Analisis Laju Pendinginan pada Kulkas Thermoelektrik Super Cooler Dibandingkan Sistem Pendingin Konvensional Menggunakan Gas Freon

(1)

DAFTAR PUSTAKA

Braunschweiger, R. (1979). Tables and Diagram for Refrigeration &

AC-Technicians. Bandung: STM Pembangunan.

Budhiarto,W. 2004. Interfacing Komputer dan Mikrokontroler. Jakarta : Elex

Media Komputindo.

Dossat, R.J. 1961. Princilpe of Refrigeration Edition. New York: John Wiley & Sons. Inc.

Goldsmid, H. J. 1960. Electronic Refrigeration. London: Pion.

Holman, J.P.1991.Perpindahan Kalor..Edisi VI. Jakarta: Erlangga

Handoko, K. 1981. Teknik Lemari Es. Jakarta: PT. Ichtiar Baru.

Jordan, C. R dan Priester, B. G. 1973. Refrigeration and Air Conditioning 2nd

Edition. New Delhi: Prentice-Hall of India Private Limited.

Mahdian, N. 2013. Rancang Bangun dan Analisis Termoelektrik Peltier Cooler

Untuk Sistem Pendingin. FMIPA USU.

Nanang Sulistiyanto, Pemodelan Sistem Pendingin Termoelektrik Pada Modul

SLED, Jurnal EECCIS, Vol 8, No.1, Juni 2014.

Putra, E.A.2002. Teknik Antarmuka Komputer. Yogyakarta: Graha Ilmu.

R. Wirawan. 2012. Analisa penggunaan heat pipe pada thermoelectric generator. Fakultas Teknik. Depok : Universitas Indonesia.

R, Umboh. 2010. Perancangan Alat Pendinginan Portable Menggunakan Elemen

Peltier,Vol.1, No.3, e-Journal Teknik lektro dan Komputer, pp 1-6.

Sara Godfrey. An Introduction to Thermoelectric Coolers. Meteor Corporation.

Setiawan, 2011. Aplikasi Mikrokontroler ATMega 8535 & ATMega 16

Menggunakan Bascom-AVR. Yogyakarta : Andi.

. (2009). TEC1-12706 Heatsink Thermoelectric Cooler Peltier Cooling

Plate Module.

Tersedia di: http://www.ebay.com. [28 April 2015].

. (2012). TEC Series Thermoelectric Module. Tersedia di:

http://www.sitechina.com/thermoelectric/Spec.html [2 Agustus 2015].

(2)

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

3.1Perancangan Diagram Blok Sistem

Adapun diagram blok dari sistem yang dirancang adalah seperti yang diperlihatkan pada gambar 3.1 berikut ini :

Driver relay

ELEMEN PELTIER

Sensor Suhu Ruang Pendingin

Mikrokontroler

LCD

buzzer

RS 232

PC Pendingin Gas

Freon Pembuangan panas

DRIVER REG. ARUS

SENSOR SUHU

SETTING

Gambar 3.1 Desain Blok Diagram Sistem

Diagram blok pada gambar 3.1 dapat diuraikan sebagai berikut :

1. LCD (liquid crystal Display) berfungsi seabagai tampilan penunjuk suhu

di dalam ruangan pendingin.

2. Buzzer berfungsi sebagai indikator permintaan suhu.

(3)

kerja elemen peltier dan kipas DC berdasarkan perintah-perintah yang telah diprogramsebelumnya pada mikrikontroler.

4. Sensor suhu berfungsi untuk mengukur/ membaca suhu ruangan pada

masing-masing pendingin dan mengirimkannya pada mikrokontroler. 5. Siklus pendingin berfungsi mempercepat pembuangan/ penyerapan panas. 6. Ruang pendingin berfungsi sebagai tempat objek yang diinginkan.

7. Pembuangan panas berfungsi sebagai tempat pembuangan panas dari pendingin Termoelektrik.

8. Driver relay berfungsi sebagai rangkaian kopel untuk mengendalikan aktif

tidaknya dc kipas yang dipicu dari sinyal output Mikrokontroler.

9. PC berfungsi untuk menginterface semua data yang masuk ke

mikrokontroler yang dikomunikasikan lewat RS-232. 10. Driver regulator arus berfungsi sebagai pengontrol arus.

3.2Perancangan Rangkaian Tiap Blok

3.2.1 Perancangan Kotak Pendingin Termoelektrik

Pendingin termoelektrik menggunakan kotak kulkas 150 watt yang sudah rusak. Kotak pendingin kulkas yang sudah rusak tersebut dipebaiki dan dan rangkai kembali menjadi sebuah kotak pendingin yang bagus menggunakan termoelektrik cooler. Alat ini dikondisikan dingin dengan menggunakan unit pendingin termoelektrik, tempat penyimpanan benda-benda yang akan

didinginkan, heat sink dan blower.

Struktur bahan yang digunakan pada kotak pendingin ini dilapisi aluminium dibagian bawah ruangan kotak pendingin sebagai penyalur dingin dari

termoelektrik dengan ketebalan 0,1 cm (0,001 m). Bahan kedua menggunakan

solid plastic di bagian atas kotak pendingin yang bertujuan untuk meminimalisir

aliran dingin dari termoelektrik ke bagian atas, karena bagian atas kotak pendingin adalah bagian untuk membuka dan menutup pendingin itu sendiri. Ketebalan solid

plastic itu sendiri adalah 0,2 cm (0,002 m). Sementara untuk kain plastic,

ketebalannya adalah 0,2 cm (0,002 m). Insulasi coolbox ini menggunakan

(4)

3.2.2 Perancangan Peltier Dengan Heatsink

Dalam sistem ini termoelektrik yang digunakan adalah peltier super cooler TEC1-12730,adapun heatsink yang digunakan pada ruangan pendingin adalah untuk menyerap dingin yang dihasilkan peltier dan diteruskan oleh kipas ke seluruh ruangan sehingga suhu seluruh ruang homogen.

Untuk menentukan luas permukaan heatsink yang digunakan digunakan persamaan perpindahan kalor konduksi, dengan mengasumsikan heatsink seluruhnya adalah aluminium. Dalam hal ini laju perpindahan panas (P) sebesar 146 watt, beda tempetatur (_∆T) bernilai 480C, ketebalan aluminium (x) sebesar 0.05 meter dan konduktivitas panas (k) untuk aluminium sebesar 200 Watt/m 0C. Jika waktu pendinginan (t) dilakukan selama 1 jam atau 3600 detik, maka dapat

diperoleh luas heatsink yang diperlukan sesuai dengan rumus berikut :

Q + , ∆

- ./ 0 × 2, Maka dapat diperoleh

+×,×∆

- 0 × 2

A = 34 5-6477 - 7.78 9

:77_<=; - 3> ?

Sehingga luas permukaan heatsink yang dibutuhkan untuk pendinginan 3600 detik atau 1 jam adalah seluas 2,628 m2.

3.2.3 LCD (Liquid Crystal Display)

LCD digunakan untuk menampilkan hasil pengolahan data pada mikrokontroler dalam bentuk tulisan. Pada alat ini, mode pemrogram LCD yang digunakan adalah

mode pemrograman 4 bit. Dengan demikian, pin data LCD yang dihubungkan ke mikrokontroler hanya pin D4,D5, D6, dan D7. Sedangkan untuk jalur kontrolnya, pin LCD yang dihubungkan adalah pin RS dan E. LCD pada alat ini hanya digunakan sebagai penampil, sehingga pin R/W nya dihubungkan ke ground.

