KARAKTERISTIK PENDINGIN TERMOAKUSTIK DENGAN BAHAN REGENERATOR FILM FOTOGRAFI

  

KARAKTERISTIK PENDINGIN TERMOAKUSTIK

DENGAN BAHAN REGENERATOR FILM FOTOGRAFI

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  

Jurusan Teknik Mesin

  Disusun oleh :

  

Nama : Christoporus Yanuar Nanang Setyawan

NIM : 045214004

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2008

  

THERMOACOUSTIC REFRIGERATOR CHARACTERISTIC

WITH REGENERATOR OF PHOTOGRAPHY FILM

FINAL PROJECT

Presented as partitial fulfilment of the requirement

as to obtain the Sarjana Teknik degree

in Mechanical Engineering

  Disusun oleh :

  

Nama : Christoporus Yanuar Nanang Setyawan

Student Number : 045214004

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTEMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  

2008

TUGAS AKHIR KARAKTERISTIK PENDINGIN TERMOAKUSTIK DENGAN BAHAN REGENERATOR FILM FOTOGRAFI

  Diajukan oleh :

  Nama : Christoporus Yanuar Nanang Setyawan NIM : 045214004

  Telah disetujui oleh Pembimbing Tugas Akhir Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T.

  28 Agustus 2007

  

TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK PENDINGIN TERMOAKUSTIK

DENGAN BAHAN REGENERATOR FILM FOTOGRAFI

  Diajukan oleh :

  Nama : Christoporus Yanuar Nanang Setyawan NIM : 045214004

  Telah dipertahankan didepan panitia penguji pada tanggal 16 Januari 2008 dan dinyatakan memenuhi syarat

  Susunan Panitia Penguji Ketua : Ir. PK. Purwadi, M.T.

  Sekretaris : Yosef Agung Cahyanta, S.T.,M.T. Anggota : Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T

  Yogyakarta, 17 Januari 2008 Fakultas Sains dan Teknologi

  Universitas Sanata Dharma Dekan

  

PERNYATAAN

  Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya 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, 28 Agustus 2007 Christoporus Yanuar Nanang Setyawan

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN

PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Christoporus Yanuar Nanang Setyawan Nomor Mahasiswa : 045214004

  Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul : KARAKTERISTIK PENDINGIN TERMOAKUSTIK DENGAN BAHAN REGENERATOR FILM FOTOGRAFI Beserta perangkat yang diperlukan (bila ada). 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. Dibuat di Yogyakarta Pada tanggal 25 Januari 2008 Yang menyatakan Chistoporus Yanuar Nanang Setyawan

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus yang telah melimpahkan berkat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian untuk tugas akhir Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana S-1 pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma. Isi Tugas Akhir merupakan studi tentang pendingin termoakustik dengan menggunakan regenerator dari bahan film fotografi.

  Penulis menyadari bahwa dalam proses belajar di Program Studi Teknik Mesin, sejak awal studi sampai berakhirnya studi melibatkan banyak hal. Atas segala saran, bimbingan, dukungan dan bantuan, pada kesempatan ini dengan penuh kerendahan hati penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

  1. Ir. Greg. Heliarko, SJ., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta..

  3. Bapak Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir

  4. Bapak Ir. Fx. Agus Unggul Santosa, M . T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.

  5. Seluruh dosen dan staff serta laboran Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, yang telah mengajarkan berbagai pengetahuan kepada penulis dan membantu selama proses belajar di Jurusan Teknik Mesin.

  6. Ayah dan Bunda yang sangat saya sayangi, beserta kakak dan adik yang selalu mendukung saya, baik dalam materi maupun motivasi.

  7. Teman-teman kelompok studi penelitian ini (Joe,Lingga, Pendi), dan seluruh mahasiswa Teknik Mesin.

  8. Teman-temanku yang baik hati dan tidak sombong (Deni, Gawer, Fendi, Supriadi, Juanta dst)

  9. Teman-teman kost, dan semua pihak yang telah membantu, Terima kasih atas dukungannya.

  Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penelitian dan penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu penulis memohon maaf atas segala kekurangan dan kesalahan yang terdapat dalam penulisan Tugas Akhir ini.

  Meskipun demikian penulis berharap bahwa hasil penelitian ini tetap dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan ilmu khususnya mengenai pendingin termoakustik. Atas kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya karya tulis ini penulis mengucapkan terima kasih.

  Penulis Christoporus Yanuar Nanang Setyawan

  

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ...........................................................................................i

TITLE PAGE ...................................................................................................... ii

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ..............................................iii

HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................iv

HALAMAN PERNYATAAN ............................................................................ v

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN ..................................................vi

KATA PENGANTAR ........................................................................................vi

DAFTAR ISI ......................................................................................................viii

DAFTAR LAMBANG .......................................................................................xi

DAFTAR TABEL ............................................................................................. xii

DAFTAR GAMBAR .........................................................................................xiv

  

INTISARI ...........................................................................................................xvi

