## SIMULASI PERANCANGAN COOLING BOX KAPASITAS 12 LITER MENGGUNAKAN TERMOELEKTRIK
1 Reno Hadi Iswandari, 2 Subekti, 3 Agung Wahyudi Biantoro
1 Mahasiswa Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercubuana Jakarta
2 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercubuana Jakarta
2 subekti@mercubuana.ac.id

## I. P ENDAHULUAN
Seiring dengan perkembangan teknologi  yang dewasa  ini, banyak para Engineering merasa tertantang untuk  memecahkan masalah  teknis  dan  mengoptimalkan  solusi  dalam  teknologi, ekonomi, lingkungan dan sumber daya manusia (SDM), dengan menentukan  wawasan  ilmiah  dibangun  dan  didasari  dengan pengalaman  untuk  memberikan  solusi  perkembangan  alat pendingin termoelektrik (TE).
Prinsip  kerja  dari  Pendingin  TE  adalah  menggunakan sistem  dengan  konduktivitas  termal  yang  rendah  dengan konduktivitas listrik yang tinggi.  Menurut [1]  sistem pendingin modul  TE  ini  memiliki  dua  semikonduktor  berbeda  secara bersamaan  dalam  arus  listrik  yang  dirangkai  khusus,  dengan menggunakan  arus  listrik Direct  Current (DC).  Arus  listrik tersebut,  dialirkan  dari  kedua  sisi  modul  TE  sehingga menyebabkan suhu menjadi panas dan dingin.
Ditinjau dari teknologi yang dibuat, ada beberapa opsi yang tersedia  seperti  ukuran,  biaya  dan  effisiensi.  Pada  bidang kedokteran  dan  kesehatan,  ketersedian  darah  sangat  dibutuhkan oleh pasien dalam proses penyembuhannya. Seperti pasien yang mengalami kecelakaan, melahirkan, dioperasi atau yang memiliki penyakit  berat  lainya,  sangat  membutuhkan  persediaan  darah minimal  1000  -  1500  mL.  Darah  tersebut  diperoleh  dari  hasil donor  orang  sehat  sekitar  250  –  300  mL,  yang  disimpan  pada dalam labu plastik dan harus dijaga agar tidak rusak. Darah harus disimpan  pada  kondisi  temperatur  tertentu  agar  sel  darah mengalami  proses  metabolisme  yang  minimal  sehingga  tidak mengalami kerusakan dan dapat digunakan untuk  jangka waktu yang  cukup  lama.  Untuk  menjawab  permaslahan  di  atas  maka diperlukan suatu tempat penyimpanan darah ( carrier ) hasil donor yang kondisinya dijaga pada suhu -10 sampai 6ᵒC sehingga bisa digunakan 28 hari ke depan. Selain itu, dapat dimanfaatkan untuk penyimpanan minuman kaleng. Sistem refrigerasi yang portable dan  menghemat  energi,  dan  sistem  pendingin  yang  mudah dibawa.
Pada  tahun  2015,  [2]  melakukan  penelitian  mengunakan modul Thermoelectric  s ebagai  elemen  pendingin  box  dengan kapasitas  13,8  L.  Rancangan  bangun  sistem  pendingin thermoelektrik dengan simulasi  Ansys dilakukan oleh  [3]  untuk mengetahui  effiesensi  daya  pendinginan  pada  TEC.  [4] melakukan penelitian mengenai termoelektrik dengan mengunakan  pendinginan  cairan  pada Heat  sink dengan mengunakan  material  tembaga  agar  temperatur  yang  dihasilkan konstan.  Untuk  mengetahui  performan  peltier  dilakukan penelitian dengan type TEC 12706, 12710, dan 12715, diperoleh bahwa type TEC 12706 memiliki nilai absorb yang lebih baik dan heat emisi  yang  lebih  rendah  serta  koefisien  kinerja  yang  lebih baik  dari  kedua  tipe  TEC  yang  dijadikan  perbandingan  [5] Memvariasikan  sebuah  tegangan  dan  kecepatan  udara  pada  sisi dingin termoelektrik untuk mengetahui sebuah temperatur terbaik dilakukan penelitian oleh [6].
Pada  makalah  ini,  akan  dijelaskan  mengenai  rancang bangun  sistem  pendingin  dengan  menggunakan  termoelektrik dengan kapasitas 12 liter, dimana temperatur sekitar -10 sampai 6ᵒC.  Sistem  pendingin  ini,  dapat  ditempatkan  pada  kendaraan jenis keluarga yang sangat banyak di Indonesia.
Pada  makalah  ini,  akan  dijelasakan  mengenai  rancang bangun  sistem  pendingin  dengan  menggunakan  termoelektrik dengan kapasitas 12 liter, dimana temperatur sekitar -10 sampai 6 ᵒC. Sistem pendingin ini, dapat ditempakan pada kendaraan jenis keluarga yang sangat banyak di Indonesia.

