BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perkembangan teknologi yang semakin canggih selain menimbulkan dampak positif juga dapat menimbulkan dampak negatif seperti pemborosan energi. Selain itu semakin majunya teknologi maka bahan baku pembuatannya semakin mahal, sehingga harganya relatif lebih mahal. Salah satu teknologi ini adalah piranti pendingin. Piranti pendingin yang paling banyak digunakan saat ini adalah Air Conditioner (AC) sebagai pendingin ruangan dan lemari es untuk menyimpan bahan makanan. Selain itu, piranti lemari es juga sering digunakan untuk keperluan ekspor hasil produk pertanian agar produk ekspor tersebut masih dalam keadaan segar saat sampai tujuan. Namun, piranti pendingin ini menggunakan gas yang tidak ramah lingkungan seperti gas Chlorofluorocarbon (CFC) atau disebut gas freon dan gas Hydrofluorocarbon (HFC) (Fischer dkk, 1991). Pada saat terjadi kebocoran pada piranti pendingin dan proses perbaikan atau pemeliharaan piranti pendingin, terjadi emisi CFC ke udara sampai ke lapisan stratosfer. Pada lapisan stratosfer terdapat radiasi ultra ungu dengan intensitas tinggi yang berasal dari matahari. Radiasi yang kuat ini mampu memutus ikatan atom-atom chlor (Cl) pada CFC. Atom chlor yang terputus akan menjadi radikal bebas dan akan bereaksi dengan ozon yang banyak terdapat di atmosfer. Reaksi tersebut menyebabkan menipisnya lapisan ozon bahkan dapat menimbulkan terjadinya lubang ozon. Rusaknya lapisan ozon dapat menimbulkan efek rumah kaca, sehingga menimbulkan pemanasan global (global warming) dan perubahan iklim dunia. Pemanasan global adalah meningkatnya suhu rata-rata permukaan bumi. Lapisan ozon yang semakin tipis bahkan berlubang dapat menyebabkan radiasi sinar matahari yang masuk ke bumi tanpa melalui penyerapan oleh lapisan ozon. Lapisan ozon yang berlubang dapat menyebabkan suhu rata-rata permukaan bumi mengalami peningkatan bahkan gelombang elektromagnetik yang membahayakan seperti UV, infrared, sinar gamma dan lain sebagainya dapat 1
2 masuk ke bumi dan membahayakan kehidupan manusia (seperti kanker kulit, katarak, menurunnya sistem kekebalan tubuh dll) (Fischer dkk, 1991). Oleh karena itu, penulis ingin melakukan penelitian tentang piranti pendingin yang ramah lingkungan sehingga kebutuhan masyarakat dapat terpenuhi tanpa menimbulkan kerusakan lapisan ozon. Piranti pendingin ini menggunakan fenomena fisika yaitu termoakustik, dimana gelombang bunyi dapat menyebabkan terjadinya perubahan suhu atau sebaliknya perubahan suhu menyebabkan terjadinya gelombang bunyi. Efek termoakustik dihasilkan oleh alat yang biasa disebut dengan piranti termoakustik (thermoacoustic device) yaitu mesin kalor termoakustik (thermoacoustic heat engine) yang dapat membangkitkan gelombang bunyi dengan adanya perbedaan suhu. Di samping itu, ada pendingin termoakustik (thermoacoustic refrigerator) atau pompa kalor termoakustik (thermoacoustic heat pump) yang dapat menghasilkan perbedaan suhu dengan menggunakan gelombang bunyi (Setiawan dkk, 2007). Berdasarkan penggunaan gelombangnya, bentuk gelombang pada piranti termoakustik dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu gelombang berdiri/tegak (standing wave) dan gelombang berjalan (traveling wave) (Swift, 2002). Berdasarkan prinsip-prinsip termoakustik ini, maka dapat dihasilkan pendingin ramah lingkungan yang dapat dipakai sebagai pengganti AC dan lemari es. Piranti termoakustik memiliki keunggulan yaitu menggunakan medium yang ramah lingkungan seperti udara dan gas-gas mulia yang tidak beracun dan tidak mudah terbakar. Piranti termoakustik juga memiliki harga yang relatif murah karena konstruksi piranti termoakustik ini lebih sederhana dan tersusun atas alat dan bahan yang mudah terjangkau. Piranti pendingin termoakustik masih memiliki beberapa kekurangan salah satunya yaitu menghasilkan suara yang bising, meskipun hal ini dapat diatasi atau dikurangi dengan pemasangan peredam suara. Selain itu, piranti termoakustik memiliki nilai efisiensi mesin yang tergolong rendah, sehingga masih harus terus dilakukan penelitian untuk meningkatkan nilai efisiensi mesin (Setiawan dkk, 2007).