  BAB I Pendahuluan

  1.1 Latar Belakang Masalah ..................................................................... 1

  1.2 Batasan Masalah ................................................................................. 2

  1.3 Tujuan Penelitian ............................................................................... 3

  1.4 Manfaat Penelitian .............................................................................. 3

  BAB II Dasar Teori

  2.1 Tinjauan Pustaka ................................................................................. 4

  2.2 Landasan Teori ................................................................................... 5

  2.2.1 Sejarah Singkat Termoakustik ............................................ 5

  2.2.2 Kelebihan dan Kekurangan pendingin Termoakustik.......... 6

  2.2.3 Pengertian Termoakustik ..................................................... 7

  2.2.4 Siklus Kerja Termoakustik................................................... 8

  2.2.5 Prinsip Kerja Pendingin Termoakustik ............................... 10

  2.3 Persamaan yang Digunakan .............................................................. 11

  2.3.1 Temperatur Rata-Rata Sisi Panas dan Sisi Dingin.............. 11

  2.3.3 Jumlah Gelombang ............................................................ 12

  2.3.4 Jarak Celah atau Kedalaman Penetrasi Termal................... 12

  2.3.5 Koefisien Ekspansi Termal ................................................. 13

  2.3.6 Perimeter Tabung ................................................................ 13

  2.3.7 Gradien Temperatur Kritis .................................................. 14

  2.3.8 Gradien Ratio ...................................................................... 14

  2.3.9 Koefisien Unjuk kerja ......................................................... 15

  2.3.10 Kerja Pendinginan............................................................. 15

  2.3.11 Tekanan Efektif Sistem ..................................................... 16

  BAB III Metode Penelitian

  3.1 Diagram Alir ......................................................................................17

  3.2 Jenis Penelitian....................................................................................18

  3.2 Peralatan Penelitian ............................................................................18

  3.4 Jalannya Penelitian ............................................................................ 21

  3.4.1 Variabel yang Divariasikan................................................. 21

  3.4.2 Variabel yang Diukur...........................................................22

  3.4.3 Langkah Penelitian ............................................................. 22

  3.4.4 Langkah Pengolahan dan Analisa Data............................... 23

  BAB IV Data Penelitian dan Perhitungan

  4.1 Variasi Percobaan .............................................................................. 24

  4.2 Data Hasil Penelitian ......................................................................... 28

  4.3 Pengolahan dan Perhitungan Data .................................................... 33

  4.4 Hasil Pengolahan dan Perhitungan Data ........................................... 37

  4.4.1 Hasil Perhitungan pada Variasi Daya Masukkan Loudspeaker ........................................................................ 37

  4.4.2 Hasil Perhitungan pada Variasi Frekuensi Gelombang Bunyi ............................................................... 42

  4.4.3 Hasil Perhitungan pada Variasi Tekanan Awal Sistem....... 47

  4.4.4 Hasil Perhitungan pada Variasi Jarak Stack........................ 52

  Tabung Resonator ................................................................57

  BAB V Analisa Data dan Pembahasan

  5.1 Analisa Data dan Pembahasan ........................................................... 59

  5.1.1 Pengaruh Variasi Daya Masukkan Loudspeaker ................ 59

  5.1.2 Pengaruh Variasi Frekuensi Gelombang............................. 66

  5.1.3 Pengaruh Variasi Tekanan Awal......................................... 70

  5.1.4 Pengaruh Variasi Jarak Stack dari Tutup ............................ 74

  4.4.1 Pengaruh Variasi Permukaan Sistem .................................. 77

  BAB VI Kesimpulan dan Saran

  5.1 Kesimpulan ....................................................................................... 81

  5.2 Saran .................................................................................................. 83

  DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR LAMBANG

  C) δ

  Diameter dalam tabung (m) d gap Diameter celah stack/regenerator (m) W in Daya masukkan awal loudspeaker (watt) R Hambatan loudspeaker (ohm)

  in Tabung

  Koefisien ekspansi termal P Tekanan awal sistem (Pa) Pe Tekanan efektif (Pa) Pmax Tekanan maksimum (Pa) X stack Jarak regenerator dari tutup (m) D

  Γ Perimeter (1/m) ΔΤ Βeda temperatur antara sisi panas dan sisi dingin (K) Π Perimeter tabung (m) Β

  ∇ T CRIT Gradien temperatur kritis (K)

  Panjang regenerator (m)

  Specific heat ratio (1,4) k Jumlah gelombang Δx /L stack

  γ

  Kedalaman penetrasi termal (m)

  Κ

  T H Temperatur sisi panas (K) T

  C

  Kalor spesifik fluida gas (J/kg

  p

  ) c

  3

  Rapat massa fluida gas (kg/m

  C) ρ

  o

  K Konduktivitas termal fluida gas (W/m

  ω Frekuensi angular (rad/s) c Kecepatan suara di udara (m/s)

  f Frekuensi gelombang (Hz)

  Temperatur sisi dingin (K)

  o

  DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Kondisi penelitian pendinginTabel 4.2 Keterangan variasi daya masukkan loudspeakerTabel 4.3 Keterangan variasi frekuensi gelombang bunyi Tabel 4.4 Keterangan Variasi Tekanan Awal Sistem.Tabel 4.5 Keterangan variasi jarak regenarator dari atas tabung resonator.Tabel 4.6 Keterangan Variasi kondisi permukaan resonator.Tabel 4.7 Data pada variasi daya dengan f = 400 Hz, P = 32 psi, Xstack= 45 mm, tanpa isolasi.Tabel 4.8 Data pada variasi frekuensi gelombang dengan Win = 2 watt, P= 32psi, Xstack= 45mm, tanpa isolasi.Tabel 4.9 Data pada variasi tekanan awal dengan Win = 2 watt, f = 400 Hz,

