PEMBUATAN PIRANTI PENDINGIN TERMOAKUSTIK GELOMBANG BERJALAN

Transkripsi

1 PEMBUATAN PIRANTI PENDINGIN TERMOAKUSTIK GELOMBANG BERJALAN Ikhsan Setiawan Jurusan Fisika FMIPA Universitas Gadjah Mada Sekip Utara BLS 21 Yogyakarta Indonesia ikhsan_s@ugm.ac.id Abstrak Piranti pendingin termoakustik adalah alat pendingin yang menggunakan gelombang bunyi untuk memindahkan kalor dari tandon (reservoir) dingin ke tandon panas. Piranti pendingin ini bersifat ramah lingkungan karena tidak menggunakan zat-zat perusak lingkungan seperti freon, melainkan menggunakan udara atau gas mulia sebagai zat kerja. Konstruksi yang sederhana dan bahan-bahan yang mudah diperoleh menjadikan piranti pendingin ini murah dan mudah dibuat dan dirawat. Makalah ini memaparkan tentang pembuatan piranti pendingin termoakustik gelombang berjalan. Komponenkomponen utama piranti ini adalah sebuah loudspeaker 8 inchi 120 W sebagai sumber bunyi, sebuah simpal pipa (looped tube) yang terbuat dari rangkaian pipa-pipa PVC (poly-vynil chloride) bernominal diameter 2 inchi dengan keliling total simpal 220 cm, dan sebuah regenerator yang dibuat dari susunan rapat lembaran-lembaran kasa kawat baja antikarat (stainless-steel). Dua macam ukuran kasa (mesh number) yang digunakan dalam penelitian ini adalah #40 dan #50. Regenerator dengan panjang 4 cm diletakkan di dalam pipa PVC simpal. Udara bebas (bertekan atmosfer dan bersuhu kamar) digunakan sebagai gas kerja di dalam pipa. Interaksi termal antara gas yang dilalui oleh gelombang bunyi berjalan dengan regenerator menghasilkan proses pemindahan kalor melalui regenerator dari satu sisi ke sisi lainnya sehingga terjadi pendinginan gas di dekat satu sisi regenerator dan terjadi pemanasan gas di dekat sisi lain regenerator tersebut. Hasil uji coba dengan frekuensi bunyi 40 Hz, ukuran kasa #40, dan daya input 66 W memperlihatkan penurunan suhu gas di sisi pendinginan sekitar 6,2 C, sedangkan uji coba dengan ukuran kasa #50 dan daya input 70 W meng-hasilkan penurunan suhu gas di sisi pendinginan sekitar 5 C. Untuk meningkatkan kinerja piranti pendingin termoakustik ini, optimasi berbagai parameter penting perlu dilakukan, dan disarankan juga untuk memasang komponen penukar kalor (heat exchanger) di ujung panas regenerator. Piranti pendingin termoakustik yang berkinerja tinggi akan berpotensi menjadi alat pendingin alternatif yang sederhana dan ramah lingkungan. Kata kunci : Piranti pendingin, termoakustik, gelombang berjalan, ramah lingkungan PENDAHULUAN Piranti pendingin termoakustik adalah alat pen-dingin yang menggunakan gelombang bunyi untuk memindahkan kalor dari tandon (reservoir) dingin ke tandon panas. Piranti pendingin termoakustik ber-sifat ramah lingkungan karena tidak menggunakan zat-zat yang memiliki dampak negatif terhadap ling-kungan seperti freon, melainkan menggunakan uda-ra, gas mulia, atau gas inert lainnya sebagai zat ker-ja. Konstruksi yang sederhana dengan hanya sedikit komponen yang bergerak serta bahan-bahan yang mudah diperoleh menjadikan piranti pendingin ini murah dan mudah dibuat dan dirawat. Beragam keuntungan tersebut di atas membuat piranti pen-dingin termoakustik berpotensi sebagai alat pen-dingin alternatif yang ramah lingkungan. Makalah ini memaparkan tentang pembuatan sebuah piranti pendingin termoakustik jenis gelom-bang berjalan dan hasil uji coba pengoperasiannya. Pembahasan lebih rinci tentang pembuatan alat pen-dingin ini akan disajikan dalam bab berikutnya, dan kemudian dilanjutkan dengan bab tentang cara peng-operasian alat dan hasil uji cobanya. Pada bab-bab selanjutnya dijelaskan tentang prinsip kerja piranti pendingin termoakustik gelombang berjalan, kemu-dian tentang upaya-upaya yang