Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi III

Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi III

ISBN 2407-4845

Nurkholis Hamidi

Dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Jalan Mayjen Haryono 167 Malang 65145 – Telp (0341) 561886

Email:hamidy@ub.ac.id

Hebron Simamora

Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Jalan Mayjen Haryono 167 Malang 65145 – Telp (0341) 561886 Email: hebronsimamora@yahoo.com

PENGARUH JUMLAH

TERMOELEKTRIK TERHADAP KINERJA DARI MESIN PENDINGIN KOMBINASI TERMOELEKTRIK DAN EVAPORATIVE COOLING

Penelitian telah dilakukan untuk mengetahui unjuk kerja mesin pendingin berbasis termoelektik yang dikombinasikan dengan evaporative cooling. Kombinasi termoelektrik dan evaporatif cooling diharapkan dapat menjadi sistem pendingin yang dapat menurunkan suhu dan mengatur kelembaban udara. Penelitian ini menggunakan tipe termoelektrik TEC1-12706 dengan bahan dasar Bismuth telluride (Bi2Te3) dan Antimony telluride (Sb2Te3), sedangkan evaporatif cooling menggunakan media jerami dengan berat 4,6 gram dengan dimensi 6cm x 8cm x 3cm. Jerami tersebut dibasahi dengan tetesan air sebagai media pendinginnya. Jerami dipilih sebagai media evaporative cooling karena merupakan media porous alami yang tersedia melimpah di Indonesia. Dalam penelitian ini, unjuk kerja sistem pendingin dianalisa pada berbagai variasi jumlah termoleketrik TEC1-12706 sedang kondisi dari media evaporative cooling dijaga sama. Jumlah termoelektrik divariasikan dari 1 sampai 5 buah. Sistem pendingin ini digunakan untuk mendinginkan udara yang dialirkan secara konstan dengan massa alir 0,009 kg/s. Kinerja yang akan dianalisa dalam penelitian ini adalah COP ideal, COP aktual, penurunan suhu, dan nilai kelembaban. Hasil COP yang ideal dan COP yang sebenarnya secara keseluruhan pada nilai termoelektrik pendingin nilai terbesar dalam jumlah 3 buah termoelektrik, dengan COP ideal 0,626 dan COP aktual 0,462. Setelah itu dengan penurunan suhu dan kelembaban terbesar dapat dicapai menggunakan 5 termoelektrik, dengan penurunan suhu dan kelembaban 5,1^oC dan 89,33%

Keywords: termoelektrik, evaporative cooling, COP, relative humidity, temperatur.

1. PENDAHULUAN

Mesin pendingin merupakan salah satu bagian yang penting dalam industri maupun dalam kehidupan sehari- hari manusia saat ini. Perangkat ini banyak digunakan dalam proses penyimpanan maupun pengkondisian udara guna menyediakan kehidupan yang nyaman bagi manusia. Namun, disisi lain system ini juga dapat menyebabkan banyak masalah bagi dunia, misalnya efek rumah kaca, pemanasan global, polusi suara (dari bagian yang bergerak). Ini adalah alasan mengapa saat ini orang mencoba mengembangkan perangkat yang dapat menghasilkan udara dingin tetapi dengan kepedulian terhadap lingkungan. Kombinasi antara sistem pendingin evaporatif dan termoelektrik sistem adalah salah satu opsi yang digunakan untuk menghasilkan udara dingin [1].

Teknologi mesin pendingin sangat dibutuhkan dalam kehidupan manusia, baik dalam kenyamanan maupun industri. Contoh sederhananya, di setiap ruangan perkantoran pasti dibutuhkan mesin pendingin yang menjaga kenyaman kariawan dalam bekerja. Dalam bidang lain seperti pendinginan di rumah sakit sangat dibutuhkan untuk menjaga kelembaban yang sesuai dengan ruangan yang ditempati oleh pasien tertentu yang membutuhkan pengondisian udara, supaya tidak terjadi penyebaran penyakit.

direkomendasikan pada umumnya 85-95% [2]. Di rumah sakit diperlukan pengaturan kelembaban dan temperatur di setiap ruangan. Hal tersebut dibutuhkan sesuai dengan kebutuhan yang diperlukan, seperti pada ruang operasi yang memerlukan temperatur sekitar 20-24 derajat celcius dan kelembapan antara 30-60%, hal tersebut berbeda dengan ruang penyimpanan obat yang hanya menuntut kelembapan maksimal hingga 60%

[3].