(5)

dicatu dengan 5 volt tegangan DC. Gambar dibawah ini menjelaskan Rangakaian minimum LCD (Liquid Crystal Display):

Gambar 3.2 Rangkaian LCD karakter 2x16

Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa LCD 16×2 mempunya 16 pin. sedangkan pengkabelanya adalah sebagai berikut :

1. Kaki 2 dan 16 terhubung dengan Ground (GND) 2. Kaki 1 dan 15 terhubung dengan VCC (+5V)

3. Kaki 3 dari LCD 16×2 adalah pin yang digunakan untuk mengatur kontras

kecerahan LCD. Jadi kita bisa memasangkan sebuah trimpot 103 untuk mengatur kecerahanya. Pemasanganya seperti terlihat pada rangkaian tersebut. Karena LCD akan berubah kecerahanya jika tegangan pada pin 3 ini di turunkan atau dinaikan.

4. Pin 4 (RS) dihubungkan dengan pin mikrokontroler

5. Pin 5 (RW) dihubungkan dengan GND

6. Pin 6 (E) dihubungkan dengan pin mikrokontroler

(6)

3.2.4 Rangkaian Power Supply (PSA)

Rangkaian ini berfungsi untuk mensupplay tegangan ke seluruh rangkaian yang ada. Rangkaian PSA yang dibuat yaitu Travo CT. Berikut merupakan rangkaian power supplay yang ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar 3.3 Rangkaian Power Supply

Trafo yang digunakan merupakan trafo stepdown yang berfungsi untuk menurunkan tegangan dari 220 volt AC menjadi 12 volt AC. Kemudian 12 volt AC akan disearahkan dengan menggunakan dua buah dioda, selanjutnya 12 volt DC akan diteruskan kepada kapasitor 2200 µF sebanyak 12 buah yang disusun paralel, sehingga mempunyai kapasitas total 26400 µF. Berdasarkan rumus mencari tegangan efektik dan tegangan maksimum pada arus bolak-balik (AC)

dapat dihitung besar tegangan yang dikeluarkan oleh PSA. Pada penelitian ini perhitungan tegangan maksimum yang dikeluarkan oleh PSA adalah sebagai berikut.

@ @A'B × √2

12 × 1.4142

V 16,97 @JK2

(7)

3.2.5 Rangkaian Driver Regulator Arus

Rangkaian regulator arus ini berfungsi untuk mengatur tegangan dan arus yang masuk dari PSA. Rangkaian PSA yang dibuat memiliki keluaran 16,97 volt digunakan untuk mensupplay tegangan ke seluruh rangkaian. Regulator arus (LM350) digunakan agar keluaran yang dihasilkan tetap 12 volt walaupun terjadi perubahan pada tegangan masukannya. Transistor PNP SA2120 disini berfungsi untuk memasok arus apabila terjadi kekurangan arus pada rangkaian, sehingga regulator tegangan tidak akan panas ketika rangkaian butuh arus yang cukup besar. Rangkaian PSA ini memiliki arus 20 Ampere sehingga PSA ini mampu mensuplai arus yang dibutuhkan oleh sistem. Rangkaian power supplay dapat ditunjukkan pada gambar 3.4 seperti dibawah ini.

Gambar 3.4 Rangkaian Driver Regulator Arus

Rangkaian regulator arus ini berfungsi untuk mengatur tegangan dan arus yang masuk dari PSA. Regulator arus ini menggunakan LM350, dimana arus

maksimum yang dapat dilewati komponen ini adalah 5 A. Karena arus yang akan dilewatkan oleh PSA adalah sebesar 12 volt, maka LM350 diparalelkan sebanyak 3 buah seperti pada gambar 3.4. Berikut adalah pengujian atau perhitungan arus dan juga tegangan pada penelitian ini :

LB @ LM$

N LMO → N AMO

1,25 @ LB

1,25 @

0,33 Sℎ' 3,787

Jadi besar arus IReg = 3,787 A, maka total arus untuk 3 Rangkaian paralel LM350

(8)

tersebut dilewatkan dari Transistor sehingga arus total yang keluar dari ketiga LM350 langsung masuk ke sistem. Transistor PNP SA2120 perlu ditambahkan pendingin / heatsink untuk menjaga temperatur yang tinggi pada transistor akibat disipasi panas tidak merusak transistor.

Sehingga untuk daya 150 Watt dapat diperoleh tengan sebagai berikut: P = V x Itot , 150 = Vout x 11,36 A

VTot = 13,204 Volt

Dan dengan nilai R1= 2,2 kΏ maka didapat,

Vout = (W_W:+ 1) × 1,25 @JK2, Vout = (::77_:37 + 1) × 1,25 @JK2 Vout = 12,708 Volt.

Sehingga Daya output yang dihasilkan adalah : P = V x I

= 12,708 Volt x 11,36 A

= 144,362 Watt

3.2.6 Rangkaian Sensor Suhu

IC LM 35 sebagai sensor suhu yang teliti dan terkemas dalam bentuk Integrated Circuit (IC), dimana output tegangan keluaran sangat linear berpadanan dengan perubahan suhu. Kedua pendingin masing-masing mempunyai LM35 sebanyak 2 buah, LM35 (1) dihubungkan dengan 2 buah dioda berfungsi untuk mengukur perubahan suhu didalam kotak pendingin sedangkan LM35 (2) berfungsi untuk

mengukur perubahan suhu luar (lingkungan). Berikut adalah gambar rangkaian pengukur suhu :

(9)

Gambar 3.6 Rangkaian Sensor Suhu Pendingin Konvensional

IC LM 35 ini tidak memerlukan pengkalibrasian atau penyetelan dari luar karena ketelitiannya sampai lebih kurang seperempat derajat celcius pada temperature ruang. Jangka sensor mulai dari – 55°C sampai dengan 150°C, IC LM35 penggunaannya sangat mudah, difungsikan sebagai kontrol dari indikator tampilan catu daya terbelah. IC LM35 dapat dialiri arus 60 mA dari supplay

sehingga panas yang ditimbulkan sendiri sangat rendah kurang dari 0 ° C di dalam suhu ruangan. Sensor ini berfungsi sebagai pengubah dari besaran fisis suhu ke besaran tegangan yang memiliki koefisien sebesar 10 mV /°C yang berarti bahwa kenaikan suhu 1° C maka akan terjadi kenaikan tegangan sebesar 10 mV. Adapun dioda yang dipakai adalah dioda silikon yang memiliki tegangan 0,7 volt sebanyak 2 buah. Sehingga tegangan yang masuk ke Mikrokontroler adalah sebesar 1,4 Volt. Jadi, ketika LM35 menunjukkan suhu -210C maka tegangan yang masuk ke mikrokontroler adalah (1,4 Volt - 0,21 Volt = 1,19 Volt) atau

sebaliknya, jika LM35 menunjukkan suhu +270C maka tengangan yang masuk ke mikrokontroler adalah (1,4 Volt + 0,27 Volt = 1,67 Volt).

(10)

3.2.7 Rangkaian Komunikasi RS-232

Pada perancangan ini menggunakan port serial sebagai jalur komunikasi. Salah satu standart komunikasi serial yang digunakan adalah RS232 dan diperlukan IC MAX232 sebagai driver yang berfungsi untuk mensinkronkan tegangan antara mikrokontroler dengan PC baik dari serial menjadi digital ataupun sebaliknya sehingga data dapat dibaca. Komunikasi yang digunakan untuk menghubungkan PC ke IC MAX232 adalah konektor DB9. Rangkaian driver RS232 terdiri dari IC MAX232 dan 4 buah elektrolit kapasitor 10uF/25V. IC mAX232 ini mempunyai 16 pin dan memiliki fungsi yang mengubah level tegangan TTL. Beberapa pin IC MAX232 ini dikoneksikan dengan mikrokontroler dan juga DB9. Pin Tx dan Pin Rx dihubungkan pada pin Port D0 dan Port D1 mikrokontroler.

