BAB IV HASIL DAN ANALISA

Transkripsi

1 BAB IV HASIL DAN ANALISA 4.1 Hasil dan Analisa pengujian Pengujian yang dilakukan menghasilkan data data berupa waktu, temperatur ruang cool box, temperatur sisi dingin peltier, dan temperatur sisi panas peltier. Data berupa angka tersebut di-convert ke bentuk grafik sehingga dapat lebih mudah dipahami, dibandingkan, dan dianalisa lebih lanjut. Tetapi Sebelum dilakukan analisa saat pengujian, perlu diketahui terlebih dahulu mengenai parameter data teknis pada alat yang akan diuji seperti jumlah panas dari dalam dan luar cool box, koefisien seebeck, hambatan thermal dan hambatan listriknya Perhitungan beban panas dari dalam cool box Sebelum menghitung jumlah panas yang akan dipompakan keluar oleh peltier, maka terlebih dahulu harus diketahui berapa massa udara di dalam cool box. Sehingga dengan 47

2 memasukkan acuan temperature yang diinginkan, dapat dihitung jumlah panas yang harus dikeluarkan dari cool box. Tahapan perhitungannya adalah sebagai berikut : Menghitung massa udara di dalam cool box Diketahui volume cool box, 6 liter = 0,006 m 3 = 1,03 =, sehingga = 0,00618, Jumlah panas yang harus dikeluarkan dari cool box dihitung dengan persamaan (2.1) Q = m.cp.δt Dimana ΔT = (Temp ambient temp yang diinginkan) Q = 0,00618 kg J/kg C. (30-15) = 92,7 J Jadi panas yang harus dibuang untuk mencapai temperature 15 C adalah sebesar 92,7 J Perhitungan Beban panas dari luar cool box Beban panas dari luar adalah panas yang mengalir karena adanya perbedaan temperature udara luar dan dalam coolbox itu sendiri. Oleh karena itu digunakan insulasi 48

3 guna meminimalisir aliran panas. Bahan yang digunakan pada coolbox adalah solid plastic dengan polyurethane pada dinding coolbox dan solid plastic dengan styrofoam pada tutup coolbox. Persamaan yang digunakan untuk menghitung perpindahan panas dari luar adalah menggunakan persamaan (2.4), sebagai berikut: Diketahui : Dimensi cool box = p x l x t (270 x 180 x 170 mm) Tebal dinding = 1.7 cm (0.017m). terdiri dari 0.4 cm tebal solid plastic dan 1.3 cm tebal polyurethane Tebal tutup cool box = 1.5 cm (0.018m). terdiri dari 0.2 cm tebal solid plastic dan 1.3 cm tebal styrofoam Konduktifitas termal solid plastic = W/m 2 C polyurethane = 0.02 W/m 2 C styrofoam = W/m 2 C Luas permukaan dinding depan = dinding belakang = p x t = 0.27 x 0.17 = m 2 Luas permukaan dinding kiri = dinding kanan = l x t = 0.18 x 0.17 = m 2 49

4 Luas permukaan dinding bawah = dinding atas = p x l = 0.27 x 0.18 = m 2 Secara umum, untuk udara dalam ruangan tertutup, nilai koefisiennya bisa diasumsikan h= 7 W/m² C. (Roy J. Dossat, 1960: ) Maka, Q = 2." #. % ( &.1 h Q = 2." ( = 2...//0 2 = 2 x 7,24 = 14,48 W Q 3 =2." ( = = 2 x 4,83 = 9,66 W Q 56 =" ( = = 7,67 W 50

5 Q 9:9: ;<<<= =" ( = / 2 = 9,3 W Maka beban panas dari luar adalah, Q total = 14,48 + 9,66 + 7,67 + 9,3 = 41,11 W Sehingga penyerapan panas oleh sisi dingin peltier harus lebih tinggi dari 41,11 W agar terjadi penurunan temperature di dalam ruang coolbox Perhitungan insulasi kritis Profil coolbox yang digunakan pada pengujian berbentuk rectangular. Sedangkan pada referensi, teori mengenai insulasi kritis adalah perhitungan pada profil silinder, sehingga perlu dilakukan pendekatan yang dapat diasumsikan bahwa box yang mempunyai volume 6 liter adalah sama dengan silinder dengan volume 6 liter pula. Maka diameter silinder adalah penjumlahan nilai lebar dan tinggi box, kemudian dibagi dua yaitu r silinder = ( ) /2 = 155 mm. 51

