studi penggunaan modul thermoelektrik sebagai

Vol. 1, No.1 Mei 2016
ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin
e-ISSN:2502-8944
STUDI PENGGUNAAN MODUL THERMOELEKTRIK SEBAGAI SISTEM
PENDINGIN PORTABLE
Jenny delly,ST.MT, Muhammad Hasbi,ST.MT, Indra fitra alkhoiron
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Halu Oleo, Kendari
E-mail: [email protected]
Abstrak
Pada sistem refrigrasi dan tata udara, belakangan ini telah dikenal teknologi pendinginan atau pemanasan termoelektrik.
Termoelektrik merupakan sumber alternatif utama dalam menjawab kebutuhan energi tersebut. Tujuan dari penelitian
ini untuk merancang sebuah alat box pendingin mini yang menggunakan alat portabel yang tersusun dari kipas, heatsink
dan elemen peltier. mengetahui prinsip kerja dari sistem pendingin serta penurunan temperatur ruang pendingin yang
dihasilkan oleh elemen peltier dan mengetahui pengaruh variasi laju aliran pada pipa kapiler terhadap perubahan
temperature didalam box pendingin thermoelektrik. Penelitian ini difokuskan untuk merancang dan menguji pendingin
thermoelektrik dengan variasi input daya pada pompa untuk beban 150 gr buah jeruk. Hasil pengujian diperoleh
besarnya kalor yang diserap sebesar 0,1524 Watt dari jumlah panas total sebesar 3,165 watt. Pada saat pemberian daya
listrik pada pompa sebesar 9 W selama 45 menit, temperatur dalam box adalah 22 oC dari suhu awal 31 oC..
Termoelektrik yang digunakan adalah TEC 1-12706 yang mampu mencapai temperatur 5ºC. Accumulator yang
digunakan pada sistem menggunakan accumulator merek GS 12V 70 Ah. Hasil pengujian ini menyimpulkan bahwa
temperatur dalam box turun 8ºC pada penggunaan daya listrik 9 W
Katakunci: kotak pendingin, termoelektrik, styrofoam
Abstract
The refrigeration and air-conditioning system, thermoelectric cooling or heating technology have recently been
recognized. Thermoelektric is a primary alternative source in energy needs. To the effect from observational it to
design one box's tool mini coolant that utilize graded portable tool from fan, heatsink and peltier's element.
knowing job principle from coolant system and cold storage temperature decrease that resulting by peltier's
element and knows streaming fast variation influence on capillary tube to temperature's change at in box
thermoelektrik's coolant. This research is focused to design and tests thermoelektrik's coolant with input
variation energis on pump for charges 150 gr oranges. Examination result gotten to outgrow its kalor that
permeated as big as 0,1524 Watts from total heat amount as big as 3,165 watts . Upon electricity application
on pumps as big as 9 w up to 45 minutes, temperature in box is 22 o C from start temperature 31 o C..
termoelektrik who is utilized is TEC 1 12706 ones can reach 5ºC's temperatures. Accumulator who is
utilized on system utilizes accumulator GS's brand 12V 70 Ah. Usufruct this examination concludes that
temperature in box goes down 8ºC on electricity purpose 9 w.
Keywords: coolbox, thermoelectric, styrofoam
Pendahuluan
Latar belakang
Salah satu kesulitan masyarakat yang tinggal di daerah
perkotaan adalah mendapatkan kesegaran buah atau
sayuran di pasar atau pusat perbelanjaan lainnya. Itu
dikarenakan sebagian besar buah dan sayuran yang ada
di daerah perkotaan disuplay dari daerah perdesaan,
sehingga kualitas kesegarannya berkurang atau hilang
pada saat penyuplaian yang mungkin memakan waktu
seharian atau bahkan sampai dua hari perjalanan.