dapat dilakukan untuk meningkatkan kinerja piranti pendingin termo-akustik, dan diakhiri dengan kesimpulan. PEMBUATAN PIRANTI PENDINGIN TERMOAKUSTIK Piranti pendingin termoakustik yang dibuat ada-lah jenis gelombang berjalan dengan pandu gelom-bang berbentuk simpal (looped tube). Komponen-komponen utama piranti ini adalah sebuah loud-speaker sebagai sumber bunyi, sebuah simpal pipa yang terbuat dari rangkaian pipa-pipa PVC (poly-vynil chloride), dan sebuah medium berpori yang disebut regenerator dan dibuat dari susunan rapat lembaran-lembaran kasa kawat (wire mesh) baja antikarat (stainless steel). Gambar 1 Diagram skematik piranti pendingin termoakustik yang dibuat dalam penelitian ini. Gambar 1 memperlihatkan diagram skematik piranti pendingin termoakustik yang dibuat. Sebuah loudspeaker 8 inchi 120 W sebagai sumber gelom-bang bunyi dihubungkan dengan simpal B 10

2 melalui se-buah percabangan pipa. Pipa PVC yang digunakan berukuran nominal diameter 2 inchi, dengan dia-meter-dalam 54,9 mm dan tebal dinding pipa 2,6 mm. Panjang total keliling simpal adalah 220 cm. Sebuah regenerator dengan panjang 4 cm diletakkan di dalam pipa PVC simpal dengan lokasi seperti tampak pada Gambar 1. Gambar 2 adalah foto piranti pendingin yang telah disusun. Gambar 2 Foto piranti pendingin termoakustik gelombang berjalan yang telah disusun dalam penelitian ini. Dua buah regenerator akan diuji dalam peneli-tian ini, masing-masing terbuat dari kasa kawat baja antikarat berukuran #40 dan #50. Diperlukan 92 lembar kasa berukuran #40 untuk membuat regene-rator sepanjang 4 cm, dan 120 lembar kasa ukuran #50 untuk membuat regenerator dengan panjang yang sama. Gambar 3 memperlihatkan contoh beberapa kasa berukuran #40 dan #50, sedangkan kasa-kasa berukuran #50 yang telah dimasukkan ke dalam pipa PVC ditunjukkan oleh Gambar 3. Hal yang perlu diperhatikan dalam pemilihan ukuran kasa adalah bahwa parameter harus ber-nilai kurang dari 1 untuk piranti-piranti termoakustik gelombang berjalan, dengan adalah frekuensi sudut gelombang bunyi dan adalah waktu relaksa-si termal pada regenerator (Biwa et al, 2004). Wak-tu relaksasi termal dapat dihitung dengan persama-an = h, dengan r h adalah jejari hidrolik rege-nerator dan = / m adalah difusivitas termal gas, dengan k adalah konduktivitias termal gas, m adalah densitas rerata gas, dan c p adalah kalor jenis isobarik gas (Yazaki et al, 1998). Difusivitas gas ( ) dihubungkan dengan jarak penetrasi termal gas ( k) melalui hubungan (Swift, 2002) =. (1) Dengan demikian parameter dapat dinyatakan sebagai = ( h ). (2) Jarak penetrasi termal gas adalah jarak yang da-pat ditempuh oleh kalor di dalam gas dalam selang waktu = /. Besaran ini menggambarkan jarak dari sebuah dinding pejal tempat gas masih dapat berinteraksi secara termal dengan dinding padat tersebut. Jejari hidrolik regenerator yang terbuat dari tum-pukan kasa kawat dapat dihitung dengan persamaan (Swift, 2002) h = 4 (3) dengan D adalah diameter kawat kasa dan adalah porositas regenerator yang dapat dinyatakan sebagai = /4, dengan adalah ukuran kasa, yaitu banyaknya kasa (mesh number) per satuan panjang kasa. Pada pembuatan piranti pendingin termoakustik ini, kasa-kasa berukuran #40 dan #50 berturut-turut me-miliki kawat berdiameter 0.18 mm dan 0.12 mm, sehingga regenerator yang dibuat dari kasa-kasa ini berturut-turut memiliki jejari hidrolik 0.14 mm dan 0,10 mm. Di sisi lain, gas kerja yang digunakan adalah udara bebas dengan tekanan atmosfer dan suhu kamar, sehingga dalam rentang frekuensi bunyi 30 Hz 100 Hz udara bebas tersebut memiliki jarak penetrasi termal dalam rentang sekitar 0,27 mm 0,50 mm. Dengan demikian, regenerator dengan kasa berukuran #40 