1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Termoakustika (thermoacoustics) adalah studi tentang fenomena beda suhu yang dapat menghasilkan gelombang akustik (bunyi) atau pun sebaliknya, gelombang bunyi yang menghasilkan perubahan suhu. Studi termoakustika telah melalui sejarah yang sangat panjang sejak ratusan tahun lalu, namun baru tiga dekade terakhir ini serius digarap oleh para ilmuwan seiring dengan kesadaran akan dirancangnya peranti teknologi yang ramah terhadap lingkungan. Peranti termoakustik tergolong peranti yang ramah lingkungan karena semata-mata memanfaatkan optimalisasi konversi energi di dalam sistem tanpa menghasilkan polutan sebagai efek samping kinerjanya. Perkembangan studi termoakustika telah menghasilkan dua jenis rancangan peranti termoakustik yaitu peranti termoakustik mesin kalor dan peranti termoakustik pemompa kalor. Peranti termoakustik mesin kalor memanfaatkan perbedaan suhu untuk menghasilkan gelombang bunyi. Adapun peranti termoakustik pemompa kalor yang digunakan sebagai alat pendingin memanfaatkan gelombang bunyi untuk menghasilkan perubahan suhu. Pengembangan teknologi pendingin berbasis termoakustik dilandasi oleh harapan bahwa kehadirannya akan menggantikan teknologi pendingin konvensional. Peranti pendingin termoakustik dirancang secara lebih sederhana karena komponen-komponennya tidak turut bergerak dan tidak memerlukan gas kimiawi berbahaya. Rancang bangunnya yang sederhana membuat peranti pendingin termoakustik tentu lebih murah dibuat daripada peranti pendingin konvensional. Bahan-bahannya yang mudah diperoleh dan sederhana membuat peranti pendingin termoakustik lebih mudah untuk diperbaiki dan memiliki umur penggunaan yang lebih lama. Oleh karena itu, peranti pendingin termoakustik jauh lebih murah dan efisien dari segi biaya pengadaan komponennya. Tidak hanya tentang pertimbangan biaya, peranti pendingin termoakustik juga ramah lingkungan jika dibandingkan dengan peranti pendingin konvensional. Sistem kompresi gas yang terdapat dalam sistem pendingin konvensional menggunakan gas khusus yang apabila dilepaskan ke atmosfer akan menyebabkan tergerusnya lapisan ozon sehingga membahayakan lingkungan. Di sisi lain, peranti pendingin termoakustik secara ringkas hanya memerlukan media gas yang ramah lingkungan seperti gas-gas dalam kelompok gas mulia seperti helium yang tidak berpengaruh apapun terhadap atmosfer dan tidak berbahaya bagi manusia jika terjadi kebocoran.
2 Peranti pendingin termoakustik terdiri dari dua jenis yaitu tipe gelombang berdiri (standing wave) dan tipe gelombang berjalan (traveling wave). Perbedaan antara perangkat termoakustik gelombang berdiri dan gelombang berjalan terletak pada beda fase di lokasi komponen pemompa kalor antara osilasi tekanan dan osilasi kecepatan. Pada perangkat termoakustik gelombang berdiri murni, beda fase antara tekanan dan kecepatan adalah 90 sedangkan pada perangkat termoakustik gelombang berjalan murni, beda fase antara tekanan dan kecepatan osilasi adalah 0. Perbedaan lain terletak pada siklus yang dialami paket gas. Pada perangkat gelombang berdiri siklus termodinamik yang terjadi adalah pendekatan siklus Brayton sedangkan pada perangkat termoakustik gelombang berjalan pendekatan siklus Stirling. Terdapat beberapa parameter yang dapat menentukan kinerja peranti pendingin termoakustik, yaitu frekuensi bunyi yang dihasilkan loudspeaker, nomor mesh yang digunakan sebagai komponen pemompa kalor, panjang pipa penghubung yang digunakan sebagai resonator, dan daya masukan yang digunakan oleh loudspeaker. Penggunaan mesh dengan besar spasi antar kawat yang optimal dan pengaturan frekuensi bunyi yang optimal diduga akan memberikan fenomena pemompaan kalor yang efektif karena nilai frekuensi erat kaitannya dengan nilai kedalaman penetrasi termal (σ k ) sedangkan mesh dengan besar spasi yang tertentu berkaitan dengan nilai jejari hidrolik (r h ) yang dimiliki kawat mesh. Kedalaman penetrasi termal dapat dipahami sebagai jarak yang ditempuh udara yang dirambati gelombang bunyi tiap satu periode getaran agar terjadi kontak termal dengan kawat mesh. Sedangkan jejari hidrolik dapat dipahami sebagai perbandingan volume udara yang melalui celah-celah mesh dengan luasan penampang kawat yang mengalami kontak termal dengan udara. Selain dua paramater tersebut, parameter yang tidak kalah penting adalah nilai daya masukan loudspeaker dan panjang pipa penghubung yang digunakan sebagai resonator yang diduga berkaitan erat dengan energi akustik yang diserap oleh udara ketika terjadi kontak termal dengan kawat mesh. 1.2 Tujuan Penelitian Berdasarkan paparan tersebut di atas, tujuan penelitian dalam skripsi ini adalah sebagai berikut: 1. Mengetahui nilai frekuensi bunyi yang optimal berdasarkan eksperimen yang menghasilkan penurunan suhu maksimal oleh peranti pendingin termoakustik 2. Mengetahui nomor mesh dan nilai jejari hidrolik yang optimal pada komponen pemompa kalor agar menghasilkan efek pendinginan maksimal oleh peranti pendingin termoakustik