Dengan menurunkan suhu suatu produk, aktivitas enzim
dan mikroba yang ada akan berkurang, sehingga
penurunan mutu atau kerusakan dapat dihambat pada
buah-buahan atau sayur-sayuran. Dengan cara tersebut
50
Vol. 1, No.1 Mei 2016
ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin
e-ISSN:2502-8944
jangka waktu penyimpanan atau daya tahan dapat
ditingkatkan. Permasalahan yang ada saat ini adalah
kurangnya pendingin portable yang dapat digunakan
oleh masyarakat untuk mendinginkan bahan makanan.
Pada sistem refrigerasi dan tata udara, belakangan ini
telah dikenal teknologi pendinginan termoelektrik.
Termoelektrik merupakan sumber alternatif utama
dalam menjawab kebutuhan energi tersebut. Kotak
pendingin merupakan salah satu alat pendingin yang
menggunakan sistem pendingin termoelektrik. Tujuan
rancang bangun ini adalah untuk merancang kotak
pendingin termoelektrik yang efisien untuk digunakan
pedagang minuman dibandingkan dengan penggunaan
kotak pendingin es batu beserta komponen penyusun
dan juga ketahanan material yang digunakan kotak
pendingin. Dalam melakukan rancang bangun akan
dilakukan
pemakaian
styrofoam
yang sering
digunakan pedagang minuman. Berdasarkan masalah
tersebut maka dibuatlah sebuah penelitian tugas akhir
yang
berjudul
“Studi
Penggunaan
Modul
Thermoelektrik Sebagai Sistem Pendingin Portable”
dengan beberapa komponen penunjang seperti heatsink
dan kipas dalam merekayasa sistem pendingin.
ujung yang lain”. Demikian pula menurut Bayu (2008)
menyatakan, “Termoelektrik memiliki aplikasi dalam
hal apapun yang menggunakan sumber panas sebagai
penghasil listrik. Secara sederhana, termoelektrik
adalah suatu pembangkit yang menggunakan elemen
peltier yang mengubah energi termal menjadi energi
listrik (elektrik). Hal ini didasari pada efek seebeck.
Ketika perbedaan temperatur terjadi, elemen peltier ini
akan menggalirkan arus sehingga menghasilkan
tegangan”. Dari kedua uraian tersebut dapat
disimpulkan bahwa efek seebeck merupakan prinsip
kerja dari termoelektrik yang dapat dimanfaatkan
sebagai energi alternatif.
Deddy Reza Dwi Prayudatama dalam tugas
akhir terdahulu dengan judul “perpindahan panas
Heatsink disisi panas thermoelektrik TEC 12706 dengan
daya 22,4 Watt” menggunakan Box yang terbuat dari
cork dan acrylic sebagai bahan pelapis dalam box serta
menggunakan satu buah peltier dalam waktu dua jam
menghasilkan suhu terendah dalam box sebesar 10C.
Pustaka Terdahulu
Mesin pendingin merupakan mesin yang
berfungsi untuk memindahkan panas dari lingkungan
bersuhu rendah ke lingkungan bersuhu tinggi. Mesin
pendingin dapat dibayangkan sebagai mesin kalor yang
beroperasi secara terbalik (Young, 2002). Rasio antara
Qoutput/W, disebut sebagai Koefisien Kinerja (K).
Semakin besar rasio ini, semakin baik pendinginnya.
Salah satu mesin pendingin adalah refrigerator atau
kulkas. Komponen refrigerator terdiri dari kompresor,
kondensor, evaporator, pipa kapiler atau katup eskpansi,
filter, thermostat, heater, dan kipas.
Pengaruh penambahan elemen peltier terhadap
kemampuan menjaga temperature penyimpanan vaksin
dengan berbahan dasar PVC. Penelitian ini
menyimpulkan bahawa suhu vaksin dapat dipertahankan
dengan memberikan daya listrik 72 watt. (Ishak
limbong, 2014)
Pada tahun 1822, Thomas Johann Seebeck
menemukan bahwa gaya gerak listrik (ggl) dapat
tercetus diantara dua sambungan logam yang berbeda
dan berada pada temperatur yang berlainan” (Reynolds
dan Perkins, 1996:322). Pada percobaannya, Ia
menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah
rangkaian. Di antara kedua logam tersebut lalu
diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam tersebut
dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Kemudian
diketahui, hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi
pada logam yang menimbulkan medan magnet. Medan
magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas.