6 Kemudian tinggi dari silinder didapat dari hasil bagi antara volume dengan luas alas silinder yaitu h = 6x10 6 mm 3 / (3,14. 77,5 2 ) = 6x10 6 / 18859,625 = 318 mm Gambar 4.1 perubahan profil coolbox menjadi silinder Pada gambar 4.1 terlihat bahwa coolbox yang mempunyai profil rectangular dilakukan pendekatan menjadi profil silinder yang mempunyai jari jari sebesar 77,5 mm dan tinggi 318 mm. Dinding kulit coolbox terdiri dari tiga layer dengan material pada layer pertama yaitu solid plastic, layer kedua dengan menggunakan styrofoam, layer ketiga menggunakan solid plastic. Dengan menggunakan persamaan 2.1 maka, >?@ABA?CD = DCEF@ G h >?@ABA?CD = 0, DCEF@ 8 h + DCEF@ h + 0, , = 4, , , = 8, m 52

7 = 83,712 mm Jadi jari jari kritikal adalah sebesar 83,712 mm. berada di atas nilai jari jari silinder yang sebesar 77,5 mm. Sehingga memungkinkan kerugian panas menjadi besar. (JP Holman, 1986:35). Karena mengingat faktor finansial, box tersebut akan dipakai pada tahapan penelitian selanjutnya Perhitungan parameter data teknis Pada bab sebelumnya telah dibahas mengenai parameter data teknis yang ada pada elemen peltier. Karena data teknis hanya ada pada temperature sisi panas peltier 25 C dan 50 C. Maka dilakukan pengujian dengan mengatur flow water cooling pada 8.2 liter/menit agar didapat Th = 25 C. Perhitungan untuk besar koefisien seebeck, hambatan termal dan hambatan listrik adalah sebagai berikut: Koefisien seebeck dapat dihitung dengan persamaan (2.6) H = G4,4 = 0,048 Volt/Kelvin 80I87 Hambatan thermal dapat dihitung dengan persamaan (2.7) J = 66 6,4.14,4 K 2.(25+273) ((25+273) 66) 53

8 = 66 92,16 K = 0,716 K 2,568 = 1,838 K/W Hambatan listrik dapat dihitung dengan persamaan (2.8) O = 14,4 6,4 K ((25+273) 66) (25+273) = 2,25 K 0,778 = 1,75 Ω 4.2 Pengujian dengan variasi susunan peltier Pengujian dilakukan baik dengan menggunakan rangkaian seri maupun rangkaian pararel dan setelah itu dilihat rangkaian mana yang memiliki penurunan temperatur lebih cepat. Pengujian dilakukan pada temperature ambient C dengan kondisi cool box tanpa beban. Lama pengujian dan pengambilan data 60 menit. Variasi susunan rangkaian dibagi menjadi dua yaitu secara seri dan secara paralel. kemudian dibandingkan dengan dan tanpa menggunakan water cooling. arus yang diberikan pada susunan seri adalah 1,09 A dan pada susunan paralel 3,3 A 54

9 Tabel 4.1 Penurunan temperature pada pengujian variasi susunan peltier t (menit) TEMPERATURE RUANG COOLBOX SERI WC ON ( C) PARALEL WC OFF ( C) SERI WC ON ( C) PARALEL WC OFF ( C) ,8 29,7 29,9 3 26,1 25, ,4 6 25,1 24,8 23,8 23,3 9 24,3 24,1 23,1 22, ,9 23,3 22,6 21, , , ,2 22,6 21,7 19, ,8 22,2 21, ,5 21,7 21,1 18, ,2 21,2 20,9 17, ,9 20,8 20, ,6 20,4 20,2 16, ,3 20,1 19,7 16, ,9 19,7 19,3 15, ,7 19, , , ,6 15, ,3 18,6 18,4 15, ,3 18,4 18, ,2 18,4 18, ,2 18, , ,1 18, ,9 55

