penelitian ini adalah untuk menguji dan menganalisis pendinginan pada kotak pendingin yang menggunakan termoelektrik dengan sumber energi surya. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimental dimana kotak pendingin yang telah dirancang, diuji untuk mengetahui temperatur di dalam kotak dengan menggunakan termokopel. Parameter lainnya seperti kelembaban relatif, intensitas radiasi Matahari, dan temperatur embun diukur menggunakan alat pendeteksi suhu dan cuaca. Parameter – Parameter yang telah diperoleh kemudian diolah dan dihitung menggunakan persamaan matematika untuk diperoleh beban pendingin di dalam kotak pendingin. Penelitian ini difokuskan pada perhitungan efisiensi fotovoltaik, perhitungan nilai performansi dari termoelektrik, perhitungan kapasitas baterai (accu) dalam menyimpan energi, dan menganalisis beban pendingin. Hasil analisis menunjukkan bahwa rata – rata beban pendingin di dalam kotak pendingin dengan lima buah air mineral 240 ml adalah 126,94 Watt, efisiensi dari fotovoltaik adalah 15,57%, nilai performansi termoelektrik adalah 0,754 dan nilai performansi dari sistem kotak pendingin adalah 0,225.

(13)

iv

ABSTRACT

Nowadays the use of cooling engine with refrigerant as its cooling source used by most people, but the use of these refrigerants such as CFCs and HFCs can cause thinning of the ozone layer in the atmosphere and also cause the greenhouse effect. Thermoelectric coolers can be used as a main source of alternative coolers that people needed. One example is the use of cooling box. The purpose of this study was to examine and analyze the cooling load in the cooling box that uses thermoelectric with energy came from photovoltaic. The study was done by using an experimental method in which the cooling box that has been designed, tested to determine the temperature inside the box by using a thermocouple. Other parameters such as Relative Humidity, Intensity of solar radiation, Dew-point Temperature were measured using HOBO data logger. Parameters that have been obtained then processed and calculated using mathematical equations to obtain the cooling load inside the cooling box. This study focused on the calculation of the efficiency of the photovoltaic, the calculation of the coefficient of performance of thermoelectric, the calculation of the capacity of battery to store energy, and analyze the cooling load. The analysis showed that the average cooling load in the cooling box with five 240 ml mineral water is 126,94 Watt, efficiency of photovoltaic is 15,57%, coefficient of performance of thermoelectric is 0,754 and the coefficient of performance of the system in cooling box is 0,225.

(14)

v

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i ABSTRAK ... iii ABSTRACT ... iv DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR LAMPIRAN ... xi

DAFTAR NOTASI ... xii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Manfaat Penelitian ... 2

1.4 Batasan Masalah dan Asumsi ... 3

1.4.1 Batasan Masalah ... 3

1.4.2 Asumsi ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Fotovoltaik (Photovoltaic /PV) ... 5

2.2 Elemen Peltier/Pendingin Termoelektrik (Thermo-Electric Cooler) ... 10

2.2.1 Mekanisme Kerja Peltier/Pendingin Termoelektrik (TEC) 10 2.2.2 Efek Termoelektrik ... 12 2.2.2.1 Efek Seebeck ... 12 2.2.2.2 Efek Peltier ... 13 2.2.2.3 Efek Thomson ... 13 2.2.2.4 Efek Joulean ... 15 2.2.2.5 Efek Konduksi ... 15

2.2.3 Koefisien Performansi (Coefficient of Performance/COP) Peltier ………... 15

(15)