Fenomena tersebut kita kenal dengan efek Seebeck.
Terdapat suatu elemen elektrik yang dikenal
sebagai elemen peltier yang dapat berfungsi sebagai
pompa kalor. Komponen ini banyak digunakan sebagai
pendingin, misalnya dispenser, pendingin processor
komputer dan lainnya. Elemen peltier mempunyai
bentuk yang compact dan dapat diaplikasikan dengan
daya yang relatif kecil (sugiyanto, 2008).
Muhaimin (1993) menyatakan “Prinsip kerja
dari termoelektrik adalah dengan berdasarkan Efek
Seebeck yaitu jika dua buah logam yang berbeda
disambungkan salah satu ujunganya, kemudian
diberikan suhu yang berbeda pada sambungan, maka
terjadi perbedaan tegangan pada ujung yang satu dengan
Mesin pendingin
Pendingin Thermoelektrik
Prinsip kerja termoelektrik adalah berdasarkan
efek Seebeck, yaitu ketika arus DC dialirkan keelemen
Peltier yang terdiri dari beberapa pasang semikonduktor
tipe p (yaitu semikonduktor yang mempunyai tingkat
energi yang lebih rendah) dan tipe n (yaitu
semikonduktor dengan tingkat energi yang lebih tinggi)
akan menyebabkan salah satu sisi elemen Peltier
menjadi dingin (kalor diserap) dan sisi lain menjadi
panas (kalor dilepas) dan sebaliknya jika arah arus
dibalik. Elektron yang mengalir dari semikonduktor
tipe-p kesemikonduktor tipe-n menyebabkan sisi dingin
elemen Peltier menjadi dingin.
51
Vol. 1, No.1 Mei 2016
ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin
e-ISSN:2502-8944
media
penyerap
kalor,
teknologi
pendingin
termoelektrik relatif lebih ramah lingkungan, tahan lama
dan dapat digunakan dalam skala besar dan kecil
Perbedaan suhu antara kedua bagian adalah
sekitar 30 derajat celcius. Sehingga apabila bagian Hot
Side bersuhu 45 derajat C maka Cool Side akan bersuhu
sekitar 15 derajat jadi semakin dingin Hot Side maka
Cold Side akan semakin dingin pula dan bisa sampai
dibawah 0 derajat celcius.
Gambar 1 gambar aliran elektron dari tipe P ke tipe N
Penyerapan kalor dari lingkungan terjadi pada
sisi dingin lalu dibuang pada sisi panas dari modul
Peltier. Sehingga nilai kalor yang dilepaskan pada sisi
panas akan sama dengan nilai kalor yang diserap
ditambah dengan daya yang diberikan kemodul.
Sebagai pompa kalor, modul termoelektrik
akan menyerap kalor dari salah satu sisinya dan
dialirkan ke sisi lainnya. Pada pendingin termoelektrik
hal ini yang akan menjadi kunci bagi kita untuk
mencapai temperatur yang lebih rendah pada sisi dingin
modul. Mengalirkan kalor dari sisi panas secara alami,
tanpa bantuan alat tambahan bukanlah ide yang baik
pada pendingin termoelektrik apabila target kita ingin
mendapatkan temperatur sisi dingin yang lebih rendah.
ada beberapa alat yang digunakan untuk membantu
mengalirkan kalor dari sisi panas modul yaitu Heatsink
dan fun (kipas)
Elemen Peltier
Elemen peltier atau pendingin termoelektrik
(thermoelectric cooler) adalah alat yang dapat
menimbulkan perbedaan suhu antara kedua sisinya jika
dialiri arus listrik searah pada kedua kutub materialnya,
dalam hal ini semikonduktor. Keramik Peltier atau lebih
dikenal dengan lempengan Peltier adalah lempengan
berbahan dasar keramik yang memiliki fungsi sangat
unik.
