KOTAK PENDINGIN BERBASIS THERMOELECTRIC TUGAS AKHIR - Kotak pendingin berbasis thermoelectric - USD Repository

(1)

i

KOTAK PENDINGIN

BERBASIS THERMOELECTRIC

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan Mencapai derajat Sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin

Diajukan oleh:

ANDREAS WAHYU JATMIKO 095214061

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

(2)

ii

TUGAS AKHIR

KOTAK PENDINGIN

BERBASIS THERMOELECTRIC

Disusun oleh:

ANDREAS WAHYU JATMIKO 095214061

Telah disetujui oleh :

Yogyakarta, 2 April 2014

Pembimbing Utama

(3)

iii

KOTAK PENDINGIN

BERBASIS THERMOELECTRIC

Dipersiapkan dan disusun oleh ANDREAS WAHYU JATMIKO

095214061

Telah dipertahankan di depan Panitia Penguji pada tanggal 19 Maret 2014 dan dinyatakan telah lulus memenuhi syarat.

Susunan Panitia Penguji:

Nama Tanda Tangan

Ketua : RB. Wihadi, S.T., S.Si ...

Sekretaris : Doddy Purwadianto,S.T., M.T. ...

Anggota : Ir. PK. Purwadi, M.T. ...

Yogyakarta, 4 April 2014

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma

Dekan

(4)

iv

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Dengan ini penulis menyatakan bahwa Tugas Akhir dengan judul Kotak Pendingin Berbasis Thermoelectric ini tidak terdapat karya yang sama yang pernah diajukan oleh suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan penulis juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 6 Maret 2014

(5)

v

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH

UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Andreas Wahyu Jatmiko

Nomor Mahasiswa : 095214061

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

Kotak Pendingin Berbasis Thermoelectric

Beserta perangkat yang diperlukan. Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

Yogyakarta, 6 Maret 2014 Yang menyatakan

(6)

vi

ABSTRAK

Kotak pendingin merupakan salah satu kebutuhan bagi manusia untuk menyimpan makanan, minuman, sayur, buah, daging dan sebagainya. Dalam bidang kedokteran, kotak pendingin digunakan sebagai pendingin darah dan obat-obatan atau vaksin. Sistem pendingin yang umum digunakan sekarang ini menggunakan zat refrigeran atau Freon/CFC (Chlor Fuoro Carbon) yang kurang ramah lingkungan dan berbiaya mahal. Untuk memenuhi kebutuhan akan lemari pendingin yang murah dan ramah lingkungan maka diperlukan adanya sebuah pendingin alternatif. Salah satu pendingin alternatif yang telah banyak digunakan saat ini adalah termoelektrik.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk a) memperoleh nilai temperatur sisi dingin termoelektrik terendah yang dapat dihasilkan dari waktu ke waktu, b) memperoleh nilai temperatur sisi panas termoelektrik tertinggi yang dihasilkan dari waktu ke waktu, c) memperoleh nilai temperatur udara di dalam kotak dari waktu ke waktu, d) memperoleh nilai temperatur beban di dalam kotak pendingin yang dihasilkan dari waktu ke waktu, e) memperoleh harga COP masing-masing kotak pendingin.

Kotak pendingin yang dirancang memiliki kapasitas 6 liter. Sumber daya dari adaptor dengan output tegangan bervariasi 12V – 36V DC6A. Material ruang pendingin dari bahan plastik, dengan alat pembuang kalor berupa heatsink fan. Variasi yang dilakukan pada jumlah termoelektrik yang digunakan. Pengambilan data dilakukan dengan memasang voltmeter, amperemeter dan termokopel pada posisi yang telah ditentukan kemudian tiap-tiap alat ukur akan menampilkan data. Data kemudian dicatat dan siap diolah. Data-data yang telah dicatat kemudian diolah menggunakan program Ms Excel yang dapat menghasilkan bentuk grafik. Dengan bentuk grafik, pembahasan dan pengambilan kesimpulan dapat dilakukan dengan mudah.

Kesimpulan dalam penelitian ini diperoleh setelah melakukan pembahasan dan analisis dari data-data hasil penelitian dengan mengacu pada tujuan penelitian. Dari hasil penelitian didapatkan : a) Nilai temperatur sisi dingin terendah yaitu 16,1°C dihasilkan pada kotak pendingin dengan jumlah termoelektrik 1 (satu) buah. b) Nilai temperatur sisi panas tertinggi yaitu 63,4°C dihasilkan pada kotak pendingin dengan jumlah termoelektrik 3 (tiga) buah. c) Nilai temperatur udara terendah di dalam kotak pendingin yaitu 22,4°Cdihasilkan pada kotak pendingin dengan jumlah termoelektrik 2 (dua) buah. d) Nilai temperatur beban terendah di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu yaitu 22,7°C dihasilkan pada kotak pendingin dengan jumlah termoelektrik 2 (dua) buah. Harga COP untuk kotak pendingin dengan 1 termoelektrik adalah 0,0093, harga COP untuk kotak pendingin dengan 2 termoelektrik adalah 0,0078 dan Harga COP untuk kotak pendingin dengan 3 termoelektrik adalah 0,0026.

(7)

vii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan rahmatNya penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir dengan judul “KOTAK PENDINGIN BERBASIS THERMOELECTRIC” ini dengan baik.

Tugas Akhir ini disusun dan diajukan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana S-1 di Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Penulis mengucapkan terima kasih atas segala dukungan dan bantuan sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan dengan baik, kepada :

1. Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si, M.Sc. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta sekaligus selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir.

3. Dosen dan staff Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

4. Laboran di Lab. Perpindahan Kalor Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

5. Romo T. Agus Sriyono SJ, M.Hum., M.A. selaku Direktur ATMI Surakarta. 6. Albertus Murdianto, M.Pd. selaku Kepala Sekolah SMK Katolik St. Mikael

Surakarta.

7. Petrus Chrisologus Wisnu Haryanto, S.Pd., M.M. selaku Wakil Kepala Sekolah IV Bidang Kurikulum Praktik SMK Katolik St. Mikael Surakarta. 8. Ayahanda dan Ibunda tercinta alm. Vincentius Muryanto dan Theresia Astuti

(8)

viii

10. Teman-teman mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta khususnya angkatan 2009 dari SMK Mikael Surakarta.

11. Berbagai pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu di sini.

Semoga Tuhan berkenan memberikan berkatNya yang melimpah kepada semua pihak yang telah memberikan perhatian, dukungan dan doa, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Dengan kerendahan hati penulis memohon saran dan kritik untuk perbaikan Tugas Akhir ini, sehingga karya ini dapat sungguh-sungguh bermanfaat bagi banyak pihak dan bagi dunia pendidikan teknik mesin di Indonesia.

Yogyakarta, 6 Maret 2014

(9)

ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PERSETUJUAN ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... v

ABSTRAK ... vi

2.1.1 Sejarah Penemuan Termoelektrik ... 8

2.1.2 Material Termoelektrik ... 10

2.1.3 Prinsip Kerja Termoelektrik ... 11

2.1.4 Perpindahan Kalor Pada Kotak Pendingin ... . 14

2.1.4.1 Perpindahan Kalor Konduksi ... 14

2.1.4.1.1.Konduktivitas Termal ... 15

2.1.4.2 Perpindahan Kalor Konveksi ... 17

2.1.4.2.1.Perpindahan Kalor Konveksi Bebas ... 18

2.1.4.2.2 Bilangan Rayleight ... 19

(10)

x

2.1.4.2.4 Perpindahan Kalor Konveksi Paksa ... 20

2.1.5 Sirip (fin) ... 21

2.1.5.1 Efektivitas Sirip ... 23

2.1.6 Kipas ... 25

2.1.7 Catu Daya (Power Supply) ... 26

2.1.7.1 Tipe Catu Daya ... 26

2.1.8 Daya, Kuat Arus dan Tegangan ... 31

2.1.8.1 Tegangan ... 33

2.1.9 Koefisien Performa (COP) Sistem ... 33

2.2 Tinjauan Pustaka ... 34

BAB III PERANCANGAN DAN PERAKITAN ALAT ... 36

3.1 Perancangan Alat dan Pemilihan Komponen ... 36

3.1.1 Kotak Ruang Pendingin ... . 37

4.4.2 Langkah-langkah Pengambilan Data ... .. 50

4.5 Cara Pengolahan Data ... . 51

4.6 Cara Menyimpulkan Penelitian ... . 51

BAB V HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... . 52

5.1 Hasil Penelitian ... .. 52

(11)

xi

5.1.2 Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 2 termoelektrik... ... 54

