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

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
2014

i

ii

TUGAS AKHIR
KOTAK PENDINGIN
BERBASIS THERMOELECTRIC

Disusun oleh:
ANDREAS WAHYU JATMIKO
095214061

Telah disetujui oleh :

Yogyakarta, 2 April 2014

Pembimbing Utama

Ir. PK. Purwadi, M.T.

ii

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

Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si, M.Sc.
iii

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

Andreas Wahyu Jatmiko

iv

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

Andreas Wahyu Jatmiko

v

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 obatobatan 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°C dihasilkan
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.
Kata kunci: pendingin, termoelektrik
vi

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
yang tiada jemu selalu memberikan doa dan dukungan juga adik-adik dan
keponakan-keponakan yang selalu mengubah penat menjadi kegembiraan.

9.

Istriku tercinta yang selalu setia dan sabar menemaniku.

vii

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

Penulis

viii

ix

DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .......................................................................................

i

HALAMAN PERSETUJUAN .......................................................................

ii

HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................

iii

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ..................................

iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ...................

v

ABSTRAK

..................................................................................................

vi

KATA PENGANTAR ....................................................................................

vii

DAFTAR ISI ..................................................................................................

ix

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................

xii

DAFTAR TABEL ...........................................................................................

xv

DAFTAR NOTASI .........................................................................................

xvi

BAB I PENDAHULUAN ...............................................................................

1

1.1 Latar Belakang ..........................................................................................

1

1.2 Tujuan dan Manfaat ..................................................................................

5

1.2.1. Tujuan .....................................................................................................

5

1.2.2. Manfaat ...................................................................................................

6

1.3 Batasan Masalah .......................................................................................

6

BAB II

DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA ..........................

8

2.1 Dasar Teori ...............................................................................................

8

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
2.1.4.2.3 Bilangan Nusselt (Nu) ......................................................................... 19
ix

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

3.1.2 Termoelektrik ...................................................................................... ..

38

3.1.3 Heatsink fan dan coldsink fan ...............................................................

38

3.1.4 Power Supply ....................................................................................... .

40

3.1.5 Diagram Alat ....................................................................................... ..

41

3.2 Perakitan Alat .......................................................................................... ..

41

3.3 Spesifikasi Teknis .................................................................................... ..

45

BAB IV METODOLOGI PENELITIAN ....................................................

46

4.1 Alat Yang Diuji ........................................................................................ .

46

4.2 Skematik Kotak Pendingin ....................................................................... .

46

4.3 Variasi Penelitian .......................................................................................

47

4.4 Cara Pengambilan Data ............................................................................ .

48

4.4.1 Peralatan-peralatan ................................................................................ .

49

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

5.1.1 Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 1 termoelektrik ... ...........

52

x

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
DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................
LAMPIRAN ...................................................................................................

xi

68

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 2.18 UPS Digital .................................................................................

30

Gambar 3.1 Kotak Pendingin ...........................................................................

37

Gambar 3.2 Termoelektrik ...............................................................................

38

Gambar 3.3 Heatsink dan coldsink ...................................................................

39

Gambar 3.4 Fan ................................................................................................

39

Gambar 3.5 Coldsinkfan dan heatsinkfan ........................................................

40

Gambar 3.6 Adaptor .........................................................................................

40

Gambar 3.7 Diagram Alat ................................................................................

41

xii

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 4.2 Skema kotak pendingin 2 peltier ..................................................

47

Gambar 4.3 Skema kotak pendingin 3 peltier ..................................................

47

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

Gambar 5.5 Suhu udara di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu .........

55

Gambar 5.6 Suhu sisi dingin termoelektrik dari waktu ke waktu ....................

56

Gambar 5.7 Suhu sisi panas termoelektrik dari waktu ke waktu .....................

56

Gambar 5.8 Suhu beban di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu ........

57

Gambar 5.9 Suhu udara di dalam kotak pendingin dari waktu ke waktu .........

58

Gambar 5.10 Suhu sisi dingin termoelektrik dari waktu ke waktu ..................

58

Gambar 5.11 Suhu sisi panas termoelektrik dari waktu ke waktu ...................

59

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

59

Gambar 5.13 Perbandingan suhu udara di dalam kotak pendingin dari wak- ..
tu ke waktu .................................................................................