Peltier ini adalah modul Thermo-Electric,
umumnya dibungkus oleh keramik tipis yang berisikan
batang-batang Bismuth Telluride di dalamnya. Ketika
disupply tegangan DC 12volt-15volt salah satu sisi akan
menjadi panas dan sisi lainnya menjadi dingin.
Mengapa bisa begitu? karena Peltier memiliki 2 bagian
yang berbeda, yakni :
1.
Cool Side (Heat Absorbed) yang bekerja
menyerap kalor (panas) sehingga bagian ini merupakan
lempengan yang dingin
2.
Hot Side (Heat Released) yang bekerja
melepas kalor (panas) sehingga bagian ini merupakan
lempengan panas
Pendingin thermoelektrik merupaakan solid
state technology yang bisa menjadi alternatif teknologi
pendingin selain sistem vapor compression yang masih
memanfaatkan refrijeran. Dibandingakn dengan
teknologi kompresi uap yang menggunakan uap sebagai
Gambar 2 Peltier
Kalor yang diserap mesin pendingin
Kalor yang diserap merupakan jumlah panas
yang diserap oleh mesin pendingin untuk mendinginkan
suatu ruangan .dapat dihitung menggunakan rumus
sebagai berikut :
Keterangan :
Q = Kalor yang diserap (Kcal)
m = berat dari produk yang didinginkan (kg)
Cp= panas jenis dari produk di atas titik beku (Kcal/kg
0
C)
ΔT= perubahan temperaturair (0C)
Kalor yang dilepas beban pendingin
Beban pendinginan merupakan jumlah panas
yang dipindahkan oleh suatu sistem pendingin. Beban
pendinginan total merupakan jumlah beban pendinginan
suatu ruang. Beban ruang tiap jam dipengaruhi oleh
perubahan temperatur udara luar, perubahan efek
penyimpanan panas pada struktur/dinding bagian luar
wadah pendingin.
1. Field heat (Q)
Beban kalor yang dibawa oleh produk yang akan
didinginkan atau disimpan:
Dimana:
Q = jumlah panas (Kcal)
m = berat dari produk yang didinginkan
(kg)
Cp= panas jenis dari produk diatas titik
beku (Kcal/kg 0C)
ΔT= perubahan temperaturruangan (0C)
2. Kalor Jenis buah jeruk
52
Vol. 1, No.1 Mei 2016
ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin
Kalor jenis (cp), merupakan banyaknya kalor (Q), yang
dibutuhkan untuk menaikkan temperatur (T), dan satu
satuan massa (m). Kalor jenis buah jeruk(cp) secara
umum adalah = 1.96 Kj/Kg K.
3. Beban panas luar
Beban panas dari luar adalah panas yang mengalir
karena adanya perbedaan temperatur udara luar dan
dalam coolbox itu sendiri. Oleh karena itu diguanakan
insulasi guna meminimalisir aliran panas.
Besarnya beban panas dari luar dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
Q = A . U . ∆t
Keterangan :
Q
= Jumlah panas yang dipindahkan
(Watt)
A
= Luas Permukaan (m2)
U
= Angka koefisien perpindahan panas
(Watt/ m2.0C)
∆t
= Perbedaan temperatur (0C)
Harga koefisien perpindahan panas total (U)
dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai
berikut:
=
Keterangan:
U
⋯
= Harga koefisien perpindahan
panas [Watt/m2.oC]
k1,k2,..kn
= Konduktivitas thermal material
[Watt/m.oC]
x
= Tebal material [m]
1
= Koefisien lapisan udara bagian
Dalam [Watt/m2.oC]
Nilai 1 adalah 1,65 BTU/h = 9,27 Watt/m2.oC
0= Koefisien lapisan udara bagian luar [Watt/cm2.oC]
Nilai 0 adalah 4 BTU/h = 22,7 Watt/m2.oC
Hasil dan Pembahasan
Spesifikasi dan Data awal Pengujian
Pendingin Termoelektrik yang digunakan pada
coolbox adalah terrmoelektrik dengan tipe TEC112706 , dengan keterangan sebagai berikut:
Size
: 40 x 40 x 3.8 mm
Internal resistance
: 1.98 Ohm +/- 10%
Imax.
