Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.022.05
PENGARUH PANJANG STACK SELUBUNG KABEL TERHADAP PERUBAHAN SUHU PADA SISTEM PENDINGIN TERMOAKUSTIK
Indah Kharismawati 1, a) , Hanif Rafika Putri b)
1 IKIP PGRI Jember Jl. Jawa No 10 Sumbersari Jember.
Email: a) indah.kharismawati@yahoo.com, b) rafika.putri13@gmail.com

## Abstrak
Penelitian mengenai pendingin termoakustik ramah lingkungan menggunakan stack (penukar kalor) dari bahan  selubung  kabel.  Tabung  resonator  yang  digunakan  pada  pendingin  termoakustik  adalah  tabung PVC ( polyvinyl chloride ) berdiameter 5,25 cm dengan panjang 87 cm. Pemvariasian panjang stack 4cm, 5  cm,  6  cm,  7  cm,  dan  8  cm  dilakukan  untuk  memperoleh  pengaruh  dari  perubahan  suhu  maksimum yang  didapat  dari  hasil  pengoperasian  pada  sistem  pendingin  termoakustik.  Hasil  yang  didapat  pada penggunaan  panjang  stack  4  cm  menghasilkan  penurunan  suhu  maksimum  sebesar  21,6 o C  dari  suhu awal (suhu ruangan), panjang stack 5 cm menghasilkan penurunan suhu maksimum sebesar 21,1 o C dari suhu awal (suhu ruangan), panjang stack 6 cm menghasilkan penurunan suhu maksimum sebesar 22,6 o C dari suhu awal (suhu ruangan), panjang stack 7 cm menghasilkan penurunan suhu maksimum sebesar 22,0 o C  dari  suhu  awal  (suhu  ruangan),  sedangkan  panjang  stack  8  cm  menghasilkan  penurunan  suhu maksimum sebesar 23,3 o C dari suhu awal (suhu ruangan).
Kata-kata kunci : Termoakustik, stack, perubahan suhu.

## Abstract
Research  on  environmentally  friendly  thermo-acoustic  coolants  uses  a  heat  exchanger  from  the  cable sheath  material.  The  resonator  tube  used  in  the  thermoelectric  cooler  is  a  5.25  cm  diameter  PVC (polyvinyl  chloride)  tube with  a length of 87 cm.  Variations  in  stack  lengths of 4cm,  5cm,  6cm,  7cm, and 8cm were performed to obtain results on thermoelectric coolers. Results are available on the use of stack  length  4  cm  high  temperature  21.6 o C  from  the  initial  temperature),  the  stack  length  5  cm  high temperature 21.1 o C from the initial temperature (room temperature), the stack length of 6 cm resulted in a  maximum  temperature  drop  of  22.6 o C  from  the  initial  temperature  (room  temperature),  the  stack length of 7 cm resulted in a maximum temperature drop of 22.0 o C from the initial temperature (room temperature), while the stack length of 8 cm resulted in a decrease in temperature maximum of 23.3 o C from the initial temperature (room temperature).
Keywords : Thermoacoustic, stack, temperature changes.

## PENDAHULUAN
Termoakustik  merupakan  bidang  kajian  tentang  interaksi  antara  kalor  dan  bunyi,  yaitu  konversi energi  termal  menjadi  energi  bunyi  yang  disebut  dengan  “efek  termoakustik”  [1].  Sedangkan pendingin termoakustik ( thermoacoustic refrigeration ) merupakan fenomena perpindahan energi dari dingin  ke  panas  yang  dihasilkan  dengan  membangkitkan  medan  gelombang  akustik  disekitar  batas benda padat yang diambil dari sebuah stack yang terbuat dari tumpukan benda paralel pada perangkat gelombang berdiri [2] dalam pengertian yang lebih mudah di pahami adalah gelombang bunyi yang
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
dapat  menyebabkan  perbedaan  suhu  karena  adanya  udara  yang  melalui  kanal-kanal  kecil  dalam perambatannya.
Pendingin  termoakustik  tidak  menggunakan  zat-zat  yang  memiliki  dampak  negatif  terhadap lingkungan seperti CFC  ( Chlorofluorocarbon ),melainkan menggunakan  gas (helium, xenon, udara) sebagai  zat  kerja  yang  tidak  menimbulkan  kerusakan  lapisan  ozon  dan  tidak  menimbulkan  efek rumah kaca [3].
Penelitian  di  bidang  termoakustik  baik  itu thermoacoustic  refrigeration maupun thermoacoustic heat  engine sudah  banyak  dilakukan  terutama  dalam  hal  bentuk,  design,  ukuran  dan  bahan  yang digunakan  pada  pembuatan  tabung  resonator  dan  stack.  Penelitian-penelitian  tersebut  diantaranya adalah  :  Penggunaan  stainlessteel  dengan  diameter  luar  18,5  mm  dengan  variasi  panjang  dari  4 sampai 9 m diperoleh panjang optimum 8 m dan suhu yang dihasilkan adalah 88,6 K [4]. Sementara itu dalam sebuah penelitian menyatakan bahwa syarat sebuah tabung resonator harusnya mempunyai unsur  :  padat,  ringan,  dan  cukup  kuat.  Penggunaan  logam  silinder  dengan  perbandingan  diameter pada penyempitan tabung resonator 0,54 dapat mengurangi kehilangan energi 0,2 watt [5]. Penelitian pendingin  termoakustik  menggunakan  tabung  resonator  dari  bahan  PVC    dengan  diameter  60  mm mampu menghasilkan suhu pada tandon dingin mencapai Tcold = 18,5 o C [6].