Mesin pendingin merupakan mesin konversi energi yang dipakai untuk memindahkan kalor dari temperatur yang rendah ke temperatur yang tinggi dengan cara menambahkan kerja dari luar. Lebih jelasnya mesin pendingin merupakan suatu alat yang digunakan dalam proses pendinginan suatu objek sehingga mencapai temperatur dan kelembaban yang dikehendaki dengan cara menyerap panas dari reservoir bertemperatur rendah dan diberikan ke reservoir bertemperatur tinggi. Untuk saat ini jenis mesin pendingin yang banyak di gunakan yaitu mesin pendingin kompresi uap dan mesin pendingin absorbs [4].

Penggunaan mesin pendingin pada saat ini masih banyak menggunakan subtansi reftigeran. Refrigeran berfungsi untuk membawa kalor yang sifatnya mudah diubah bentuknya dari air ke gas maupun sebaliknya dalam sirkulasi mesin pendingin. Namun penggunaan refrigeran ini dibatasi karena dapat berbahaya bagi lapisan ozon. Mengingat bahwa refrigeran memiliki nilai Ozone Depleting Potential (ODP) dan Global Warming Potential (GWP) baik dari jenis refrigeran holokarbon maupun hidrokarbon. Di negara Indonesia sudah meratifikasi Vienna Convention pada tahun 1987 tentang upaya melindungi lapisan ozon [5]. Sehingga perlu usaha untuk mencari alternatif refrigeran atau sistem pendingin baru yang tidak menggunakan refrigeran guna mengatasi permasalahan tersebut.

Pengembangan sistem refrigerasi saat ini banyak sekali untuk mendapatkan metode yang murah dan tidak merusak lingkungan. Sebagai contohnya adalah penggunaan Thermoelectric Cooler (TEC) yang tidak mengunakan refrigeran. Mekanisme pendinginan yang bekerja yaitu, dengan mengonversi energi panas menjadi energi listrik secara langsung (generator termoelektrik), dan sebaliknya dari energi listrik menghasilkan dingin (pendinginan termoelektrik). Termoelektrik dipengaruhi oleh tiga efek. Efek seebeck 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. Efek peltier terjadi ketika dua buah metal atau bahan semikonduktor disambungkan dan diberi beda potensial, maka akan terjadi pelepasan dan penyerpan kalor pada ujung – ujung bahan konduktornya.

Maka akan terdapat bagian logam yang dingin dan panas. Selang waktu perubahan tersebut tergantung dari besarnya beda potensial yang kita berikan dan juga dari koofesian semikonduktor tersebut [6]

Menurut M. Zeki Yilmaziglu yang telah meneliti Thermoelectric Cooler (TEC) sebagai mesin pendingin masih memiliki kekurangan. Contohnya yaitu pada penurunan suhu yang hanya turun 2,3^oC, tidak adanya pembuatan aliran streamline yang bermanfaat untuk optimasi perpindahan panas, dan tidak menjelaskan jumlah optimum penggunaan Thermoelectric Cooler (TEC) yang digunakan agar unjuk kerja dari mesin tersebut maksimum [7]. Oleh karena itu, masih banyak usaha yang diperlukan untuk meningkatkan unjuk kerja dari sistem termoelektrik ini. Dalam usaha meningkatkan unujuk kerja sistem pendingin termoleketrik tersebut maka penelitian ini dilakukan khususnya dalam penerpan untuk pengkondisian udara. Pengkondisian udara merupakan proses pengaturan suhu, kelembaban, kebersihan, dan pendistribusiannya untuk mencapai kondisi nyaman bagi penghuni suatu ruangan [8-9].

