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
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
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
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.
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.
v
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
2.2.3 Koefisien Performansi (Coefficient of Performance/COP) Peltier ………... 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
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
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
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
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 3.15 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
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
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
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
= 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)
xiii
= 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)
= 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)
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)
