II DSR TEORI 2. Termoelektrik Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 82 oleh ilmuwan Jerman, Thomas Johann Seebeck. 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. elakangan diketahui hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck. Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean harles Peltier untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 934 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik. Sebuah modul termoelektrik tersusun dari pasangan-pasangan balok semikonduktor (thermocouple) berbahan ismuth Telluride yang telah diberi impurities (doped). Semikonduktor Tipe-N telah diberi impurities oleh bahanbahan yang memberikan elektron tambahan, sehingga jumlah elektronnya menjadi berlebih. Sebaliknya pada semikonduktor Tipe-P yang telah diberi impurities bahan-bahan yang mengurangi jumlah elektron, sehingga terdapat lubang-lubang (holes) yang nantinya akan menerima elektron dari Tipe-N. Ketika terjadi beda potensial, elektron-elektron yang mengalir dari semikonduktor tipe-p ke tipe-n akan menyerap energi kalor dari sisi dingin. Ketika elektron-elektron mengalir dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p akan dilepaskan energi kalor ke sisi panas. Sehingga daerah di sekitar sambungan dingin akan menjadi dingin dan daerah di Laporan Tugas khir 4
sekitar sambungan panas harus diberikan alat penukar kalor agar modul tidak rusak akibat overheating. Gambar 2. Sistem Pendingin Termoelektrik Kelebihan sistem termoelektrik dibandingkan sistem refrigerasi lain:. Lebih sederhana dan sedikit komponen yang dibutuhkan. 2. Mudah untuk mengubah dari pemanasan ke pendinginan dan sebaliknya. 3. Tidak menggunakan komponen yang bergerak sehingga tidak berisik dan tidak ada keausan. 4. Tidak ada masalah dengan kebocoran refrigeran. 5. Umur lebih panjang karena tidak ada bagian yang bergerak. 6. Prosesnya sederhana untuk keperluan dengan suatu kapasitas tertentu. 7. Sangat ringan dan sistem dapat dibuat kecil untuk kapasitas refrigeran kecil. 8. Sistem dapat bekerja pada tiap posisi (dapat dibolak-balik) karena tidak dipengaruhi oleh gravitasi. Kekurangan sistem termoelektrik:. Kapasitas pendinginan yang sangat kecil. 2. Untuk menghasilkan kapasitas pendinginan yang sama seperti pada sistem refrigerasi kompresi uap dibutuhkan daya yang sangat besar. 3. Jika patrian (solderan) antara bahan termoelektrik dengan tembaga sebagai konduktor listrik kurang baik, maka tahanan kontak akan meningkat dan sistem tidak akan bekerja dengan baik. Laporan Tugas khir 5
2.2 Perpindahan kalor Perpindahan kalor (heat transfer) adalah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material. Energi yang berpindah itu dinamakan kalor atau panas. Ilmu perpindahan kalor tidak hanya mencoba menjelaskan bagaimana energi kalor itu berpindah dari satu benda ke benda lain, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi- kondisi tertentu. 2.2. Perpindahan Kalor secara Konduksi Perpindahan kalor secara konduksi atau hantaran ini terjadi karena perpindahan energi dari partikel yang memiliki energi lebih tinggi ke partikel yang lebih rendah dikarenakan adanya interaksi antara kedua partikel. Jika pada suatu benda terdapat gradien suhu maka akan terjadi perpindahan energi dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah sehingga laju perpindahan kalor berbanding dengan gradien suhuya. dt ~ ] (2.) d erdasarkan Hukum Fourier perpindahan kalor secara konduksi dirumuskan sebagai berikut: Dimana: dt d dt k d = laju perpindahan kalor (Watt) = gradien suhu ke arah perpindahan kalor ( 0 /m) k = konduktivitas termal bahan (W/m. 0 ) = luas benda (m 2 ) ]2 (2.2), 2 JP.Holman halaman 2 Laporan Tugas khir 6