Gambar 3.7 Rangkaian MAX-232

3.2.8 Rangkaian MOSFET

(11)

diberi hambatan R sebesar 550 ohm. Prinsip kerja dari pada rangkaian ini adalah ketika Led hidup, maka peltier akan mati (tidak dialiri arus) dan sebaliknya ketika Led mati maka Peltier akan hidup (dapat dialiri arus). Mosfet akan bekerja seperti relay dan memberikan keluaran kepda mikrokontroler. Berikut adalah skema rangkaian mosfet.

(12)

3.2.9 Rangkain Sederhana Mikrokontroler ATMEGA8535

Rangkaian sistem minimum mikrokontroler ATMEGA 8535 dapat dilihat pada gambar 3.9 di bawah ini :

Gambar 3.9 Rangkain Mikrokontroler ATmega8535

Rangkaian ini berfungsi sebagai pusat kendali dari seluruh system yang ada. Komponen utama dari rangkaian ini adalah IC Mikrokontroler ATMega8535. Semua program diisikan pada memori dari IC ini sehingga rangkaian dapat berjalan sesuai dengan yang dikehendaki. Pin 12 dan 13 dihubungkan ke XTAL 4 MHz. XTAL ini akan mempengaruhi kecepatan mikrokontroler ATMega8535 dalam mengeksekusi setiap perintah dalam program.

(13)

BAB IV

PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA

Setelah proses perancangan sistem selesai, kemudian dilakukan pengujian pada sistem. Tujuan pengujian ini adalah untuk mendapatkan data-data yang diperlukan, seperti tegangan dan arus masukan dan juga perubahan suhu dalam kotak pendingin serta waktu yang dibutuhkan dalam penurunan suhu yang ditentukan.

4.1 Komponen Pengujian dan Parameter yang Diukur

Untuk mendapatkan data-data yang akurat, maka diperlukan peralatan –peralatan

yang menunjang dalam pengukuran. Adapun peralatan ukur yang digunakan adalah sebagai berikut:

1. Sensor suhu LM35, digunakan untuk mencatat besarnya penurunan suhuu

tiap menitnya. Dalam penelitian ini sensor suhu yang digunakan ada dua yaitu untuk mengukur penurunan suhu dalam pendingin peltier dan untuk mengukur penurunan suhu pada pendingin freon (Kulkas).

2. Amperemeter, digunakan untuk mencatat arus yang masuk sistem pendingin.

3. Voltmeter, digunakan untuk mencatat tegangan power supply. Dari hasil

pengukuran arus dan tegangan ini, nilai daya masukan bisa dihitung.

4.2Pengujian Power Supply (PSA)

(14)

Gambar 4.1 Skema Pengujian PSA

Adapun data tabel yang diperoleh dari hasil pengujian ini adalah sebagai berikut : Tabel 4.1 Hasil Pengujian Power Supply Dengan Menggunakan Lampu

Mobil Depan 60W

Tegangan (Volt)

Arus (Ampere)

Beban (Watt)

Keterangan

11,7 5,2 60 1 bola lampu

11,7 10,3 120 2 bola lampu

11,7 12,8 180 3 bola lampu

11,7 12.8 240 4 bola lampu

4.3Pengujian Daya Terpasang Pada Sistem

Besarnya daya yang terpasang pada komponen peltier dalam penelitian ini adalahdilakukan dengan skema sebagai berikut:

Gambar 4.2 Skema Pengujian Daya Terpasang Pada Sistem

Adapun data tabel yang diperoleh dari hasil pengujian ini adalah sebagai berikut : LM317

V Rs

LM350

Beban

0,1 Ohm

R1=2K Ohm 22 Ohm

Stabilizer

220 V

_sistem

A

(15)

Tabel 4.2 Hasil Pengujian Daya Terpasang Pada Komponen Peltier 4.4.1 Beban Panas dari Luar

Beban panas dari luar adalah panas yang mengalir karena adanya perbedaan temperatur udara luar dan dalam kotak pendingin itu sendiri. Oleh karena itu diguanakan insulasi guna meminimalisir aliran panas. Seperti dijelaskan sebelumnya, bahan yang digunakan pada kotak pendingin peltier ini menggunakan Alumunium sebagai penghantar panas, dan solid plastic sebagai insulasi untuk bagian dinding atas, dan polyurethane sebagai insulasi semua bagian dindingnya selain bagian atap. Untuk bagian atap/ atas sendiri menggunakan kain yang dilapisi bahan kain plastik sebagai bagian untuk membuka dan menutup pendingin peltier.

Persamaan yang digunakan untuk menghitung perpindahan panas dari luar adalah menggunakan persamaan (2.9), sebagai berikut:

Diketahui:

Faktor k solid plastic = 0,281 Watt/ m2.0C ; Faktor k polyurethane = 0,02 Watt/ m2.0C; Faktor k kain plastik = 0,036 Watt/ m2.0C ; Koefisien lapisan udara bagian dalam= 9,37 Watt/ m2.0C ; Koefisien lapisan udara bagian luar = 22,7 Watt/ m2.0C.

Dengan menggunakan persamaan (2.9) di atas, maka diperloeh U sebagai berikut:

U ₁ 1

9,37+ 0,0020,281+ 0,01170,02 + 0,0020,036+22,71

7, 74 7,77Z 7,8[ 7,74 7,733

(16)

4.4.2 Beban Panas dari Beban

Pada analisis ini, beban yang akan didinginkan adalah air . Terdiri dari 10 liter air. Suhu air pada kondisi normal sama dengan suhu kamar, yaitu 27 0 C. Suhu yang dicapai oleh pendingin peltier adalah -210 C. Maka untuk menghitung beban panas dari produk adalah menggunakan persamaan (2.10) sebagai berikut:

Diketahui: _∆T = 27-(-21) = 48 0C ; m = 1 kg; c = 4,2 kj/kg. 0 C; Q = m x c x _∆T

= 10Kg x 4,2kj/Kg0C x 480C = 2010,6 kj

Dengan waktu pendinginan selama 560 Menit = 33600 detik, maka dari rumus Q = W dapat dihitung daya akan diperoleh sebagai berikut.

Q = P.t

P = 2010,6 kJ/33600 detik = 60 Watt

4.5Skema Pengukuran Suhu

Pengukuran suhu dilakukan dengan menggunakan sensor suhu LM35. Sensor Suhu yang dibuat dalam pendingin yang menggunakan Peltier maupun sensor susu yang dibuat didalam pendingin freon (kulkas) akan mengukur besar penurunan suhu yang ada dalam pendingin tersebut dan diteruskannya ke mikrokontroler. Kemudian mikrokontroler akan mengirim atau menginterface data suhu yang terukur pada kedua pendingin tersebut ke PC melalui komunikasi data RS232. Setelah itu PC akan menampilkam data-data suhu yang terukur untuk

selang waktu yang telah diprogra sebelumnya pada mikrokontoler. Adapun alur atau skema pengukuran suhu yang dilakukan adalah sebagai berikut.

(17)

4.6Pengujian Waktu Pendinginan

4.6.1 Pengujian Waktu Pendinginan Ruang Pendingin

Dalam perancangan ini, untuk memperoleh suhu yang diinginkan, maka terlebih dahulu dilakukan mendinginkan udara pada kotak pendinginan. Hal ini dilakukan agar suhu uadara dan juga dinding kotak pendingin itu menjadi homogen. Dalam hal ini untuk mendingiinkan udara maupun dinding dari pada kotak pendinginan membutuhkan kalor yang dapat dicari seperti rumus berikut.