60

Gambar 5.14 Perbandingan suhu sisi dingin termoelektrik dari waku ke waktu 61
Gambar 5.15 Perbandingan suhu sisi dingin termoelektrik dari waku ke waktu 62
xiii

xiv

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

xiv

62

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

Tabel 5.3 Data hasil pengujian kotak pendingin dengan 3 termoelektrik ........

57

xv

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

q

= laju aliran kalor

watt
xvi

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

1

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

, T adalah suhu mutlak
Tf

= suhu

fluida

Tw

= suhu dinding

Ra

= bilangan rayleight

Nu

= bilangan Nusselt

°C
°C

Pr/Gr = bilangan Prandtl / Grashof

xvii

1

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.
Dalam dunia komputer, modul termoelektrik digunakan untuk mendinginkan
CPU komputer.

2

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
Perusahaan Seiko Co Ltd. memasang jam termoelektrik sejak tahun 1998 dengan
nama Seiko Thermic. Jam tangan ini memanfaatkan perbedaan suhu tubuh dan suhu
sekitarnya. Bahan yang digunakan adalah bismuth-tellurium yang mampu
menghasilkan listrik sebesar 0,2 mV/°C. Jika 1000 buah material tersebut dipasang

3

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.
Teknologi termoelektrik memiliki banyak kelebihan, di antaranya :
1) Ukuran dapat dibuat dalam skala kecil maupun besar.

4

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.
Dari beberapa kelemahan di atas mengakibatkan pendingin termoelektrik hanya
efektif pada aplikasi untuk objek pendinginan dan daya yang kecil.

5

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.
3) Memperoleh nilai temperatur udara di dalam kotak pendingin dari waktu ke
waktu.

6

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.
2) Penelitian II menggunakan 2 (dua) buah termoelektrik, sumber tegangan arus
DC (adaptor) dengan tegangan 24V 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.

7

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
berukuran 375 ml.

8

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 hasilhasil 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.
Jean Charles Peltier , seorang ilmuwan Perancis, kemudian terinspirasi untuk
melihat kebalikan dari fenomena penemuan Seebeck ini pada tahun 1834. Arus listrik

9

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.
Penelitian termoelektrik muncul kembali tahun 1990-an setelah sempat
menghilang selama hampir 5 dasawarsa karena efisiensi konversi yang tidak
bertambah. Setidaknya ada 3 alasan yang mendukung kemunculan ini. Pertama, ada
harapan besar ditemukannya material termoelektrik dengan efisiensi yang tinggi,
yaitu sejak ditemukannya material superconduktor High-Tc (ceramic) pada awal
tahun 1986 yang selama ini tidak diduga. Kedua, sejak awal 1980-an, teknologi
material berkembang pesat dengan kemampuan menyusun material tersebut dalam
level nano. Ketiga, pada awal tahun 1990-an, tuntutan dunia tentang teknologi yang

10

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
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 energi yang dihasilkan, dimana saat ini efisiensinya
masih berkisar di bawah 10 persen. Namun penelitian ini masih terus berkembang,
apalagi setelah Yamaha Co. Ltd berhasil menaikkan figure of merit sebesar 40
persen dari yang sudah ada selama ini. Spesifikasi dari modul termoelektrik dapat
dilihat pada Tabel 2.1.

11

Tabel 2.1 Katalog TEC

TYPE

Imax

Umax

(A)

(V)

COUPLES

Qomax (w)

ΔTmax(°C)

DIMENSIONS

ΔT=0

Qc=0

(mm)