Gambar 2.2 Perpindahan Kalor secara Konduksi 2.2.2 Perpindahan Kalor secara Konveksi Perpindahan kalor secara konveksi yaitu perpindahan kalor yang terjadi antara permukaan padat dengan fluida yang mengalir di sekitarnya, dengan menggunakan media penghantar berupa fluida (cairan/gas). Perpindahan kalor secara konveksi dibedakan menjadi 2, yaitu:. Konveksi Paksa Konveksi paksa terjadi dimana pergerakan fluida dialirkan oleh media lain seperti fan, pompa atau kompresor 2. Konveksi lamiah Konveksi alamiah terjadi dimana pergerakan fluida disebabkan oleh adanya gaya apung yang meningkat karena perbedaan densitas. Persamaan dasar untuk perpindahan kalor secara konveksi dapat dirumuskan sebagai berikut: Dimana: = laju perpindahan kalor (Watt) T w = suhu plat ( 0 ) T = suhu fluida ( 0 ) = luas permukaan (m 2 ) h( T T ) ]3 w (2.3) 3 JP.Holman halaman Laporan Tugas khir 7
h = koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m 2. 0 ) Gambar 2.3 Perpindahan Kalor Konveksi dari Suatu Plat 2.3 Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh Pada kenyataannya transfer kalor konduksi selalu diawali dengan proses konveksi dan diakhiri dengan proses konveksi pula. Sangatlah jarang proses konduksi terjadi tanpa diawali dan diakhiri dengan proses konveksi. Perhatikan transfer kalor yang terjadi pada suatu dinding datar seperti gambar dibawah ini. Gambar 2.4 Perpindahan Konduksi-Konveksi Secara Menyeluruh Sisi kiri terdapat fluida panas dan sisi kanan terdapat fluida dingin. Pada sisi kiri terjadi transfer kalor secara konveksi dari fluida panas ke permukaan dinding sebelah kiri akibatnya permukaan dinding sebelah kiri menjadi lebih tinggi temperaturnya dari permukaan dinding sebelah kanan. Karena adanya perbedaan temperatur pada permukaan kanan dan kiri terjadilah transfer panas secara konduksi dari permukaan kiri ke permukaan kanan. Dengan adanya transfer panas dari permukaan kiri ke permukaan kanan menyebabkan temperatur permukaan Laporan Tugas khir 8
kanan menjadi lebih panas dari fluida yang ada sisi sebelah kanan, sehingga terjadilah transfer kalor secara konveksi dari permukaan dinding sebelah kanan ke fluida yang berada disampingnya. liran kalor yang terjadi dari fluida panas ke permukaan dinding sebelah kiri adalah h t 0 t ]4 (2.4) liran kalor dari permukaan dinding kiri ke permukaan dinding kanan adalah t2 t k ]5 (2.5) liran kalor dari permukaan dinding kanan ke fluida di sebelah kanan yang dingin adalah h t 2 t 3 ]6 (2.6) Jika ketiga persamaan diatas dijumlahkan pada arah temperatur maka akan menjadi : t t t t t t 0 2 2 3 t h k h 0 t 3 h k h ]8 ]7 (2.7) (2.8) 4,5, 6,7, 8 http://hendriksumarauw.blogspot.com Laporan Tugas khir 9
Kita ketahui bahwa = = = dan = = =. Sehingga t 0 t 3 h k h ]9 (2.9) Maka liran kalor dari fluida kiri ke fluida kanan dapat ditulis sbb : h t0 t k h 3 " ]0 (2.0) liran kalor dari fluida kiri ke fluida kanan adalah hasil gabungan dari proses konduksi dan konveksi boleh dinyatakan dengan koefisien perpindahan kalor menyeluruh U, yang dirumuskan dalam hubungan UT ] (2.) Jika disesuaikan dengan persamaan sebelumnya, koefisien perpindahan kalor menyeluruh adalah U h k h ]2 (2.2) 9,0,, 2 http://hendriksumarauw.blogspot.com Laporan Tugas khir 0
2.4 Konveksi Paksa Gambar 2.5 agan Menunjukkan erbagai Daerah liran Lapisan atas Diatas Plat Rata Pengelompokan aliran yang mengalir di atas plat diketahui dari bilangan Reynold Dimana: Re U = nilai Reynold U U Re = kecepatan aliran bebas (m/s) = jarak dari tepi depan (m) = viskositas kinematik (m 2/ s) Transisi dari aliran laminar menjadi tubulen terjadi bila Re > 5.0 5. untuk aliran sepanjang plat rata, lapisan batas selalu turbulen untuk Re 4.0 6. ]3 (2.3) ngka Prandtl merupakan parameter yang menghubungkan ketebalan relatif antara lapisan batas hidrodinamik dan lapisan batas termal. / p. Pr ]4 (2.4) k / k p 3,4,5 http://tekim.undip.ac.id/images/download/perpindhn_pns.pdf Laporan Tugas khir