memiliki nilai dari 0.10 sampai dengan 0.34, dan regenerator dengan kasa berukuran #50 memiliki nilai dari 0,07 sampai dengan 0,24 dalam rentang frekuensi tersebut di atas. Nilai-nilai ini sesuai untuk penggunaan gelom-bang bunyi berjalan dalam piranti termoakustik. #40 #50 Gambar 3 Contoh kasa baja antikarat ukuran #40 dan #50. Kasa #50 di dalam pipa PVC. PENGOPERASIAN DAN UJI COBA PIRANTI PENDINGIN TERMOAKUSTIK Dalam pengoperasian piranti pendingin ini, se-buah unit pembangkit sinyal audio dan sebuah unit penguat audio diperlukan sebagai pemberi sinyal input diperkuat kepada loudspeaker. Dalam hal ini, pembangkit sinyal audio yang digunakan adalah sebuah Function Generator model GFG 8016G, sedangkan unit penguat audio (audio amplifier) yang digunakan berkemampuan daya hingga 200 W dan dapat diperoleh dengan mudah di toko-toko peralatan elektronik. Besar tegangan dan kuat arus input yang masuk ke dalam loudspeaker masing-masing diukur dengan sebuah multimeter digital. B 11

3 Dua buah sensor suhu LM35 dipasang di kedua ujung regenerator (lihat Gambar 1) dan digunakan untuk mengukur suhu gas di kedua lokasi tersebut selama alat pendingin ini dioperasikan. Dalam per-cobaan ini, sensor-sensor suhu tersebut terhubung dengan sebuah unit pengumpul data suhu (tempera-ture data logger) dan hasil pengukurannya ditampil-kan secara langsung (real time) pada layar monitor komputer oleh perangkat lunak buatan kami. Sebuah mikrofon kecil jenis mic-condensor dise-matkan di sebelah dalam dinding pipa PVC di lokasi yang berjarak 19 cm dari sisi kiri regenerator (lihat Gambar 1) dan digunakan untuk memantau gelom-bang bunyi di dalam pipa simpal. Sinyal dari mikro-fon diperkuat oleh sebuah unit pre-amp sebelum dimasukkan ke kartu suara (sound card) pada kom-puter untuk kemudian ditampilkan secara langsung oleh komputer dengan menggunakan perangkat lu-nak bebas Winscope bunyi yang diatur melalui unit pembangkit sinyal audio. Komponen-komponen frekuensi lainnya yang cukup tampak diantaranya adalah 80 Hz dan 120 Hz. Suhu sisi panas Suhu sisi dingin Suhu sisi panas Suhu sisi dingin Waktu Frekuensi Gambar 4 Bentuk gelombang dan Spektrum frekuensi gelombang bunyi di dalam pipa. Saat piranti termoakustik ini dioperasikan pada frekuensi bunyi 40 Hz, bentuk gelombang bunyi yang terdeteksi oleh mikrofon ditampilkan oleh Gambar 4, sedangkan spektrumnya ditampilkan oleh Gambar 4 yang diperoleh dengan menggunakan fasilitas FFT (Fast Fourier Transform) yang tersedia dalam perangkat lunak Winscope Tampak pada Gambar 4 bahwa gelombang bunyi di dalam pipa tidak berbentuk sinusoidal murni. Hal ini terjadi karena terdapat beberapa komponen frekuensi yang cukup besar sebagaimana tampak pada Gambar 4. Komponen frekuensi yang paling dominan adalah 40 Hz, sesuai dengan frekuensi sum-ber Gambar 5 Hasil-hasil uji coba yang khas dari pengopera-sian piranti pendingin termoakustik: Frekuensi bunyi 40 Hz, ukuran kasa #50, daya listik input 70 W. Freku-ensi bunyi 40 Hz, ukuran kasa #40, daya listik input 66 W. Hasil-hasil uji coba yang khas dari pengopera-sian piranti pendingin termoakustik ini ditunjukkan oleh Gambar 5. Gambar 5 adalah hasil uji coba dengan frekuensi bunyi 40 Hz, kasa kawat berukur-an #50, dan daya listrik input 70 W, sedangkan Gambar 5 memperlihatkan hasil uji coba dengan frekuensi bunyi 40 Hz, kasa kawat berukuran #40 Hz, dan daya listrik input 66 W. Tampak bahwa terjadi penurunan suhu gas di dekat sisi dingin rege-nerator sekitar 5 C pada Gambar 5 dan sekitar 6 C pada Gambar 5 yang dicapai dalam waktu operasi sekitar 5 menit, dan setelah itu suhu gas cenderung konstan sampai dengan 10 menit waktu pengamatan. Dalam hal ini, sisi dingin berada di sebelah