  Xstack= 45mm, tanpa isolasi

Tabel 4.10 Data pada variasi jarak stack dengan Win = 2 watt, P= 0 psi, f = 400 Hz, tanpa isolasi.Tabel 4.11 Data pada variasi permukaan resonator dengan Win = 2 watt,

  f = 400 Hz, P= 320 psi, Xstack= 45 mm

Tabel 4.12 Hasil perhitungan pada Win = 0,5 watt dengan f = 400 Hz, P = 32 psi, Xstack= 45 mm, tanpa isolasi.Tabel 4.13 Hasil perhitungan pada Win = 1,125 watt dengan f = 400 Hz, P = 32 psi, Xstack= 45 mm, tanpa isolasi.Tabel 4.14 Hasil perhitungan pada Win = 2 watt dengan f = 400 Hz, P = 32 psi, Xstack= 45 mm, tanpa isolasi.Tabel 4.15 Hasil perhitungan pada Win = 3,125 watt dengan f = 400 Hz, P = 32 psi, Xstack= 45 mm, tanpa isolasi.Tabel 4.16 Hasil perhitungan pada Win = 4,5 watt dengan f = 400 Hz, P = 32 psi,

  Xstack= 45 mm, tanpa isolasi

Tabel 4.17 Hasil perhitungan f = 200 Hz dengan, Win = 2 watt, P = 32 psi,

  Xstack= 45 mm, tanpa isolasi

Tabel 4.18 Hasil perhitungan f = 400 Hz dengan, Win = 2 watt, P = 32 psi,Tabel 4.19 Hasil perhitungan f = 600 Hz dengan, Win = 2 watt, P = 32 psi,Tabel 4.28 Hasil perhitungan pada Xstack= 40 mm dengan Win = 2 watt,

  P = 0 psi f = 400 Hz, Xstack= 13,2 mm

Tabel 4.33 Hasil perhitungan pada permukaan tanpa isolasi dengan Win = 2 watt,

  P = 0 psi f = 400 Hz, tanpa isolasi

Tabel 4.31 Hasil perhitungan pada Xstack= 13,2 mm dengan Win = 2 watt,

  P = 0 psi f = 400 Hz, tanpa isolasi

Tabel 4.30 Hasil perhitungan pada Xstack= 90 mm dengan Win = 2 watt,Tabel 4.29 Hasil perhitungan pada Xstack= 45 mm dengan Win = 2 watt, P = 0 psi f = 400 Hz, tanpa isolasi.

  P = 0 psi f = 400 Hz, tanpa isolasi

  P = 0 psi f = 400 Hz, tanpa isolasi

  Xstack= 45 mm, tanpa isolasi

Tabel 4.27 Hasil perhitungan pada Xstack= 30 mm dengan Win = 2 watt,Tabel 4.26 Hasil perhitungan pada P = 32 psi dengan Win = 2 watt, f = 400 Hz, Xstack= 45mm, tanpa isolasi.Tabel 4.25 Hasil perhitungan pada P = 25 psi dengan Win = 2 watt, f = 400 Hz, Xstack= 45mm, tanpa isolasi.Tabel 4.24 Hasil perhitungan pada P = 20 psi dengan Win = 2 watt, f = 400 Hz, Xstack= 45mm, tanpa isolasi.Tabel 4.23 Hasil perhitungan pada P = 10 psi dengan Win = 2 watt, f = 400 Hz, Xstack= 45mm, tanpa isolasi.Tabel 4.22 Hasil perhitungan pada P = 0 psi dengan Win = 2 watt, f = 400 Hz, Xstack= 45mm, tanpa isolasi.Tabel 4.21 Hasil perhitungan f =1 kHz dengan, Win = 2 watt, P = 32 psi, Xstack= 45 mm, tanpa isolasi

  Xstack= 45 mm, tanpa isolasi

Tabel 4.20 Hasil perhitungan f =800 Hz dengan, Win = 2 watt, P = 32 psi,Tabel 4.32 Hasil perhitungan pada permukaan terisolasi dengan Win = 2 watt, P = 0 psi f = 400 Hz, Xstack= 13,2 mm

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 4.4 Grafik hubungan beda suhu rata-rata dan COP rata-rata dengan daya masukkan loudspeakerGambar 4.10 Grafik hubungan beda suhu rata-rata dan COP rata-rata dengan frekuensi gelombang bunyiGambar 4.9 Grafik hubungan antara COP dengan waktu pada variasi frekuensi gelombang bunyiGambar 4.8 Grafik hubungan antara beda suhu dengan perubahan waktu pada variasi frekuensi gelombang bunyiGambar 4.7 Grafik hubungan antara perubahan suhu dengan perubahan waktu pada variasi frekuensi gelombang bunyiGambar 4.6 Grafik hubungan antara kerja pendinginan rata-rata dengan daya masukkan loudspeakerGambar 4.5 Grafik hubungan antara kerja pendinginan dengan waktu pada variasi daya masukkan loudspeakerGambar 4.3 Grafik hubungan antara COP dengan waktu pada variasi daya masukkan loudspeakerGambar 2.1 Alur kerja dan perpindahan panasGambar 4.2 Grafik hubungan antara beda suhu dengan perubahan waktu pada variasi daya masukkan loudspeakerGambar 4.1 Grafik hubungan antara perubahan suhu dengan perubahan waktu pada variasi daya masukkan loudspeakerGambar 3.3 Stack atau RegeneratorGambar 3.2 Skema alat penelitianGambar 3.1 Diagram alir penelitianGambar 2.3 Prinsip kerja pendingin termoakustikGambar 2.2 Grafik P-V siklus pendingin termoakustikGambar 4.11 Grafik hubungan antara kerja pendinginan dengan waktu pada variasi frekuensi gelombang bunyi

  Gambar

Gambar 4.20 Grafik hubungan antara beda suhu dengan perubahan waktu pada variasi jarak stack dari tutup