10 penurunan temp coolbox Temperature waktu (menit) SERI WC OFF SERI WC ON PARALEL WC OFF PARALEL WC ON Gambar 4.2 Grafik penurunan temperatur terhadap waktu Rate penurunan temperature tercepat pada setiap rangkaian terjadi dari menit ke-0 sampai menit ke-5, selanjutnya melandai turun sampai menit ke-42. Kemudian dari sampai menit ke-60. Temperature turun dengan sangat lambat. Jika dilihat pada gambar 4.2 terlihat bahwa susunan seri dengan menggunakan water cooling dan susunan paralel tanpa water cooling hanya terpaut selisih 0,3 C. Temperatur terendah yang dapat dicapai adalah 14,9 C dengan waktu 60 menit pada susunan paralel dengan menggunakan water cooling. Untuk pengujian selanjutnya akan digunakan susunan paralel dengan menggunakan water cooling 4.3 Pengujian dengan menggunakan arus optimum Nilai arus optimum ini didapat dari perhitungan pada persamaan ( 2.21). Dimana ada faktor z (figure of merit) yang harus dihitung terlebih dahulu dengan persamaan (2.20). 56

11 Temperature sisi panas dijaga pada 25 C dan temperature sisi dingin terukur pada 0 C Nilai figure of merit adalah, Z = 0,0488.1,838 1,75 = 0,024 8.,4/.(81/87) Maka arus optimum = G,70( GI,84. 8/0,0 G) = 8,4,08G0 = 4,6 A Tabel 4.2 Pengujian pada arus optimum 4,6 A t (menit) Temperatur ruang coolbox ( C) 0 29,9 1 26, ,8 4 19,6 5 17,8 6 16,2 57

12 Temperature Waktu (menit) Pararel WC ON I=4,6A Gambar 4.3 Grafik Penurunan temperature pada arus optimum Pada tabel 4.3 terlihat bahwa pengujian hanya dilakukan tidak lebih dari 6 menit, karena mengingat faktor keamanan saat pengujian. Temperature trafo power supply naik dengan cepat dan tiap tiap sambungan kabel lebih cepat panas karena arus yang dialirkan cukup besar. Sehingga proses pengujian dan pengambilan data dihentikan. Pada gambar 4.3 penurunan temperatur masih terus berlanjut dengan cepat (penurunan tidak landai). Saat pengujian dihentikan. Temperature yang didapat pada menit ke-6 adalah sebesar 16,2 C 4.4 Pengujian dengan beban kaleng minuman Pengujian dilakukan dengan memasukkan 6 kaleng minuman dengan ukuran masing masing 250 ml. Rangkaian yang digunakan adalah susunan paralel dengan water cooling pada arus 3,36 A 58

13 Tabel 4.3 Penurunan temperature pada beban 6 kaleng minuman t (menit) temp ruang cool box ( C) 0 29, , , , , , , , , , , , , , , , ,

14 35 30 temperature beban 6 kaleng minuman waktu (menit) Gambar 4.4 Grafik penurunan temperature pada beban 6 kaleng minuman Karena air memiliki nilai panas jenis yang lebih tinggi dari udara yaitu 4190 J/kg K maka sudah tentu waktu yang dibutuhkan untuk menurunkan temperature akan menjadi lebih lama. Rate penyerapan panas peltier pada spesifikasi alat di set pada arus 3,36 A. ketika temperature ruangan coolbox semakin turun maka Qc atau penyerapan panas oleh sisi dingin peltier akan semakin berkurang ditandai dengan penurunan nilai arus listrik ketika penurunan temperature mulai bergerak landai 4.5 Analisa termodinamika Pada penelitian ini telah diketahui bahwa jumlah panas yang diserap adalah beban panas dari dalam yaitu sebesar 92,7 J dan beban panas dari luar yaitu 41,11 J/s Penyerapan panas sisi dingin peltier Penyerapan panas yang dilakukan elemen peltier harus lebih besar dari 41,11 J/s 60