## METODE PENELITIAN
Rancangan Sistem Termoakustik
GAMBAR 1 Skema rancangan piranti termoakustik [7]
Stack sepanjang 8 cm dengan diameter 5,25 cm ditempatkan pada jarak 17 cm dari ujung tertutup tabung resonator, diukur dari titik tengah panjang stack (Gambar 2). Penguat Audio AFG Voltmeter Amperemeter Loudspeaker Pompa Resonator HHE Sensor Suhu Stack Loger Pompa air Komputer + software tcDAS
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
GAMBAR 2 Stack ditempatkan pada jarak λ /20 dari ujung tertutup tabung resonator.

## Perangkat Penelitian
Secara  umum,  perangkat  pada  penelitian  ini  dapat  dikelompokkan  menjadi  empat  bagian,  yaitu perangkat  sistem  sumber  bunyi,  perangkat  sistem  deteksi  suhu,  perangkat  sistem  termoakustik,  dan perangkat penunjang sistem termoakustik.
Sistem Sumber Bunyi
Pada sistem sumber bunyi, peralatan yang digunakan meliputi: a. Loudspeaker (beserta kotak dari acrylic yang dilapisi steroform ) b. AFG ( Audio Function Generator )
c. Penguat daya stereo (stereo power amplifier)
d. Multimeter

## GAMBAR 3 Skema Sistem Sumber Bunyi
Sistem sumber bunyi (gambar 3) terdiri dari AFG ( audio function generator ), penguat daya stereo ( amplifier )  dan loudspeaker . Loudspeaker membangkitkan  gelombang  bunyi  dengan  frekuensi  dan bentuk  gelombang  yang  diatur  menggunakan AFG  (Audio  Function  Generator) dengan  ketelitian  1 Hz. Sinyal yang keluar dari AFG masih lemah sehingga diperlukan penguatan sinyal menggunakan penguat audio ( amplifier ). AFG dan amplifier dapat dikondisikan untuk menghasilkan tegangan dan arus  yang  kita  inginkan.  Daya  masukan  untuk loudspeaker diketahui  dari  arus  dan  tegangan  yang teramati pada multimeter lalu dihitung sesuai persamaan:
P = VI (1)
Komponen Sistem Pendeteksi Suhu
Pengukuran suhu pada tandon panas dan tandon dingin peralatan yang digunakan meliputi:
a. Sensor suhu IC LM-35
b. Logger
c. Computer dengan software TcDAS (Thermoacoustic DAS)
Stack 17 cm 8 cm 5,25 cm HHE resonator sensor suhu AFG Amplifier loudspeaker A V
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Perubahan  suhu  tandon  panas  dan  dingin  yang  ada  di  ujung-ujung stack diukur  menggunakan sensor  suhu  IC  LM-35  yang  memiliki  2  saluran  (masing-masing  1  sensor  untuk  tandon  panas  dan dingin),  masuk  ke  perangkat  keras  data  logerlalu  dihubungkan  dengan  komputer  yang  di  dalamnya telah dipasang perangkat lunak TcDAS (Thermoacoustic DAS).
Komponen tambahan  berupa dua buah pompa  air  (w ater pump) dan selang.  Dimana  pompa  pertama  dipasang untuk memompa cairan agar dapat dialirkan ke hot heat exchanger (HHE) dan pompa kedua untuk memompa cairan agar dapat dialirkan ke loudspeaker .