  4.25 Grafik hubungan antara COP dengan waktu pada variasi permukaan sistem

  Gambar

Gambar 4.24 Grafik hubungan antara beda suhu dengan perubahan waktu pada variasi permukaan sistemGambar 4.23 Grafik hubungan antara perubahan suhu dengan perubahan waktu pada variasi permukaan sistemGambar 4.22 Grafik hubungan antara kerja pendinginan dengan waktu pada variasi jarak stack dari tutupGambar 4.21 Grafik hubungan antara COP dengan waktu pada variasi jarak stack dari tutupGambar 4.19 Grafik hubungan antara perubahan suhu dengan perubahan waktu pada variasi jarak stack dari tutup

  4.12 Grafik hubungan antara kerja pendinginan rata-rata dengan frekuensi gelombang bunyi

  4.18 Grafik hubungan antara kerja pendinginan rata-rata dengan tekanan awal

  Gambar

Gambar 4.17 Grafik hubungan antara kerja pendinginan dengan waktu pada variasi tekanan awalGambar 4.16 Grafik hubungan beda suhu rata-rata dan COP rata-rata dengan tekanan awalGambar 4.15 Grafik hubungan antara COP dengan waktu pada variasi tekanan awalGambar 4.14 Grafik hubungan antara beda suhu dengan perubahan waktu pada variasi tekanan awalGambar 4.13 Grafik hubungan antara perubahan suhu dengan perubahan waktu pada variasi tekanan awalGambar 4.26 Grafik hubungan antara kerja pendinginan dengan waktu pada variasi jarak stack dari tutup

  INTISARI

  Refrijeran sintesis CFC dan HFC yang digunakan dalam proses pendinginan kompresi uap merupakan salah satu kontributor terjadinya efek rumah hijau. Kandungan clorin dan karbon dalam refrijeran sintesis merupakan unsur yang merusak lingkungan yang menyebabkan penipisan lapisan ozon dan pemanasan global. Salah satu sistem pendingin alternatif yang dapat menggantikan sistem pendingin kompresi uap adalah sistem pendingin termoakustik.

  Pendingin Termoakustik adalah sistem pendingin yang memanfaatkan gelombang bunyi untuk menghasilkan perbedaan temperatur. Suatu gelombang bunyi (acoustics) dalam gas tidak hanya menghasilkan osilasi tekanan dan gerak, tetapi juga osilasi temperatur. Komponen alat penelitian pendingin termoakustik meliputi stack atau regenerator yang terbuat dari film fotografi, loudspeaker dengan daya 100 watt dan hambatan 8

  Ω, tabung resonator dengan diameter 23 mm dan panjang 618 mm. Gas yang digunakan sebagai fluida kerja merupakan gas yang tidak merusak lingkungan seperti helium dan argon, akan tetapi pada penelitian ini masih digunakan fluida kerja udara. Pengaruh besar kecilnya efek pendinginan yang terjadi pada regenerator sisi dingin dipengaruhi oleh berbagai faktor. Dalam penelitian ini faktor-faktor yang diteliti adalah pengaruh daya masukkan loudspeaker, frekuensi gelombang bunyi, tekanan awal sistem, jarak regenerator dari tutup dan permukaan tabung resonator.

  Pada penelitian ini didapatkan beda temperatur antara sisi panas dan sisi

  o

  dingin terbesar 9,1

  C, temperatur terendah sisi dingin dan temperatur tertinggi

  o

  sisi panas yang mampu dicapai berturut-turut adalah 17,3 C dengan perubahan

  o o

  temperatur sebesar 8,1 C dan 29,2 C dengan perubahan temperatur sebesar

  o

  1,7

C. Hasil terbaik pada penelitian ini didapatkan COP rata-rata sebesar 0,716 dan kerja pendinginan rata-rata sebesar 0,506 watt.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

  Kebutuhan sistim pendingin dewasa ini semakin meningkat sejalan dengan perkembangan teknologi dan pertumbuhan penduduk. Sistim pendingin diperlukan untuk mendinginkan produk elektronik, obat-obatan, bahan kimia, bahan makanan dan sebagainya. Sistem pendingin yang ada saat ini umumnya menggunakan sistim kompresi uap dengan refrijeran sintetis. Dampak negatif dari penggunaan refrijeran sintetis dalam proses pendinginan kompresi uap telah mendapat perhatian khusus beberapa tahun belakangan ini. Hal ini pertama kali diketahui pada pertengahan tahun 1970an, dengan ditemukannya fakta bahwa chlorofluorocarbon (CFC) meningkatkan radiasi ultraviolet surya ke bumi karena merusak lapisan ozon. CFC juga merupakan salah satu kontributor terjadinya efek rumah hijau yang menyebabkan pemanasan global. Refrijeran seperti R11, R12, R 115 yang merupakan refrijeran CFC halogen, adalah refrijeran yang paling membahayakan lapisan ozon bumi. Untuk mencegah efek kerusakkan yang lebih serius maka pada bulan desember 1998 Canadian Environmental Protection Act (CEPA) dan digaris bawahi Montreal Protocol, 165 negara menandatangani perjanjian untuk menggurangi penggunaan CFC hingga tahun 1995 dan menghapuskan total penggunaannya pada tahun 2000. Saat ini penggunaan refrijeran CFC halogen seperti R12 telah digantikan dengan refirjeran yang lebih ramah lingkungan seperti R134a yang merupakan refrijeran bebas chlorin. Akan tetapi, refrijeran R134a tetap memiliki potensi pemanasan global yang sangat tinggi. Disamping menimbulkan dampak negatif pada alam, sistim pendingin yang ada saat ini umumnya masih menggunakan sumber energi listrik. Energi listrik umumnya memerlukan bahan bakar fosil yang semakin lama semakin berkurang jumlahnya dan tidak dapat diperbaharui. Penelitian untuk mencari bahan pendingin alternatif yang tidak merusak lingkungan terutama yang dapat menggunakan sumber energi alam sebagai penggeraknya semakin banyak dilakukan. Beberapa sistim pendingin alternatif yang banyak diteliti untuk mengantikan misalnya sistim absorbsi, adsorpsi, stirling dan termoakustik.