## II. METODE PENELITIAN
Pada  artikel  akan  dijelaskan  mengenai  rancang  bangun sistem  pendingin  dengan  menggunakan  termoelektrik  dengan kapasitas  12  liter,  dimana  temperatur  sekitar  -10  sampai  6ᵒC. Sistem  pendingin  ini,  dapat  ditempatkan  pada  kendaraan  jenis keluarga yang sangat banyak di Indonesia.

## I N F O  A R T I K E L
Diterima : 08 Oktober 2018 Direvisi : 01 Januari 2019 Disetujui : 12 Maret 2019
Kata Kunci : Termoelektrik, Cooling box , Minuman kaleng,
Arus searah (DC)

## A B S T R A K
Penelitian ini dilakukan pada cooling bo x termoelektrik (TE). Teknologi termoelektrik cooling (TEC) dimana  ketika  arus  listrik  DC  dialirkan  ke  elemen  semikonduktor  tipe  P  dan  n  dimana  akan mengakibatkan salah satu elemen termoelektrik menjadi dingin dan sisi lainya menjadi panas. Proses perancangan cooling box ini menggunakan satu termoelektrik dengan tipe TEC1-12706, heat sink , fan dan  box  minuman  berkapasitas  12  liter.  Penelitian  bertujuan  untuk  merancang  bangun  sistem pendingin  menggunakan  termoelektrik  yang  ditempatkan  pada  kendaraan  mobil  jenis  keluarga dengan  temperatur  pencapaian  sekitar  -10  sampai  6 o C.  Simulasi  dilakukan  untuk  mendapatkan temperatur yang konstan pada cooling box, dengan cara simulasi Coefficient of Performance (COP) sebesar 0,120473. Dengan hasil temperatur -12 sampai 0 o C. Hasil simulasi menunjukan arus listrik yang didapat sebesar 2 sampai 3A dimana waktu yang dibutuhkan untuk bisa mencapai -12 o C selama 38 detik.