Q = mudara cudara∆Tudara + m Lair + mes ces∆Tes

Jika diberikan suhu awal ruangan adalah 270C, dengan volume kotak pendinginan sebesar 10 Liter maka dari rumus massa jenis air ῥ = m / V, dalam

hal ini konstanta massa jenis udara adalah 1,2 Kg/m3 sehingga didapat massa m = 12x10-3 Kg. Beberapa konstanta juga diketahui seperti : kalor jenis udara = 1000J/Kg0C, kalor jenis air = 4200 J/Kg0C, kalor jenis Es = 2100 J/Kg0C, massa jenis es = 920 Kg/m3 dan juga kalor laten air = 3,33x105J/Kg. Maka untuk

mencari julah kalor yang dibutuhkan :

Q = mudara cudara∆Tudara + m Lair + mes ces∆Tes

Q = 12x10-3.1000.(27-0)+12x10-3.3,33x105+12x10-3.2100.(0-(-21)) Q = 324 J + 3996 J + 529,2J

Q = 4849,2 J

Sehingga dari persamaan Q = W. Untuk daya P = 150 watt (daya pendingin freon), maka Q = P.t

t = Q/P

t = 3>3[,: \

87 5 ]] = 32,328 detik

t = 0,538 menit

Sedangkan untuk daya P = 146 Watt (daya pendingin peltier) diperoleh :

t = Q/P

t = 3>3[,:\

34 5 ]] = 33,214 detik

t = 0,553 menit

(18)

pada pendingin freon adalah 0,538 menit, sedangkan waktu yang dibutuhkan oleh pendingin peltier adalah 0,553 menit.

4.6.2 Pengujian Waktu Pendinginan Beban

Dalam penelitian ini, beban yang digunakan adalah air. Banyaknya beban yang digunakan untuk pengujian alat ini adalah 1 Liter air. Dalam hal ini suhu awal air = 270C, dari rumus massa jenis air ῥ = m / V, dalam hal ini konstanta massa jenis

udara adalah 1000 Kg/m3 sehingga didapat massa m = 1 Kg. Beberapa konstanta juga diketahui seperti : kalor jenis air = 4200 J/Kg0C, kalor jenis Es = 2100 J/Kg0C, massa jenis es = 920 Kg/m3 dan juga kalor laten air = 3,33x105J/Kg. Maka untuk mencari julah kalor yang dibutuhkan :

Q = mair cair ∆Tair + mair Lair + mair ces ∆Tes

Q = (1Kg).(4200J/Kg0C).(270C-0)+(1Kg).(3,33x105J/Kg)+(1Kg).(2100 J/Kg0C). (0-(-210C))

Q = 113400 J + 333000 J + 44100 J Q = 490500 J

Maka untuk daya P = 150 Watt (daya pendingin freon) diperoleh : t = Q/P

t = 3[7877 \ _{87 5 ]]} = 3270 s

t = 54,5 menit

Sedangkan untuk daya P = 146 Watt (daya pendingin peltier) diperoleh :

t = Q/P

t = 3[7877 \

34 5 ]] = 3359,59 s

t = 56 menit

Jadi, besar waktu yang dibutuhkan pendingin freon untuk mendinginkan beban air yang bersuhu awal 270C adalah 54,5 menit sedangkan waktu yang dibuduhkan pendingin peltier adalah 56 menit. Banyaknya waktu yang diperlukan

(19)

Tabel 4.2 Hubungan Antara Waktu Pendingin Freon dan Pendingin Peltier

4.7Pengukuran Penurunan Suhu

4.7.1 Penurunan Suhu Dengan Beban 1 Liter air

Untuk menurunkan suhu 10C dengan beban 1 liter air dan suhu awal air 270C dapat diperoleh berdasarkan perhitungan sebagai berikut.

1. Daya 150 Watt (Daya pendingin Freon)

(20)

Kemudian untuk merubah wujud air menjadi es (00C air hingga 00C es) diperoleh:

Q = mir.Lair

Q = 1Kg.3,33x105J/Kg

Q= 333000 J Maka, t = 2220 detik

t = 37 menit

Untuk menurunkan suhu dari 00C es menjadi -210C diperoleh: Q = mair.ces. ∆T

Q = 1Kg.2100 J/Kg0C.(0-(-1) 0C) Q= 2100 Joule

Sehingga t = 14 detik

t = 0,233 menit x 21 t = 4,89 menit

Maka waktu total yang dibutuhkan Pendingin Freon ntuk mendinginkan air 1 liter hingga suhu -210C adalah 54,5 menit.

2. Daya 146 Watt (Daya Pendingin Peltier)

Untuk daya 146 Watt (Daya pendingin Peltier) dapat diperoleh waktu penurunan suhu untuk 270C s/d 00C adalah :

t = 4200 J/146Watt t = 28,77 detik

t = 0,467 menit x 27, t = 12,42 menit

t = 333000 J/ 146 Watt t = 2280,82 detik t = 38,01 menit

Untuk menurunkan suhu dari 00C es menjadi -210C diperoleh:

t = 2100 J/146 Watt t = 14,38 detik

t = 0,239 menit x 21, t = 5,034 menit

(21)

Dari hasil perhitungan diatas dapat diperoleh hasil penurunan suhu secara teori pada pendingin Freon dan pendingin Peltier. Dari data dapat diperoleh grafik penurunan suhu teori pendingin Freon dan penurunan suhu teori pendingin Peltier terhadap Waktu.

Gambar 4.4 Grafik Waktu Vs Suhu Pendingin Freon Dan Peltier Dengan Beban 1 Liter Air

Dari grafik diatas dapat dianalisis bahwa pendingin freon secara praktek jauh lebih cepat dari pendingin peltier untuk mencapai suhu -210C. Waktu yang dibutuhkan pendingin freon secara praktek untuk mencapai suhu 00C es adalah 33 menit, sedangkan pendingin peltier adalah 55 menit. Kemudian waktu untuk

mencapai suhu -210C dari 00C es adalah 12 menit untuk pendingin freon dan 18 menit untuk pendingin peltier. Sehingga waktu total yang dibutuhkan masing-masing pendingin untuk mencapai suhu -210C secara praktek adalah 46 menit dan 70 menit.

Q = mair cair ∆T

T Teori Freon (C) T Praktek Freon (C)

(22)

Q = 8400 Joule

Maka untuk daya 150 Watt (Daya pendingin Freon) dapat diperoleh waktu penurunan suhu untuk 270C s/d 00C adalah :

t = Q/P = 8400 J/150 Watt t = 56 detik

t = 0,933 menit x 27 t = 25,19 menit

Q = mir.Lair

Q = 2Kg.3,33x105J/Kg

Q= 666000 J

Maka, t = 4440 detik t = 74 menit

Q = 2Kg.2100 J/Kg0C.(0-(-1) 0C) Q= 4200 Joule

Sehingga t = 28 detik t = 0,457 menit x 21 t = 9,6 menit

Maka waktu total yang dibutuhkan Pendingin Freon ntuk mendinginkan air 2 liter hingga suhu -210C adalah 109 menit.

t = 4800 J/146 Watt t = 57,53 detik

t = 0,958 menit x 27, t = 25,86 menit

(23)

t = 4200 J/146 Watt t = 28,767 detik

t = 0,479 menit x 21, t = 10,059 menit

Maka waktu total yang dibutuhkan Pendingin Peltier ntuk mendinginkan air 2 liter

hingga suhu -210C adalah 112 menit.