5.1.3 Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 3 termoelektrik... ... 57

5.2 Pembahasan ... 60

5.2.1 Perbandingan perjalanan suhu udara di dalam ruang, suhu sisi dingin termoelektrik, suhu sisi panas termoelektrik dan suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu ... 60

5.2.2 Harga COP sistem pendingin ... 64

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ... 66

6.1 Kesimpulan ... 66

6.2 Saran ... ... 67

(12)

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Contoh pendingin CPU Komputer Berbasis Termoelektrik ... 2

Gambar 1.2 Pendingin Vaksin Berbasis Termoelektrik ... 2

Gambar 1.3 Jam Tangan Seiko Thermic ... 3

Gambar 2.1 Modul Termoelektrik ... 12

Gambar 2.2 Skema Aliran Peltier ... 12

Gambar 2.3 Arah aliran elektron pada modul termoelektrik ... 13

Gambar 2.4 Perpindahan Kalor Konduksi... 15

Gambar 2.5 Laju Perpindahan Kalor ... 17

Gambar 2.6 Aliran Fluida pada Bidang Datar ... 21

Gambar 2.7 Fin pada prosesor komputer ... 22

Gambar 2.8 Sirip pada mesin sepeda motor ... 23

Gambar 2.9 Contoh Sirip ... 23

Gambar 2.10 Heatsink dari bahan tembaga ... 24

Gambar 2.11 Sirip berbahan dasar aluminium ... 25

Gambar 2.12 Viscous fan ... 25

Gambar 2.13 Electric fan ... 26

Gambar 2.14 Baterei ... 27

Gambar 2.15 Pengisi Baterei/Battery charger ... 28

Gambar 2.16 Catu daya teregulasi/regulated power supply ... 28

Gambar 2.17 Power supply computer ... 29

Gambar 3.5 Coldsinkfan dan heatsinkfan ... 40

Gambar 3.6 Adaptor ... 40

(13)

xiii

Gambar 3.8 Bagian tutup kotak pendingin yang telah dibuat lubang ... 42

Gambar 3.9 Heatsinkfan yang telah dipasang pada bagian luar dari tutup kotak pendingin ... 43

Gambar 3.10 Termal paste dioleskan pada termoelektrik dan heatsink ... 43

Gambar 3.11 Coldsinkfan dipasang pada bagian dalam dari tutup kotak pendingin... 44

Gambar 3.12 Kotak pendingin yang telah selesai dibuat tampak dari luar ... 44

Gambar 3.13 Kotak pendingin yang telah selesai dibuat tampak dari dalam .. 45

Gambar 4.1 Skema kotak pendingin 1 peltier ... 46

Gambar 4.4 Instalasi pengambilan data... 48

Gambar 4.5 Adaptor dengan variasi besar tegangan ... 49

Gambar 4.6 Multitester ... 49

Gambar 4.7 Termokopel ... 50

Gambar 5.1 Suhu udara di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu ... 53

Gambar 5.2 Suhu sisi dingin termoelektrik dari waktu ke waktu ... 53

Gambar 5.3 Suhu sisi panas termoelektrik dari waktu ke waktu ... 54

Gambar 5.4 Suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu ... 54

(14)

xiv

Gambar 5.16 Perbandingan suhu beban di dalam kotak pendingin termoe-

(15)

xv

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Katalog TEC ... 11

Tabel 2.2 Nilai Konduktivitas Termal, Kalor Jenis, Massa Jenis bahan ... 16

Tabel 2.3 Konstanta C untuk persamaan (2.9) ... 20

Tabel 2.4 Konstanta n untuk persamaan (2.10) ... 20

Tabel 3.1 Daftar Komponen Kotak Pendingin ... 36

Tabel 5.1 Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 1 termoelektrik ... 52

Tabel 5.2 Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 2 termoelektrik ... 55

(16)

xvi

DAFTAR NOTASI

Tc = temperatur sisi dingin termoelektrik °C

Th = temperatur sisi panas termoelektrik °C

Tbeban = temperatur beban di dalam kotak pendingin °C

Tudara = temperatur udara di dalam kotak pendingin °C

Truang = temperatur udara di dalam kotak pendingin °C

TE = termoelektrik

I = kuat arus ampere

V = tegangan volt

A = kuat arus ampere

AC = alternating current DC = direct current

ΔT = perubahan temperatur, °C

T = temperatur, °C

t = waktu detik

V = volume, m3

ml = satuan volume (milliliter)

W = satuan daya watt

Qh = kalor yang dilepaskan oleh sisi panas termoelektrik watt

Qc = kalor yang diserap sisi dingin termoelektrik watt

P = daya watt

(17)

xvii

k = konduktivitas thermal W/m.C

A = luas permukaan tegak lurus laju aliran kalor m2

Δx = tebal benda m

T1 = temperatur permukaan 1 °C

T2 = temperatur permukaan 2 °C

RT = tahanan termal C/W

k = Konduktifitas termal, W/m°C

Cp = Kalor jenis air yang mengalir pada tekanan tetap J/kg.oC

ρ = Densitas atau massa jenis kg/m3

h = koefisien perpindahan kalor konveksi W/m²˚C

Ts = suhu permukaan benda ˚C

Tf = suhu fluida ˚C

g = percepatan gravitasi m/s2,

L = dimensi karateristik m

𝑣 = viskositas kinematik m2/s

β = koefisien ekspansi volume (𝐾−1) = 1_ν(δν/δ1), µ = 1/T (khusus gas ideal),

, T adalah suhu mutlak

Tf = suhu fluida °C

Tw = suhu dinding °C

Ra = bilangan rayleight Nu = bilangan Nusselt

(18)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Lemari es merupakan salah satu kebutuhan bagi manusia. Dalam kehidupan sehari-hari manusia membutuhkan alat pendingin seperti lemari es atau kulkas untuk menyimpan makanan, minuman, sayur, buah, daging dan sebagainya. Dalam bidang yang lain, seperti dunia kedokteran misalnya, alat pendingin digunakan sebagai pendingin darah dan obat-obatan atau vaksin.

Sistem pendingin yang umum digunakan sekarang ini menggunakan zat refrigeran atau Freon/CFC (Chlor Fuoro Carbon) yang kurang ramah lingkungan dan berbiaya mahal. Untuk memenuhi kebutuhan akan lemari pendingin yang murah dan ramah lingkungan maka diperlukan adanya sebuah pendingin alternatif. Salah satu pendingin alternatif yang telah banyak digunakan saat ini adalah dengan mempergunakan termoelektrik.

Aplikasi termoelektrik telah digunakan di berbagai bidang, tidak hanya sebagai pendingin tetapi juga sebagai pembangkit daya, sensor energi termal maupun digunakan pada bidang militer, ruang angkasa, instrumen, biologi, medikal, dan industri serta produk komersial lainnya. Beberapa contoh pemanfaatan termolektrik di beberapa negara di dunia dipergunakan di bidang komputer, di bidang kesehatan dan di peralatan jam.

(19)

Gambar 1.1 Contoh Pendingin CPU Komputer Berbasis Termoelektrik

Dalam bidang kedokteran dan kesehatan, modul termoelektrik diaplikasikan pada sebuah kotak penyimpan darah portabel yang mudah dibawa kemana-mana, bahkan dapat digunakan untuk membawa darah hingga ke daerah terpencil.