3 3. Mengetahui nilai dan pengaruh parameter daya masukan loudspeaker terhadap perubahan suhu yang terjadi dalam peranti pendingin termoakustik 4. Mengetahui nilai dan pengaruh parameter panjang pipa penghubung resonator terhadap perubahan suhu yang terjadi dalam peranti pendingin termoakustik 1.3 Rumusan Masalah Beberapa rumusan masalah diajukan untuk memperoleh kinerja peranti pendingin termoakustik gelombang berjalan yang optimal, di antaranya sebagai berikut: 1. Berapa nilai frekuensi bunyi loudspeaker yang optimal untuk menghasilkan efek pendinginan maksimal oleh peranti pendingin termoakustik gelombang berjalan? 2. Berapa nilai nomor mesh dan nilai jejari hidrolik yang optimal untuk menghasilkan efek pendinginan maksimal oleh peranti pendingin termoakustik gelombang berjalan? 3. Bagaimana pengaruh nilai daya masukan loudspeaker terhadap efek pendinginan yang terjadi dalam peranti pendingin termoakustik gelombang berjalan. 4. Bagaimana pengaruh nilai panjang pipa penghubung resonator terhadap efek pendinginan yang terjadi dalam peranti pendingin termoakustik gelombang berjalan. 1.4 Batasan Masalah Penelitian yang dilakukan memiliki batasan-batasan masalah yang meliputi: 1. Sumber bunyi yang digunakan adalah loudspeaker. 2. Komponen pemompa kalor yang digunakan terbuat dari susunan rapat kepingan kasa kawat baja anti karat (stainless-steel wire-mesh screen), dengan panjang yang tetap yaitu 6 cm. 3. Terdapat enam variasi ukuran kawat kasa (mesh number) baja anti karat, yaitu #25, #30, #40, #50, #60, #80. 4. Variasi frekuensi operasi yang digunakan pendingin termoakustik gelombang berjalan adalah dari 30 Hz sampai 390 Hz. 5. Variasi daya masukan loudspeaker yang digunakan adalah 40 W - 100 W. 6. Gas kerja yang digunakan adalah udara bebas (tekanan dan suhu normal ruangan).
4 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat penelitian dalam skripsi ini adalah memberikan pengetahuan yang lebih komprehensif dan teraktual tentang upaya optimalisasi kinerja peranti pendingin termoakustik berdasarkan nilai-nilai parameter yang telah dilakukan terhadapnya. Melalui hasil eksperimen, penelitian ini diharapkan dapat ditindaklanjuti dengan penelitian-penelitian berikutnya untuk mencapai hasil yang lebih memuaskan dalam bidang termoakustika di Universitas Gadjah Mada pada khususnya, dan di Indonesia pada umumnya. 1.6 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan yang digunakan pada skripsi ini terdiri dari tiga bagian yaitu bagian awal, isi, dan akhir. Ketiga bagian tersebut mencakup hal berikut : 1. Bagian awal berisi halaman sampul luar, halaman judul, halaman pengesahan, halaman persembahan, halaman motto, kata pengantar, daftar isi, daftar tabel, daftar gambar, daftar lampiran, intisari, dan abstraksi. 2. Bagian isi memuat enam bab yaitu: BAB I PENDAHULUAN Bab I berisi latar belakang penelitian, rumusan masalah yang telah disusun oleh penulis ditulis ke dalam poin-poin, tujuan, manfaat, dan batasn masalah yang digunakan dalam penelitian ini. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Bab ini berisi ringkasan penelitian yang telah dilakukan di berbagai tempat. Ringkasan penelitian yang dinukil disesuaikan dengan kebutuhan acuan penulis dalam menyusun penelitian. BAB III DASAR TEORI Bab ini berisi penjelasan konsep yang mendasari efek termoakustik. Gelombang berjalan, gelombang bunyi, resonansi, mesin pendingin, kinerja pendingin, karakteristik media penukar panas, dan mekanisme transfer kalor secara termoakustik dijelaskan pada bab ini. BAB IV METODE EKSPERIMEN Bab ini berisi rincian alat, bahan, tempat penelitian, dan cara analisis data yang digunakan selama penelitian. Langkah kerja selama proses pengambilan data juga dicantumkan di dalam bab ini. BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN Bab ini berisi pemaparan hasil dan pembahasan penelitian. BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan dan saran berisi kesimpulan atas penelitian yang telah dilakukan dan saran untuk penelitian lebih lanjut. 3. Bagian ketiga berisi lampiran. Lampiran berisi data yang diperoleh ketika penelitian dilakukan. Selain itu, bagian ketiga juga berisi daftar pustaka. 5