  Sistim pendingin termoakustik merupakan salah satu sistim pendingin alternatif yang cukup menjanjikan dimasa datang karena konstruksinya sederhana dan ramah lingkungan kehandalan yang cukup tinggi, tidak menggunakan bahan pendingin yang dapat merusak lingkungan serta dapat menggunakan sumber energi alternatif misalnya energi surya sebagai penggeraknya.

1.2 Batasan Masalah

  Pada penelitian ini, akan diuji sistem pendingin termoakustik dengan menggunakan regenerator yang terbuat dari film fotografi. Penelitian memfokuskan pada pengamatan cara kerja sistem pendingin termoakustik untuk mengetahui karakteristiknya. Hal ini bertujuan untuk memahami cara kerja alat tersebut agar dapat dikembangkan selanjutnya.

  1.3 Tujuan Penelitian

  Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk mengetahui karakteristik pendingin termoakustik yaitu koefisien unjuk kerja (COP), perubahan temperatur sisi panas dan sisi dingin, beda temperatur sisi panas dan sisi dingin dan temperatur terendah yang dapat dihasilkan dengan menggunakan loudspeaker sebagai sumber akustik.

  1.4 Manfaat Penelitian

  Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan tambahan pengetahuan tentang pendingin termoakustik, untuk dikembangkan selanjutnya sebagai sistem pendingin yang murah, konstruksi sederhana dan yang lebih aman bagi lingkungan.

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

  Penulis menggunakan beberapa jurnal tentang pendingin termoakustik dijadikan acuan untuk penelitian ini, yaitu :

1. Experimental Study and Analisis on Components of a Thermoacoustic

  Refrigerator and a Thermoacoustic Prime Mover oleh Makoto

  Nohtomi dan Masafumi Katsuta. Penelitian pendingin termoakustik dengan menggunakan daya 10 W, bahan regenarator stainless steel dan fluida kerja gas helium, menghasilkan perbedaan temperatur dan COP 0,334.

  2. Table Top Thermoacoustic Refrigerator for Demonstrations oleh Daniel A. Russell dan Pontus Weibull, Alat penelitian dengan menggunakan tabung acrylic berdiameter dalam 2,2 cm dan panjang 23 cm, daya speaker 40 W dan fluida kerja udara, dapat menghasilkan

  o

  15,5 C.

  3. Analisis Termoakustik. Dalam penelitian tugas akhir yang dilakukan oleh Handy Ruslie itu, ditulis laporan tentang karakteristik pendingin termoakustik. Penelitian dengan menggunakan resonator terbuat dari kaca berdiameter 2,1 cm dan panjang 26 cm, loudspeaker daya 50 W serta segi-segi pendukungnya sebagai variabel yang divariasikan. Penelitian menghasilkan COP terbaik 0,98 dengan daya 0,69 W.

2.2 Teori Landasan

2.2.1 Sejarah Singkat Termoakustik

  Termoakustik mempunyai sejarah yang panjang, dimulai lebih dari dua abad yang lalu. Subjek yang menjadi pokok dari penelitian termoakustik adalah suatu fenomena dimana gelombang bunyi dapat menghasilkan perbedaan temperatur dan sebaliknya perbedaan temperatur dapat menghasilkan gelombang bunyi. Penjelasan kualitatif pertama diberikan oleh Lord Rayleigh pada tahun 1887 dalam ”The Theory of Sound” produksi dari osilasi termoakustik adalah Jika kalor diberikan kepada udara maka akan terjadi kompresi dan jika dilepaskan dari udara akan terjadi ekspansi dan getaran merupakan pendukung. Pemahaman kualitatif Reyleigh adalah benar, akan tetapi keakuratan kuantitas teori dari fenomena diatas tidak tercapai. Pada tahun 1969 Rott dan teman sekerja memulai menerbitkan satu rangkaian dokumen di mana suatu teori termoakustik kuantitatif diberikan. Pada tahun 1988 gambaran keseluruhan termoakustik diberikan oleh Swift, ia menerapkan teori yang diberikan oleh Rott dengan menciptakan alat praktis termoakustik. Ia menjelaskan singkat hasil penelitian, pembuatan alat dan kesesuaian hasil dengan didasarkan teori yang diberikan oleh Rott. Swift dan yang lain telah memberikan banyak konstribusi bagi perkembangan alat dan penelitian termoakustik. Pada tahun 2002 Swift juga menuliskan textbook yang memberikan pengenalan lengkap termoakustik dan perlakuan beberapa alat termoakustik. Pada tahun belakangan ini, Tijani menulis Disertasi yang didasarkan pada hasil kerja Swift, ia juga menjelaskan teori termoakustik. Selanjutnya banyak penelitian alat termoakustik yang didasarkan atas penelitian-penelitian sebelumnya.