kiri regenerator dan sisi panas di sebelah kanannya. Di sisi lain, teramati terjadinya kenaikan suhu gas di dekat sisi panas regenerator sekitar 15,5 C dalam Gambar 5 dan sekitar 10 C dalam Gambar 5. Perbedaan hasil-hasil tersebut di atas terkait dengan penggunaan regenerator dengan ukuran kasa (atau porositas) yang berbeda yang berdampak pada efektivitas transfer kalor secara termoakustik serta faktor gesekan antara gas dan regenerator yang dapat menimbulkan panas tambahan. PRINSIP KERJA PIRANTI PENDINGIN TERMOAKUSTIK GELOMBANG BERJALAN Untuk memahami prinsip kerja atau proses pe-mindahan kalor dalam piranti pendingin B 12

4 termoakus-tik gelombang berjalan, akan lebih mudah apabila kita meninjau sebuah paket gas yang bergerak bolak-balik di dekat sebuah plat datar. Yang dimaksud paket gas adalah sebuah volume gas yang cukup ke-cil sedemikian sehingga suhu dan tekanannya sera-gam, namun volume gas cukup besar yang dapat me-muat banyak molekul gas sedemikian sehingga kita dapat meninjau hanya sifat-sifat makroskopik gas. Paket gas ini bergerak bolak-balik dalam arah sejajar dengan plat akibat dilalui oleh gelombang bunyi ber-jalan. Plat dianggap memiliki gradien suhu sepan-jang plat. Jadi, di sini, medium berpori (regenerator) diasumsikan terdiri dari platplat sejajar dengan jarak pisah tertentu, dan gas yang berada di antara plat-plat tersebut (di dalam kanal ) berosilasi seja-jar sumbu kanal atau sumbu pipa tempat regenerator berada, seperti diilustrasikan oleh Gambar 6. menganggap paket gas berosilasi di dekat plat datar yang memiliki gradien suhu. Selain itu, jarak paket gas dengan plat dianggap cukup dekat yaitu jarak. Kondisi ini disebut sebagai kondisi kontak termal sempurna, yang merupakan syarat penting da-lam pengoperasian piranti termoakustik jenis gelom-bang berjalan. Gambar 6 Ilustrasi regenerator plat sejajar yang dilalui oleh gelombang bunyi berjalan dalam pipa. Gambar 8 Ilustrasi empat tahap proses sebuah siklus yang dijalani oleh paket gas dalam piranti pendingin termo-akustik gelombang berjalan. Dalam hal ini, jarak Paket gas dengan plat cukup kecil yaitu. Gambar 7 Pemfasean gelombang bunyi berjalan dan empat tahap proses yang dijalani oleh paket gas dalam pendingin termoakustik gelombang berjalan. Dalam gelombang bunyi berjalan, paket gas yang berosilasi memiliki kecepatan dan tekanan yang sefase (beda fase nol). Apabila paket gas tersebut berosilasi di dekat sebuah permukaan plat yang memiliki gradien suhu sepanjang arah osilasinya, maka secara pendekatan paket gas ini akan mengalami empat tahap proses dalam satu siklus, yaitu (1) kompresi isotermal, (2) pendinginan pada volume tetap, (3) ekspansi isotermal, dan (4) pemanasan pada volume tetap, seperti ditunjukkan oleh Gambar 7 (Ceperly, 1979; in t Panhuis, 2009). Gambaran yang lebih rinci tentang keempat tahap tersebut diperlihatkan oleh Gambar 8 (in t Panhuis, 2009), dengan Proses-proses yang terjadi dalam tiap tahap da-lam Gambar 8 adalah sebagai berikut. Pada tahap (1) paket gas mengalami kompresi isotermal di dekat bagian plat yang dingin. Selanjutnya, dalam tahap (2) paket gas bergerak ke daerah dekat bagian plat yang panas dan pada saat bersamaan mengalami pendinginan pada volume konstan dengan melepaskan kalor kepada plat sehingga pada saat itu paket gas melakukan usaha pada lingkungannya. Kemudian, pada tahap (3) paket gas mengalami ekspansi isotermal di dekat bagian plat yang panas. Akhirnya, pada tahap (4) paket gas bergerak kembali ke daerah dekat bagian plat yang dingin dan pada saat bersamaan mengalami pemanasan pada volume konstan dengan menyerap kalor dari plat, sehingga pada saat itu usaha dilakukan pada paket gas oleh lingkungannya. Gambar 9 memperlihatkan diagram tekanan volume (p V) untuk proses tersebut di atas. Integral tertutup bernilai negatif yang B 13