Gambar 1.2 Pendingin Vaksin Berbasis Termoelektrik

(20)

seri, akan menghasilkan tegangan sebesar 0,2 V dalam setiap perbedaan 1°C. Untuk itu Seiko membuat sebuah unit pembangkit listrik yang terdiri atas 10 unit modul termoelektrik yang masing-masing berisi 100 kawat mikro. Dari setiap unit inilah akan dihasilkan energi listrik sebesar 0,15 V untuk mengisi baterei lithium pada jam tersebut.

Gambar 1.3 Jam Tangan Seiko Thermic

Teknologi termoelektrik telah lama dikembangkan namun belum banyak orang yang mengetahui. Oleh karena itu penelitian terkait modul termoelektrik ini masih sangat terbuka lebar untuk mendukung kebutuhan manusia, khususnya tentang sistem pendingin yang praktis dan ramah lingkungan. Beberapa penelitian dan pembuatan ruang pendingin telah dilakukan oleh Gardara AD (2012) dan Susanto TA (2012). Gardara AD melakukan penelitian ruang pendingin dengan mempergunakan modul termoelektrik tanpa beban, sedangkan Susanto TA membuat alat pendingin dengan modul termoelektrik.

(21)

2) Sangat sedikit ruang yang diperlukan oleh sistem pendinginan.

3) Pendingin termoelektrik tidak memiliki bagian yang bergerak, oleh karena itu tidak menimbulkan suara berisik, dan juga kebutuhan pemeliharaan tidak terlalu penting.

4) Pendingin termoelektrik lebih ramah lingkungan, karena tidak menggunakan freon.

5) Dapat dibawa kemana-mana dengan mudah (portable). 6) Tidak memerlukan banyak komponen tambahan.

Adapun kerugian dari sistem pendingin dengan menggunakan modul termoelektrik yaitu :

1) Parameter material termoelektrik dilihat dari besar figure of merit suatu material. Idealnya, material termoelektrik memiliki konduktivitas listrik tinggi dan konduktivitas panas yang rendah. Namun kenyataannya sangat sulit mendapatkan material seperti ini, karena umumnya jika konduktivitas listrik suatu material tinggi, konduktivitas panasnya pun akan tinggi. Material yang banyak digunakan saat ini adalah Bi2Te3, PbTe, dan SiGe. Saat ini Bi2Te3 memiliki figure of merit

tertinggi. Namun, karena terurai dan teroksidasi pada suhu di atas 500 °C, pemakaiannya masih terbatas. Rendahnya figure of merit ini menyebabkan rendahnya efisiensi konversi yang dihasilkan, di mana saat ini efisiensinya masih berkisar di bawah 10 persen.

2) Adanya kondensasi pada suhu tertentu.

(22)

Dalam tugas akhir ini dilakukan perancangan sistem pendingin ruangan dengan menggunakan modul termoelektrik yang selanjutnya disebut dengan kotak pendingin. Fitur yang dimiliki oleh kotak pendingin ini adalah : sistem tidak menggunakan zat refrigeran sehingga lebih ramah lingkungan. Alat dibuat menyerupai kulkas berukuran mini yang dikhususkan untuk mendinginkan makanan atau minuman dalam kapasitas kecil. Penelitian dilakukan dengan menggunakan kotak pendingin berkapasitas 6 liter, modul termoelektrik seri TEC-12706, sirip panas dan sirip dingin, kipas sisi panas dan sisi dingin serta menggunakan sumber arus listrik DC dari adaptor.

Dalam penelitian ini dilakukan variasi jumlah termoelektrik, yaitu 1, 2 dan 3. Parameter yang diukur adalah temperatur sisi dingin termoelektrik (TC), temperatur

sisi panas termoelektrik (Th), temperatur udara dalam kotak (Tudara), temperatur

beban di dalam kotak pendingin (Tbeban), arus masukan dari sumber DC (I), tegangan

masukan dari sumber DC (V). 1.2. Tujuan dan Manfaat

1.2.1. Tujuan

Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk :

1) Memperoleh nilai temperatur sisi dingin termoelektrik dihasilkan dari waktu ke

waktu.

2) Memperoleh nilai temperatur sisi panas termoelektrik dihasilkan dari waktu ke waktu.

(23)

4) Memperoleh nilai temperatur beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu.

5) Memperoleh harga COP masing-masing kotak pendingin.

1.2.2. Manfaat

Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberi manfaat antara lain : 1) Memberikan sumbangan pengetahuan tentang termoelektrik.

2) Menambah daftar kepustakaan tentang termoelektrik yang lebih mendalam dan bervariasi.

3) Melatih dan mengembangkan kreatifitas dalam berpikir bagi penulis serta mengemukakan gagasan secara sistematis dan ilmiah.

4) Memberikan kontribusi bagi para peneliti lain yang melakukan penelitian terkait pemanfaatan termoelektrik.

1.3. Batasan masalah

Untuk memperjelas ruang lingkup permasalahan dan perhitungan-perhitungan yang dilakukan, maka pada pembuatan peralatan penelitian diambil batasan-batasan : 1) Penelitian I menggunakan 1 (satu) buah termoelektrik, sumber tegangan arus DC

(adaptor) dengan tegangan 12V dan arus maksimal 6A, 1 (satu) buah kipas sisi panas dan 1 (satu) buah kipas sisi dingin, heatsink pada sisi panas dan coldsink pada sisi dingin termoelektrik.

(24)

3) Penelitian III menggunakan 3 (tiga) buah termoelektrik, sumber tegangan arus DC (adaptor) dengan tegangan 36V dan arus maksimal 6A, 1 (satu) buah kipas sisi panas dan 1(satu) buah kipas sisi dingin, heatsink pada sisi panas dan coldsink pada sisi dingin termoelektrik.

4) Modul termoelektrik berjumlah lebih dari satu disusun secara seri.

5) Pendinginan terjadi dengan beban 1 (satu) buah minuman dalam kaleng

(25)

BAB II

DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA

Bab II terbagi ke dalam 2 (dua) bagian, yaitu Dasar Teori dan Tinjauan Pustaka. Pada bagian dasar teori menjelaskan tentang teori-teori dasar terkait teknologi termoelektrik, sedangkan pada bagian tinjauan pustaka memaparkan tentang hasil-hasil penelitian tentang termoelektrik yang sudah ada.

2.1. Dasar Teori

Bagian ini menjelaskan tentang sejarah penemuan termoelektrik, material termoelektrik, prinsip kerja termoelektrik serta teori-teori dasar terkait teknologi termoelektrik

2.1.1. Sejarah Penemuan Termoelektrik

Termoelektrik pertama kali ditemukan oleh Thomas Johann Seebeck, seorang ilmuwan Jerman, pada tahun 1821. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian, dimana di antara kedua logam tersebut diletakkan sebuah jarum kompas. Jarum kompas tersebut kemudian bergerak ketika salah satu sisi logam dipanaskan dan sisi logam yang lainnya didinginkan. Bergeraknya jarum kompas tersebut disebabkan karena perbedaan temperatur yang terjadi, sehingga timbul aliran listrik pada logam dan menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menyebabkan jarum kompas bergerak. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan sebutan efek Seebeck, yang kemudian digunakan sebagai prinsip pengukuran temperatur dengan termokopel.

(26)

dialirkan pada dua buah logam yang disambungkan dalam sebuah rangkaian dan mengakibatkan beda temperatur di kedua sambungan. Penemuan yang terjadi pada tahun 1934 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik. Setelah itu perkembangan termoelektrik tidak diketahui dengan jelas sampai kemudian dilanjutkan oleh WW Coblenz pada tahun1913 yang menggunakan tembaga dan constantan (campuran nikel dan tembaga). Dengan efisiensi sebesar 0,008 persen, sistem yang dibuat oleh Coblenz tersebut berhasil membangkitkan listrik sebesar 0,6 mW.