Dalam sistem pendingin termoleketrik, jumlah thermoelectric cooler (TEC) yang digunakan pastinya akan sangat berpengaruh terhadap unjuk kerja dari mesin pendingin. Semakin bertambahnya Thermoelectric Cooler (TEC) dapat meningkatkan kapasitas pendinginan sehingga akan mampu menurunkan suhu beban yang dikondisikan menjadi lebih rendah lagi. Akan tetapi, di sisi lain, juga akan membutuhkan pasokan energi listrik yang lebih besar yang akan mempengaruhi unjuk kerja mesin tersebut. Salah satu usaha yang mungkin dilakukan untuk meningkatkan kemampuan kapasistas pendinginan dari sistem pengkondisian udara termoelektrik tanpa tambahan input energy listrik adalah dengan mengkombinasikan dengan sistem evaporative cooling. Evaporative Cooling (EC) merupakan proses pendinginan udara yang mengalir melintasi permukaan basah dengan menguapkan air dari permukaan basah tersebut sehingga temperatur udara sekitarnya turun menjadi lebih rendah (mendinginkan udara). Oleh karena itu diperlukan dilakukan penelitian bagaimana pengaruh termoelektrik yang di tambahkan di alat Thermoelectric Cooler (TEC) dengan kombinasi evaparoative cooling. Adapun dalam penelitian ini kinerja yang akan dianalisa adalah COP ideal, COP aktual, penurunan suhu, dan nilai kelembaban pengkondisian udara dari system kombinasi tersebut.

2. METODE DAN BAHAN

2.1 Instalasi Evaporative Cooling

Gambar 1 menunjukkan instalasi yang kami gunakan dalam penelitian ini. Instalasi system pendingin berupa 2 chanel udara yang didalamnya terpasang sistem termoelektrik dan evaporative cooling. Termo elektrik dipasang secara counter diantara 2 chanel tersebut seperti yang nampak pada gambar bagian no. 6. Satu bagian pada chanel sisi dingin dan satu bagian pada chanel sisi panas. Jumlah termoelektrik yang dipasang divariasikan dari 1 hingga 5 buah. Thermoelectric Cooler yang digunakan dalam penelitian ini adalah tipe TEC1-12706 dengan aliran listrik DC 12 Volt. Besar arus listrik mengalir diukur dengan ampere meter untuk mengetahui daya yang digunakan oleh thermoelectric cooler tersebut. Selama dialiri listrik maka thermoelectric cooler akan mengalami efek peltier sehingga terjadi efek pendinginan pada heatsink yang telah dipasang (no.4) dan suhu permukaan dari heatsing kemudian diukur dengan termokopel. Udara juga dialirkan menggunakan blower untuk melewati heatsink sisi dingin untuk mendapatkan efen pendinginan dari termoelektrik. Stelah melewati pendinginan termoelektrik selanjutnya udara mengalir menuju sistem evaporative cooling (no.5). Untuk mengoptimalkan kerja termoelektrik, maka udara juga dialirkan pada chanel dengan menggunakan blower untuk mendinginkan heatsink sisi panas.

2.2 Instalasi Evaporative Cooling

Evaporative cooling merupakan proses pendinginan udara yang mengalir melintasi permukaan basah dengan menguapkan air dari permukaan basah tersebut sehingga temperatur udara sekitarnya turun menjadi lebih rendah. Pada penelitian ini evaporative cooling dikombinasikan dengan termoelektrik untuk meningkatkan kemampuan pendinginan udara dari sistem tersebut. Pada instalasi ini evaporative cooler dipasang di dalam chanel setelah rangkaian termoelektrik seperti yang tampak pada gambar 1 (perangkat no.5). Evaporative cooler pada penelitian ini dibuat dari jerami dengan massa 4,6 gram dengan dimensi 6cm x 8cm x 3cm yang dibasahi dengan tetesan air secara kontinyu. Media jerami dipilih karena bersifat porous dan ketersediaannya melimpah di Indonesia. Sifat porous dari media jerami ini diharapkan dapat berperan seperti pipa kapiler untuk mencerat udara dan uap air yang dihembuskan melaluinya. Sehingga, penurunan suhu udara akan lebih maksimal akibat adanya penurunan tekanan uap air yang tercerat tersebut.