Weight =27 g

R

L

W

H

TEC1-12703

3

25,7

69

40

40

4,9

3,42

TEC1-12704

4

35,6

69

40

40

4,5

3,02

TEC1-12705

5

44,5

69

40

40

4,2

2,40

55,3

69

40

40

3,8

1,98

TEC1-12706

6
127

15,4

TEC1-12707

7

62,2

69

40

40

3,6

1,70

TEC1-12708

8

71,1

69

40

40

3,4

1,50

TEC1-12709

9

80,1

69

40

40

3,4

1,35

TEC1-12710

10

88,9

69

40

40

3,2

1,08

2.1.3. Prinsip Kerja Termoelektrik
Prinsip kerja pendingin termoelektrik berdasarkan efek peltier, yaitu ketika arus
DC dialirkan ke elemen peltier yang terdiri dari beberapa pasang sel semikonduktor
tipe p (semikonduktor yang mempunyai tingkat energi yang lebih rendah) dan tipe n
(semikonduktor dengan tingkat energi yang lebih tinggi), akan mengakibatkan salah
satu sisi elemen peltier menjadi dingin (kalor diserap) dan sisi lainnya menjadi panas
(kalor dilepaskan). Hal yang menyebabkan sisi dingin elemen peltier menjadi dingin
ádalah mengalirnya elekton dari tingkat energi yang lebih rendah pada
semikonduktor tipe p ke tingkat energi yang lebih tinggi yaitu semikonduktor tipe n.
Supaya elektron tipe p yang mempunyai tingkat energi yang lebih rendah dapat
mengalir maka elektron menyerap kalor yang mengakibatkan sisi tersebut menjadi
dingin. Sedangkan pelepasan kalor ke lingkungan terjadi pada sambungan sisi panas,
dimana elektron mengalir dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang
lebih rendah.

12

Gambar 2. 1 Modul Termoelektrik

Gambar 2.2 Skema aliran peltier
(gambar diambil dari edge.rit.edu)
Seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1 dan Gambar 2.2, penyerapan kalor dari
lingkungan terjadi pada sisi dingin kemudian dibuang pada sisi panas dari modul

13

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.

Gambar 2.3 Arah aliran elektron pada modul termoelektrik
(sumber : www.bkbelektrocnics.com)

14

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
dikenal dengan Hukum Fourier, yaitu :
𝒒 = −𝒌. 𝑨

𝐓𝟐 −𝐓𝟏
∆𝐱

= = 𝒌. 𝑨

𝐓𝟏−𝐓𝟐
∆𝐱

=

𝚫𝐓

(2.2)

𝐑𝐭

Untuk mencari nilai tahanan termal dari suatu material padat digunakan
persamaan (2.3).
RT=

Δx

(2.3)

kA

Pada persamaan (2.2) dan (2.3) :
q

= laju aliran kalor

(watt)

k

= konduktivitas thermal

(W/m.C)

15

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
Dengan persamaan (2.2) kita dapat melaksanakan pengukuran dalam percobaan
untuk menentukan konduktivitas termal berbagai bahan. Untuk gas-gas pada suhu
yang agak rendah, pengolahan analisis teori kinetik gas dapat dipergunakan untuk
meramalkan secara teliti nilai – nilai yang diamati dalam percobaan.

16

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.
Tabel 2.2 Nilai Konduktivitas Termal, Kalor Jenis, Massa Jenis beberapa bahan (J.P.
Holman, 1995, hal. 8)
Konduktivitas

Kalor

Massa

Termal

Jenis

Jenis

k

Cp

ρ

W/m˚C

J/kg˚C

kg/m3

Perak (murni)

410

234

10470

Tembaga (murni)

385

383,1

8900

Al (murni)

202

896

2700

Nikel (murni)

93

445,9

8890

Besi (murni)

73

452

7840

Baja Karbon 1 % C

43

473

7830

Kuarsa

41,6

820

Magnesit

4,15

1130

1730

Batu Pasir

1,83

710

1500

Kaca

0,78

880

2300

Kayu maple

0,17

240

721

Air Raksa

8,21

1430

Air

0,556

4225

1000

H

0,175

14314

70,7

He

0,141

5200

146,2

Udara

0,024

1005

1141

Uap air jenuh

0,0206

2060

Bahan

Logam

Bukan
Logam

Zat cair

Gas

17

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 )
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)

Gambar 2.5 Laju Perpindahan Kalor Konveksi

(2.4)

18

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

(2.5)

ν²

Pada persamaan (2.5)
g

= percepatan gravitasi (m/s²),

L

= dimensi karateristik (m)

𝑣

= viskositas kinematik (m2/s)

β

1

= koefisien ekspansi volume (𝐾 −1 ) = ν (δν/δ1), µ = 1/T (khusus gas ideal),
, T adalah suhu mutlak,

Tf

= suhu

fluida (C)

Tw

= suhu dinding (C)

Tw +Tf
2

19

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∞ 𝐿3
𝜈2

Pada persamaan (2.6)

. 𝑃𝑟

(2.6)

Pr = bilangan Prandtl
Gr = bilangan Grashof
2.1.4.2.3. Bilangan Nusselt (Nu)
Untuk konveksi bebas pada plat vertikal dengan temperatur dinding seragam
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.𝑅𝑎 ¼
[1+

0,492
Pr

9
16

(2.7)

4

] 9

Sedangkan untuk daerah turbulen yang berlaku pada jangkauan 10ˉ¹