AF Loffe melanjutkan lagi dengan bahan-bahan semi konduktor dari golongan II-V, IV-VI, V-VI yang saat itu mulai berkembang. Hasilnya cukup mengejutkan, dimana efisiensinya meningkat menjadi 4 persen. Loffe membuat satu lompatan besar dimana ia berhasil menyempurnakan teori yang berhubungan dengan material termoelektrik. Teori Loffe dibukukan pada tahun1956 yang kemudian menjadi rujukan para peneliti hingga saat ini.

(27)

ramah lingkungan sangat besar. Ini memberikan imbas kepada teknologi termoelektrik sebagai sumber energi .

2.1.2. Material termoelektrik

Banyak aplikasi lain penggunaan energi termoelektrik yang sedang dikembangkan saat ini, seperti pemanfaatan perbedaan panas di dasar laut dan di darat, atau pemanfaatan panas bumi. Kesulitan terbesar dalam pengembangan energi ini adalah mencari material termoelektrik yang memiliki efisiensi konversi energi yang tinggi.

Parameter pemilihan material termoelektrik dilihat dari besar figure of merit

suatu material. Idealnya, material termoelektrik memiliki konduktivitas listrik tinggi dan konduktivitas panas yang rendah. Namun kenyataannya sangat sulit mendapatkan material seperti ini, karena pada umumnya jika konduktivitas listrik suatu material tinggi maka konduktivitas panasnya juga akan tinggi.

Material yang banyak digunakan saat ini adalah Bismuth Telluride (Bi2Te3), Lead Telluride (PbTe) dan Silicon-Germanium) SiGe. Saat ini Bi2Te3 memiliki

(28)

Tabel 2.1 Katalog TEC

(29)

Gambar 2. 1 Modul Termoelektrik

Gambar 2.2 Skema aliran peltier (gambar diambil dari edge.rit.edu)

(30)

peltier. Dengan demikian nilai kalor yang dilepaskan pada sisi panas sama dengan nilai kalor yang diserap ditambah dengan daya yang diberikan ke modul.

Qh = Qc + Pin (2.1)

Pada persamaan (2.1) :

Qh = kalor yang dilepaskan pada sisi panas (watt)

Qc = kalor yang diserap pada sisi dingin (watt)

Pin = daya input (watt)

Pada Gambar 2.3, elektron mengalir dari semikonduktor pada tipe p yang kekurangan energi, menyerap kalor pada bagian yang didinginkan kemudian mengalir ke semikonduktor tipe n. Semikonduktor tipe n yang kelebihan energi kemudian membuang energi tersebut ke lingkungan kemudian ke semikonduktor tipe p dan seterusnya.

(31)

2.1.4. Perpindahan kalor pada kotak pendingin

Perpindahan kalor adalah peristiwa terjadinya aliran kalor pada suatu zat akibat dari adanya perbedaan suhu. Proses perpindahan kalor terjadi dalam 3 cara, yaitu secara konduksi, konveksi dan radiasi. Perpindahan kalor yang terjadi pada kotak pendingin adalah dengan cara konduksi dan konveksi. Perpindahan kalor secara konduksi terjadi pada dinding ruang pendingin, sedangkan perpindahan kalor secara konveksi terjadi pada permukaan sirip (heatsink) dengan udara bebas.

2.1.4.1. Perpindahan kalor konduksi

Proses perpindahan kalor secara konduksi atau hantaran pada suatu benda adalah proses perpindahan kalor tanpa diikuti oleh perpindahan molekul dari benda tersebut. Proses perpindahan kalor konduksi dapat juga dikatakan sebagai transfer energi dari sebuah benda yang memiliki energi yang lebih besar menuju ke benda lain yang memiliki energi yang lebih kecil.

Persamaan yang digunakan untuk mengukur besarnya kalor yang dipindahkan

(32)

A = luas permukaan tegak lurus laju aliran kalor (m2)

Δx = tebal benda (m)

T1 = temperatur permukaan 1 (C)

T2 = temperatur permukaan 2 (C)

RT = tahanan termal (C/W)

Gambar 2.4. Perpindahan Kalor Konduksi

2.1.4.1.1. Konduktivitas termal

(33)

Nilai konduktivitas beberapa bahan disajikan dalam Tabel 2.2. Laju kalor dan nilai konduktivitas termal itu menunjukkan berapa cepat kalor dapat mengalir dalam bahan tertentu.

(34)

2.1.4.2. Perpindahan kalor konveksi

Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan kalor/panas yang terjadi akibat adanya pergerakan molekul pada suatu zat. Gerakan inilah yang menyebabkan adanya transfer kalor. Perpindahan kalor konveksi ini dapat dibagi menjadi 2 yaitu konveksi bebas atau konveksi alamiah dan konveksi paksa. Konveksi bebas atau konveksi alamiah terjadi apabila pergerakan fluida disebabkan oleh gaya apung (buoyancy forcé) akibat perbedaan densitas fluida tersebut. Sedangkan pada konveksi paksa pergerakan fluida terjadi akibat pengaruh dari adanya gaya luar seperti pompa atau kipas.

Pada perpindahan kalor konveksi berlaku hukum pendinginan Newton, yaitu :

q = h.A.(Ts– Tf ) (2.4)

Pada persamaan (2.4) :

q = laju perpindahan kalor (watt)

h = koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m²˚C)

A = luas permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida (m²) Ts = suhu permukaan benda (˚C)

Tf = suhu fluida (˚C)

(35)

2.1.4.2.1. Perpindahan kalor konveksi bebas

Konveksi bebas atau konveksi alamiah adalah konveksi yang terjadi karena fluida yang mengalami proses pemanasan berubah densitasnya (kerapatan) dan bergerak naik. Gerakan fluida dalam konveksi bebas terjadi karena gaya apung (buoyancy force) yang dialaminya, apabila kerapatan fluida di dekat permukaan perpindahan kalor berkurang sebagai akibat proses pemanasan. Gaya apung itu tidak akan terjadi apabila fluida tersebut tidak mengalami suatu gaya dari luar seperti gaya gravitasi, walau gravitasi bukanlah satu-satunya medan gaya luar yang dapat menghasilkan arus konveksi bebas. Gaya apung yang menyebabkan arus konveksi bebas di sebut gaya badan (body force).

Pada sistem konveksi bebas kita akan sering bertemu dengan bilangan Grashof, Gr, yang didefinisikan dengan persamaan (2.5).

𝐺𝑟

=

g β Tw−T∞ L 3

ν² (2.5)

Pada persamaan (2.5)

g = percepatan gravitasi (m/s²), L = dimensi karateristik (m)

(36)

2.1.4.2.2. Bilangan Rayleight

Untuk plat rata vertikal pada temperatur dinding seragam, bilangan Rayleight dinyatakan dengan persamaan (2.6) :

Ra = Gr. Pr =𝑔.𝛽 𝑇𝑤−𝑇_𝜈₂ ∞ 𝐿3.𝑃𝑟 (2.6) menurut Churchill dan Chu dengan daerah laminar pada 10ˉ¹ < Ra < 10⁹ dan sesuai

untuk semua angka Prandtl, Bilangan Nusselt dinyatakan dengan persamaan (2.7):

Nu = 0,68 0,67.𝑅𝑎¼ 10¹², persamaannya dinyatakan dengan persamaan (2.8):

Nu 12 = 0,825+ 0,67.𝑅𝑎 dinding seragam dengan persamaan (2.9):

Nu = ℎ𝐿

𝑘 = C(Gr. Pr)¼ (2.9)

(37)

Tabel 2.3 Konstanta C untuk persamaan (2.9) ( Koestoer, 2002, hal 87)

Bilangan Nusselt rata-rata untuk konveksi bebas pada plat horisontal dan kondisi temperatur dinding konstan dikorelasikan oleh Mc. Adam dengan persamaan (2.10):

Nu = (Pr)ⁿ (2.10)

Konstanta n pada persamaan (2.10) disajikan pada Tabel 2.4.