Dalam instalasi pengkondisian udara, udara yang memiliki temperatur dan kelembaban yang ada di ruangan Keterangan:

1. Blower 4. Heatsink

2. Duct 5. Evaporative Cooling

3. Termometer Higrometer Elektrik 6. Thermoelectric Cooler

Gambar 1 Instalasi penelitian system pendingin kombinasi termoelektrik dan evaporative cooling.

Kemudian aliran udara akan dihembuskan ke chanel yang akan melewati bagian heatsink pendingin termoelektrik kemudian dilanjutkan ke sistem pendingin evaporative cooling. Sebelum dan sesudah melewati thermoelectric cooler udara akan diukur temperature dan kelembabannya menggunakan termometer higrometer elektrik. Dengan adanya pendataan tersebut kita akan mengetahui COP aktual yang akan dihitung.

3. HASIL DAN DISKUSI 3.1 COP Ideal

Gambar 2 menunjukkan pengaruh jumlah termoelektrik terhadap nilai COP ideal dan aktual dari mesin pendingin termoelektrik dan kombinasi termoelektrik-evaporative cooling. Nilai COP ideal TEC adalah untuk sistem pendingin termoelektrik saja tanpa evaporative cooling. Nilai COP TEC ini didapat dari efek peltier yang telah dikurangi oleh efek konduksi dan efek joulean. Sedangkan COP ideal total adalah untuk nilai dari sistem kombinasi termoelektrik-evaporative cooling. Nilai COP ideal total didapat dengan memperhitungkan panas yang diserap yang akan di pindahkan oleh termoelektrik dan evaporative cooling.

Hasil pengamatan COP ideal diplot pada gambar 2 (a).

Hasil pengamatan menunjukkan adanya peningkatan COP ideal TEC maupun yang total dengan adanya penambahan jumlah termoelektrik pada jumlah 1-3 termoelektrik. Hal ini dapat dilihat pada peningkatan pada penggunaan 1 termoelektrik sampai 3 termoelektrik yaitu secara berturut-turut adalah 0,260 ; 0,310 ; dan 0,369. Dan setelah melewati evaporative cooling akan mengalami peningkatan COP secara berturut – turut adalah 0,502 ; 0,588 ; 0,626 . Akan tetapi peningkatan pada termoelektrik evaporative cooling hanya sampai batas pada jumlah 3 termoelektrik. Setelah itu, dengan penambahan termoelektrik maka COP akan menjadi menurun. Yaitu pada jumlah termoelektrik 4 dan 5 pada TEC akan mengalami penurunan sebesar 0,178 dan 0,173. Hal ini dikarenakan dengan bertambahnya termoelektrik, maka akan meningkatkan arus yang digunakan oleh termoelektrik. Sehingga semakin tinggi pula daya yang dibutuhkan untuk mengoperasikan mesin pendingin. Sehingga COP ideal dari mesin pendingin termoelektrik ini akan mengalami menurun. Begitu pula dengan penurunan yang sama terjadi pada sistem kombinasi termolektrik- evaporative cooling yang mengalami penurunan sebesar 0,348 dan 0,307.

Disisi lain, hasil penelitian juga mengindikasikan adanya peningkatan COP pada sistem kombinasi dibandingkan dengan sistem pendingin yang hanya menggunakan termoelektrik saja. Peningkatan COP pada sistem kombinasi ini dapat dipahami karena panas dari udara yang melewati jerami basah diserap oleh air untuk menguapkannya sehingga temperature udara menjadi turun. Selain dari itu, adanya pori-pori pada jerami juga memungkinkan terjadinya penceratan air yang dalam kondisi cair jenuh sehingga akan menurunkan tekanan yang berakibat pada penurunan temperaturnya.

Gambar 2 Hubungan Antara Jumlah Termoelektrik dengan (a) COP Ideal dan (b) COP aktual

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0 1 2 3 4 5 6

TEC TEC-Evaporative

COP ideal

Jumlah Termoelektrik

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0 1 2 3 4 5 6

TEC TEC-Evaporative

COP aktual

Jumlah Termoelektrik

(a) (b)

3.2 COP Aktual

Nilai COP aktual dari mesin pendingin termoelektrik dan kombinasi termoelektrik-evaporative cooling dapat dilihat pada gambar 2 (b). COP aktual adalah COP dari sistem air flow duct yang ada disepanjang chanel yang menunjukkan perbandingan antara total panas yang diserap dari udara oleh sisten pendingin termoel- ektrik atau sistem kombinasi dibanding dengan total energi inputnya masing-masing.