## SIMULASI PERANCANGAN COOLING BOX KAPASITAS 12 LITER MENGGUNAKAN TERMOELEKTRIK
Sifat  dari  efek  Seebeck  dapat  dibalik  atau reversible , dimana  dari  dua  buah junction konduktor  dengan  bahan  yang berbeda,  dapat  digabungkan  menjadi  satu  kesatuan  pada  kedua ujungnya.  Hal  ini  akan  menyebabkan  terjadi  perbedaan temperatur sehingga akan menghasilkan energi listrik. [1], energi listrik yang dihasilkan adalah dengan persamaan sebagai berikut.
𝐸  =  𝛼 (𝑇 1 − 𝑇 2 ) (1)
Timbulnya  arus  listrik  yang  diakibatkan  adanya  efek Seebeck  pada  konduktor  dalam  rangkaian  maka  timbul  panas yang  disebut  dengan  efek  Joule.  Persamaan  efek  Joule  dapat ditulis sebagai berikut.
𝑄  =   𝐼 2 𝑅 (2)
Kalor  yang  merambat  secara  konduksi  dari  permukaan panas ke permukaan dingin didapat digunakan persamaan sebagai berikut persamaan sebagai berikut.
𝑞 𝑐 =  𝑈 (𝑇 1 − 𝑇 2 ) (3)
Sebuah modul TE praktis umumnya terdiri dari dua elemen yaitu  elemen Power (P)  dan  Netral  (N)  dengan  jenis  material semikonduktor  yang  terhubung  secara  seri  dan  paralel.  Pada artikel  ini  penulis  menggunakan  jenis  material  semikonduktor secara seri.
Modul  TE  memiliki  daya  pendingin  persatuan  luas  dan Coefficient of Performance (COP), untuk mengetahui nilai COP modul TE maka digunakan persamaan sebagai berikut.
𝐶𝑂𝑃 = 1+ 𝑙𝑐 𝑙 𝑍₸ (1+ 𝑇2 𝑇1 ) ¯1( 𝑇2 𝑇1 −1) ² 𝜓² (1+ 𝑠 𝑙 ) (1−mr 𝑙𝑐 𝑙 ) + 𝑟 𝑙𝑐 𝑙 ( 𝑇2 𝑇1 −1 ) ( 1−𝑚𝑟 𝑙𝑐 𝑙 ) 1+2𝑟 𝑙𝑐 𝑙 𝑍₸ (1+ 𝑇2 𝑇1 ) ¯1( 𝑇2 𝑇1 −1) 𝜓(1+ 𝑠 𝑙 )( 1−𝑚𝑟 𝑙𝑐 𝑙 ) (4)
Sebagai  fungsi  dari  panjang  elemen  untuk  empat  nilai  r yang  berbeda,  semakin  besar  kontak  hambatan  maka  semakin kecil kinerja TE.
Pada artikel ini, penulis menggunakan sistem TE dipasang dengan  menggunakan  dua heat  sink sebagai  penukar  panas, perangkat yang digunakan untuk meningkatkan penyerapan dan penolakan  panas.  Persamaan  dasar  untuk under  steady  –  State heat  transfer untuk  pertimbangan  sistem  TE.  Lebih  jelasnya ditunjukan pada Gambar 1. Dimana setiap heat sink menghadap aliran fluida pada suhu T ∞ . Subscript 1 dan 2 menunjukan aliran dari fluida 1 dan 2, saat TE dialirkan arus listrik maka Q 1 dingin yang  dihasilkan  modul  TE  menyebar  masuk  ke  sirip-sirip heat sink .  Hambatan  kontak  listrik  dan  termal  dalam  TE  dapat diabaikan,  karena  sifat  material  tidak  tergantung  pada  suhu  TE, sehingga  harus  dilakukan  isolasi  dengan  sempurna  agar  panas yang dihasilkan Q 2 tidak mempengaruhi Q 1 .
Maka  persamaan  dasar  untuk  TEC  dengan  menggunakan dua heat sink sebagai berikut
𝑄 ̇ 1 =  𝑛 [𝛼𝐼𝑇1  − 1 2 𝐼²𝑅 + 𝐴𝑒𝐾 𝐿𝑒 (𝑇 1 − 𝑇 2 )] (5)
𝑄 ̇ 1 =  𝑛 [𝛼𝐼𝑇1  − 1 2 𝐼²𝑅 + 𝐴𝑒𝐾 𝐿𝑒 (𝑇 1 − 𝑇 2 )] (6)
Gambar 1 (a) Heat sink luar  dan (b) Heat sink dalam
Dari  persamaan  8  ditemukan  nilai  koefisen  perpindahan panas  untuk  mencari  total  effisiensi  pada  heat  sink  maka digunakan persamaan sebagai berikut.
Ƞ𝑓  = tanh  [𝑏𝑓 ( 2ℎ 𝐾𝑓 𝑡𝑓 )½] 𝑏𝑓( 2ℎ 𝐾𝑓 𝑡𝑓 )½ (7)
Untuk  nilai  fluida  dapat  ditemukan  dari  korelasi  angka Nusselt, Nu sebagai berikut.
ℎ = 𝐾𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑 𝐿𝑓 𝑁𝑈 (8)
Maka total area perpindahan panas dari heat sink diberikan persamaan sebagia berikut.
𝐴𝑓 = Ƞ𝑓[2(𝐿𝑓 + 𝑡𝑓) + 𝐿𝑓 𝑍𝑓, 𝑜𝑝𝑡]
(9)
Selain itu ditemukan bahwa ada jarak sirip optimum yang didapat  maka  diperoleh  persamaan  jarak  sirip  optimum  sebagai berikut.
𝑍𝑓𝑜𝑝𝑡 = 3.24𝐿𝑓 𝑅𝑒𝐿 − 1 2 𝑃𝑟 − 1 4 (10)
Dari  persamaan  (7),  (8),  dan  (9)  maka  dapat  diperoleh persamaan heat transfer panas maksimum sebagai berikut.
𝑞𝑓  =  𝜂𝑓ℎ𝐴𝑓 (𝑇 ∞ −   𝑇 𝑏 ) (11)
Heat  sink dapat  disambungkan  oleh  banyak  hambatan termal global R dapat dibagi menjadi tiga hambatan yaitu R sa , R cs , R jc ,  dimana  penambahan  ketiga  hambatan  ini  adalah  resistansi global (R), yang diberikan persamaan sebagai berikut.
𝑅  =   𝑅 𝑠𝑎 + 𝑅 𝑐𝑠 + 𝑅 𝑗𝑐 (12)
Pada  artikel  ini  digunakan cooling  box ini  menggunakan bahan  plastik,  ka. Box minuman  ini  berfungsi  sebagai  tempat untuk alat pendingin TE dipasangkan. Lebih jelasnya ditunjukkan dengan Gambar 2.
(a)