2.2.2 Kelebihan dan Kekurangan Pendingin Termoakustik

  1 Kelebihan Pendingin Termoakustik

  a) Ramah lingkungan karena menggunakan fluida kerja yang tidak beracun, tidak merusak lapisan ozon seperti helium, argon. Pada penelitian ini masih digunakan fluida kerja udara.

  b) Komponen sederhana karena komponennya lebih sedikit dan hanya membutuhkan satu komponen yang bergerak yaitu loudspeaker atau komponen penghasil gelombang bunyi.

  c) Tidak memerlukan pelumasan karena hanya terdapat satu komponen yang bergerak yang dapat bekerja pada frekuensi tinggi tanpa membutuhkan pelumasan.

  d) Dapat menggunakan sumber energi alternatif karena pendingin termoakustik dapat dikombinasikan dengan heat engine Sumber penggerak

  

heat engine dapat berasal dari panas matahari, sisa pembakaran, dst.

  2 Kekurangan Pendingin Termoakustik

a) Membutuhkan regenerator yang besar untuk pendingin dengan kapasitas yang besar.

  b) Untuk saat ini, efisiensi pendingin termoakustik lebih kecil dibandingkan dengan pendingin konvensional yang sistem menggunakan sistem kompresi uap.

  c) Membutuhkan secondary loop sistem penukar kalor antara fluida kerja utama dengan udara, guna menukar panas yang diserap (pendinginan) dan panas yang dilepaskan.

2.2.3 Pengertian Termoakustik

  Termoakustika (thermoacoustics) adalah suatu bidang yang berhubungan dengan fenomena fisis, di mana perbedaaan temperatur dapat menghasilkan gelombang bunyi, dan sebaliknya gelombang bunyi dapat menghasilkan perbedaan temperatur. Suatu gelombang bunyi (acoustics) dalam gas umumnya dipandang sebagai osilasi-osilasi tekanan dan gerak, padahal osilasi temperatur juga terjadi. Kombinasi atau gabungan semua osilasi-osilasi tersebut akan menghasilkan fenomena atau efek termoakustik.

  Alat yang dapat menghasilkan efek termoakustik dibedakan menjadi dua (gambar 2.1), yaitu termoakustik prime mover atau heat engine dan pendingin termoakustik atau untuk pompa kalor termoakustik. Dalam termoakustik prime

  

mover terjadi perpindahan panas dari tandon temperatur tinggi ke tandon

  temperatur yang lebih rendah untuk menghasilkan kerja. Sedangkan pada pendingin termoakustik atau pompa panas temoakustik membutuhkan kerja untuk memindahkan panas dari tandon temperatur rendah ke tandon temperatur yang lebih tinggi. Dalam kasus ini, kerja yang dihasilkan dan kerja yang dibutuhkan adalah kerja gelombang bunyi.

  a b

Gambar 2.1 Alur Kerja dan Perpindahan Panas

   (a) Prime mover atau heat engine (b) Pendingin atau pompa kalor termoakustik

  Perbedaan pendingin termoakustik dan pompa panas termoakustik adalah arah penggunaan, pada pendingin ditujukan untuk menyerap panas pada temperatur rendah sedangkan pada pompa kalor ditujukan untuk melepaskan panas pada temperatur tinggi.

2.2.4 Siklus Kerja Pendingin Termoakustik

  Komponen-komponen utama pendingin termoakustik meliputi tabung resonator, sumber bunyi, fluida kerja dan regenerator (stack). Stack merupakan komponen penting pendingin termoakustik yang terdiri atas sejumlah kanal-kanal kecil atau permukaan-permukaan yang dipasang sejajar dengan sumbu tabung resonator. Dalam tabung resonator, stack digunakan untuk tujuan menghasilkan gradien temperatur di sepanjang stack akibat osilasi gelombang tegak (standing

  wave) yang dihasilkan oleh loudspeaker.

Gambar 2.2 Grafik P-V siklus pendingin termoakusik Berikut siklus kerja pendingin termoakustik (gambar 2.2)

  1. Proses 1-2 proses kompresi Dalam proses ini gelombang bunyi (akustik) yang dihasilkan loudspeaker menyebabkan suatu paket gas bergerak kekiri (kearah tabung tertutup), sehingga volume paket gas tersebut mengecil, tekanannya meningkat dan temperaturnya naik sebagai akibat sifat gas adiabatik.

  2. Proses 2-3 proses pelepasan panas Paket gas yang termampatkan menyebabkan peningkatan temperatur, sampai pada temperatur paket gas lebih tinggi dari pada temperatur stack didekatnya.

  Oleh karena temperatur paket gas lebih tinggi maka kalor dari paket gas dilepaskan ke dinding-dinding stack yang ada didekatnya dan volume paket gas tersebut menyusut.

  3. Proses 3-4 proses ekspansi.

  Pada saat gelombang tegak melanjutkan siklusnya, paket gas bergerak kekanan (kearah tabung terbuka), sehingga volume paket gas berangsur- angsur membesar, tekanannya menurun dan temperatur paket gas menjadi lebih rendah.

  4. Proses 4-5 proses penyerapan panas Akibat proses ekspansi temperatur paket gas menjadi turun, sampai pada temperatur paket gas menjadi lebih rendah daripada temperatur dinding- dinding stack. Oleh karena tejadi perpindahan kalor dari dinding stack ke paket gas.