Gambar 4.5 Grafik suhu vs waktu pendingin freon dan peltier dengan Beban 2 liter air

Dari grafik diatas dapat dianalisis bahwa pada pendingin freon membutuhkan waktu 28 menit untuk mencapai suhu praktek 00C air. Pada pendingin peltier terlihat pada grafik untuk menurunkan suhu praktek dari 270C

hingga 00C air membutuhkan waktu 36 menit. Untuk mencapai suhu negatif (-) secara praktek jelas terlihat bahwa freon lebih cepat dengan waktu 99 menit sedangkan waktu yang dibutuhkan pendingin peltier untuk mencapai suhu -210C secara praktek adalah 128 menit.

-30

(24)

1. Daya 150 Watt (Daya pendingin Freon)

Q = 3Kg. 4200 J/Kg0C .(27-26) 0C Q = 12600(1) J

Q = 12600 Joule

t = Q/P = 12600 J/150 Watt t = 84 detik x 27

t = 2268 detik, t = 37,8 menit

Q = mir.Lair

Q = 3Kg.3,33x105J/Kg

Q= 999000 J Maka, t = 6660 detik

t = 111 menit

Q = 3Kg.2100 J/Kg0C.(0-(-1) 0C) Q= 6300 Joule

Sehingga t = 42 detik x 21 t = 882 detik t = 14,7 menit

(25)

t = 6300 J/146 Watt t = 43,15 detik x 21

t = 906,16 detik, t = 15,10 menit

Maka waktu total yang dibutuhkan Pendingin Peltier ntuk mendinginkan air 3 liter hingga suhu -210C adalah 168 menit.

Gambar 4.6 Grafik suhu vs waktu pendingin freon dan peltier dengan beban 3 liter air

Pada grafik diatas pendingin peltier membutuhkan waktu 3 menit pertama untuk menurunkan suhunya menjadi 26,50C secara praktek. Untuk mencapai suhu 00C secara praktek, pendingin freon membutuhkan waktu selama 41 menit sedangkan pada waktu itu suhu pendingin peltier secara praktek masih bernilai 20C. Pendingin peltier membutuhkan waktu 44 menit untuk mencapai suhu 00C

(26)

secara teori. Sehingga untuk mencapai suhu -210C secara praktek, pendingin freon lebih cepat dengan membutuhkan waktu 148 menit sedangkan pendingin peltier membutuhkan waktu 178 menit.

1. Daya 150 Watt (Daya pendingin Freon)

Q = 4Kg. 4200 J/Kg0C .(27-26) 0C Q = 16800(1) J

Q = 16800 Joule

t = 3024 detik, t = 50,4 menit

Q = mir.Lair

Q = 4Kg.3,33x105J/Kg

Q= 1332000 J Maka, t = 8880 detik

t = 148 menit

Q = 4Kg.2100 J/Kg0C.(0-(-1) 0C) Q= 8400 Joule

(27)

t = 8400 J/146 Watt t = 57,53 detik x 21

t = 1208,22 detik, t = 20,14 menit

Maka waktu total yang dibutuhkan Pendingin Peltier ntuk mendinginkan air 4 liter

hingga suhu -210C adalah 224 menit.

Gambar 4.7 Grafik Suhu Vs Waktu Pendingin Freon Dan Peltier Dengan Beban 4 Liter Air

(28)

Pada beban 4 liter air ini, pendingin freon membutuhkan waktu lebih lama dibandingkan pendingin peltier untuk mencapai suhu 00C air secara praktek yaitu 58 menit, sedangkan waktu untuk pendingin peltier 57 menit, artinya pendingin peltier lebih cepat 2 menit untuk mencapai suhu 00C air. Hal ini dikarenakan kipas pembuangan panas pada pendingin peltier semakin bekerja dengan baik. Tetapi setelah mencapai suhu 00C es (Suhu minus) pendingin freon kembali lebih cepat mencapai suhu -210C secara praktek dengan waktu 197 menit sedangkan pendingin peltier membutuhkan waktu 236 menit.

Untuk menurunkan suhu 10C dengan beban 5 liter air dan suhu awal air 270C

dapat diperoleh berdasarkan perhitungan sebagai berikut. 1. Daya 150 Watt (Daya pendingin Freon)

Q = 5Kg. 4200 J/Kg0C .(27-26) 0C Q = 21000(1) J = 21000 Joule

t = 3780 detik = 63 menit

Q = mir.Lair

Q = 5Kg.3,33x105J/Kg

Q = 1665000 J Maka, t = 11100 detik t = 185 menit

Q = 5Kg.2100 J/Kg0C.(0-(-1) 0C) Q= 10500 Joule

(29)

t = 1470 detik t = 24,5 menit

t = 21000 J/146 Watt t = 143,83 detik x 27

t = 3883,56 detik = 64,73 menit

t = 1665000J/ 146 Watt t = 11404,1 detik t = 190,07 menit

t = 10500 J/146 Watt t = 71,92 detik x 21

t = 1510,27 detik = 25,17 menit

(30)

Pada grafik diatas perbedaan penurunan suhu pada masing-masing pendingin tidak terlalu signifikan, pendigin freon hanya membutuhkan waktu 66 menit untuk menurunkan suhu dari 270C hingga 00C air secara praktek, pendingin ini memiliki selisih waktu 2 menit lebih cepat dari pendingin peltier. Namun untuk mencapai suhu -210C secara praktek, pendingin freon membutuhkan waktu lebih cepat yaitu 247 menit sedangkan pendingin peltier membutuhan waktu 291

menit. Artinya pendingin freon lebih cepat mencapai suhu minus dari pada pendingin peltier.

4.7.6 Penurunan Suhu Ruangan Dengan Beban 6 Liter air

(31)

Q = mir.Lair

Q = 6Kg.3,33x105J/Kg

Q = mair.ces. ∆T

Q = 6Kg.2100 J/Kg0C.(0-(-1) 0C) Q= 12600 Joule

t = 25200 J/146 Watt t = 172,60 detik x 27 t = 4660,27 detik t = 77,67 menit

t = 1998000 J / 146 Watt t = 13684,93 detik t = 228,08 menit

(32)

t = 86,30 detik x 21 t = 1812,33 detik t = 30,21 menit

Pada pendingin freon, secara praktek suhu awal selama 2 menit pertama belum berubah dari 270C, kemudian mulai menit ke-4 suhu pendingin secara praktek perlahan-lahan mulai turun dari 26,560C sampai 0,530C dengan membutuhkan waktu 85 menit. Berbeda dengan pendingin peltier, secara praktek pendingin ini mulai mampu menurunkan suhu pada menit ke-4 yaitu 26,730C. Dari suhu 26,730C – 00C air pendingin ini membutuhkan waktu selama 86 menit. Sehingga waktu total yang dibutuhkan pendingin freon dan pendingin peltier untuk mencapai suhu -210C secara praktek masing-masing adalah 296 menit dan 349 menit.

(33)

Q = 7Kg. 4200 J/Kg0C .(27-26) 0C Q = 29400(1) J

Q = 29400 Joule

t = Q/P = 29400 J/150 Watt

t = 196 detik x 27 t = 5292 detik t = 88,2 menit

Q = mir.Lair

Q = 7Kg.3,33x105J/Kg

Q = 7Kg.2100 J/Kg0C.(0-(-1) 0C) Q = 14700 Joule

(34)

t = 29400 J/146 Watt t = 201,37 detik x 27

t = 5436,98 detik, t = 90,62 menit

t = 14700 J/146 Watt t = 100,68 detik x 21

t = 2114,38 detik, t = 35,24 menit

Dari hasil perhitungan diatas dapat diperoleh hasil penurunan suhu secara teori pada pendingin Freon dan pendingin Peltier. Dari data dapat diperoleh

grafik penurunan suhu teori pendingin Freon dan penurunan suhu teori pendingin Peltier terhadap Waktu.

