TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin

  KARAKTERISTIK PENDINGIN TERMOAKUSTIK DENGAN BAHAN REGENERATOR KARDUS TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin Disusun oleh :

  Nama : Alexius Fendiardiant Panca Sakti NIM : 045214025

  CHARACTERISTIC OF THERMOACOUSTIC REFRIGERATOR WITH CARTON MATERIAL REGENERATOR FINAL PROJECT Presented as partitial fulfilment of the requirement as to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering by :

  Name : Alexius Fendiardiant Panca Sakti Student Number : 045214025

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kepada Allah Yang Maha Kuasa atas 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 ahkir merupakan studi tentang pendingin

termoakustik dengan menggunakan regenerator dari bahan kardus.

  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.

5. Bapak Ir. FX. Agus Unggul Santosa, selaku dosen pembimbing akademik.

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

  Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penelitian dan penulisan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. 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

Alexius Fendiardiant Panca Sakti

  

DAFTAR ISI

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

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

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

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

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

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

KATA PENGANTAR ....................................................................................... vii

DAFTAR ISI .......................................................................................................ix

DAFTAR LAMBANG ...................................................................................... xii

DAFTAR TABEL .............................................................................................xiii

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xv

  

INTISARI .......................................................................................................... xvii

  BAB I Pendahuluan

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

  1.2 Rumusan Masalah ............................................................................... 2

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

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

  BAB II Dasar Teori

  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 ................................................................ 14

  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

  BAB V Analisa Data dan Pembahasan

  5.1 Analisa Data dan Pembahasan ........................................................... 51

  5.1.1 Pengaruh Variasi Daya Masukkan Loudspeaker ................ 53

  5.1.2 Pengaruh Variasi Frekuensi Gelombang............................. 57

  5.1.3 Pengaruh Variasi Tekanan Awal......................................... 62

  5.1.4 Pengaruh Variasi Jarak Stack dari Tutup ............................ 65

  BAB VI Kesimpulan dan Saran

  5.1 Kesimpulan ....................................................................................... 69

  5.2 Saran .................................................................................................. 70 DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR LAMBANG

  T H Temperatur sisi panas (K) T C Temperatur sisi dingin (K) f Frekuensi gelombang (Hz) ω

  Frekuensi angular (rad/s) c Kecepatan suara di udara (m/s) K Konduktivitas termal fluida gas (W/m o

  C) ρ Rapat massa fluida gas (kg/m

  3 ) c p Kalor spesifik fluida gas (J/kg o

  C) δ Κ

  Kedalaman penetrasi termal (m) γ

  Specific heat ratio (1,4) k Jumlah gelombang Δx Panjang regenerator (m) ∇ T

  CRIT Gradien temperatur kritis (K) Γ Perimeter (1/m)

ΔΤ Βeda temperatur antara sisi panas dan sisi dingin (K)

  Π Perimeter tabung (m) Β Koefisien ekspansi termal Pe Tekanan efektif (Pa)

  

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 Data pada variasi daya dengan f = 400 Hz, P = 0 psi, Xstack =50 mm, tanpa isolasiTabel 4.7 Data pada variasi frekuensi gelombang dengan Win = 12,5 watt, P= 0 psi, Xstack= 50 mm, tanpa isolasi.Tabel 4.8 Data pada variasi tekanan awal dengan Win = 28,125 watt, f = 100 Hz, Xstack= 50 mm, tanpa isolasiTabel 4.9 Data pada variasi jarak stack dengan Win = 28,125 watt, P= 0 psi, f = 100 Hz, tanpa isolasi.Tabel 4.10 Hasil perhitungan pada Win =50watt, dengan f = 100 Hz, P =0 psi, X = 50mm.