vi

2.3.1 Perpindahan Panas Konduksi ... 17

2.3.2 Perpindahan Panas Konveksi ... 19

2.3.2.1 Perpindahan Panas Konveksi Bebas ... 20

2.3.2.2 Perpindahan Panas Konveksi Paksa ... 21

2.3.3 Perpindahan Panas Radiasi ... 22

2.4 Psikometrik ... 23

2.5 Panas Sensibel dan Laten ... 27

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 28

3.1 Objek Pengujian ... 28

3.2 Parameter Pengujian ... 28

3.3 Waktu dan Tempat ... 28

3.4 Bahan dan Peralatan yang Digunakan ... 28

3.4.1 Alat yang Digunakan ... 28

3.4.2 Bahan yang Digunakan ... 33

3.5 Model Objek Pengujian ... 34

3.6 Skema Pengujian ... 36

3.7 Prosedur Pengujian ... 37

3.8 Diagram Alir Pengujian ... 40

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 41

4.1 Hasil Pengujian dan Analisa Data... 41

4.1.1 Hasil Pengujian dari Alat Pendeteksi Suhu dan Cuaca ... 41

4.1.2 Hasil Pengujian dari Alat Termokopel ... 46

4.2 Perhitungan Pada Modul Fotovoltaik (Photovoltaic) ... 51

4.3 Perhitungan Baterai (Accu) ... 54

4.4 Perhitungan Elemen Pendingin Termoelektrik (Peltier) ... 54

4.5 Perhitungan Beban Pendingin Pada Kotak Pendingin ... 57

4.5.1 Perhitungan Panas Eksternal ... 57

4.5.1.1 Perhitungan Panas Eksternal melalui Konduksi .... 59

4.5.1.2 Perhitungan Panas Eksternal melalui Konveksi .... 62

4.5.1.3 Perhitungan Panas Eksternal melalui Radiasi .... 68

4.5.2 Perhitungan Panas Internal ... 70

4.5.2.1 Perhitungan Panas Internal Pada Minuman ... 70

.. 4.5.2.2 Perhitungan Panas Internal akibat Kipas Angin .. 70

(16)

vii

4.7 Perhitungan Panas Sensibel dan Panas Laten ... 74

4.8 Perhitungan Panas Total di Dalam Kotak Pendingin dan COP Sistem ... 75

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 77

5.1 Kesimpulan ... 77

5.2 Saran ... 78

DAFTAR PUSTAKA ... 79 LAMPIRAN

(17)

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tabel Koefisien Seebeck ... 13 Tabel 2.2 Koefisien Konduktivitas Termal Material pada 27 °C ... 19 Tabel 2.3 Emisivitas Termal Material ... 23

Tabel 4.1 Data HOBO yang diperoleh selama Pengujian (6 Januari – 22 Januari 2015) ... 41

Tabel 4.2 Data Temperatur yang diperoleh selama Pengujian (6 Januari – 22 Januari 2015) ...46

Tabel 4.3 Data Temperatur Pada Kotak Pendingin (6 Januari 2015) .... 47 Tabel 4.4 Data Temperatur Pada Kotak Pendingin (22 Januari 2015) .. 49 Tabel 4.5 Data – Data Kotak Pendingin ... 58 Tabel 4.6 Laju Perpindahan Panas Konduksi selama Pengujian ... 61 Tabel 4.7 Data untuk Properti Udara di Luar Kotak Pendingin

diambil dari Lampiran 3 ... 62 Tabel 4.8 Laju Perpindahan Panas Konveksi Bebas selama Pengujian . 64 Tabel 4.9 Data untuk Properti Udara di Dalam Kotak Pendingin

diambil dari Lampiran 3 ... 65 Tabel 4.10 Laju Perpindahan Panas Konveksi Paksa selama Pengujian . 67 Tabel 4.11 Laju Perpindahan Panas Radiasi selama Pengujian ... 69 Tabel 4.12 Data – Data Psikometrik Kotak Pendingin (6 Januari 2015) . 71 Tabel 4.13 Beban Pendingin Rata – Rata Perhari ... 76

(18)

ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Elemen Peltier (Thermo – Electric Cooler) ... 10

Gambar 2.2 Aliran Arus Listrik yang menimbulkan Suhu Dingin dan Panas ... 11

Gambar 2.3 Cara Kerja Peltier ... 11

Gambar 2.4 Ilustrasi Temperatur Bola Kering dan Bola Basah ... 25

Gambar 3.1 Kotak Pendingin ... 29

Gambar 3.2 Panel Surya ... 29

Gambar 3.3 Pengatur Tegangan (Solar Charge Controller/SCC) ... 30

Gambar 3.4 Baterai (Accu) ... 30

Gambar 3.5 Termokopel ... 31

Gambar 3.6 Pendeteksi Suhu dan Cuaca ... 31

Gambar 3.7 Laptop ... 32

Gambar 3.8 Flash Disk (USB Flash Driver) ... 32

Gambar 3.9 Gunting ... 32

Gambar 3.10 Tang ... 33

Gambar 3.11 Air Mineral 240 ml ... 33

Gambar 3.12 Kabel Listrik ... 33

Gambar 3.13 Selotip ... 34

Gambar 3.14 Kain Lap ... 34

Gambar 3.15 Desain Kotak Pendingin dan Letak Plat Aluminium ... 35

Gambar 3.16 Aliran Udara di Dalam Kotak Pendingin Hasil Simulasi untuk Temperatur ... 35