Seperti yang terlihat pada grafik diatas, untuk masing-masing pendingin baik secara teori maupun praktek, waaktu yang dibutuhkan untuk mencapai suhu dari 270C-200C hampir sama. Tetapi setelah dibawah suhu 200C masing-masing

(35)

pendingin membutuhkan waktu yang berbeda. Waktu secara praktek antara pendingin freon dan pendingin peltier yang masing-masing memiliki waktu 98 menit dan 101 menit. Sedangkan waktu yang dibutuhkan pendingin freon dari suhu 00C air - (-210C) sebesar 247 menit dan pada pendingin peltier sebesar 303 menit. Jadi, secara praktek waktu total yang dibutuhkan masing-masing pendingin freon dan pendingin peltier untuk mencapai suhu -210C adalah 341 menit dan 404 menit.

Q = 8Kg. 4200 J/Kg0C .(27-26) 0C Q = 33600(1) J

Q = 33600 Joule

Q = mir.Lair

Q = 8Kg.3,33x105J/Kg

(36)

Sehingga t = 112 detik x 21 t = 2352detik t = 39,2 menit

t = 33600 J/146 Watt t = 230,14 detik x 27 t = 6213,7 detik

t = 103,56 menit

(37)

Pada beban 8 liter air, terlihat perbedaan grafik pada masing-masing pendingin. Pada pendingin freon penurunan suhunya terlihat linier. Sama halnya pada kedua pendingin secara teori. Tapi pada pendigin peltier yang secara praktek tidak begitu linier seperti yang terlihat pada grafik, hal itu dikarenakan pada saat pengukuran suhu terjadi kebocoran pada pendingin peltier. Jadi waktu total yang dibutuhkan pendigin freon dan pendingin peltier untuk mencapai suhu -210C masing-masing 398 meit dan 465 menit. Selisih waktu yang dimiliki kedua pendingin secara praktek untuk mencapai suhu -210C adalah 16 menit.

(38)

Q = mir.Lair

Q = 9Kg.3,33x105J/Kg

Q = mair.ces. ∆T

Q = 9Kg.2100 J/Kg0C.(0-(-1) 0C) Q = 18900 Joule

t = 37800J/146 Watt t = 258,90 detik x 27 t = 6990,41 detik t = 116,50 menit

t = 2997000 J / 146 Watt t = 20527,4 detik

t = 342,12 menit

(39)

t = 129,45 detik x 21 t = 2718,50 detik t = 45,31 menit

Untuk semua pendingin pada volume 9 liter, penurunan suhunya terlihat lebih linier dibanding saat mendinginkan volume yang lain. Hal ini dikarenakan tidak ada lagi kebocoran yang signifikan, dan sensor suhu dapat membaca suhu denagan lebih baik lagi. Waktu total yangdibutuhkan kedua pendingin secara praktek masing-masing adalah 441 menit untuk pendingin freon dan 527 menit

(40)

Q = 10Kg. 4200 J/Kg0C .(27-26) 0C Q = 42000(1) J

Q = 42000 Joule

t = Q/P = 37800 J/150 Watt

t = 280 detik x 27 t = 7560 detik t = 126 menit

Q = mir.Lair

Q = 10Kg.3,33x105J/Kg

Q = 10Kg.2100 J/Kg0C.(0-(-1) 0C) Q = 21000 Joule

Sehingga t = 140 detik x 21 t = 2940 detik t = 49 menit

(41)

t = 42000J/146 Watt t = 287,67 detik x 27 t = 7767,12 detik t = 129,45 menit

(42)

(43)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari hasil perancangan alat hingga pengujian dan analisis sistem maka penulis dapat menarik kesimpulan, antara lain :

1. Telah dirancang dan dianalisis sebuah alat pendinginan berbasiskan

termoelektrik cooler dengan menggunakan tipe TEC1-12730. Kotak pendinginan yang digunakan pada pendingin termoelektrik cooler ini adalah sebuah kotak pendingin konvensional (Pendingin Freon) yang sudah rusak. Kedua pendingin ini mampu mencapai suhu -210C pada suhu awal 270C. Dengan variasi volume beban air (1 kg, 2 kg, 3 kg, 4 kg, 5 kg, 6 kg, 7 kg, 8 kg, 9 kg, 10 kg). Jadi, secara praktek pendingin freon dan pendingin peltier membutuhkan waktu masing-masing (50 menit dan 70 menit, 99 menit dan 128 menit, 148 menit dan 178 menit, 197 menit dan 236 menit, 247 menit dan 291 menit, 296 menit dan 349 menit, 341 menit dan 404 menit, 398 menit dan 465 menit, 441 menit dan 527 menit, 493 menit dan 576 menit). Dari hasil yang didapat, dapat disimpulkan bahwa pendingin Freon masih jauh lebih bagus dari pendingin yang menngunakan komponen Peltier.

2. Dari data yang diperoleh dapat disimpulkan kelebihan dan kelemahan pendingin termolektrik dibandingkan pendingin freon. Adapun kelebihan pendingin peltier adalah bahwa dengan daya 146 Watt pendingin ini dapat

(44)

5.2Saran

Setelah melakukan penelitian, diperoleh beberapa hal yang dapat dijadikan saran untuk dilakukan penelitian lebih lanjut yaitu :

1. Untuk peneliti selanjutnya, lebih teliti dalam meletakkan sensor suhunya, karena letak sensor yang akan digunakan dalam pengambilan suhu

pendingin pada kotak pendingin sangat mempengaruhi terhadap data yang akan diperoleh.

2. Alat pendingin Termoelektrik merupakan teknologi masa depan yang

sangat menjanjikan dalam pemasaran sehingga harus terus menerus dikembangkan.

3. Untuk membuat pendingin yang menggunakan peltier pastikan tidak ada

(45)

BAB II

DASAR TEORI

2.1Termoelektrik

2.1.1 Sejarah Singkat Termoelektrik

Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman,

Thomas Johann Seebeck. 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. Belakangan diketahui, hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck.

Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1934 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik.

2.2 Efek-Efek Pendinginan Termoelektrik 2.2.1 Efek Seebeck

(46)

proses konversi. Untuk alasan ini, pembangkit listrik termoelektrik diklasifikasikan langsung sebagai daya konversi.

Efek seebek terjadi ketika suatu logam dengan beda temperatur antara kedua ujungnya. Ketika logam tersebut di sambung, maka akan terjadi beda potensial diantara kedua ujungnya. Efek ini digunakan dalam aplikasi termokopel.

Gambar 2.1 Skema Efek Seebek pada suatu bahan

Koefisien seebeck (S) disebut juga daya termoelektrik, seperti pada persamaan berikut:

(2.1)

Keterangan:

S = Koefisien seebeck [Volt/oK] = Potential termoelektri terinduksi [Volt]

T = Temperatur [oK]

2.2.2 Efek Joule

Perpindahan panas dari sisi dalam pendingin ke sisi luarnya akan mengakibatkan timbulnya arus listrik dalam rangkaian tersebut karena adanya efek seebeck, maka hal inilah yang dinamakan efek joule. Dalam hal ini sesuai dengan hukum ohm, efek joule dirumuskan pada persamaan berikut:

Qj = I2 . R (2.2) Keterangan:

Qj = Efek joule (panas joule) [Watt]

I = Arus [Ampere]

(47)

2.2.3 Efek Konduksi

Panas akan merambat secara konduksi dari permukaan yang panas ke permukaan yang dingin. Perambatan tersebut bersifat irreversible dan disebut efek konduktivitas. Besarnya perambatan tersebut dinyatakan dalam persamaan:

qc = U.(Th-Tc) (2.3)

Keterangan:

qc = Laju aliran panas [Watt]

U = Konduktivitas thermal [Watt/oK] T1 = Temperatur hot junction [oK]