  stack

Tabel 4.11 Hasil perhitungan pada Win =28,125 watt dengan f = 100 Hz, P = 0 psi, X stack = 50 mm.Tabel 4.12 Hasil perhitungan pada Win =19.5 watt dengan f = 100 Hz, P = 0 psi,Tabel 4.17 Hasil perhitungan f =100 Hz dengan, Win =12,5 watt, P = 0 psi, X stack = 50 mm.Tabel 4.18 Hasil perhitungan pada P = 0 psi dengan Win = 28,125 watt , f = 100 Hz, X stack = 50mm.Tabel 4.19 Hasil perhitungan pada P = 10 psi dengan Win = 28,125watt, f = 100 Hz, X

  stack = 50 mm

Tabel 4.20 Hasil perhitungan pada P =15 psi dengan Win = 28,125 watt, f = 100 Hz, X stack = 50 mm.Tabel 4.21 Hasil perhitungan pada P =20 psi dengan Win = 28,125 watt, f = 100 Hz, X stack = 50 mm.Tabel 4.22 Hasil perhitungan pada P =25 psi dengan Win = 28,125 watt, f = 100 Hz, X stack = 50mmTabel 4.23 Hasil perhitungan pada X stack = 50 mm dengan Win = 28,125 watt, P = 0 psi f = 100 Hz.Tabel 4.24 Hasil perhitungan pada X stack = 75 mm dengan Win = 28,125 watt, P = 0 psi f = 100 Hz.Tabel 4.25 Hasil perhitungan pada X stack = 100 mm dengan Win = 28,125 watt,

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Alur kerja dan perpindahan panasGambar 2.2 Grafik P-V siklus pendingin termoakustikGambar 2.3 Prinsip kerja pendingin termoakustikGambar 3.1 Diagram alir penelitianGambar 3.2 Skema alat penelitianGambar 3.3 Stack atau RegeneratorGambar 4.1 Grafik hubungan antara perubahan suhu dengan perubahan waktu pada variasi daya masukkan loudspeakerGambar 4.2 Grafik hubungan antara beda suhu dengan perubahan waktu pada variasi daya masukkan loudspeakerGambar 4.3 Grafik hubungan antara COP dengan waktu pada variasi daya masukkan loudspeakerGambar 4.4 Grafik hubungan antara kerja pendinginan dengan waktu pada variasi daya masukkan loudspeaker.Gambar 4.5 Grafik hubungan antara kerja pendinginan rata-rata dengan daya masukkan loudspeakerGambar 4.6 Grafik hubungan antara perubahan suhu dengan perubahan waktu pada variasi frekuensi gelombang bunyiGambar 4.7 Grafik hubungan antara beda suhu dengan perubahan waktu padaGambar 4.13 Grafik hubungan antara beda suhu dengan perubahan waktu pada variasi tekanan awalGambar 4.14 Grafik hubungan antara COP dengan waktu pada variasi tekanan awalGambar 4.15 Grafik hubungan antara kerja pendinginan dengan waktu pada variasi tekanan awal

  Gambar

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

Gambar 4.17 Grafik hubungan antara perubahan suhu dengan perubahan waktu pada variasi jarak stack dari tutupGambar 4.18 Grafik hubungan antara beda suhu dengan perubahan waktu pada variasi jarak stack dari tutupGambar 4.19 Grafik hubungan antara COP dengan waktu pada variasi jarak stack dari tutup

  Gambar 4.20

  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.

  Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk mengetahui karakteristik

pendingin termoakustik yaitu koefisien unjuk kerja (COP) tertinggi, kerja

pendinginan tertinggi, temperatur sisi panas tertinggi dan temperatur sisi dingin

terendah, dan beda temperatur sisi panas dan sisi dingin tertinggi.

  Penelitian pendingin termoakustik ini menggunakan speaker dengan daya

100 W, regenerator kardus dengan panjang 70 mm, tabung resonator terbuat dari

stainless steel dengan panjang 618 mm dan diameter 23 mm, pembangkit

gelombang yang dilengkapi dengan pengatur frekuensi, amplifier, pompa

(kompresor), dan gas 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 loudspeker, frekuensi gelombang

bunyi, tekanan awal sistem, jarak regenerator dari tutup.