Tabel 2.4 Konstanta n untuk persamaan 2.10 ( Koestoer, 2002, hal 91)

Orientasi Plat Gr.Pr n Aliran

Permukaan plat atas panas, bawah dingin

Permukaan plat bawah panas, atas dingin

3.105–

3.1010 ¼

Laminar

2.1.4.2.4. Perpindahan Kalor Konveksi Paksa

Proses perpindahan kalor konveksi paksa ditandai dengan adanya fluida yang bergerak dikarenakan adanya peralatan bantu. Alat bantu tersebut dapat berupa kipas angin, fan, blower, pompa, dll. Perbedaan kerapatan mengakibatkan fluida yang berat akan mengalir ke bawah dan fluida yang ringan mengalir ke atas.

(38)

untuk menghitung h harus dipilih sesuai dengan kasusnya, karena setiap kasus mempunyai bilangan Nusselt tersendiri. Pada Konveksi paksa bilangan Nusselt merupakan fungsi dari bilangan Reynold, Nu = f. (Re.Pr). Dari nilai Re, dapat di ketahui jenis aliran fluidanya ; laminar, transisi atau turbulen.

Gambar 2.6 Aliran fluida pada bidang datar (Cengel, 2002, hal 358)

2.1.5. Sirip (fin)

(39)

Gambar 2.7 Fin pada prosesor komputer

Gambar 2.8 Sirip pada mesin sepeda motor

(40)

maksimal. Alternatif lainnya adalah dengan memilih siripyang mempunyai kapasitas penyimpanan kalor yang besar.

Gambar 2.9 Contoh sirip 2.1.5.1. Efektivitas sirip

Efektivitas sirip (

ε)

merupakan perbandingan antara kalor sesungguhnya yang

dilepas sirip dengan kalor yang dilepas jika tidak bersirip. Semakin besar nilai efektivitas sirip, pemasangan sirip semakin menguntungkan. Jika dimensi dan bahan sirip sudah ditentukan, nilai efektivitas sirip hanya ditentukan oleh nilai h (koefisien perpindahan kalor). Semakin kecil nilai h, efektivitas sirip semakin besar. Semakin kecil nilai h, beda suhu antara suhu sirip dengan suhu fluida di sekitar sirip semakin besar.

(41)

aluminium adalah memiliki berat yang lebih besar, proses produksi yang rumit dan mahal.

Gambar 2.10 Heatsink dari bahan tembaga

Untuk media pendinginan, sirip yang banyak dipakai adalah yang terbuat dari aluminium. Bahan aluminium memiliki harga h rendah sehingga mampu melepas atau mengurai panas dengan baik. Selain itu, aluminium memiliki berat lebih ringan daripada tembaga dan lebih murah.

(42)

2.1.6. Kipas

Kipas, pada berbagai sistem perpindahan kalor berfungsi untuk membantu pelepasan panas. Ada 2 jenis kipas, yaitu Viscous fan dan Electric fan. Viscous fan banyak digunakan di mesin berukuran besar seperti motor bakar. Viscous fan adalah jenis kipas manual berpenggerak puli kruk as dengan perantara belt. Disebut viscous karena pada bagian tengah kipas dipasang sensor bi-metal. Semakin tinggi suhu di ruang mesin, semakin kencang viscous fan berputar. Kipas jenis electric fan digerakkan dengan tenaga listrik.

Gambar 2.12 Viscous fan

(43)

2.1.7. Catu daya (power supply)

Catu daya atau Power Supply adalah sebuah peralatan penyedia tegangan atau

sumber daya untuk peralatan elektronika dengan prinsip mengubah tegangan listrik yang tersedia dari jaringan distribusi transmisi listrik ke level yang diinginkan sehingga berimplikasi pada pengubahan daya listrik. Rangkaian pokokdari catu daya tidak lain adalah suatu penyearah yakni suatu rangkaian yang mengubah sinyal bolak-balik (AC/alternating current) menjadi sinyal searah (DC/direct current). 2.1.7.1. Tipe catu daya

Beberapa tipe dari power supply adalah sebagai berikut : a) Catu daya baterai/Battery power supply

b) Catu daya tak teregulasi/Unregulated power supply

c) Catu daya tergulasi secara linear/Linear regulated power supply

d) Variabel catu daya/Switch mode power supply

e) UPS/Uninterruptible Power Supply

Keterangan.

a. Catu daya baterai/battery power supply

(44)

Gambar 2.14 Baterei

Baterai terdiri dari beberapa sel elektrokimia terhubung secara seri untuk memberikan tegangan yang diinginkan. Sel primer yang digunakan adalah karbon-seng sel kering. Tegangan baterai yang paling sering digunakan adalah 1.5 (1 sel) dan 9V (6 sel). Untuk saat ini jenis yang paling sering digunakan adalah NiMH, lithium ion dan varian lainnya.

b. Catu daya tak teregulasi/unregulated power supply

(45)

Gambar 2.15 Pengisi Baterai/Battery charger

c. Catu daya tergulasi secara linear/linear regulated power supply

Catu daya jenis ini menghasilkan tegangan AC/DC teregulasi. Tegangan yang dihasilkan oleh power supply yang tak teregulasi akan bervariasi/fluktuatif tergantung pada variasi tegangan input AC (PLN). Tipe catu daya jenis tergulasi secara linear disajikan dengan Gambar 2.16.

Gambar 2.16 Catu daya teregulasi/regulated power supply

(46)

d. Variabel catu daya/Switch mode power supply

Switch Mode Power Supply (SMPS) bekerja dengan prinsip yang berbeda. AC input (PLN), output tegangan DC dari catu daya diperbaiki tanpa menggunakan sebuah transformator listrik. Tegangan DC output ini kemudian dihidupkan dan dimatikan pada kecepatan tinggi dengan switching sirkuit elektronik.

SMPS memiliki fasilitas keamanan yang seperti pembatas arus untuk membantu melindungi perangkat dan pengguna dari bahaya, karena arus yang tidak normal atau tinggi akan terdeteksi dan power supply model ini akan secara otomatis mematikan dirinya sendiri. Contoh variable catu daya ditunjukkan dengan Gambar 2.17.

Gambar 2.17 Power supply computer

(47)

e. Uninterruptible Power Supply/UPS

UPS adalah sebuah catu daya yang menghasilkan tegangan tidak terputus meskipun sumber listrik dari PLN padam. Catu daya ini mengambil daya dari dua atau lebih sumber secara simultan. Biasanya power berasal langsung dari listrik AC, sementara itu secara bersamaan terjadi pengisian baterai di dalam UPS tersebut. Jika terjadi mati listrik/kegagalan listrik, baterai langsung mengambil alih sumber tegangan AC PLN tersebut, sehingga beban tidak pernah mengalami gangguan dan dapat memasok listrik selama daya baterai cukup, misalnya, pada instalasi komputer, UPS ini penting bagi seorang operator komputer untuk memberikan waktu yang cukup untuk mematikan sistem komputer tanpa takut kehilangan data. Contoh dari UPS disajikan dengan gambar 2.18.

(48)

2.1.8. Daya, Kuat arus dan Tegangan

Daya atau Tenaga adalah kemampuan untuk melakukan kerja yang dinyatakan dalam satuan Nm/s, watt, atau HP. Daya dapat juga didefinisikan sebagai usaha atau energi yang dilakukan per satuan waktu.

Untuk mengetahui besarnya daya yang dihasilkan dapat diketahui dengan

Besarnya daya yang dihasilkan dapat juga dinyatakan dengan persamaan (2.12)

P = 𝑊 elektron-elektron, mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu. Arus listrik dapat diukur dalam satuan Coulomb/detik atau Ampere.

(49)

sehingga besar arus yang mengalir dalam sirkuit bergantung pada voltase dan resistansi sesuai dengan hukum Ohm.

Arus yang mengalir masuk suatu percabangan sama dengan arus yang mengalir keluar dari percabangan tersebut, dinyatakan dengan persamaan (2.13).

i1 + i4 = i2 + i3 (2.13)

Untuk arus yang konstan, besar arus I dalam Ampere dapat diperoleh dengan persamaan (2.14):

𝐼

=

𝑄

𝑡

(2.14)

I = arus listrik (Ampere)

Q = muatan listrik (Coulomb)

t = waktu (detik)

Sedangkan secara umum, arus listrik yang mengalir pada suatu waktu tertentu dinyatakan dengan persamaan (2.15).