Pada gambar 2(b) dapat dilihat bahwa dengan adanya penambahan termoelektrik maka akan semakin meningkat COP aktual dari mesin mendingin termoelektrik dan juga pada sistem kombinasi pada jumlah termoelektrik 1 sampai dengan 3. Hal ini terbukti dengan besar COP aktual TEC pada pemasangan 1 termoelektrik sampai 3 termoelektrik secara berturut-turut sebesar 0,176; 0,181; dan 0,206. Dan bertambah lagi COPnya setelah melewati evaporative cooling berturut-turut sebesar 0,418; 0,460; dan 0,462.

Akan tetapi peningkatan tersebut hanya sampai pada jumlah tiga termoelektrik terpasang. Setelah itu dengan bertambahnya termoelektrik yang dipasang maka akan menurunkan COP aktual dari mesin pendingin termoelektrik. Yaitu pada 4 dan 5 pemasangan termoelektrik sebesar 0,146 dan 0,129. Dan ketika melewati evaporative cooling nilainya sebesar 0,316 dan 0,262. Hal tersebut dikarenakan dengan bertambahnya termoelektrik akan meningkatkan jumlah arus pada mesin pendingin termoelektrik. Hal yang mempengaruhi kenaikan kapasitas pendinginan tidak signifikan salah satunya adalah temperatur yang terlalu rendah. Karena dengan bertambahnya termoelektrik, maka akan semakin menurunkan temperatur udara. Sedangkan dengan semakin turunnya temperatur maka akan semakin lambat juga besar laju perpindahan panas. Sehingga akan mempengaruhi kenaikan kapasitas yang tidak terlalu signifikan

Dan dari hasil dapat dilihat bahwa nilai COP aktual dan COP ideal berbeda. Hal ini di karenakan pada COP ideal nilai dari tegangan untuk perhitungan daya input menggunakan tegangan dari efek seebeck dan efek joulean. Sedangkan pada COP aktual nilai dari tegangan untuk perhitungan daya menggunakan tegangan yang telah ditentukan oleh power supply yang lebih tinggi. Kemudian mengakibatkan nilai daya input pada COP ideal lebih rendah daripada COP aktual. Sehingga kita dapatkan pada nilai COP ideal lebih tinggi da- ripada nilai COP aktual.

3.3 Penurunan Temperatur dan Kelembaban Relatif Udara Output

Gambar 4 menunjukkan grafik hubungan antara jumlah termoelektri terhadah rata-rata penurunan suhu udara (a) dan kelembaban relative (b) udara output pada sistem pendingin termoelektrik (TEC) dan sistem kom- binasi (total). Penurunan suhu diakibatkan karena penurunan temperatur bola kering pada sisi masuk dan sisi keluar dingin. Dengan demikian kita dapat mengetahui kemampuan mesin pendingin termoelektrik- evaporative cooling untuk menyerap kalor dari udara. Dari gambar 4 (a) nampak dengan jelas bahwa dengan bertambahnya termoelektrik maka penurunan temperatur akan semakin tinggi. Hal ini sesuai hasil penurunan temperatur pada TEC dari penggunaan 1 termoelektrik sampai 5 termoelektrik secara berurutan sebesar 0,9^oC; 1,3^oC; 2,1^oC; 2,23^oC dan 2,5^oC. Kemudian pada sistem kombinasi, udara setelah melewati evaporative cooling mengalami penurunan suhu secara berurutan sebesar 2,13^oC; 3,3^oC; 4,71^oC; 4,83^oC dan 5,1^oC.

Dalam hal ini terjadi peningkatan nilai kapasistas pendinginan akan berakibat menurunkan temperatur bola kering dan temperatur bola basah di sisi keluar udara. Sehingga akan semakin besar pula nilai penurunan temperaturnya mengakibatkan perubahan temperatur semakin besar.