  COP dan kerja pendinginan tertinggi yang dihasilkan pada penelitian ini

adalah 2,007 dan -0,3901 W. Temperatur tertinggi sisi panas dan temperatur

o o terendah sisi dingin berturut-turut adalah 34 C dan 27,4

  C, dan beda temperatur o tertinggi yang dihasilkan adalah 5,9 C.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

  

Kebutuhan sistem pendingin dewasa ini semakin meningkat sejalan

dengan perkembangan teknologi dan pertumbuhan penduduk. Sistem pendingin diperlukan untuk mendinginkan produk elektronik, obat-obatan, bahan kimia, bahan makanan dan sebagainya. Sistem pendingin yang ada saat ini umumnya menggunakan sistem 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 kaca yang menyebabkan pemanasan global. Refrijeran seperti R11, R12, R 115 yang merupakan refrijeran CFC halogen, adalah refrijeran yang paling

  2

tetapi, refrijeran R134a tetap memiliki potensi pemanasan global yang sangat

tinggi. Disamping menimbulkan dampak negatif pada alam, sistem 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 sistem pendingin alternatif yang banyak diteliti untuk

mengantikan misalnya sistem absorbsi, stirling dan termoakustik.

  Pendingin Termoakustik adalah sistem pendingin yang memanfaatkan

gelombang bunyi untuk menghasilkan perbedaan temperatur. Cara kerja

pendingin termoakustik memanfaatkan sifat termodinamika gas, dimana bila gas

dikompresi maka temperaturnya akan meningkat dan bila gas diekspansi maka

temperaturnya akan turun. Komponen terpenting dalam pendingin termoakustik

adalah regenerator hal ini dikarenakan gradien temperatur terjadi disepanjang

regenerator, dimana satu sisi regenerator menjadi sisi panas dan yang lain menjadi

  3

pengefisienan sistem. 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 untuk:

  1. Mengetahui koefisien unjuk kerja (COP) tertinggi.

  2. Mengetahui kerja pendinginan tertinggi.

  3. Mengetahui temperatur sisi panas tertinggi dan temperatur sisi dingin terendah

  4. Mengetahui beda temperatur terbesar antara sisi panas dan sisi dingin.

1.4 Manfaat Penelitian

  1. Hasil penelitian ini dapat memberikan tambahan pengetahuan tentang pendingin termoakustik.

  2. Hasil penelitian ini dapat dikembangkan selanjutnya sebagai sistem

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

  

Penulis menggunakan beberapa jurnal tentang pendingin termoakustik

dijadikan acuan untuk penelitian ini, yaitu :

Experimental Study and Analisis on Components of a Thermoacoustic

Refrigerator and a Thermoacoustic Prime Mover. Penelitian pendingin termoakustik dengan menggunakan daya 10 W, bahan regenarator stainless steel dan fluida kerja gas helium, menghasilkan perbedaan temperatur dan COP 0,334.

  (Nohtomi, M. & Katsuta,.M.,1999)

Table Top Thermoacoustic Refrigerator for Demonstrations. 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 temperatur terendah 15,5

  C. (Russel, A.D., & Weibull,.P.,2002)

Karakteristik Pendingin Termoakustik dengan Bahan Regenerator Film

  5

2.2 Landasan Teori

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 suhu

dan sebaliknya perbedaan suhu 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

  6

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 karena fluida yang digunakan adalah udara, helium dan 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.

  2 Kekurangan Pendingin Termoakustik

a) Membutuhkan regenerator yang besar untuk pendingin dengan kapasitas

  7

2.2.3 Pengertian Termoakustik

  Termoakustika (thermoacoustics) adalah suatu bidang yang berhubungan

dengan fenomena fisis, di mana perbedaaan suhu dapat menghasilkan gelombang

bunyi, dan sebaliknya gelombang bunyi dapat menghasilkan perbedaan suhu.