To = Temperatur cold junction [oK]

2.2.4 Efek Peltier

Jean Charles Peltier pada tahun 1834 telah mendasari efek termoelektrik. Dia

mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1834 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Pada saat arus mengalir melalui thermocouple, temperature junction akan berubah dan panas akan diserap pada 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 adalah sebagai berikut:

(

2.4)

Keterangan:

= Koefisien peltier [Volt]

Q = Beban perpindahan panas dari junction [Watt]

Iab = Arus [Ampere]

(48)

2.2.5 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 yang terkena perbedaan panas dan perbedaan listrik secara simultan. Koefisien Thomson dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

(2.5) Keterangan:

= Koefisien Thomson

Q = Beban perpindahan panas yang diserap konduktor [Watt]

I = Arus [Ampere]

= Perbedaan temperature [oK]

(H.J. Goldsmid, 1960)

2.3 Elemen Termoelektrik Peltier

Semikonduktor adalah bahan pilihan untuk termoelektrik yang umum dipakai. Bahan semikonduktor termoelektrik yang paling sering digunakan saat ini adalah

Bismuth Telluride (Bi2Te3) yang telah diolah untuk menghasilkan blok atau

elemen yang memiliki karakteristik individu berbeda yaitu N dan P.

Bahan termoelektrik lainnya termasuk Timbal Telluride (PbTe), Silicon

Germanium (SiGe) dan Bismuth-Antimony (SbBi) adalah paduan bahan yang

dapat digunakan dalam situasi tertentu. Namun, Bismuth Telluride adalah bahan terbaik dalam hal pendinginan. Bismuth Telluride memiliki dua karakteristik yang patut dicatat. Karena struktur kristal, Bismuth Telluride sangat anisotropic. Perilaku anisotropic perlawanan lebih besar daripada konduktivitas termalnya. Sehingga anisotropic ini dimanfaatkan untuk pendinginan yang optimal. Karakteristik lain yang menarik dari Bismuth Telluride adalah kristal Bismuth

Telluride (Bi2Te3) terdiri dari lapisan heksagonal atom yang sama. Termoelectrik

(49)

diposisikan paralel secara termal dan ujungnya digabungkan dengan lempeng pendingin biasanya lempeng tembaga atau aluminium.

Elemen termoelektrik merupakan semikonduktor tipe-p dan tipe-n yang dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik tertutup yang terdapat beban. Dari perbedaan suhu yang ada pada tiap junction ditiap semikonduktor tersebut akan menyebabkan electron berpindah dari sisi panas menuju sisi dingin.

Jika pada batang logam semikonduktor berlaku prinsip kedua efek (efek Seeback dan efek Peltier), batang semikonduktor dipanaskan dan didinginkan pada dua semikonduktor tersebut, maka electron pada sisi panas semikonduktor akan bergerak aktif dan memiliki kecepatan aliran yang lebih tinggi dibandingkan dengan sisi dingin semikonduktor. Dengan kecepatan yang lebih tinggi pula, maka

electron dari sisi panas akan mengalami difusi ke sisi dingin dan menyebabkan timbulnya medan elektrik pada semikonduktor tersebut.

Elemen peltier atau pendingin termoelektrik (thermoelektrik cooler) merupakan alat yang adapat menimbulkan perbedaan sushu antara kedua sisinya jika dialiri arus listrik searah pada kedua kutub materialnya. Dalam hal ini refrigerasi, keuntungan utama dari elemen peltier adalah tidak adanya bagian yang bergerak atau cairan yang bersikulasi dan ukurannya kecil serta bentuknya sangat mudah untuk direkayasa. Sedangkan kekurangan dari elemen peltier ada pada faktor efisiensi daya yang rendah dan biaya perancangan sistem masih relatif

mahal. Namun kini banyak peneliti yang sedang mencoba mengembangkan elemen peltier yang lebih murah dan juga efisien. (Rio Wirawan, 2012)

(50)

2.4 Prinsip Kerja Termoelektrik

2.4.1 Prinsip Kerja Termoelektrik Sebagai Pendingin

Modul pendingin termoelektrik bekerja berdasarkan efek Peltier akan berfungsi apabila arus listrik DC dialirkan pada satu atau beberapa pasangan semikonduktor tipe N dan tipe P.

Gambar 2.3 Proses Pemindahan Panas (Sumber : www.tellurex.com)

Gambar diatas menunjukan aliran elektron dari semikonduktor tipe P yang memiliki tingkat energi lebih rendah, menyerap kalor di bagian yang didinginkan lalu elektron mengalir menuju semikonduktor tipe N melalui konduktor penghubung yang permukaannya (Tc) akan mengalami penurunan temperatur.

Kalor yang diserap akan berpindah melalui semikonduktor bersamaan

dengan pergerakan elektron ke sisi panas modul (Th). 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 dinign akan berkurang dikarenakan dua faktor, yaitu kalor yang terbentuk pada material semikonduktor dikarenakan perbedaan temperatur antara sisi dingin dan sisi panas modul (conducted heat) dan Joule.

(51)

a) Modul termoelektrik tidak memiliki bagian yang bergerak,

sehingga untuk perawatan lebih mudah.

b) Pengujian usia pakai telah membuktikan bahwa modul

termoelektrik bisa digunakan selama 100.000 jam.

c) Modul termoelektrik tidak memiliki kandungan chloroflourocarbons (CFC) atau material lainnya yang membutuhkan penambahan berkala.

d) Modul termoelektrik bisa dioperasikan pada lingkungan yang terlalu kecil bagi sistem pendingin konvensional.

Dengan berbagai keunggulan yang terdapat pada modul termoelektrik, penggunaan termoelektrik saat ini telah melingkupi banyak area penggunaan,

misalnya teknologi militer, ruang angkasa peraltan komersil dan industri.

2.4.2 Parameter Penggunaan Modul Termoelektrik

Setiap modul termoelektrik yang digunakan untuk aplikasi pendingin dikarakterisasikan kedalam beberapa parameter penggunaan yang menentukan pemilihan modul yang lebih akurat diantara banyak pilihan modul yang tersedia. Berikut beberapa parameter yang menjadi dasar pemilihan modul termoelektrik :

a) Jumlah kalor yang akan diserap oleh sisi dingin modul.

b) Perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin modul

ketika beroperasi.

c) Arus listrik yang digunakan oleh modul. d) Tegangan listrik yang diugunakan oleh modul.

e) Temperatur tertinggi dan terendah lingkungan dimana modul

beroperasi.

2.5 Sistem Pendingin Konvensional (Kulkas)

(52)

perpindahan kalor. Sebuah lemari es harus melakukan tugas untuk membalikkan arah normal aliran energi panas. Tugas itu melibatkan penggunaan energi yang bertujuan untuk memindahkan sesuatu, dan untuk melakukannya sebuah lemari es membutuhkan energi. Dalam kasus ini, energi itu disediakan oleh listrik.

Gambar 2.4 Proses Pendinginan Pada Kulkas (Sumber: researchthetopic.wikispaces.com)

Kunci proses kulkas dan sistem pendingin lain agar dapat bekerja terdapat pada refrigeran. Refrigeran ialah zat semacam Freon yang bertitik didih rendah sehingga dapat memfasilitasi perubahan bentuk antara cair dan gas. Sebagai cairan, refrigeran berperan dalam penyerapan energi panas dari udara dingin di dalam lemari es untuk diubah menjadi gas.