3 Parameter-parameter yang mempengaruhi kinerja piranti termoakustik telah dilakukan oleh penelitian-penelitian sebelumnya diantaranya oleh Sampurna (2006) meneliti diameter tabung resonator, diperoleh diameter resonator yang optimal yaitu 4,6 cm. Jarak antar lapisan stack, diteliti oleh Susilowati (2006), dengan hasil penurunan suhu maksimum terjadi ketika jarak antar lapisan stack 0,80 mm. Panjang stack optimum, diteliti oleh Wagiyanti (2007), dengan hasil perbedaan suhu optimum sebesar 23 C. Frekuensi gelombang, diteliti oleh Cahyono (2007), dengan hasil frekuensi harmonik terbaik adalah frekuensi harmonik orde pertama. Bahan stack, diteliti oleh Kristiawan (2009), yaitu menggunakan stack gelas menghasilkan perbedaan suhu maksimum 41,4 C antara tandon panas dan tandon dingin. Hot heat exchanger, diteliti oleh Asmara (2011), dengan hasil penurunan suhu pada tandon panas sebesar 5,4 C dan tandon dingin sebesar 1,8 C. Cold heat exchanger, diteliti oleh Putri (2013), dengan hasil penurunan suhu maksimum pada tandon dingin yaitu 7 C pada daya 80 W dan 7,2 C pada daya 90 W. Salah satu parameter yang sangat mempengaruhi kinerja termoakustik adalah stack. Stack dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu stack pori sejajar yang memiliki selarik pori-pori yang mempunyai sumbu sejajar dengan aliran gas yang berosilasi dan stack pori tak sejajar (acak) yang mencakup semua stack yang tidak termasuk stack pori sejajar (Wilhelmus, 2009). Kesejajaran dan ketidaksejajaran pori stack berpengaruh pada proses osilasi aliran gas. Pada stack pori sejajar aliran gas akan berosilasi dengan baik karena memiliki pori-pori yang sejajar. Sedangkan stack pori tak sejajar (acak) dengan pori yang sangat rapat, aliran gas tidak dapat berosilasi dengan baik karena pori-pori stack hampir tertutup, sehingga akan menghambat proses osilasi aliran gas. Namun, stack pori tak sejajar (acak) dengan pori yang tidak terlalu rapat, proses osilasi aliran gas tetap berlangsung dengan baik karena masih memiliki pori-pori untuk osilasi aliran gas. Disamping itu bahan stack yang digunakan sebaiknya memiliki konduktivitas termal yang kecil (bersifat isolator) agar suhu pada stack dapat stabil sehingga pemompaan kalor pada stack dapat berjalan efektif (Tijani dkk, 2002).