Suatu gelombang bunyi (acoustics) dalam gas umumnya dipandang sebagai

osilasi-osilasi tekanan dan gerak, padahal osilasi suhu 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 ( heat engine ) dan pendingin

termoakustik ( 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

  8 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.

  9 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

  10

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

  11 sepanjang stack, sebagian stack terletak pada posisi tekanan tinggi dan sebagian yang lain terletak pada posisi tekanan rendah.

  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.

  Pemilihan bahan regenerator harus bersifat konduktifitas bahan yang rendah, tetapi memiliki kemampuan menyerap panas yang tinggi. Hal ini dimaksudkan

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

  T : temperatur sisi dingin (K) C

  2.3.2 Frekuensi Angular ( ω ) Frekuensi angular ( ω) dihitung dengan :

  ω = π 2 . . f (rad/s) (Tom Penick, hal 2) .................................... 2 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)

  13 partikel gas. Kedalaman Kedalaman penetrasi termal ( δ

  K ) secara matematis dirumuskan dengan: (m)

  . . . f c K p K

  ρ π δ = (Daniel A Russell hal 1)....................... 4 atau

  (m) . . .

  2 p K c K

  ρ ω δ = ................................................................. 5 dengan : K : konduktivitas termal fluida gas (W/m o

  C) ρ : rapat massa fluida gas (kg/m

  3 ) c p

  : kalor spesifik fluida gas (J/kg o

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

2.3.5 Koefisien Ekspansi Termal ( β)

  Koefisien ekspansi termal ( β) dihitung dengan :

  14

  2.3.6 Perimeter Tabung ( Π) Perimeter tabung ( Π) dihitung dengan :

  (m) K

  Tabung Penampang Luas δ

  = Π (symko, hal 171) ............ 7 dengan δ

  Κ : kedalaman penetrasi termal (m)

  2.3.7 Gradien Temperatur Kritis ( ∇ T 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 refrigerator. Jika

temperatur kurang dari temperatur kritis maka stack akan berfungsi sebagai heat

engine.

  Gradien temperatur kritis ( ∇ T CRIT ) dihitung dengan : (K) . ).

  1 ( M CRIT

  T k T − = ∇ γ (Tom Penick, hal 32) ..................... 8 dengan :

  γ : specific heat ratio = 1,4

  15 dengan : ΔT : T H -T C (K)

  Δx : panjang regenerator (m) T ∇ CRIT : gradien temperatur kritis (K)

  2.3.9 Koefisien Unjuk Kerja (COP) Koefisien unjuk kerja (COP) dihitung dengan : Γ

  Δ = .

  T T COP

  M

  (symko, hal 172)..................................................... 10 dengan : T M : temperatur rata-rata (K) ΔT : T H -T C (K)

  Γ : perimeter (1/m)

  2.3.10 Kerja Pendinginan (W) Kerja pendinginan (W) dihitung dengan :

  16 : 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 :

  Pembelian dan Pembuatan Komponen alat pengujian

  Perakitan alat menjadi sistem pendingin termoakustik

  Pemasangan dan persiapan alat pengujian Pengujian alat

  Pengambilan data

  18

  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

  19 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 kardus dengan panjang 70 mm dan diameter 23 mm. Dibuat dengan cara menumpuk dan merekatkan kertas –kertas kardus dan kemudian membentuknya sehingga berbentuk silinder dengan arah lubang kanal – kanal sepanjang sumbu silinder (gambar 3.3).

  Kardus Lubang Kardus Kardus a b

Gambar 3.3 Stack atau regenerator terbuat dari kardus

  20

  

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 lurus (shock). Digunakan untuk menyalurkan fluida gas dari luar ke dalam

sistem dan untuk menyamakan tekanan dalam resonator dan dalam rumah

loudspeaker .

  21

3.4 Jalannya Penelitian

3.4.1 Variabel yang Divariasikan

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

  2 /R dengan R adalah tahanan speaker.