Dari gambar 4(b) kita mengetahui grafik hubungan jumlah termoelektrik dengan kelembaban relative udara output. Kelembaban relatif yaitu perbandingan antara fraksi molekul uap air di dalam udara terhadap fraksi molekul uap air jenuh pada suhu dan tekanan sama. Kelembaban relatif didapatkan dengan cara mendapatkan nilai temperatur bola kering dan basah pada sisi keluar udara disisi dingin. Dari gambar 4(b) bisa dilihat bahwa dengan bertambahnya termoelektrik maka kelembaban akan semakin naik meski tidak terlalu signif- ikan. Hal tersebut bisa dilihat pada hasil percobaan pada pengunaan 1 sampai 5 termoelektrik setelah melalui TEC secara berturut-turut sebesar 65,17%; 66%; 66,15%; 67,33% dan 69%. Kemudian sama halnya setelah melewati sitem kombinasi nilai kelembaban relatif yang didapat berturut-turut sebesar 85,83%; 86,5%;

86,67; 88,33%; dan 89,3%.

Dari hasil pengamatan juga menunjukkan adanya peningkatan nilai kelembaban relatif udara output yang signifikan akibat pemasangan instalasi evaporative cooling. Peningkatan kelembaban relatif udara output pada sistem kombinasi ini dapat dipahami karena dengan sistem pendinginan evaporative cooling menggunakan media air. Air yang menguap selama proses pendinginan ini akan meningkatkan jumlah fraksi molekul air di dalam udara, sehingga mengakibatkan peningkatan kelembaban relatifnya.

4. KESIMPULAN

Dari penelitian tentang pengaruh jumlah termoelektrik terhadap unjuk kerja mesin pendingin termoelektrik dapat disimpulkan bahwa:

1. Bertambahnya termoelektrik dari 1-3 dapat meningkatkan COP ideal maupun COP aktual dari sistem pendingin termoelektrik maupun sistem kombinasi. Akan tetapi, penambahan termoleketrik lebih dari 3 justru menurunkan nilai COP sistem.

2. Penambahan jumlah termoelektrik akan meningkatkan kemampuan pendinginan sistem pendingin kom- binasi termoelektrik–evaporative cooling, sehingga penurunan suhu udara ,menjadi lebih maksimal.

3. Penambahan instalasi evaporative cooling dalam sitem termoelektrik mengakibatkan peningkatan kelembaban relatif udara karena terjadi penguapan air dari media pendinginnya.

5. DAFTAR PUSTAKA

[1] KIMSUNTHORN, J. (2016). The cooling performance of the evaporative cooling System in combina- tion with thermoelectric devices: A case study of different types of materials.

[2] S, JABER. (2011). Pengawetan buah dan sayuran. Skripsi. Palembang : Unsri

[3] ASHRAE & PARSONS, ROBERT A.(editors). (1997). 1997 ASHRAE Handbook. Atlanta [4] ARISMUNANDAR, WIRANTO & SAITO, HEIZO. (1981). Penyegaran Udara. Jakarta: Permas.

[5] I, YUWONO. (2011). Penggunaan modul thermoelectric (elemen peltier pada sistem pendingin bahan bakar bensin)

[6] PRIYAMBADA, SANDYA. (2012). Pendingin Kabin Mobil Berbasis Termoelektrik. Jakarta: Universi- tas Indonesia

[7] YILMAZOGLU, M. ZEKI. (2015). Experimental and Numerical Investigation of a Prototype Thermoe- lectric Heating and Cooling Unit. Turkey: Gazy University.

[8] STOECKER, W. F. & JONES, J. W. (1996). Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Cetakan V. Ter- jemahan Supratman Hara. Jakarta: Erlangga.

[9] WHITMAN, WILLIAM. (2013). Refrigeration & Air Conditioning Technology. USA: Delmar, Cengange Learning.

Gambar 3 Pengaruh jumlah termoelektrik terhadap (a) penurunan temperature udara dan (b) kelembaban relative

(a) (b)

0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6

TEC

TEC-Evaporative

Penurunan Temperatur (o C)

Jumlah Termoelektrik

50 60 70 80 90 100

0 1 2 3 4 5 6

RH TEC RH TEC-Evaporative

Kelembaban Relatif (%)

Jumlah Termoelektrik