4 Pada penelitian ini akan diteliti pengaruh stack pori sejajar berbagai bahan terhadap perubahan suhu pada sistem pendingin termoakustik gelombang berdiri dan gelombang berjalan. Stack yang digunakan adalah stack pori sejajar yang terbuat dari bahan acrylic, MDF (medium density fibreboard) dan polyfoam. Pemilihan bahan acrylic, MDF dan polyfoam dalam penelitian ini dikarenakan ketiga bahan ini memiliki konduktivitas termal yang kecil, bahan nonkonduktor panas (isolator) dan tersedia dalam bentuk plat atau lembaran dengan berbagai ketebalan, sehingga memudahkan dalam proses pembuatan pori-pori stack. Perubahan suhu yang diamati dalam penelitian ini adalah penurunan suhu yang dihasilkan pada tandon dingin. Mula-mula ketiga bahan stack diuji menggunakan sistem termoakustik gelombang berdiri (standing wave). Setelah diperoleh bahan stack terbaik dan panjang stack optimum, bahan stack ini diaplikasikan pada sistem termoakustik gelombang berjalan (traveling wave). 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas, maka perumusan masalah pada penelitian ini adalah untuk mengetahui: 1. Bagaimana pengaruh bahan stack terhadap pergeseran frekuensi resonansi tabung resonator pada sistem termoakustik? 2. Bagaimana pengaruh panjang stack untuk masing-masing bahan acrylic, MDF dan polyfoam terhadap penurunan suhu tandon dingin pada sistem termoakustik gelombang berdiri? 3. Bagaimana pengaruh daya loudspeaker yang bervariasi (30 W, 40 W, 50 W dan 60 W) terhadap penurunan suhu tandon dingin dengan menggunakan bahan stack terbaik pada sistem termoakustik gelombang berdiri dan gelombang berjalan? 4. Bagaimana perbandingan penurunan suhu tandon dingin pada bahan stack yang terbaik dengan menggunakan sistem termoakustik gelombang berdiri dan gelombang berjalan?
5 1.3 Batasan Masalah Penelitian ini membatasi lingkup masalah sebagai berikut: 1. Bahan stack pori sejajar yang digunakan adalah acrylic, MDF dan polyfoam dengan berbagai ukuran panjang. 2. Sistem piranti termoakustik yang digunakan adalah sistem pendingin termoakustik gelombang berdiri dan gelombang berjalan menggunakan pipa PVC dengan diameter 5,25 cm. 3. Bahan stack yang terbaik pada sistem termoakustik gelombang berdiri kemudian diaplikasikan ke sistem termoakustik gelombang berjalan. 4. Variasi frekuensi untuk sistem termoakustik gelombang berjalan adalah 60 Hz, 62 Hz, 64 Hz, 66 Hz dan 68 Hz. 1.4 Tujuan Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah: 1. Menentukan pergeseran frekuensi resonansi akibat adanya stack pada tabung resonator. 2. Menentukan pengaruh panjang stack untuk masing-masing bahan acrylic, MDF dan polyfoam terhadap penurunan suhu tandon dingin pada sistem termoakustik gelombang berdiri. 3. Menentukan pengaruh daya loudspeaker yang bervariasi terhadap penurunan suhu tandon dingin dengan menggunakan bahan stack terbaik pada sistem termoakustik gelombang berdiri dan gelombang berjalan. 4. Menentukan perbandingan penurunan suhu tandon dingin pada stack yang terbaik dengan menggunakan sistem termoakustik gelombang berdiri dan gelombang berjalan. 1.5 Manfaat Manfaat dilakukannya penelitian ini adalah: 1. Dapat digunakan sebagai acuan untuk menentukan variabel-variabel optimum lain pada sistem pendingin termoakustik.
6 2. Penelitian ini dapat diterapkan untuk membuat mesin pendingin termoakustik yang murah dan ramah lingkungan. 1.6 Hipotesis Hipotesis dalam penelitian ini adalah: 1. Adanya bahan stack pada tabung resonator menyebabkan terjadi pergeseran frekuensi resonansi akibat dari volume tabung yang berkurang. 2. Penggunaan stack dari bahan acrylic, MDF dan polyfoam pada sistem termoakustik gelombang berdiri, agar pemompaan kalor dari tandon dingin ke tandon panas dapat berlangsung dengan baik dikarenakan bahan ini memiliki konduktivitas termal kecil. 3. Panjang stack yang divariasi pada berbagai bahan stack diperoleh panjang stack optimum untuk masing-masing bahan. 4. Daya input yang divariasi diperoleh daya optimum yang menghasilkan penurunan suhu maksimum. 5. Penggunaan sistem termoakustik gelombang berjalan dengan bahan stack pori sejajar diperoleh hasil yang lebih baik daripada menggunakan sistem termoakustik gelombang berdiri.