2.2.5 Prinsip Kerja Pendingin Termoakustik

  Prinsip kerja pendingin termoakustik pada dasarnya bekerja dengan memanfaatkan gelombang suara (akustik) pada suatu fluida gas dalam suatu sistem tertutup untuk membuang panas dari dalam sistem. Panas dalam sistem pendingin berasal dari bahan yang didinginkan. Panas dari bahan yang didinginkan masuk dalam sistem melalui sisi dingin dan panas dalam sistem dibuang keluar melalui sisi panas (gambar 2.3)

Gambar 2.3 Prinsip kerja pendingin termoakusik

  Terjadinya sisi dingin dan sisi panas dalam sistem disebabkan oleh rambatan gelombang akustik yang menimbulkan fluktuasi tekanan dalam fluida gas. Pada posisi tekanan tinggi fluida gas mengalami kompresi sehingga temperaturnya naik dan pada posisi tekanan rendah fluida gas mengalami ekspansi sehingga temperaturnya turun.

  Posisi stack (regenerator) dalam tabung resonator merupakan faktor yang mempengaruhi sistem pendinginan. Untuk medapatkan gradien temperatur di sepanjang stack, sebagian stack terletak pada posisi tekanan tinggi dan sebagian

  Sebagian stack terletak pada posisi tekanan tinggi, sehingga pada bagian ini panas dalam fluida gas dapat dipindahkan ke stack. Pada bagian ini stack berfungsi sebagai tempat pengambilan panas dari sistem. Panas yang telah diserap dibuang keluar melalui penukar kalor. Bagian stack yang terletak pada posisi tekanan tinggi ini disebut sisi panas dan pada eksperimen ini terletak di regenerator bagian atas.

  Bagian lain stack terletak pada posisi tekanan rendah sehingga di bagian ini panas dari stack dapat dipindahkan ke fluida gas dalam sistem. Panas stack di bagian ini berasal dari bahan yang didinginkan yang dipindahkan ke stack melalui penukar kalor. Di bagian ini stack berfungsi sebagai tempat pengambilan panas dari bahan yang didinginkan. Bagian stack yang terletak di posisi tekanan rendah ini disebut sisi dingin dan pada eksperimen ini terletak di stack bagian bawah.

2.3 Persamaan yang Digunakan

  2.3.1 ) Temperatur Rata-Rata Sisi Panas dan Sisi Dingin (T M

  Temperatur rata-rata sisi panas dan sisi dingin (T M ) dihitung dengan :

• T T

  H C T = (K) (symko, hal 171) ................................... 1

  M

  2

  dengan : T H : temperatur sisi panas (K) T : temperatur sisi dingin (K)

  C

  2.3.2 Frekuensi Angular ( ω )

  Frekuensi angular ( ω) dihitung dengan : 2 . . f (rad/s) (Tom Penick, hal 2) .................................... 2

  ω = π dengan : f : frekuensi gelombang (Hz)

  2.3.3 Jumlah Gelombang (k)

  Jumlah gelombang (k) dihitung dengan : ω k = (rad/m) (Tom Penick, hal 2) .......................................... 3 c dengan :

  ω : frekuensi angular (rad/s) c : kecepatan suara di udara = 343 (m/s)

  2.3.4 Jarak Celah atau Kedalaman Penetrasi Termal ( K ) δ

  Jarak celah regenerator (stack) sangat menentukan kemampuan sistem dalam melakukan pendinginan. Jarak celah sering disebut sebagai kedalaman penetrasi adalah jarak difusi kalor melalui gas dalam selang waktu t =1/

  πf, dengan f =frekuensi gelombang akustik tegak (Swift, 1997). Jika jarak celah terlalu besar, maka gas tidak dapat memindahkan kalor secara efektif ke dan dari dinding stack. Akan tetapi, jika jarak celah terlalu berdekatan atau sempit, maka akan menghambat gerak partikel-partikel gas. Kedalaman Kedalaman penetrasi termal ( ) secara matematis dirumuskan dengan:

  K

  δ

  K

  (m) (Daniel A Russell hal 1)....................... 4 δ =

  K

  . . c . f π ρ

  p

  atau 2 . K (m) ................................................................. 5

  δ =

  K

  ω . ρ . c

  p

  dengan :

  o

  K : konduktivitas termal fluida gas (W/m

  C)

  3

  ) ρ : rapat massa fluida gas (kg/m

  o

  c p : kalor spesifik fluida gas (J/kg

  C) f : frekuensi gelombang (Hz) ω : frekuensi angular (rad/s)

  2.3.5 Koefisien Ekspansi Termal ( β)

  Koefisien ekspansi termal ( β) dihitung dengan :

  1 β = (1/K) (symko, hal 171) ............................................. 6

  T M dengan :

  T M : temperatur rata-rata (K)

  2.3.6 Perimeter Tabung ( Π)

  Perimeter tabung ( Π) dihitung dengan :

  Luas Penampang Tabung

  (m) (symko, hal 171) ............ 7 Π =

  δ

  K

  dengan : kedalaman penetrasi termal (m) δ Κ

  2.3.7 T ) Gradien Temperatur Kritis ( ∇ CRIT

  Temperatur kritis merupakan temperatur di mana tidak terjadi perpindahan panas pada stack. Jika temperatur yang diinduksikan oleh gelombang bunyi lebih besar dengan temperatur kritis stack akan berfungsi sebagai heat engine.. Jika temperatur kurang dari temperatur kritis maka stack akan berfungsi sebagai

  refrigerator.

