PENGARUH LOKASI PENUKAR PANAS COLD HEAT

Proseding Seminar Nasional Fisika dan Aplikasinya
Sabtu, 21 November 2015
Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
PENGARUH LOKASI PENUKAR PANAS COLD HEAT
EXCHANGER TERHADAP KINERJA SISTEM PENDINGIN
TERMOAKUSTIK STACK BAHAN ORGANIK GAMBAS
PUTRI E.K.N. *, CANDRARESITA A.F., ACHMADIN W.N,
SETIAWAN I., SETIO UTOMO A.B.
Prodi Fisika,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada
Bulaksumur, BLS 21, Yogyakarta 55281
Abstrak. Telah dilakukan penelitian mengenai pengaruh lokasi penukar panas yang
bertujuan untuk meningkatkan kinerja sistem pendingin termoakustik. Sistem
pendingin termoakustik terdiri dari loudspeaker 10 inch dengan daya input listrik
sebesar 80 W dan 90 W, resonator bahan PVC (Polyvinyl Chloride) sepanjang 80 cm
dengan diameter 5,25 cm, dan stack bahan gambas setebal 6 cm. Lokasi penukar panas
divariasikan mulai dari 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm, dan 35 cm diukur dari
loudspeaker. Pada daya input listrik 80 W dan 90 W didapatkan lokasi penukar panas
Cold Heat Exchanger optimum yaitu jarak 35 cm dari sumber bunyi loudspeaker,
dengan penurunan suhu pada tandon dingin masing-masing sebesar 7 oC dan 7,2 oC.
Hasil ini sesuai dengan perhitungan COPc (Carnot Coefficient of Performance) yang
memberikan nilai COPc paling kecil pada daya input tersebut.
Kata kunci : gambas, penukar panas, dan termoakustik
Abstract. The location effect of Heat Exchangers on the performance thermoacoustic
reffrigerator engine has been conducted. A thermoacoustic refrigerator engine consist
of a 10 inch loudspeaker with power input of 80 W and 90 W, a length of PVC tube
resonator is 80 cm with 5,25 cm of diameter, and 6 cm thick of stack from gambas. The
location Heat Exchanger varied from 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm, untill 35 cm to
loudspeaker. At power input is 80 W and 90 W, optimum location Cold Heat
Exchanger are shown at a distance of 35 cm from loudspeaker, with reducing
temperature at Cold Heat Exchanger as 7 oC dan 7,2 oC, respectively. This result be in
mutual accord with calculation of COPc (Carnot Coefficient of Performance) which
generate the smallest COPc’s value for the power input.
Keywords : gambas, heat exchanger, and thermoacoustic
1. Pendahuluan
Termoakustik merupakan gabungan bidang ilmu termodinamika dan akustika
untuk menggambarkan interaksi antara suhu dan bunyi. Penjelasan secara
kualitatif mengenai termoakustik dimulai oleh Rayleigh pada tahun 1887 dalam
bukunya “The Theory of Sound”, sedangkan penjelasan secara matematis dimulai
oleh Rott pada tahun 1980. Prinsip termoakustik berdasar dari asumsi pada
gelombang bunyi yang merambat tidak hanya adanya osilasi tekanan, namun
terdapat osilasi panas. Pada umumnya percakapan sehari-hari terdapat osilasi
panas, namun tidak terdeteksi disebabkan panas yang ditimbulkan sebesar  10-4
C [1].
*
email : [email protected]
FE-37
FE-38
Putri E.K.N, dkk
Adapun komponen utama dalam sistem termoakustik adalah stack. Daya
pendinginan bergantung terhadap kontak termal jarak dinding-dinding stack.
Efisiensi yang optimum dipengaruhi oleh lokasi stack dengan jarak sekitar
dari ujung resonator [2]. Hal tersebut disebabkan pada lokasi tersebut memiliki
nilai impedansi akustik yang besar, yaitu dekat dengan titik simpul tekanan pada
gelombang berdiri. Selain itu bahan stack harus memiliki konduktivitas termal
yang rendah [3].
Siklus aliran panas dalam stack terdiri dari empat langkah, yaitu dua proses
adiabatik dan dua proses isobarik seperti yang ditampilkan pada Gambar 1 [4].