Gambar 3.17 Skema Pengujian Kotak Pendingin yang menggunakan Elemen Pendingin Termoelektrik (Peltier) ... 36

Gambar 3.18 Diagram Balok Pengujian Kotak Pendingin ... 36

Gambar 3.19 Persiapan Alat dan Bahan Pengujian ... 37

Gambar 3.20 Solar Charge Controller/SCC ... 38

Gambar 3.21 Susunan Sejajar Minuman di Dalam Kotak Pendingin ... 38

Gambar 3.22 Letak Kabel Termokopel ... 39

Gambar 3.23 Diagram Alir Pengujian ... 40

Gambar 4.1 Grafik Temperatur Udara (22 Januari 2015) ... 42

(19)

x

Gambar 4.3 Grafik DewPt (22 Januari 2015) ... 43

Gambar 4.4 Grafik Radiasi Matahari /Solar Radiation (22 Januari 2015) ... 43

Gambar 4.5 Grafik Temperatur Udara (14 Januari 2015) ... 44

Gambar 4.6 Grafik Kelembaban Relatif Udara (14 Januari 2015) ... 44

Gambar 4.7 Grafik DewPt (14 Januari 2015) ... 45

Gambar 4.8 Grafik Radiasi Matahari /Solar Radiation (14 Januari 2015) ... 45

Gambar 4.9 Grafik Temperatur Pada Kotak Pendingin (6 Januari 2015) ... 48

Gambar 4.10 Kotak Pendingin dengan bantuan Es ... 50

Gambar 4.11 Grafik Temperatur Pada Kotak Pendingin (22 Januari 2015) ... 50

Gambar 4.12 Panas Eksternal Pada Kotak Pendingin ... 58

Gambar 4.13 Tiga Lapisan Pada Kotak Pendingin ... 59

Gambar 4.14 Lapisan Batas di Dalam Kotak Pendingin ... 71

Gambar 4.15 Grafik Psikometrik ...73

(20)

xi

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Grafik Suhu dan Cuaca selama Pengujian ... 82 Lampiran 2 Grafik Temperatur Kotak Pendingin selama Pengujian .. 100 Lampiran 3 Tabel Properti dari Udara PadaTekanan Atmosfir [4] ...107 Lampiran 4 Grafik Psikometrik[2] ... 108

(21)

xii

DAFTAR NOTASI

Q = Energi Kalor (Joule)

= Laju Perpindahan Panas / Kalor (Watt) = Koefisien Konduktivitas Termal (W/m.K)

= Konduktansi Keseluruhan (W/K)

= Luas Permukaan (m2)

= Gradien Temperatur (K/m)

= Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/m2.K)

= Jarak Lapisan Batas (m)

= Temperatur Permukaan / Surface (K) = Temperatur Lingkungan / Ambient (K)

= Bilangan Reynolds

= Bilangan Rayleigh

= Bilangan Prandl

= Viskositas Kinematik (m/s2) = Difusitas Termal (m/s2)

= Koefisien Ekspansi Termal (K-1)

= Percepatan Gravitasi Bumi = 9,81 (m/s2) = Densitas / Kerapatan (kg/m3)

= Kecepatan Objek terhadap Fluida (m/s) = Kecepatan Dinamik (Ns/m2)

̅̅̅̅̅ = Bilangan Nusselt

= Emisivitas Termal Material, antara 0 – 1

= Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 (W/m2.K4)

= Tegangan Maksimal Open-Circuit (Volt) = Arus Maksimal Close-Circuit (Ampere)

ST = Radiasi Global Matahari perjam (W/m2)

FF = Fill Factor

= Efisiensi (%)

= Daya Masuk (Watt)

= Daya Keluar (Watt)

(22)

xiii

, = Koefisien Seebeck Material X dan Y (Volt/K)