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

3. Tekanan awal sistem Tekanan awal sistem diatur dengan kompresor.

  4. Jarak stack dari ujung atas tabung resonator Jarak stack dari ujung atas tabung resonator divariasikan dengan megukur dan memposisikan stack dari ujung atas tabung resonator

  22

3.4.3 Langkah Penelitian

  1. Penelitian diawali dengan penyiapan alat seperti pada gambar 3.2

  2. Pengambilan data dilakukan dengan mevariasikan variabel daya masukan loudspeaker , frekuensi gelombang suara, tekanan awal sistem, jarak regenerator dari ujung atas tabung resonator dan kondisi permukaan resonator.

  3. Tiap variabel divariasikan sebanyak 4 (empat) variasi kecuali variabel tekanan awal sistem divariasikan sebanyak 5 (lima) variasi dan jarak stack dari tutup hanya divariasikan sebanyak 3 (tiga) variasi.

  4. Pada variasi salah satu variabel, variabel lainnya diatur pada salah satu harga variasi yang tetap.

  5. Data dicatat tiap 2 menit selama 30 menit

  6. Data yang dicatat adalah temperatur sisi panas, temperatur sisi dingin, temperatur sekitar, tekanan sistem, daya masukan loudspeaker, frekuensi gelombang bunyi dan waktu.

  23

3.4.4 Langkah Pengolahan dan Analisa Data

  Pengolahan dan analisa data diawali dengan melakukan perhitungan pada

parameter-parameter yang diperlukan dengan menggunakan persamaan (2) sampai

dengan persamaan (11). Analisa akan lebih mudah dilakukan dengan membuat

grafik hubungan :

  1. Temperatur sisi dingin, temperatur sisi panas, beda temperatur sisi panas- sisi dingin, koefisien unjuk kerja (COP) dan kerja pendinginan dengan waktu.

  2. Beda temperatur sisi panas-sisi dingin, COP dan kerja pendinginan dengan daya masukkan speaker.

  3. Beda temperatur sisi panas-sisi dingin, COP dan kerja pendinginan dengan frekuensi.

  4. Beda temperatur sisi panas-sisi dingin, COP dan kerja pendinginan dengan jarak regenerator

BAB IV DATA PENELITIAN DAN PERHITUNGAN

4.1 Variasi Percobaan

  Pada penelitian ini terdapat beberapa variabel yang divariasikan untuk mengetahui unjuk kerja pendingin termoakustik. Kondisi penelitian pendingin termoakustik dapat diringkas dalam tabel 4.1.

Tabel 4.1 Kondisi penelitian pendingin termoakustik Variabel Tetap Besaran Satuan

  Panjang resonator L tabung

  618 mm Diameter resonator D in tabung 23 mm Bahan resonator Stainless steel

  Fluida kerja Udara Bahan stack Kardus Panjang stack L stack 70 mm Diameter (celah) stack d gap

  1,7 mm Gelombang operasi Sinus Variabel Variasi Besaran Satuan

  Daya loudspeaker Win 12.5,19.5,28.125,50 watt

  25

  1 Variasi daya masukkan loudspeaker Variasi pertama merupakan pengaruh besar-kecilnya amplitudo terhadap

perubahan temperatur yang terjadi. Amplitudo yang divariasikan adalah mengatur

volume dan mengukur tegangan keluaran amplifier, yaitu 12,5W, 19,5W,

28,125W 50W.

Tabel 4.2 Keterangan variasi daya masukkan loudspeaker Keterangan Besaran Satuan

  Daya loudspeaker Divariasikan Watt Frekuensi gelombang 100 Hertz Tekanan Psi Jarak stack dari tutup

  50 mm

  2 Variasi Frekuensi Gelombang Bunyi Variasi kedua merupakan pengaruh besar-kecilnya frekuensi gelombang

terhadap perubahan temperatur yang terjadi. Frekuensi gelombang yang

divariasikan adalah 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 400 Hz.