Proses adiabatik yang pertama (langkah 1) adalah kompresi paket gas oleh
gelombang bunyi. Paket gas terdorong ke kanan sehingga volume mengecil akibat
tekanan yang besar dan tidak ada perpindahan panas. Suhu paket gas menjadi
lebih tinggi dibandingkan dengan suhu dinding stack sehingga terjadi perpindahan
panas dari paket gas ke dinding stack (langkah 2). Proses adiabatik yang kedua
(langkah 3) adalah ekspansi paket gas oleh regangan dari gelombang bunyi. Paket
gas bergerak ke kiri sehingga tekanan yang dialami paket gas berkurang dan
volume paket gas kembali meregang. Adanya peregangan tersebut, suhu paket gas
menjadi lebih kecil dari suhu dinding stack, sehingga terjadi perpindahan panas
dari dinding stack ke paket gas (langkah 4).
Gambar 1. Interaksi paket gas dengan dinding stack pada pendingin termoakustik [4].
2. Metode Penelitian
Pada penelitian ini digunakan tabung resonator bahan PVC (polyvinyl chloride)
sepanjang 80 cm dengan diameter 5,25 cm yang dihubungkan dengan sumber
bunyi loudspeaker Hertz ES 250 Subwoofer berkemampuan maksimal 500 watt.
CHX (Cold Heat Exchanger) berukuran (10,8  8  4,2) cm diletakkan 61 cm dari
loudspeaker yang biasa disebut dengan tandon dingin, sedangkan HHX (Hot Heat
Exchanger) berukuran (11  8  4) cm diletakkan 13 cm dari ujung resonator sisi
lainnya yang biasa disebut dengan tandon panas. Penukar panas (CHX dan HHX)
dibuat dari (53) pipa tembaga dan (29 untuk HHX; 38 untuk CHX) pelat tembaga
yang disusun menjadi jenis finned tubular Heat Exchanger kemudian dilapisi kaca
acrylic (Polymethyl methacrylate). CHX dialiri air dengan menggunakan pompa
Halico Submersible Pump HC-188 yang diatur tegangan input listrik sebesar
125 V sedangkan HHX dialiri dengan menggunakan pompa Whale 812 Power
Liquid Filter tegangan input listrik 220 V.
Pengaruh Lokasi Penukar Panas Cold Heat Exchanger Terhadap Kinerja.....
FE-39
Lokasi CHX pada tandon dingin berjarak 15 cm dari loudspeaker yang kemudian
divariasi lokasi 20 cm, 25 cm, 30 cm, dan 35 cm dari loudspeaker. Masingmasing lokasi tersebut dioperasikan dengan daya input listrik 80 W dan 90 W.
Stack yang digunakan terbuat dari bahan gambas. Keunggulan dari bahan tersebut
adalah kemudahan dalam mencari dan relatif murah. Stack ini disusun setebal 6
cm yang kemudian diletakkan berdampingan dengan HHX. Stack berfungsi
sebagai tempat osilasi transfer panas seperti yang ditampilkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Sistem pendingin termoakustik
Pengukuran suhu antara tandon panas dan tandon dingin dilakukan dengan
menggunakan sensor suhu LM-35 sebanyak dua buah, sebuah untuk tandon panas
dan sebuah untuk tandon dingin yang kemudian terhubung data logger dan
perangkat lunak TcDAS (Thermoacoustic DAS) pada komputer sehingga
fenomena termoakustik dapat diamati.
Adapun untuk menghitung COPc (angka kerja Carnot) menggunakan persamaan
sebagai berikut
COPC 
TC
TH  TC
(1)
3. Hasil dan Pembahasan
Perbandingan penurunan suhu dingin dengan waktu terhadap lokasi berbeda
dengan daya input listrik 80 W ditunjukkan pada Gambar 3 (a). Kenaikan
penurunan suhu pada detik ke-2340 disebabkan oleh HHX yang yang telah dialiri
air. Namun setelah beberapa saat kemudian terjadi pemanasan terhadap sistem
yang mengakibatkan penurunan suhu menjadi menurun sehingga pengaliran air
pada CHX diperlukan.
Dalam penelitian ini CHX belum berfungsi dengan baik, disebabkan penurunan
suhu dingin yang dihasilkan aliran air pada CHX tidak seperti hasil penurunan
pada HHX. Pada detik ke-7200, suhu dingin pada sistem mengalami keadaan
steady state, dan diperoleh bahwa pada lokasi 35 cm menghasilkan penurunan
suhu dingin yang optimum, yaitu 7 oC.