5 mengindikasi-kan bahwa dalam siklus ini energi akustik (bunyi) diserap oleh paket gas untuk melakukan transfer kalor. Siklus termodinamik dalam diagram ini dike-nal sebagai siklus Stirling ideal (Ceperly, 1979). Gambar 9 Diagran tekanan-volume paket gas dalam proses transfer kalor dalam piranti pendingin termoakustik gelombang berjalan. UPAYA PENINGKATAN KINERJA Setelah tahap pembuatan piranti termoakustik ini telah berhasil dilaksanakan, yaitu bahwa piranti pen-dingin ini telah berhasil memperlihatkan terjadinya penurunan suhu gas di lokasi pendinginan, maka langkah selanjutnya adalah mempelajari pengaruh berbagai variabel yang dapat mempengaruhi kinerja piranti dan kemudian melakukan optimasinya. Va-riabel-variabel tersebut diantaranya adalah freku-ensi bunyi, ukuran kasa kawat, panjang regenerator dan lokasi regenerator. Selain itu, kinerja piranti pendingin ini dapat juga ditingkatkan dengan mema-sang komponen penukar kalor (heat exchanger) tepat di sisi panas regenerator agar kalor yang terkumpul di tempat ini dapat segera dibuang ke luar (lingkungan) sehingga dapat mengurangi aliran kalor balik dari sisi panas ke sisi dingin melalui bahan regenerator dan pipa. Akhirnya, salah satu hal yang secara signifikan dapat meningkatkan kinerja piranti ini adalah penggunaan gas mulia (misalnya helium) bertekanan tinggi sebagai gas kerja (Swift, 2002). KESIMPULAN Sebuah piranti pendingin termoakustik gelom-bang berjalan telah berhasil dibuat dengan hasil yang cukup baik sebagai tahap awal pengembangannya. Konstruksi piranti pendingin ini berupa simpal pipa (looped tube) dengan panjang keliling 220 cm, dengan menggunakan pipa PVC berdiameter 2 inchi. Komponen sumber bunyi yang digunakan adalah sebuah loudspeaker 8 inchi 120 W. Regenerator yang digunakan memiliki panjang 4 cm terbuat dari susunan yang rapat dari lembaranlembaran kasa kawat baja antikarat. Udara bebas (bertekanan at-mosfer dan bersuhu kamar) digunakan sebagai gas kerja di dalam pipa. Piranti pendingin yang diuji-coba dengan frekuensi bunyi 40 Hz, ukuran kasa regenerator #40 dan daya input 66 W memberikan penurunan suhu gas sebesar 6,2 C, sedangkan uji-coba dengan frekuensi bunyi 40 Hz, ukuran kasa regenerator #50 dan daya input 7 W menghasilkan penurunan suhu gas sebesar 5 C, Penelitian-penelitian lanjutan perlu dilakukan da-lam rangka optimisasi berbagai variabel yang mem-pengaruhi kinerja sistem serta modifikasi desain konstruksi agar nantinya sebuah piranti pendingin termoakustik gelombang berjalan yang berkinerja tinggi dan ramah lingkungan dapat diproduksi. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Jurusan Fisika FMIPA Universitas Gadjah Mada dan Fakultas MIPA Universitas Gadjah Mada yang telah memberikan dukungan finansial untuk pelaksanaan penelitian ini melalui Dana Masyarakat FMIPA Universitas Gadjah Mada tahun anggaran DAFTAR PUSTAKA G. W. Swift (2002), Thermoacoustics: A Unifying Perspective for Some Engines and Refrige-rators, Acoust. Soc. Am., Melville NY, USA. P. H. Ceperly (1979), A Pistonless Stirling Engine The Traveling Wave Heat Engine, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 66, P. H. M. W. in t panhuis (2009), Mathematical Aspects of Thermoacoustic, Ph.D. Thesis, Technische Universiteit Eindhoven, Nether-land. T. Biwa, Y. Tashiro, dan U. Mizutani (2004), Experimental Demonstration of Thermoacoustic Energy Conversion in a Resonator, Phys. Rev. E., Vol. 69, T. Yazaki, A. Iwata, T. Maekawa, dan A. Tominaga (1998), Traveling Wave Thermoacoustic Engine in a Looped Tube, Phys. Rev. Lett. Vol. 81, B 14