## a. Bahan Penelitian
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut:
1. Tabung  resonator dari pipa PVC berdiameter 5,25 cm dengan panjang 87 cm beserta tutup pipa untuk pendingin termoakustik. Tabung resonator terdiri dari 3 bagian (Gambar 4), yaitu:
a. Bagian yang langsung terhubung dengan loudspeaker yang memiliki panjang 66 cm.
b. Bagian yang berisi stack dengan panjang 8 cm.
c. Bagian penutup tabung dengan panjang 13 cm.
GAMBAR 4 Skema Tabung Resonator Model Standing Wave
1. Stack dari  bahan  selubung  kabel  dengan  dimeter  lubang  sebesar  (1,50  ±  0,05)mm  dan variasi panjang stack masing-masing 4 cm, 5 cm, 6 cm, 7 cm dan 8 cm.
GAMBAR 5 Stack dari bahan selubung kabel dengan panjang 4 cm, 5 cm, 6 cm, 7 cm, dan 8 cm
Stack merupakan komponen inti pada sistem termoakustik. Stack berfungsi sebagai penukar kalor untuk memompa kalor sehingga terjadi perbedaan suhu antara tandon panas dan tandon dingin . Pemilihan stack pada  penelitian  ini,  karena  bahan-bahan stack tersebut  terbuat  dari bahan isolator (konduktivitas termal rendah), yang sangat baik digunakan untuk bahan stack , sehingga diharapkan menghasilkan perubahan suhu yang besar.
2. Sebuah hot heat exchanger (HHE) beserta air. Heat  exchanger (HE)  (Gambar  6)  digunakan  untuk  memindahkan/menukar  panas  dari sistem  ke  sistem  yang  lain  tanpa  perpindahan  massa.  Penukar  panas  untuk  tandon  panas (HHE)  terbuat  dari  pipa  tembaga  dan  plat-plat  tembaga  yang  disusun  menjadi  jenis finned tubular  heat  exchanger dan  dibungkus  dengan  kaca  akrilik  ( Polymethyl  methacrylate ).
Stack HHE ujung tertutup sensor suhu 13 cm 66 cm 8 cm
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
Fluida  cair  yang  digunakan  adalah  air  PDAM.  Kalor  pada  tandon  panas  akan  diserap  oleh pipa  tembaga  dimana  di  dalamnya  terdapat  fluida  yang  mengalir,  sehingga  kalor  tersebut akan  dibuang  keluar  bersama  aliran  fluida  cair.  Dengan  kata  lain,  cairan  yang  mengalir dalam  HHE  pada  tandon  panas  akan  membuang  kalor  ke  luar  sistem  termoakustik.  Hal  ini menyebabkan suhu pada tandon panas akan turun.
GAMBAR 6 (a) Skema penukar panas jenis finned tubular (tampak atas), (b) Penukar panas yang digunakan dalam penelitian (tampak samping) [8]
b. Teknik Pengumpulan dan Analisis Data

## 1. Menentukan frekuensi resonansi dengan perhitungan
Nilai frekuensi resonansi ditentukan oleh beberapa faktor seperti panjang tabung resonator, cepat rambat gelombang bunyi di udara dan orde frekuensi resonansi. Frekuensi resonansi dapat diperoleh melalui perhitungan berdasarkan pada rumus berikut:
         D L mv f n 3 4 2 1 4 (2)
Dengan m = 1, 3, 5,... yang merupakan orde harmonik, v adalah cepat rambat gelombang bunyi di udara, L adalah panjang tabung resonator dan D adalah diameter tabung resonator.