15 agar beban panas dari dalam ruang coolbox sebesar 92,7 J dapat diserap keluar dan terjadi penurunan temperature. Berikut ini adalah perhitungan untuk mengetahui berapa laju penyerapan panas pada sisi dingin peltier. Dengan menggunakan persamaan (2.14) Q ; = 2.(0,048.3,4.273 = 2.(44,55 13,6 10,11) = 2.20,84 T = 41,68 W 80,4S.G,70 G,// 8 Jadi laju panas yang diserap pada sisi dingin peltier adalah sebesar 41,68 W. Nilai ini cukup untuk menurunkan temperature ruang cool box ) Pelepasan panas pada sisi panas peltier Seperti pada konsep refrigerasi pada umumnya, panas yang sudah diserap harus dilepaskan ke lingkungan. Berikut ini adalah perhitungan untuk mengetahui berapa laju pelepasan yang terjadi pada sisi panas peltier. Dengan menggunakan persamaan (2.15) Q 6 = 2.(0,048.3,4.298 = 2.(48,63 13,6+ 10,11) = 2.45,14 T = 90,28 W 80 +,4S.G,70 G,// 8 ) Laju pelepasan panas yang terjadi di sisi panas peltier adalah sebesar 90,28 W yang berarti ada selisih 48,6 W dengan laju penyerapan panas pada sisi dingin. Selisih ini adalah daya listrik yang mengalir pada elemen peltier. Hal ini dapat dibuktikan dengan persamaan (2.11) di bawah ini 61

16 V seebeck = 0, ,4. 1,75 = 7,15 Volt sehingga, P = 7,15. 3,4 = 24,31 W Karena pada penelitian ini menggunakan dua peltier, maka daya listrik yang mengalir adalah sebesar 48,62 W Panas yang dihasilkan oleh sisi panas peltier Kekurangan dari sistem termoelektrik ini adalah adanya sejumlah panas yang dihasilkan oleh elemen peltier itu sendiri, besar kerugian panas tersebut dapat dihitung oleh persamaan (2.13) di bawah ini Q U<: 69 = 2. (3,4 2. 1,75) = 40,46 W Jadi dapat disimpulkan bahwa 83,2% dari daya listrik yang dialirkan ke elemen peltier adalah kerugian panas yang dihasilkan oleh elemen itu sendiri 62

17 4.5.4 Coefficient of Performance Indikator yang dapat digunakan untuk menilai efisiensi energi system refrigerasi adalah COP (coefficient of performance). COP adalah perbandingan antara penyerapan panas yang dihasilkan terhadap daya listrik yang digunakan. Besarnya COP untuk elemen peltier tersebut dapat dihitung dengan memakai persamaan (2.22) sebagai berikut : VWX = 4G,/ 4/,8 = 0, Kaji banding dengan penelitian sejenis Hasil penelitian yang telah dilakukan tentunya memiliki kelebihan dan kekurangan tersendiri. Sehingga perlu dilakukan perbandingan dengan penelitian lainnya agar didapat temperature lebih rendah lagi ke depannya. Berikut ini adalah penelitian yang diambil dari jurnal tentang termoelektrik. Penelitian dengan judul pengembangan coolbox multifungsi ramah lingkungan berbasis termoelektrik untuk kendaraan roda dua dibuat oleh mangsur dari universitas indonesia. Coolbox yang dibuat pada penelitian tersebut di aplikasikan untuk kendaraan roda dua. Sehingga power supply yang digunakan langsung dari aki motor tersebut 63

18 Gambar 4.5 Coolbox diaplikasikan ke box motor Karena dapat menampung 6 kaleng minuman, maka diasumsikan coolbox pada objek banding mempunyai ukuran dimensi yang hampir sama, hanya bentuknya yang berbeda yaitu silinder. Sebagai contoh perbandingan, maka dibuat tabel perbandingan antara penelitian mangsur dan penelitian yang dibuat oleh penulis. Tabel 4.4 kaji banding spesifikasi coolbox Spesifikasi Power supply Susunan peltier Jumlah peltier Temp min (@6 kaleng minuman) COP Penelitian Daniel DC Voltage regulator Paralel 2 Penelitian Mangsur Aki motor 12 VDC Paralel-Cascade 4 Jika dibandingkan dengan coolbox pada penelitian mangsur, maka didapat kelebihan dan kekurangan yaitu sebagai berikut : 64

19 Kelebihan, Mempunyai harga yang lebih murah karena hanya menggunakan dua unit peltier saja Mempunyai system water cooling sebagai pelepas panas peltier sehingga meskipun menggunakan dua peltier. Nilai COP masih lebih tinggi ketimbang nilai COP objek pembanding Kekurangan, Tidak praktis dibawa karena memakai system water cooling, sedangkan coolbox pada penelitian mangsur dapat langsung diaplikasikan ke box motor Insulasi yang kurang baik, hal ini terlihat pada nilai COP yang mempunyai selisih yang jauh tetapi temperature minimum yang dicapai tidak jauh berbeda dengan penelitian yang dilakukan mangsur. Mempunyai estetika model yang kurang baik 65