= Koefisien Seebeck antara Material X dan Y (Volt/K)

, = Koefisien Peltier Material X dan Y (Volt)

= Koefisien Peltier antara Material X dan Y (Volt)

= Koefisien Thomson (Volt)

= Perpindahan Panas Thomson (W/m)

= Temperatur Termokopel Panas dan Dingin (K)

= Tegangan (Volt) = Arus (Ampere)

= Kalor yang diserap oleh Termoelektrik (Watt) = Kalor yang dilepas oleh Termoelektrik (Watt)

= Kalor Maksimum yang dapat diserap pada sisi dingin ketika

I = dan ∆T = 0°C (Watt)

= Arus Optimum (Ampere)

= Arus Input ketika ∆T maksimal (Ampere) = Tegangan ketika ∆T maksimal (Volt)

= Temperatur antara sisi panas dan dingin (°C) = Perbedaan Temperatur maksimal pada TEC (K)

= Jumlah Elemen TEC

= Koefisien Performansi / Coefficient of Performance = Kalor Jenis pada Tekanan Kontan ( )

= Tahanan Listrik (Ω.cm)

R = Tahanan dari Couple (Ω.cm)

R = Tahanan Termal (°C/Watt)

K = Konduktivitas Termal Couple (W/K)

Z = Figure of merit (K-1)

L = Panjang (m)

W = Lebar (m)

k = Koefisien Termal Couple (W/cm.K)

r = Hubungan Tahanan Listrik (Ω.cm2)

w = Rasio Kelembaban

(23)

xiv

= Massa Udara (kg uap air/kg udara) = Tekanan Parsial Uap Air (Pa, atm)

= Tekanan Uap Saturasi (Pa, atm)

= Tekanan Atmosfir (Pa, atm), biasanya 101.325 Pa

RH = Kelembaban Relatif (%)

T = Temperatur Udara Mutlak (K)

= Temperatur Bola Basah / Wet Bulb Temperature (°C) = Temperatur Bola Kering / Dry Bulb Temperature (°C)

hfg = Panas Penguapan Air Pada Temperatur Bola Basah (kJ/kg)

w1 = Rasio Kelembaban Pada Temperatur Bola Basah (kg/kg)

w0 = Rasio Kelembaban Pada Temperatur Bola Kering (kg/kg)

cpa = Panas Jenis Udara (kJ/kg.K)

= Volum Spesifik (m3/kg)

Td = Temperatur Embun / Dew-Point Temperature (°C)

ha = Entalpi Udara (kJ/kg)

Q = Laju Aliran Udara (L/s)

= Volume Udara yang Masuk (m3) = Panas Sensibel (Watt)

Referensi

Dokumen terkait

Berdasarkan hasil pemanfaatan multimedia pembelajaran Secil di SLB Nurul Ikhsan Ngadiluwih ditemukan beberapa hal diantaranya yaitu: siswa lebih termotivasi

Pemanfaatan Serat Pelepah Daun Pinang ( Areca Catechu ) dan Matriks Recycled Polypropylene (Rpp) Sebagai Bahan Baku Pembuatan Komposit.. dengan

Dari hasil analisa dan pembahasan memperoleh kesimpulan yaitu : Pemekaran Daerah Di Provinsi Kalimantan Barat Dasar hukum pembentukan daerah otonom baru

HItung Jenis Leukosit Hitung leukosit terdiri dari eosinofil, basofil, neutrofil segmen, neutrofil stab atau batang, limfosit dan monosit Hitung jenis leukosit dalam

Gangguan Pertukaran Gas pada klien asma bronkhial merupakan masalah utama yang selalu muncul, karena pada umumnya klien mengeluhkan sesak dan batuk.Tujuan dari studi

Sistematika filsafat secara garis besar ada tiga pembahasan pokok atau bagian yaitu; epistemologi atau teori pengetahuan yang membahas bagaimana kita memperoleh pengetahuan,

Dalam aspek emosional, individu pada masa kanak-kanak akhir juga mengalami perkembangan yang menonjol, yang antara lain ditandai dengan munculnya kemampuan mengendalikan

Masalah utama yang ingin dijawab dalam penelitian ini adalah: apakah dengan media Powerpoint dapat meningkatkan hasil belajar tematik indahnya kebersamaan pada