  26

  3 Variasi Tekanan Awal Sistem Variasi ketiga merupakan pengaruh besar-kecilnya tekanan awal dalam

sistem terhadap perubahan temperatur yang terjadi. Tekanan yang divariasikan

adalah 0 psi, 10 psi, 15psi, 20 psi, 25 psi.

Tabel 4.4 Keterangan Variasi Tekanan Awal Sistem Keterangan Besaran Satuan

  Daya loudspeaker 28,5 watt Frekuensi gelombang 100 Hertz Tekanan Divariasikan psi Jarak stack dari tutup

  50 mm

  4 Variasi Jarak Regenerator dari Ujung Atas Tabung Resonator Variasi ketiga merupakan pengaruh besar-kecilnya jarak regenerator (stack)

dari tutup terhadap perubahan temperatur yang terjadi. Jarak yang divariasikan

adalah 50 mm, 75 mm, 100 mm.

Tabel 4.5 Keterangan variasi jarak regenarator dari atas tabung resonator

4.2.2 Data Hasil Penelitian

1 Hasil data variasi daya masukkan loudspeaker

  27.4

  31.3

  30

  20.6 18 27.9 30.9 29.9

  10.88

  27.6

  31.0

  29.8

  12.6 27.5 31.5 29.8

  15.40

  30

  31.3

  15.40

  20.6 20 27.9 30.8 29.9

  10.88

  27.6

  31.0

  29.8

  12.6 27.5 31.5 29.8

  15.42

  27.4

  31.3

  27.6

  29.8

  12.6 27.6 31.5 29.8

  27.6

  27.6

  30.8

  29.8

  12.6 27.5 31.4 29.8

  15.39

  27.5

  31.3

  30

  20.5 14 28.1 30.8 29.9

  10.88

  31.0

  20.6 22 27.8 30.7 29.9

  29.8

  12.6 27.5 31.5 29.8

  15.39

  27.6

  31.3

  30

  20.6 16 28.0 30.7 29.9

  10.88

  27.6

  31.0

  30

  27.6

  10.88

  30

  30

  20.6 28 27.8 30.7 29.9

  10.88

  27.6

  31.1

  29.8

  12.6 27.5 31.5 29.8

  15.44

  27.4

  31.4

  20.6 30 27.8 30.7 29.9

  27.4

  10.88

  27.5

  31.1

  29.8

  12.6 27.5 31.5 29.8

  15.44

  27.4

  31.3

  30

  20.6

  31.4

  15.44

  20.5 12 28.2 30.7 29.9

  31.1

  31.1

  29.8

  12.6 27.5 31.5 29.8

  15.42

  27.4

  31.3

  30

  20.6 24 27.7 30.7 29.9

  10.88

  27.6

  29.8

  12.6 27.6 31.5 29.8

  12.6 27.5 31.5 29.8

  15.42

  27.4

  31.3

  30

  20.6 26 27.8 30.7 29.9

  10.88

  27.5

  31.1

  29.8

  10.88

Tabel 4.6 Data pada variasi daya dengan f = 100 Hz, P = 0 psi, X stack = 5 mm, tanpa isolasi