ngka Nusselt: Untuk plat yang dipanaskan pada keseluruhan panjangnya: Nu h. 5 (2.5) k Nu / 3 / 2 0,332 Pr Re ]6 (2.6) Dan berlaku untuk fluida yang mempunyai angka Prandtl 0,6-50. 2.5 Heatsink 2.5. Pengertian Heatsink Heatsink adalah suatu alat yang berfungsi untuk membantu memindahkan kalor dalam suatu sistem. Komponen utama dari heatsink adalah fin. Fin adalah suatu luasan yang biasanya tersusun secara terstruktur dengan memiliki ketebalan dan jarak tersendiri. Heatsink digunakan pada beberapa teknologi pendingin seperti refrigeration, mesin pemanas, pendingin elektronik dan laser. Terdapat 2 bagian heatsink yaitu bagian penyerap panas dan bagian pendinginan, pada bagian penyerapan panas biasanya terbuat dari aluminium atau tembaga. agian pendinginan terbuat dari aluminium. Teknologi pendinginan ini ditemukan oleh Daniel L.Thomas pada tahun 982. Gambar 2.6 Heatsink 6 http://tekim.undip.ac.id/images/download/perpindhn_pns.pdf Laporan Tugas khir 2
2.5.2 Efisiensi Sirip pada Heatsink Sirip pada plat heatsink adalah berbentuk persegi dengan tebal yang relatif tipis. Untuk mengetahui unjuk kerja, ditentukan parameter lain yaitu efisiensi sirip yang dinyatakan dengan persamaan berikut: tanh(ml) ml ]7 (2.7) dengan ml hp L k dimana h = Koefisien konveksi (W/m. 0 ) p = Keliling sirip (m) k = Konduktivitas termal bahan (W/m. 0 ) = Luas penampang (m 2 ) L = Tebal sirip (m) 2.5.3 ahan / Material Heatsink Konduktivitas panas dari sebuah heatsink adalah fakor utama suatu heatsink dapat mendisipasi panas dengan baik. ahan logam yang sering digunakan dalam bahan dasar heatsink adalah:. Silver/ perak dan emas memiliki konduktivitas tertinggi tetapi dengan harga yang sangat mahal maka tidak dimungkinkan para produsen untuk membuat dan memasarkan produk pendingin dengan bahan dasar ini. 2. opper atau tembaga memiliki konduktivitas tertinggi ke 2 sehingga penyerapan panasnya juga baik. Tembaga memiliki sifat menyerap panas dengan cepat sehingga bisa terjadi penumpukan dengan cepat tetapi tidak bisa melepaskan panas dengan cepat sehingga bisa terjadi penumpukan panas pada tempat. Selain itu, kekurangan yang menyertainya yaitu berat 7 JP.Holman halaman 43 Laporan Tugas khir 3
yang lebih besar daripada alumunium, harga yang mahal, dan produksi yang rumit. 3. luminium memiliki tingkat konduktivitas dibawah tembaga sehingga penyerapannya kurang sempurna, tetapi memiliki kemampuan terbalik dengan tembaga yaitu memiliki kemampuan melepas atau mengurai panas dengan baik, tetapi bahan aluminium kurang baik dalam penyerapan panas dan memiliki harga yang lebih rendah dengan berat yang ringan. 4. Penggabungan antara kedua material tersebut merupakan kombinasi yang sangat baik. Disatu sisi tembaga dapat menyerap panas dengan cepat dan disisi lain aluminium dapat melepaskan panas yang diserap oleh tembaga. 2.5.4 Karakteristik Heatsink. Luas area heatsink akan menyebabkan disipasi panas menjadi lebih baik karena akan memperluas area pendinginan yang dapat mempercepat proses pembuangan panas yang diserap oleh heatsink. 2. entuk aerodinamik yang baik dapat mempermudah aliran udara panas agar cepat dikeluarkan melalui sirip-sirip pendingin. Khususnya pada heatsink dengan jumlah sirip yang banyak tetapi dengan jarak antar sirip berdekatan akan membuat aliran udara tidak sempurna sehingga perlu ditambahkan sebuah kipas untuk memperlancar aliran udara pada jenis heatsink tersebut. 3. Transfer panas yang baik pada setiap heatsink juga akan mempermudah pelepasan panas dari sumber panas ke bagian sirip-sirip pendingin. Desain sirip yang tipis memiliki konduktifitas yang lebih baik. 4. Desain pemukaan dasar heatsink sampai pada mirror finish atau tingkat kedatarannya tinggi sehingga dapat menyentuh permukaan sumber panas lebih baik dan merata. Hal ini dapat menyebabkan penyerapan panas lebih sempurna, tetapi untuk menghindari resistansi dengan sumber panas heatsink tetap harus menggunakan suatu pasta atau thermal compound dan agar luas permukaan sentuh juga lebih merata. Laporan Tugas khir 4