𝐼

=

𝑑𝑄

𝑑𝑡 (2.15)

I = arus listrik (Ampere)

dQ = muatan listrik (Coulomb)

(50)

2.1.8.1. Tegangan

Tegangan listrik (kadang disebut sebagai voltase) adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik, dan dinyatakan dalam satuan volt. Besaran ini mengukur energi potensial dari sebuah medan listrik yang mengakibatkan adanya aliran listrik dalam sebuah konduktor listrik. Tergantung pada perbedaan potensial listriknya, suatu tegangan listrik dapat dikatakan sebagai ekstra rendah, rendah, tinggi atau ekstra tinggi. Secara definisi tegangan listrik menyebabkan obyek bermuatan listrik negatif tertarik dari tempat bertegangan rendah menuju tempat bertegangan lebih tinggi. Sehingga arah arus listrik konvensional di dalam suatu konduktor mengalir dari tegangan tinggi menuju tegangan rendah.

Dari persamaan (2.11), besarnya tegangan yang dihasilkan dapat dinyatakan dengan persamaan (2.15).

V

=

P

I

(2.15)

Pada persamaan (2.15) V = Tegangan (Volt) P = Daya (watt)

I = Kuat Arus (Ampere)

2.1.9. Koefisien Performa (COP) Sistem

Harga COP dapat dicari dengan persamaan :

(51)

Qin = kalor yang diserap oleh sistem Watt

Pin = daya yang dibutuhkan oleh sistem pendingin Watt

Jumlah kalor yang diserap oleh sistem dapat ditentukan dengan menggunakan

ΔT = perbedaan suhu awal dan suhu akhir pada saat pengujian (°C)

2.2. Tinjauan Pustaka

Beberapa penelitian terkait termoelektrik telah banyak dilakukan, beberapa di antaranya dilakukan oleh Gardara AD (2012), dan Susanto TA (2012).

(52)

suhu ruang pendingin juga dipengaruhi oleh kecepatan pembuangan panas dari sisi panas TE. Suhu ruang pendingin terendah yang dapat dicapai adalah 8,4 °C dimana 2 buah TE digunakan dalam sistem pendingin dengan volume ruang pendingin 1.904 cm3.

(53)

BAB III

PERANCANGAN DAN PERAKITAN ALAT

3.1Perancangan alat dan pemilihan komponen

Perancangan kotak pendingin ini dilakukan dengan mempertimbangkan sifat material, kemudahan dalam mencari komponen-komponen yang dibutuhkan serta kelayakan dalam proses produksi. Proses pembuatan alat sendiri sangat bervariasi, tergantung dari komponen-komponennya, ada yang dapat langsung dibeli dan digunakan namun ada juga yang harus diproses lebih lanjut.

Daftar komponen dan bagian pada kotak pendingin berbasis termoelektrik ini ditunjukkan pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Daftar komponen kotak pendingin

No Nama komponen Material Spesifikasi alat Jumlah

1 Kotak ruang pendingin Plastik dimensi = 25×15×16 cm 1

2 Termoelektrik Bismuth

telluride

kecepatan fan 800–2800 rpm

(54)

No Nama komponen Material Spesifikasi alat Jumlah

6 Fan sisi dingin Plastik dimensi = 6 × 6 cm

daya = 12 V 0.15 A

kecepatan fan 800–2800 rpm

1

7 Adaptor/power supply Memiliki variasi tegangan

output 12V – 36V, dan

mampu menghasilkan kuat

arus sebesar 6A.

1

3.1.1 Kotak Ruang pendingin

Kotak ruang pendingin yang digunakan sebagai tempat menyimpan makanan atau minuman yang akan didinginkan terbuat dari bahan plastik, dengan bentuk kotak atau persegi panjang. Untuk aplikasi kotak pendingin ini dipilih sebuah kotak pendingin yang sudah ada di pasaran dengan kapasitas 6 liter, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.1.

(55)

3.1.2 Termoelektrik

Penggunaan termoelektrik disusun secara seri yang ditempatkan pada bagian tutup dari kotak pendingin. Termoelektrik yang digunakan pada kotak pendingin ini ditunjukkan pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Termoelektrik

Spesifikasi dari termoelektrik dengan nomor seri TEC1-12706 adalah sebagai berikut.

TEC1-12706

 dimensi (W×D×H) = 40×40×3.9 mm , berat 27g

 I max 6.4A, Umax 15.4V  R = 1.98 ohm, 127 couples

 Th max = 138°C, ΔT max = 68°C

 Qmax = panas konduksi maks (ΔT = 0) 63.0W

Sumber : http://peltiermodules.com

3.1.3 Heatsink fan dan coldsink fan

(56)

menyemburkan hawa dingin ke seluruh ruangan. Heatsink dan fan yang digunakan ditunjukkan dengan Gambar 3.3 dan Gambar 3.4.

Gambar 3.3 Heatsink (berukuran besar) dan coldsink (berukuran kecil)

Gambar 3.4 Fan

(57)

Berikut ini secara berturut-turut akan ditunjukkan rangkaian coldsink fan untuk sisi dingin dan heatsink fan untuk sisi panas dengan Gambar 3.5 dan Gambar 3.6.

Gambar 3.5 Coldsink fan (kiri) dan heatsinkfan (kanan) 3.1.4 Power Supply

Sebagai sumber daya dari kotak pendingin digunakan adapator seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.6. Adaptor ini memiliki output tegangan bervariasi yaitu 12V, 24V dan 36V dengan kuat arus 6A sesuai dengan spesifikasi termoelektrik.

Gambar 3.6 Adaptor

3.1.5 Diagram Alat

(58)

Gambar 3.7 Diagram Alat 3.2Perakitan alat

Setelah perancangan alat selesai, maka langkah berikutnya adalah merealisasikan rancangan tersebut. Alat yang akan dibuat adalah 1 (satu) buah ruang pendingin dan 1 (satu) buah rangkaian sistem pendingin dengan variasi jumlah termoelektrik, yaitu 1, 2 dan 3 buah termoelektrik.

Langkah-langkah perakitan kotak pendingin adalah sebagai berikut.

1. Langkah pertama adalah membuat lubang berbentuk kotak untuk tempat termoelektrik pada bagian tutup kotak pendingin. Alat yang digunakan dalam pembuatan lubang ini adalah pisau dan solder.

(59)

Setelah bujursangkar selesai digambar, pada bagian tersebut kemudian dipotong menggunakan cutter atau pisau pemotong kertas. Pada keempat sisi bujursangkar juga dibuat lubang menggunakan solder yang nanti akan berfungsi sebagai tempat baut pengikat. Setelah itu, sebuah lubang dibuat lagi sebagai tempat keluarnya kabel dari rangkaian bagian dalam kotak pendingin. Bagian tutup dari kotak pendingin yang telah dibuat lubang dapat dilihat pada Gambar 3.8.

Gambar 3.8 Bagian tutup kotak pendingin yang telah dibuat lubang 2. Pemasangan heatsink fan sisi panas

(60)

Gambar 3.9 Heatsinkfan yang telah dipasang pada bagian luar dari tutup kotak pendingin

3. Langkah selanjutnya adalah mengoleskan thermal paste pada kedua sisi termoelektrik, dan juga pada permukaan heatsink yang akan ditempeli termoelektrik seperti ditunjukkan pada Gambar 3.10. Thermal paste ini berfungsi untuk melekatkan termoelektrik ke heatsink dan menghindari adanya rongga antara termoelektrik dengan heatsink atau coldsink.

(61)

4. Langkah berikutnya adalah memasang coldsink fan pada bagian dalam dari tutup kotak pendingin seperti tampak pada Gambar 3.11. Coldsink fan dipasang pada tutup kotak pendingin dengan menggunakan baut dan sebuah plat penahan. Untuk mengencangkan baut ini cukup dengan menggunakan sebuah obeng (screw driver).