Jadi pertama-tama, energi panas ditransfer ke dalam lemari es untuk

(53)

refrigeran tersebut kemudian mengalir kembali ke evaporator. Selanjutnya siklus itu kembali berulang. (K.Handoko, 1981)

2.6 Perhitungan Pendinginan Sistem Termoelektrik

Bahan termoelektrik adalah semikonduktor yang merupakan benda padat atau logam yang mempunyai nilai-nilai diantaranya nilai resistansi konduktor dan isolator. Cold junction akan menyerap panas dari produk yang dikondisikan, bagian ini sama fungsinya dengan evaporator pada sistem pendinginan kompresi uap. Hot junction yang mengeluarkan atau membuang panas ke luar, bagian ini sama fungsinya dengan kondenser. Sama halnya dengan kondenser yang menggunakan sirip-sirip untuk mempercepat pembuangan panas nya,

termoelektrik pada sisi hot junction juga dtambahkan dengan heat sink untuk mempercepat proses pembuangan panas. Proses pembuangan panas di sini juga dimanfaatkan untuk memanaskan air, supaya energi panasnya tidak terbuang begitu saja. Sumber arus searah pada termoelektrik sama fungsinya dengan kompresor pada sistem kompresi uap. Pengeluaran dan penyerapan panas hanya terjadi pada kedua sisi junction, besarnya kalor yang diserap dan dikeluarkan adalah sebagai berikut:

Qo = 2.α. Tc .I – I2 (R/2) – k (Th – Tc) (2.6)

Q1 = 2α . Th .I – K. ∆T + ½ . I2.R (2.7)

Keterangan:

Qo = Besar kalor yang diserap [Watt]

Q1 = Besar kalor yang dilepas [Watt]

∆_T _{= Perbedaan temperature} _[o_K]

2α _{= Kekuatan termoelektrik dari 2 material} _[Volt/o_K]

R = Tahanan total [Ohm]

K = Konduktifitas thermal dari 2 material [Watt/oK]

I = Arus yang mengalir [Ampere]

Th = Temperatur hot junction [oK]

Tc = Temperatur cold junction [oK]

(54)

2.6.1 Beban Pendinginan

Beban pendinginan yang dimaksud dalam analisis ini adalah beban panas yang berasal dari produk yang didinginkan dan beban panas dari luar yang harus diatasi oleh sistem untuk mencapai temperatur yang diinginkan. Beban pendinginan dari suatu ruangan akan menentukan kapasitas dari mesin pendingin yang digunakan. Terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam menghitung beban pendinginan dari suatu ruangan pendingin yaitu, perbedaan temperatur ruangan yang akan dikondisikan dengan tempertur luar, struktur bahan yang dipakai dalam perancangan, produk yang akan didinginkan,serta hal-hal lainnya yang mempengaruhi beban pendinginan.

2.6.2 Beban Panas dari Luar

Beban panas dari luar berasal dari konduksi udara luar dengan dinding. Besarnya beban panas dari luar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

. . ∆ (2.8)

Keterangan :

Q = Jumlah panas yang dipindahkan (Watt) A = Luas Permukaan (m2)

U = Angka koefisien perpindahan panas (Watt/ m2.0C)

∆_{t = Perbedaan temperatur} ₍0_C)

Harga koefisien perpindahan panas total (U) dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan sebagai berikut:

⋯

" #

(2.9)

Keterangan:

U = Harga koefisien perpindahan panas [Watt/m2.oC]

k1,k2,..kn = Konduktivitas thermal material [Watt/m.oC]

x = Tebal material [m]

(55)

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

(Roy. J. Dossat, 1978)

2.6.3 Beban Panas Dari Dalam

Beban panas dari dalam ruangan merupakan beban panas yang harus dibuang dari ruangan tersebut untuk mencapai temperatur yang diinginkan. Beban panas dari dalam ruangan berasal dari panas produk yang didinginkan. Panas produk adalah beban panas yang harus dibuang untuk mencapai temperatur produk sesuai dengan yang telah ditentukan. Beban panas dari produk dapat dibagi menjadi 2, yaitu beban panas sensibel dan beban panas laten. Perancangan ini beban panas produk hanya berasal dari beban panas sensible yaitu panas yang menyebabkan terjadinya kenaikan dan penurunan temperatur tanpa terjadinya perubahan wujud. Udara didalam ruangan dianggap 27oC dan air dikondisikan untuk mencapai temperatur -21oC.

Beban panas sensibel produk dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

'. (. ∆ (2.10)

Keterangan:

Q = Jumlah panas yang dipindahkan [kj]

m = Berat produk [kg]

c = Panas spesifik [kj/kg.oC]

∆_{T = Perbedaan temperatur} _[o_C] _{(Roy. J. Dossat, 1978)}

2.6.4 Perpindahan Panas

(56)

Perpindahan panas secara konduksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi pada benda atau medium yang diam (padat) bertemperatur tinggi ke bagian benda yang bertemperatur rendah atau terdapat gradien temperatur pada benda tersebut. Rumus dasar perpindahan panas secara konduksi adalah :

Q −+ , ∆

- (2.11)

Dimana:

Q = laju perpindahan panas (Watt)

K = konduktivitas panas (W/m.0C)

A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m2)

∆_{T = beda temperatur (}0_C)

x = ketebalan bahan (m)

Perpindahan panas konveksi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi karena terdapat aliran fluida. Persamaan dasar perpindahan panas konveksi adalah :

Q = h.A. (Tw – Ta) (2.12)

Dimana:

Q = laju perpindahan panas (Watt)

h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 oC)

A = luasan perpindahan panas arah normal Q (m2)

Tw = temperatur permukaan benda (0C)

Ta = temperatur fluida (0C)

Perpindahan panas radiasi adalah distribusi energi berupa panas yang terjadi melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa zat perantara. Untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan yaitu

menggunakan rumus :

Q = e AT 4 s (2.13)

Dimana:

Q = panas yang dipancarkan (Watt)

ε_{= emisivitas permukaan benda (0 s.d. 1)}

(57)

T = temperatur permukaan benda (K)

σ_{= konstanta Stefan Boltzmann (W/m}2_.K4)

Untuk benda hitam sempurna nilai emisivitasnya (ε_{) adalah 1 dan besar nilai}σ₌

5,67.10-8 W/m2.K4 (Holman J.P, 1995)

2.7 Mikrokontroler Atmega 8535

Mikrikontroler merupakan sebuah single chip yang didalamnya telah dilengkapi CPU (Central Processing Unit), RAM (Random Acces Memory), ROM (Read Only Memory), input dan output, time/counter, serial comport secara spesifik digunakan untuk aplikasi-aplikasi control dan aplikasi serbaguna. Mikrokontroller umumnya bekerja pada frekuensi 4MHz – 40MHz. Perangkat ini sering digunakan

untuk kebuthan kontrol tertentu seperti pada sebuah penggerak motor. ROM (Read Only Memory), yang isinya tidak berubah meskipun IC kehilangan catu daya. Sesuai dengan keperluannya, sesuai dengan susunan MCS-51. Memori penyimpanan program dinamakan sebagai memory program. RAM ( Random Acces Memory) isinya akan begitu sirna jika IC kehilangan catu daya dan dipakai untuk menyimpan data ini disebut sebagai memori data.

ATMEGA 8535 memiliki dua jenis memori, yaitu program memory dan data memory ditambah satu fitur tambahan yaitu EEPROM memory untuk penyimpanan data. ATMEGA 8535 memiliki On-Chip In-System

Reprogrammable Flash Memory untuk menyimpan memori. Untuk alasan keamanan, program memory dibagi menjadi dua bagian, yaitu Boot Flash Section dan ApplicationFlash Section. Boot Flash Section digunakan untuk menyimpan program Boot Loader, yaitu program yang harus dijalankan pada saat AVR reset atau pertama kali diaktifkan.

Aplication Flash Section digunakan untuk menyimpan program aplikasi