  Daya 12,5W Daya 19,125 W Daya 28,5W Daya 50 W Waktu T

  o

  o

  C) (

  o

  C) (

  o

  C) volt (

  o

  C) (

  o

  C) (

  C) volt (

  o

  o

  C) (

  o

  C) (

  o

  C) volt 29.8 29.7 29.9

  10.32

  29.4

  29.5

  29.8

  C) volt (

  C) (

  15.00

  C

  C

  T

  H

  Ts

  V T

  C

  T

  H

  Ts

  V T

  T

  o

  H

  Ts

  V T

  C

  T

  H

  Ts

  V menit (

  o

  C) (

  12.5 29.6 29.9 29.8

  29.5

  31.2

  15.39

  15.00

  27.7

  31.0

  30

  20.5 8 28.6 30.8 29.9

  10.32

  27.5

  30.6

  29.8

  12.5 27.6 31.2 29.8

  27.6

  29.8

  31.1

  30

  20.5 10 28.3 30.7 29.9

  10.88

  27.5

  30.7

  29.8

  12.6 27.6 31.3 29.8

  15.39

  27.6

  12.5 27.8 31.1 29.8

  30.4

  29.4

  30

  30

  20.4 2 29.4 30.1 29.9

  10.32

  28.0

  30.2

  29.8

  12.5 28.1 30.3 29.8

  15.00

  28.1

  30.5

  20.4 4 29.3 30.7 29.9

  27.6

  10.32

  27.7

  30.2

  29.8

  12.5 28.0 31.0 29.8

  15.00

  27.9

  30.8

  30

  20.5 6 29.0 30.8 29.9

  10.32

  30

2 Hasil data variasi frekuensi gelombang bunyi

  10.88

  31.4 30.2 10 29.3 30.7 30 10 29.2 32.4 30 10.22

  28.1

  10.88

  16 28.0 30.7 29.9

  31.4 30.2 10 29.2 30.6 30 10 29.2 32.3 30 10.22

  28.2

  10.88

  14 28.1 30.8 29.9

  31.3 30.2 10 29.3 30.7 30 10 29.3 32.3 30 10.22

  28.3

  12 28.2 30.7 29.9

  10.88

  31.2 30.2 10 29.3 30.7 30 10 29.3 32.1 30 10.22

  28.4

  10.88

  10 28.3 30.7 29.9

  31.0 30.2 10 29.3 30.7 30 10 29.3 31.7 30 10.22

  28.5

  10.32

  8 28.6 30.8 29.9

  30.8 30.2 10 29.2 30.5 30 10 29.3 31.8 30 10.22

  28.7

  10.32

  18 27.9 30.9 29.9

  28.1

  30.8 30.2 10 29.3 30.2 30 10 29.4 31.4 30 10.22

  26 27.8 30.7 29.9

  31.3 30.2 10 29.3 30.6 30 10 29.2 32.4 30 10.22

  28.0

  10.88

  30 27.8 30.7 29.9

  31.3 30.2 10 29.3 30.6 30 10 29.2 32.4 30 10.22

  28.0

  10.88

  28 27.8 30.7 29.9

  31.3 30.2 10 29.3 30.6 30 10 29.2 32.4 30 10.22

  28.0

  10.88

  31.4 30.2 10 29.3 30.6 30 10 29.2 32.4 30 10.22

  31.4 30.2 10 29.3 30.6 30 10 29.2 32.4 30 10.22

  28.0

  10.88

  24 27.7 30.7 29.9

  31.4 30.2 10 29.3 30.6 30 10 29.2 32.4 30 10.22

  28.0

  10.88

  22 27.8 30.7 29.9

  31.4 30.2 10 29.3 30.6 30 10 29.2 32.4 30 10.22

  28.1

  10.88

  20 27.9 30.8 29.9

  6 29.0 30.8 29.9

Tabel 4.7 Data pada variasi gelombang dengan W in = 12,5 watt , P= 0 psi, X stack = 50mm, tanpa isolasi

  Frekuensi 100Hz Frekuensi 150Hz Frekuensi 200Hz Frekuensi 400Hz Waktu T

  H

  C) (

  o

  C) (

  o

  V menit (

  Ts

  H

  T

  C

  V T

  Ts

  T

  C) volt (

  C

  V T

  Ts

  H

  T

  C

  V T

  Ts

  H

  T

  C

  o

  o

  10.32

  o

  4 29.3 30.7 29.9

  30.6 30.2 10 29.4 30.2 30 10 29.5 31.0 30 10.22

  29.0

  10.32

  2 29.4 30.1 29.9

  30.2 30.2 10 29.9 30.1 30 10 29.9 30.1 30 10.22

  29.8

  10.32

  C) volt 29.8 29.7 29.9

  o

  C) (

  C) (

  C) (

  o

  C) volt (

  o

  C) (

  o

  C) (

  o

  C) volt (

  o

  C) (

  o