Gambar 3.11 Coldsink fan dipasang pada bagian dalam tutup kotak pendingin Bentuk akhir dari kotak pendingin ditunjukkan pada Gambar 3.12.

(62)

Gambar 3.13 Kotak pendingin yang telah selesai dibuat tampak bagian dalam 3.3Spesifikasi Teknis

Spesifikasi teknis kotak pendingin ini adalah sebagai berikut. Dimensi : 26 × 15 × 16 cm

Kapasitas : 6 liter Material ruang pendingin : plastik

Sistem pendingin : termoelektrik, alat pembuang kalor : heatsink fan Sumber daya : adaptor dengan variasi tegangan 12 V, 24 V dan 36V

(63)

BAB IV

METODOLOGI PENELITIAN

4.1. Alat yang diuji

Alat yang diuji berupa kotak pendingin yang dapat digunakan untuk mendinginkan makanan, minuman ataupun obat-obatan dalam kapasitas kecil dengan volume kotak pendingin 6 liter.

4.2. Skematik Kotak Pendingin

Skema kotak pendingin berbasis termoelektrik ini dapat dilihat pada Gambar 4.1, Gambar 4.2 dan Gambar 4.3. Modul termoelektrik pada kotak pendingin dilengkapi dengan heatsinkfan pada sisi panas dan coldsink fan pada sisi dingin.

(64)

Gambar 4.2 Skema Kotak Pendingin 2 peltier

Gambar 4.3 Skema Kotak Pendingin 3 peltier 4.3. Variasi Penelitian

(65)

4.4. Cara pengambilan data

Pengambilan data dilakukan dengan instalasi seperti ditunjukkan pada Gambar 4.5. Catu daya (adapator) dihubungkan dengan sumber arus listrik. Ketika terjadi aliran listrik maka tiap-tiap alat ukur akan menampilkan data-data tegangan dan kuat arus yang masuk ke dalam sistem pendingin, suhu sisi dingin dan sisi panas termoelektrik serta suhu udara dan suhu beban di dalam kotak pendingin. Data kemudian dicatat dan siap diolah.

(66)

4.4.1. Peralatan-peralatan

Peralatan yang digunakan dalam pengambilan data ini yaitu:

a. Adaptor dengan variasi besar tegangan, ditunjukkan pada Gambar 4.6.

Gambar 4.5 Adaptor dengan variasi besar tegangan

b. Multitester untuk mengukur besarnya tegangan dan kuat arus yang masuk ke dalam sistem pendingin, ditunjukkan dengan Gambar 4.7.

Gambar 4.6 Multitester

(67)

–200 °C hingga +1200 °C. Gambar termokopel yang digunakan ditunjukkan

dengan Gambar 4.8.

Gambar 4.7 Termokopel 4.4.2. Langkah-langkah pengambilan data

Langkah-langkah pengambilan data yang dilakukan adalah sebagai berikut. 1. Adaptor dihubungkan dengan listrik melalui stop kontak.

2. Kutub positif dan negatif peltier dihubungkan dengan kutub positif dan negatif adaptor.

3. Kutub positif dan negatif kipas angin dihubungkan dengan kutub positif dan negatif adaptor.

(68)

5. Masing-masing termokopel ditempelkan ke sisi panas peltier, sisi dingin peltier, dinding beban yang akan didinginkan, dan ruang pendingin.

6. Langkah selanjutnya adalah memeriksa sisi dingin peltier. Dengan cara yang sama seperti nomor 4, kawat termokopel ditempelkan ke sisi dingin peltier. Sisi dingin akan menunjukkan penurunan temperatur yang dapat dibaca melalui multitester yang telah dihubungkan dengan termokopel.

Setelah memastikan bahwa sistem dapat beroperasi dengan baik, langkah selanjutnya adalah pengambilan data. Batasan waktu yang digunakan dalam pengambilan data terhadap alat ini adalah selama 2 jam, dengan jarak pengambilan data adalah 10 (sepuluh) menit.

4.5. Cara pengolahan data

Data-data yang telah dicatat kemudian diolah menggunakan program Ms Excel yang dapat menghasilkan bentuk grafik. Dengan bentuk grafik, pembahasan dan pengambilan kesimpulan dapat dilakukan dengan mudah.

4.6. Cara menyimpulkan penelitian

(69)

BAB V

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

5.1. Hasil Penelitian

Data hasil penelitian kotak pendingin ditampilkan dalam bentuk tabel dan grafik untuk memudahkan dalam membaca dan menganalisa. Secara berurutan, data hasil penelitian untuk kotak pendingin 1 termoelektrik, 2 termoelektrik dan 3 termoelektrik disajikan pada Tabel 5.1, Tabel 5.2 dan Tabel 5.3.

5.1.1. Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 1 termoelektrik

Suhu udara di dalam ruang kotak pendingin, suhu sisi dingin termoelektrik, suhu sisi panas termoelektrik dan suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu pada rangkaian kotak pendingin dengan menggunakan 1 buah termoelektrik disajikan pada Tabel 5.1.

Tabel 5.1 Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 1 termoelektrik

(70)

Grafik penurunan suhu udara di dalam ruang, suhu sisi dingin termoelektrik, suhu sisi panas termoelektrik dan suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu untuk kotak pendingin dengan 1 buah termoelektrik secara berturut-turut dapat dilihat pada Gambar 5.1, Gambar 5.2, Gambar 5.3 dan Gambar 5.4.

Gambar 5.1 Suhu udara di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu

Gambar 5.2 Suhu sisi dingin termoelektrik dari waktu ke waktu

(71)

Gambar 5.3 Suhu sisi panas termoelektrik dari waktu ke waktu

Gambar 5.4 Suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu

5.1.2. Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 2 termoelektrik

(72)

Tabel 5.2 Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 2 termoelektrik suhu sisi panas termoelektrik dan suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu untuk kotak pendingin dengan 2 buah termoelektrik secara berturut-turut dapat dilihat pada Gambar 5.5, Gambar 5.6, Gambar 5.7 dan Gambar 5.8.

(73)

(74)

Gambar 5.8 Suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu 5.1.3. Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 3 termoelektrik

Suhu udara di dalam ruang kotak pendingin, suhu sisi dingin termoelektrik , suhu sisi panas termoelektrik dan suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu pada rangkaian kotak pendingin dengan menggunakan 3 buah termoelektrik disajikan pada Tabel 5.3.

Tabel 5.3 Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 3 termoelektrik

(75)

Grafik penurunan suhu udara di dalam ruang, suhu sisi dingin termoelektrik dan suhu sisi panas termoelektrik terhadap waktu untuk kotak pendingin dengan 3 buah termoelektrik secara berturut-turut dapat dilihat pada Gambar 5.9, Gambar 5.10, Gambar 5.11 dan Gambar 5.12.

(76)

Gambar 5.12 Suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu

(77)

5.2. Pembahasan

5.2.1. Perbandingan perjalanan suhu udara di dalam ruang, suhu sisi dingin

termoelektrik, suhu sisi panas termoelektrik dan suhu beban di dalam

kotak pendingin dari waktu ke waktu

Perbandingan perjalanan suhu udara di dalam ruang, suhu sisi dingin termoelektrik, suhu sisi panas termoelektrik dan suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu untuk ketiga rangkaian kotak pendingin disajikan pada Gambar 5.13, Gambar 5.14, Gambar 5.15 dan Gambar 5.16.

Gambar 5.13 Perbandingan suhu udara di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu

(78)

Pada Gambar 5.14 disajikan perbandingan perjalanan suhu sisi dingin termoelektrik dari waktu ke waktu untuk ketiga kotak pendingin.