: 6.0 A
Vmax.
: 15.4 V
Qmax.
: 53.3W
tmax
: 68 degree
Maximum. Compress
: 1Mpa
Elemen peltier yang digunakan adalah:
Panjang tiap elemen
= 1 cm
Diameter tiap elemen
= 0,5 cm
Temperatur hot junction
= 31 0 C = 304 K
0
Temperatur cold junction = 22 C = 295 K
e-ISSN:2502-8944
Ukuran elemen termoelektrik adalah sebagai
berikut:
Kekuatan termoelektrik
= 0,00021 V/K
Koefisien termal dari couple
= 0,015 W/cm. K
Tahanan listrik
= 0,001 ohm cm
Hubungan tahanan listrik = 0,0001 ohm-cm2
1. Luas penampang elemen (A)
Menggunakan persamaan sebagai berikut:
Diketahui: d = 0,5 cm
Maka:
3,14 . (0,5)
=
4
= 0,196 cm2
2. Tahanan listrik
Untuk menghitung tahanan listrik dapat
digunakan persamaan sebagai berikut:
Diketahui: L = 1 cm, A = 0,196 cm2,
ρ = 0,001 Ohm cm
r = 0,0001 ) Ohm cm2
Maka:
= 2 0,001.
,
+
. ,
,
= 2 (0,005 + 0,001) = 0,012 Ohm
3. Konduktifitas thermal
Konduktivitas termal dari dua material yang
berbeda dapat dihitung dengan persamaan sebagai
berikut:
Diketahui :
k = 0,015 Watt/cm. K
A = 0,196 cm2
L = 1 cm
Maka :
=2
,
= 2.0,0015 .
= 0,0059 Watt /K
4. Figure of merit
Figure of merit dapat dihitung dengan persamaan
sebagai berikut:
Diketahui:
Z = Figure of merit
[K-1 ]
= 0,00021 V/K
R = 0,012 Ohm
K = 0,0059 Watt/K
Maka:
4. (0,00021)
=
0,0059 .0,012
Z = 0,0025 K -1
Dari hasil rangkaian box pendingin
thermoelektrik dengan menggunakan spesifikasi alat
tersebut diperoleh data dan hasil pengujian pendinginan
box thermoelektrik dengan menggunakan fariasi laju
aliran sebagai berikut:
Pengujian penurunan temperatur
1.
Pengujian penurunan temperatur air refrigran
dengan variasi input daya. Pengujian ini bertujuan untuk
mengetahui perubahan temperatur air yang didinginkan
oleh elemen peltier yang disalurkan kepipa kapiler
53
ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin
Vol. 1, No.1 Mei 2016
dengan variasi input daya pada pompa. diperoleh hasil
sebagai berikut:
HUBUNGAN ANTARA TEMPERATUR (T)
DENGAN WAKTU (t)
TEMPERATUR (˚C)
40
suhu akhir
untuk daya 3
watt
30
suhu akhir
untuk daya 6
watt
20
10
suhu akhir
untuk daya 9
watt
0
0
15
30
45
60
WAKTU (menit)
Grafik 4.1 gambar grafik gabungan hubungan antara
temperature air dan waktu
Dari grafik diatas menunjukan perubahan
temperatur pada air yang didinginkan oleh elemen
peltier. Temperatur terendah yang dapat dicapai pada
pendinginan selama 45 menit adalah 20 0C pada
pemberian input daya pada pompa sebesar 9 W, 23 0C
untuk daya 6 W dan 25 0C pada daya sebesar 3 W.
Dengan demikian menggunakan input daya pada pompa
sebesar 9 Watt lebih baik karena semakin besar daya
yang diberikan pada pompa air DC semakin besar kalor
yang diserap akibat kecepatan aliran dalam pipa
refrigran.