## 2. Menentukan frekuensi resonansi dengan eksperiemen
Pengujian  frekuensi  pada  piranti  pendingin  termoakustik  dengan  menggunakan  beberapa  variasi frekuensi  yang  mendekati  hasil  dari  perhitungan  sehingga  diperoleh  frekuensi  optimum  yaitu  yang menghasilkan  penurunan  suhu  paling  besar,  dan  hasil  frekuensi  resonansi  optimum  tersebut  yang dijadikan untuk pengoperasian pada eksperimen selanjutnya.
3. Mengamati  pengaruh  panjang stack terhadap  penurunan  suhu  dengan  menggunakan stack selubung kabel
Panjang stack selubung  kabel  divariasikan  mulai  dari  4  cm,  5  cm,  6  cm,  7  cm,  dan  8  cm. Penentuan  panjang stack optimum  dengan  menggunakan  frekuensi  resonansi  optimum  yang didapatkan dari eksperimen langsung dengan menggunakan daya input (60 ± 1) watt. Hasil penelitian berupa  perubahan  suhu  pada  tandon  dingin  dan  tandon  panas,  sehingga  diperoleh  penurunan  suhu yang paling besar atau optimum pada tandon dingin.
aliran gas
Aliran air
(a) (b)
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## 4. Analisis data
Setelah  mendapatkan  data  perubahan  suhu  hasil  pengukuran  eksperimen  pada  variasi  panjang stack ,  dilanjutkan  kemudian  digrafikkan  untuk  masing-masing  variasi  tersebut.  Selain  itu  akan  di buat diagram batang untuk menampilkan besar perubahan penurunan suhu masing-masing variasi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Frekuensi  resonansi  berperan  penting  pada  sistem  pendingin  termoakustik,  karena,  pada  saat resonansi  akan  terjadi  transfer  kalor  secara  maksimum  dari  tandon  dingin  ke  tandon  panas.  Secara perhitungan, frekuensi resonansi dapat di cari dengan menggunakan persamaan (2.2).
Perhitungan menggunakan rumus di atas dan di dapatkan hasil frekuensi resonansi sebesar 99,08 Hz  untuk m =  1  (orde  frekuensi  dasar), v =  349  m/s  (laju  rambat  bunyi  pada  medium  udara), L = 0,8695  m  (panjang  tabung  resonator),  dan D =  0,0520  m  (diameter  tabung  resonator).  Hasil  ini didapat karena untuk mendapatkan frekuensi resonansi tidak hanya panjang tabung resonansinya saja yang berpengaruh tetapi juga diameter dari tabung tersebut.
GAMBAR 7 Grafik suhu (T) vs waktu (t) untuk setiap panjang stack pada frekuensi 99 Hz dengan daya input 60 watt
Gambar 7 menunjukkan penurunan suhu tandon panas dan tandon dingin sebelum HHE di aliri air dan  sesudah  dialiri  air  pada  masing-masing  bahan stack .  Hal  ini  menunjukkan  terjadinya  peristiwa transfer  kalor  dari  tandon  panas  ke  air  dalam  pipa  tembaga  yang  diletakkan  di  tandon  panas. Penyerapan kalor yang terjadi pada hot heat exchanger (HHE) ini adalah secara konduksi dan secara konveksi. Penyerapan kalor secara konduksi ini terjadi pada pipa tembaga yang pada dasarnya adalah konduktor/penghantar  kalor  yang  sangat  baik  sehingga  sebagian  kalor  dalam  tandon  panas  diserap oleh  pipa  tembaga.  Sedangkan,  penyerapan  kalor  secara  konveksi  dilakukan  oleh  cairan  yang dialirkan  pada  pipa  tembaga.  Dalam  keadaan  tandon  panas  tidak  jenuh,  maka  kalor  pada  tandon dingin dipindah ke tandon panas akan menyebabkan suhu pada tandon turun dan relatif stabil tanpa adanya arus kalor balik dari tandon panas.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA
GAMBAR 8 Grafik ∆ T vs L menunjukkan pengaruh panjang stack terhadap penurunan suhu optimum yang dihasilkan pada daya input (60 ± 0,5) watt
Grafik  ∆ T vs L pada  (Gambar  8)  menunjukkan  ada  pengaruh  panjang stack terhadap  penurunan suhu optimum. Nilai penurunan suhu yang di hasilkan stack dengan panjang 5 cm relatif lebih tinggi dari pada yang lain yaitu mencapai 8,1 o C, hal ini menunjukkan bahwa panjang stack optimum yang menghasilkan penurunan suhu terbesar adalah stack selubung kabel dengan panjang 5 cm.

## SIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  yang  sudah  dilakukan  dapat  disimpulkan  bahwa,  Setiap  bahan mempunyai panjang stack optimum yang menghasilkan perubahan suhu maksimum. Pada pendingin termoakustik  dengan  mengembangkan  penggunaan stack dari  bahan  selubung  kabel  dari  beberapa variasi  panjang stack yang  digunakan,  maka  terdapat  pengaruh  antara  panjang stack terhadap penurunan suhu, antara lain;
1. Hasil  yang  didapat  pada  penggunaan  panjang stack 4  cm  menghasilkan  penurunan  suhu  maksimum sebesar 21,6 o C dari suhu awal (suhu ruangan 28 o C).
2. Hasil  yang  didapat  pada  penggunaan  panjang  stack  5  cm  menghasilkan  penurunan  suhu  maksimum sebesar 21,1 o C dari suhu awal (suhu ruangan 28 o C).
3. Hasil  yang  didapat  pada  penggunaan  panjang  stack  6  cm  menghasilkan  penurunan  suhu  maksimum sebesar 22,6 o C dari suhu awal (suhu ruangan 28 o C).
4. Hasil  yang  didapat  pada  penggunaan  panjang  stack  7  cm  menghasilkan  penurunan  suhu  maksimum sebesar 22,0 o C dari suhu awal (suhu ruangan 28 o C).
5. Hasil  yang  didapat  pada  penggunaan  panjang  stack  8  cm  menghasilkan  penurunan  suhu  maksimum sebesar 23,3 o C dari suhu awal (suhu ruangan 28 o C).

## UCAPAN TERIMAKASIH
Terimakasih  kepada  Direktorat  Riset  dan  Pengabdian  Masyarakat  Direktorat  Jendral  Penguatan Riset  dan  Pengembangan  Kemenristekdikti  dalam  pemberi  dana  penelitian,  kepada  Lembaga penelitian  dan  Pengabdian  kepada  Masyarakat  IKIP  PGRI  Jember  yang  membantu  penelitian, Laboratorium Atom Inti FMIPA Universitas Gadjah Mada.
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya http://doi.org/10.21009/SPEKTRA

## REFERENSI
[1] Jaworski  AJ,  Mao  X.  Development  of  thermoacoustic  devices  for  power  generation  and refrigeration.  Journal  Power  and  Energy.  2014  July  [cited  2017  Feb  28];  227  (7):  762-782. Available from: http://journals.sagepub.co m/doi/pdf/10.1177/0957650913493622
[2] Marx D, Mao X, Jaworski AJ. Acoustic coupling between the loudspeaker and the resonator in a standing-wave thermoacoustic device.Applied Acoustics. 2006:67(5):402-419.
[3] Panara KS, Patel AM, Patel NS, Patel JD. Thermoacoustic Refrigeration System Setup. International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET). 2015 Nov [cited 2017 Feb 24]; 6(11):1-15. Available from: http://www.iaeme.com/MasterAdmin/UploadFolder/IJMET_06_11_001/IJMET_06_11_001. pdf
[4] Tang  K,  Chen  GB,  Jin  T,  Bao  R,  Kong  B,  Qiu  LM.  Influence  of  resonance  tube  length  on performance  of  thermoacousically  driven  pulse  tube  refrigerator.  Elsevier  International Journal of Cryogenics. 2005:45(3):185-191. doi:10.1016/j.cryogenics.2004.10.00
[5] Tijani  MEH,  Zeegers  JCH,  De  Waele  ATAM.  Design  of  Thermoacoustic  Refrigerators. Elsevier  International  Journal  of  Cryogenics.  2002:42(1):49-57.  doi:10.1016/S0011- 2275(01)00179-5
[6] Ghazali  NM,  Anwar  M,  Settar  NH.  Thermoacoustic  Cooling  with  No  Refrigerant. International  Journal  of  Technology  [Internet].  2011  [cited  2017  Feb  25]:2(3):234-241. Available from:http://www.ijtech.eng.ui.ac.id/index.php/journal/article/view/72
[7] Kharismawati I. Thermoacoustic Refrigerator System Performance Using the PVC (Polyvinyl Chloride) Stack By Power Input Variaton. Jurnal Neutrino. 2017 [cited 2017 may 25]:9(2):32-38. Available from: http://ejournal.uin-malang.ac.id/index.php/NEUTRINO/article/view/4073/5648
[8] Putri,  E.  K.  N,  2013, Studi  Pengaruh  Penukar  Panas  untuk  Tandon  Dingin  dan  Panas terhadap  Kinerja  Sistem  Pendingin  Termoakustik  Menggunakan  Stack  Berbahan  Gambas ( Luffa Acuttangula ), Skripsi , Jurusan Fisika, FMIPA UGM, Yogyakarta.