Gambar 5.14 Perbandingan suhu sisi dingin termoelektrik dari waktu ke waktu

Dari Gambar 5.14 dapat dilihat bahwa suhu terendah sisi dingin termoelektrik untuk kotak pendingin dengan 1 termoelektrik mencapai 18,5 °C pada menit ke-20. Suhu terendah sisi dingin termoelektrik untuk kotak pendingin dengan 2 termoelektrik mencapai 16,1 °C pada menit ke-100, dimana suhu ini merupakan suhu sisi dingin termoelektrik terendah dari ketiga kotak pendingin. Sedangkan suhu sisi dingin termoelektrik pada kotak pendingin dengan 3 termoelektrik mencapai 16,8 °C pada menit ke-20.

Dari grafik perbandingan suhu sisi panas termoelektrik pada Gambar 5.15 dapat dilihat bahwa suhu tertinggi sisi panas termoelektrik yaitu 63,4 °C dihasilkan oleh kotak pendingin dengan 3 buah termoelektrik pada menit ke-1.

(79)

Gambar 5.15 Perbandingan suhu sisi panas termoelektrik dari waktu ke waktu

Gambar 5.16 Perbandingan suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu

Dari grafik perbandingan suhu beban di dalam kotak pendingin pada Gambar 5.16 dapat dilihat bahwa suhu beban terendah, yaitu sebesar 22,7°C dihasilkan oleh kotak pendingin dengan 2 (dua) buah termoelektrik pada menit ke-100. Suhu ini terus bertahan hingga menit ke-120.

(80)

Berdasarkan data hasil penelitian dan grafik yang disajikan, kotak pendingin dengan 2 (dua) buah termoelektrik menunjukkan performa yang paling baik. Hal ini disebabkan karena pada rangkaian kotak pendingin dengan 2 buah termoelektrik, heatsinkfan sebagai alat pembuang kalor bekerja dengan maksimal sehingga panas yang mengalir dari sisi panas termoelektrik ke heatsink dapat dibuang dengan cepat ke lingkungan. Jika dibandingkan dengan penelitian yang dilakukan oleh Gardara AD, maka hasil pengujian ini memiliki kesamaan, yaitu suhu ruang pendingin terendah yang dapat dicapai adalah menggunakan 2 buah termoelektrik. Namun pada penelitian yang dilakukan oleh Gardara AD, suhu yang dicapai adalah 8,4 °C pada sistem pendingin dengan volume ruang pendingin yang lebih kecil, yaitu hanya 1.904 cm3.

(81)

pendinginan di dalam ruang kotak pendingin akan semakin lama, 4) adanya kipas yang bergerak di dalam kotak pendingin juga menghasilkan kalor yang menambah beban kerja pendinginan yang harus dilakukan oleh sisi dingin termoelektrik.

5.2.2. Harga COP Sistem Pendingin

Harga COP dapat ditentukan dengan persamaan 2.16, yaitu :

𝐶𝑂𝑃= 𝑄𝑖𝑛

Harga massa, kalor jenis dan ΔT hasil pengujian disajikan pada Tabel berikut.

ρ

5.2.2.1 Perhitungan harga kalor yang diserap oleh air (Qin) pada kotak

pendingin dengan 1 termoelektrik

Qin(air) = (mair.Cpair.ΔTair) = 0,375 × 4186 × 1,8 =2825,55 Joule

(82)

maka Qin(air) = 2825,55 Joule/(70×60)s = 0,673 W

5.2.2.2 Perhitungan harga kalor yang diserap oleh air (Qin) pada kotak

pendingin dengan 2 termoelektrik

(mair.Cpair.ΔTair) = 0,375 × 4186 × 4,3 = 6749,92 Joule

Air mencapai temperatur konstan pada menit ke-100, maka Qin(air) = 6749,92 Joule/(100×60)s = 1,125 W

5.2.2.3 Perhitungan harga kalor yang diserap (Qin) pada kotak pendingin

dengan 3 termoelektrik

(mair.Cpair.ΔTair) = 0,375 × 4186 × 2,2 = 3453,45 Joule

Air mencapai temperatur konstan pada menit ke-100, maka Qin(air) = 3453,45 Joule/(100×60)s = 0,575 W 5.2.2.4 Harga Pin pada masing-masing kotak pendingin.

Harga Pin pada kotak pendingin dengan 1 termoelektrik = 12 × 6 = 72 W

Setelah harga kalor yang diserap oleh air (Qin) diperoleh, dan daya yang

digunakan oleh masing – masing kotak pendingin diketahui, maka harga COP dapat ditentukan dengan persamaan (2.16).

Harga COP pada kotak pendingin 1 termoelektrik = 0,673

72 = 0,0093

Harga COP pada kotak pendingin 2 termoelektrik =1,125

144 = 0,0078

Harga COP pada kotak pendingin 3 termoelektrik = 0,575

(83)

BAB VI

KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan

Dari hasil penelitian ini telah dapat dirancang dan dibuat sebuah kotak pendingin berbasis termoelektrik dengan sumber daya arus DC dengan hasil sebagai berikut:

1) Nilai temperatur sisi dingin termoelektrik terendah yang dihasilkan dari waktu ke waktu yaitu 16,1°C dihasilkan pada kotak pendingin dengan jumlah termoelektrik 1 (satu) buah.

2) Nilai temperatur sisi panas termoelektrik tertinggi yang dihasilkan dari waktu ke waktu yaitu 63,4 °C dihasilkan pada kotak pendingin dengan jumlah termoelektrik 3 (tiga) buah.

3) Nilai temperatur udara terendah di dalam kotak pendingin yang dihasilkan dari

waktu ke waktu yaitu 22,4°C dihasilkan pada kotak pendingin dengan jumlah termoelektrik 2 (dua) buah.

4) Nilai temperatur beban terendah di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu yaitu 22,7°C dihasilkan pada kotak pendingin dengan jumlah termoelektrik 2 (dua) buah.

5) Harga COP untuk kotak pendingin dengan 1 termoelektrik adalah 0,0093, harga COP untuk kotak pendingin dengan 2 termoelektrik adalah 0,0078 dan Harga COP untuk kotak pendingin dengan 3 termoelektrik adalah 0,0026.

(84)

6.2Saran

Penelitian ini masih dapat dikembangkan lagi agar dapat menunjukkan performa yang lebih baik dengan beberapa saran sebagai berikut:

1. Mempergunakan heatsink dengan jarak antar sirip yang lebih rapat dan jumlah sirip yang lebih banyak, dengan harapan laju pembuangan kalor akan lebih cepat sehingga heatsink tidak akan menjadi terlalu panas. Mengingat ΔT antara sisi

panas dengan sisi dingin termoelektrik dapat mencapai 68°C, maka semakin rendah suhu sisi panas termoelektrik, semakin rendah pula suhu sisi dingin termoelektrik.

2. Untuk mencapai hasil yang maksimal, maka harus ada isolator yang baik antara sisi panas dan sisi dingin sirip. Panas yang dihasilkan oleh sisi panas termoelektrik tidak boleh sampai merambat ke dalam ruang pendingin yang dapat menambah beban kerja sisi dingin termoelektrik.

(85)

DAFTAR PUSTAKA

Ardhana P, 2011. Unjuk Kerja Aplikasi Sistem Pendinginan Pada Alat Elektroforesis Termoelektrik. Jakarta. Universitas Indonesia.

Dedy Reza Dwi P, 2010. Perhitungan Perpindahan Panas Heatasink Di Sisi Panas Termoelektrik TEC 12706 Dengan Daya 22,4 W. Surabaya. Institut Teknologi Sepuluh November.

Hendy & Hogla Tati Marbun, 2011. Pembuatan Alat Pemanas-Pendingin Makanan dan Minuman Portabel Hemat Energi Berbasiskan Termoelektrik. Bandung. Institut Teknologi Bandung.

Sandya Priyambada, 2012. Pendingin Kabin Mobil Berbasis Termoelektrik.. Jakarta. Universitas Indonesia.

http://www.enertron-inc.com/enertron-resources/ThermoelectricCoolingbasic.pdf http://www.lairtech.com/Thermoelectric Handbook.pdf

http://www.tellurex.com

http://www.thermoelectrics.caltech.edu