  Gradien temperatur kritis ( T ) dihitung dengan :

  ∇ CRIT

  ∇ T = ( − 1 ). k . T (Tom Penick, hal 32) ................................ 8

  CRIT γ M

  dengan :

  γ : specific heat ratio = 1,4

  k : jumlah gelombang T M : temperatur rata-rata (K)

  2.3.8 Gradien Ratio ( Γ)

  Gradien Ratio ( Γ) dihitung dengan :

  Δ T

  x

  Δ Γ = (Tom Penick, hal 32)................................................. 9

  ∇ T

  crit

  dengan : ΔT : T H -T C (K)

  Δx : panjang regenerator (m)

  ∇ T CRIT : gradien temperatur kritis (K)

  Γ < 1 : Pendingin termoakustik (Thermoacoustic Refrigerator)

  2.3.9 Koefisien Unjuk Kerja (COP)

  Koefisien unjuk kerja (COP) dihitung dengan :

  T

  M

  COP = . Γ (symko, hal 172)..................................................... 10 Δ T

  dengan : T M : temperatur rata-rata (K) ΔT : T H -T C (K)

  Γ : gradien ratio

  2.3.10 Kerja Pendinginan (W)

  Kerja pendinginan (W) dihitung dengan :

  2

1 T . β . ω

  M W = . Π . δ k . Δ x . . Pe .( Γ − 1 ) watt (symko, hal 172) .... 11 4 . c

  ρ p dengan :

  : perimeter tabung (m) Π δ : kedalaman penetrasi termal (m)

  Κ

  : panjang regenerator (m) Δx T M : temperatur rata-rata (K)

  : koefisien ekspansi termal β

  ω : frekuensi angular (rad/s)

  

3

  ) ρ : rapat massa fluida gas (kg/m

  o

  c p : kalor spesifik fluida gas (J/kg

  C) Pe : tekanan efektif (Pa)

2.3.11 Tekanan Efektif Sistem (Pe)

  Tekanan efektif sistem dihitung dengan : P max

  Pe = (Pa) (Tom Penick, hal 2)................................(12)

  2 dengan : Pmax : tekanan maksimum (Pa)

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Diagram Alir

  Diagram alir penelitian dapat digambarkan sebagai berikut : Buku-buku literature dan jurnal- jurnal

  Pembelian dan Pembuatan Komponen alat pengujian

  Perakitan alat menjadi sistem pendingin termoakustik

  Pemasangan dan persiapan alat pengujian Trial alat pengujian

  Pengambilan data Pengolahan data

  Penulisan naskah Tugas Akhir

Gambar 3.1. Diagram alir penelitian

  3.2 Jenis Penelitian

  Penelitian yang dilakukan merupakan studi kasus dan bersifat deskriptif kualitatif, yaitu suatu penelitian terhadap obyek tertentu dan kesimpulan yang diambil hanya terbatas pada obyek yang diteliti berdasarkan hasil analisa data yang dilakukan. Dalam hal ini penelitian dilakukan terhadap unjuk kerja sistem pendingin termoakustik, perubahan temperatur sisi panas dan sisi dingin, beda temperatur sisi panas dan sisi dingin dan temperatur terendah yang dapat dicapai sistem.

  3.3 Peralatan Penelitian

Gambar 3.2 Skema alat penelitian Komponen-komponen penyusun peralatan penelitian pendingin termoakustik adalah sebagai berikut :

  1. Tabung resonator, terbuat dari bahan stainless steel dengan panjang tabung 618 mm dan diameter dalam 23 mm.

  2. Stack atau Regenerator terbuat dari lapisan film fotografi dengan panjang 35 mm dan diameter 35 mm. Dibuat dengan cara menggulung film fotografi dengan terlebih dahulu merekatkan benang-benang nylon (tali pancing) secara melintang pada jarak yang sama (gambar 3.3).

Gambar 3.3 Stack atau regenerator terbuat dari film fotografi

  (a) padangan depan (b) padangan isometri

  3. Loudspeaker, daya loudspeaker yang digunakan sebesar 100 W, 8 Ω

  4. Pembangkit gelombang, dilengkapi dengan pengatur gelombang dan frekuensi.

  5. Amplifier, berfungsi untuk mengatur daya masukkan loudspeaker dengan mengatur volume.

  6. Kompresor, digunakan untuk memberikan variasi tekanan awal sistem a b

  7. Pengukur daya, berfungsi untuk mengukur daya keluaran amplifier atau daya masukkan loudspeaker.

  8. Termokopel, dilengkapi dengan penampil termokopel berfungsi untuk mengukur temperatur pada beberapa titik. Termokopel yang digunakan adalah tipe K

  9. Pengukur tekanan, berfungsi mengukur tekanan sistem

  10. Rumah loudspeaker, berfungsi sebagai pemegang loudspeaker dan penyama tekanan sistem dengan tekanan di bawah loudspeaker.

  11. Katup, berfungsi untuk memutus dan menghubungkan sistem dengan pompa vakum dan kompresor. Katup yang digunakan adalah katup khusus tipe bola.

  12. Pipa penghubung dan perlengkapannya, meliputi pipa tembaga berdiameter 0,5 in dan sambungan L, sambungan T, sambungan luris (shock). Digunakan untuk menyalurkan fluida gas dari luar ke dalam sistem dan untuk menyamakan tekanan dalam resonator dan dalam rumah

  loudspeaker.

  13. Stop-watch, digunakan mencatat waktu setiap dua menit pada pengambilan data.

3.4 Jalannya Penelitian

3.4.1 Variabel yang Divariasikan

  1. Daya masukkan loudspeaker Variasi daya masukkan speaker dilakukan dengan mengatur volume dan mengukur tegangan keluaran amplifier pada kondisi terpasang. Daya

  2

  masukkan dihitung dengan persamaan V /R dengan R = 8 Ω. R adalah tahanan speaker .

  2. Frekuensi gelombang bunyi Frekuensi speaker divariasikan dengan menggunakan pembangkit gelombang.