Hasil pada daya input listrik 90 W juga ditampilkan pada Gambar 3 (b). Terlihat
bahwa pada detik ke-7200 bahwa lokasi 15 cm, 25 cm, dan 35 mengalami
FE-40
Putri E.K.N, dkk
kenaikan penurunan suhu yang menandakan CHX berfungsi dengan baik. Dapat
disimpulkan bahwa selisih penurunan suhu dingin pada lokasi 35 cm dengan daya
input listrik 90 W lebih besar dibandingkan daya input listrik 80 W.
Gambar 3. Pengaruh lokasi penukar panas CHX terhadap penurunan suhu dingin dengan daya
input listrik (a) 80 W dan (b) 90 W.
Penelitian ini pun juga perlu dibandingkan dengan nilai COPc untuk mengetahui
perbandingan antara teori dengan hasil eksperimen. Berdasarkan hasil perhitungan
COPc, lokasi CHX 35 cm dari sumber bunyi loudspeaker menghasilkan nilai
COPc terkecil, baik untuk daya masukan 80 W maupun 90 W. Kurva untuk daya
input listrik 80 W berbentuk sinusoidal, sedangkan kurva untuk daya input listrik
90 W hampir menunjukkan linear, titik terendah keduanya terdapat pada lokasi
CHX 35 cm dari sumber bunyi loudspeaker. Oleh karena COPc terkecil dihasilkan
dari variasi lokasi CHX 35 cm dari sumber bunyi loudspeaker, maka jarak
optimum CHE dari loudspeaker adalah 35 cm yang merupakan jarak terjauh
dalam penelitian ini. Pada Gambar 4 ditunjukkan bahwa untuk daya masukan 90
W kurva COPc terus turun, sehingga tidak menutup kemungkinan jika CHX
diletakkan lebih jauh dari loudspeaker (mendekati stack).
Pengaruh Lokasi Penukar Panas Cold Heat Exchanger Terhadap Kinerja.....
FE-41
Gambar 4. Pengaruh lokasi penukar panas CHX dan daya input listrik terhadap COPc
4. Kesimpulan
Didasarkan uraian di atas, didapatkan beberapa kesimpulan bahwa sumber panas
muncul akibat adanya aliran balik panas secara konduksi di dalam stack dan
efisiensi sumber bunyi loudspeaker yang rendah sehingga menyebabkan sinyal
masukan lebih banyak yang diubah menjadi energi panas. Penggunaan HHX dan
CHX berfungsi untuk membuang panas. Berdasarkan hasil yang diperoleh jarak
optimum lokasi CHX adalah 35 cm dari sumber bunyi loudspeaker, dengan
mampu menurunkan suhu pada tandon dingin 7 C dan 7,2 C pada daya input
listrik 80 W dan 90 W. Nilai COPc pada lokasi tersebut sangat kecil, yaitu 34,53
dan 32,64 pada daya input listrik 80 W dan 90 W. Sehingga baiknya kinerja
pendingin termoakustik ditandai dengan perolehan nilai COPc yang kecil. Perlu
dilakukan penelitian lebih lanjut dengan lokasi CHX yang lebih jauh dari 35 cm
dari sumber bunyi loudspeaker dengan daya input listrik lebih dari 90 W.
Ucapan terima kasih
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Jurusan Fisika dan Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Gadjah Mada yang
telah memberikan dukungan finansial untuk pelaksanaan penelitian ini.
Daftar Pustaka
1. I. Girgin, dan M. Türker, Thermoacoustic Systems as an Alternative to
Conventional Coolers, Journal of Naval Science and Engineering, Vol.8, No.1,
(2012) pp.14-32.
2. G. W. Swift, Thermoacoustic Engines, J. Acoust. Soc. Am. 84, (1988) 11451180.
3. G. W. Swift, Thermoacoustic engine dalam Encyclopedia of Acoustics, editor
M. J. Crocker, Wiley, New York, (1997) 695-701.
4. P. H. M. Wilhelmus, Mathematical Aspects of Thermoacoustics, PhD Thesis,
Technische Universiteit Eindhoven, The Netherlands, 2009.