2. Hasil pengujian mesin pendingin dalam box dengan
variasi input daya pada pompa sebesar 3 W, 6 W
dan 9 W menggunakan aki bertegangan 11 Volt dan
arus 3,5 Ampere dengan pengecasan selama 45
Menit.
e-ISSN:2502-8944
terendah yang dicapai di ruang pendingin pada kondisi
pembebanan 150 gr buah jeruk adalah 22 0C untuk daya
pompa 9 W. 24 0C untuk daya 6 W dan 27 0C untuk
daya 3 W.
Pada pengujian dengan variasi input daya pada
pompa air DC beban yang digunakan adalah 150 g buah
jeruk. Dalam mesin pendingin ini ada banyak hal yang
dapat mempengaruhi proses pendinginan diantaranya
yaitu penggunaan tegangan dan arus yang sesuai dengan
spesifikasi alat, penggunaan tegangan dan arus listrik
yang stabil, luas penampang heatsink, kipas pengurai
panas yang baik dan durasi pendinginan yang lama,
karena semakin lama proses pendinginan dengan
tegangan dan arus listrik yang stabil maka akan semakin
cepat pula penurunan temperaturnya.
Adapun arus yang digunakan modul
thermoelektrik ini adalah:
Arus Optimum dapat dihitung dengan persamaan
sebagai berikut:
Diketahui:
α = 0,00021 V/K
R
= 0,012 Ohm
Th = 310C =304K
Tc = 220C
=205K
Maka:
. ,
.(
)
I =
= 2,47 A
,
. √
Keterangan =
,
.
I : Arus optimum (A)
R : tahanan listrik (Ohm)
α : kekuatan thermoelektrik (V/K)
Th : temperatur hot (K)
Tc : temperatur cold (K)
Kesimpulan
Dari hasil penelitian dan analisa data yang
dilakukan, maka dapat disimpulkan bahwa: .
1. Pada
kotak pendingin dengan menggunakan
thermoelektrik tipe TEC 12706 pada pembebanan
150 g buah jeruk selama 45 menit diperoleh
besarnya kalor yang diserap sebesar 0,1524 Watt
dari jumlah panas total sebesar 3,165 watt.
2. Prinsip kerja dari pendingin thermoelektrik ini
identik dengan system refrigerasi kompresi uap
dimana:
a.
b.
Grafik 4.5 Gambar grafik gabungan hubungan antara
temperature dalam box terhadap waktu
Pada grafik tersebut menunjukan penurunan
temperatur didalam box pendingin thernoelektrik
dengan menggunakan variasi input daya. Temperatur
c.
d.
Pompa sebagai kompresor yang mengalirkan
air pendingin untuk menjalankan proses
pendinginan
Modul thermoelektrik sebagai kondensor
yang mendinginkan air yang mengalir
kepipa evaporator.
Pipa kapiler sebagai evaporator yang
menyerap panas didalam box pendingin
Wadah pendingin sebagai katup ekspansi.
54
Vol. 1, No.1 Mei 2016
ENTHALPY – Jurnal Ilmiah Mahasiswa Teknik Mesin
e-ISSN:2502-8944
Daftar Pustaka
Arismunandar, W. 1995. Penyegaran udara. Bandung,
2(1): 1-2.
Dongliang, Zhao dan Gang tan. 2014. A review of
Thermoelektric cooling: material, Modeling
and
applications.
Applied
thermal
Enginering. Vol. 66. PP 14-24.
Dossat R. J. (1961). Principle of refrigeration edition.
New york: John Wiley.
Duan, Z. 2003. Impingement air cooled plate fin
heatsink. University of New Foundland.
Fardy, M.A. 2010. Semiconductor nanowires and
nanotubes for energy conversion . University
of California
Hasan, S. 2008. System refrigasi dan tata udara. Edisi
1. Direktorat pembinaan SMK. Bandung.
Handoko, K. (1981). Teknik lemari es. Jakarta: PT.
Ichtiar baru
Holman, J. 1988. Perpindahan Kalor. Edisi 6. Erlangga.
Jakarta
Imaduddin, M. Kaisar. 2008. Desain cool box dengan
pompa kalor peltier. Skripsi program
sarjana FTUI: Depok.
55