## SIMULASI PERANCANGAN COOLING BOX KAPASITAS 12 LITER MENGGUNAKAN TERMOELEKTRIK
0 1 2 3 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 4 6 8 10 12 E ( Vo lt ) Temperatur (ᵒC) GRAFIK TEGANGAN (V)
Dimensi dalam Panjang
: 30 cm Lebar : 22 cm Tinggi : 21 cm Dimensi luar Panjang : 35 cm Lebar : 26 cm Tinggi : 26 cm
Pada  perancangan box memiliki  sebuah  hambatan  termal dimana  dihasilkan  sebuah  hambatan  total.  Berdasarkan  pada konstruksi  bangunan  tersebut,  maka  dapat  diketahui  hambatan termal dari bahan rancangan alat pendingin minuman kaleng TE ini  dimana  hambatan  total  keseluruhan  bahan  adalah  sebagai berikut.
𝑅 1 = 1 ho + 1 𝐶1 + 𝑥𝑝 kp + 1 C2 + 𝑥𝑠 ks + 1 ℎ1 (13)
Selain  itu,  perancangan box akan  mengakibatkan  adanya beban  panas  yang  melalui  dinding  disebut  sebagai  kebocoran dinding,  yaitu  banyaknya  panas  yang  bocor  menembus  dinding ruang  dari  bagian  luar  ke  dalam.  Panas  yang  masuk  melalui dinding dan atap dapat digunakan persamaan sebagai berikut.
𝑄 1 =  𝑈  × 𝐴 × (𝑇 1 − 𝑇 2 ) (14)
Untuk  beban  dinding,  atap,  dan  lantai  didapatkan persamaan sebagai berikut.
𝑄  =  𝑈 𝑥 𝐴 𝑥 ∆𝑇 (15)
Pada  artikel  ini,  produk  yang  digunakan  untuk  media pendinginan thermoelektrik adalah minuman kaleng dengan masa 0,01  kg,  produk  sebelumnya  masuk  dengan  mencapai  kisaran temperatur -10 sampai 6ᵒC, dengan banyaknya kaleng minuman 4 buah, dengan lamanya waktu pendinginan selama 5 jam, maka didapatkan persamaan sebagai berikut.
𝑄 𝑝 = 𝑚  × 𝐶 𝑝 × (𝑇 1 − 𝑇 2 ) (16)

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Produk  yang  akan  didinginkan  adalah  minuman  kaleng dengan kondisi sebagai berikut.
•  Temperatur penyimpanan  = 6°C
•  Temperatur lingkungan       = 33°C
•  Kelembaban (Rh)
= 60%
•  Masa kaleng
= 0,01 kg
•  Masa air
= 0,33 kg •  Koefisien air (C p air ) = 4,18 kJ/kg.K
•  Koefisien kaleng (C p kaleng )  = 0,39 kJ/kg.K
•  Pendinginan kaleng
= 5 jam
•  Banyaknya kaleng = 4 buah
Modul  TE  yang  digunakan  pada  penelitian  ini,  model TEC1-12706  lebih  jelasnya  ditunjukkan  dengan  Gambar  3.
Adapun spesifikasinya adalah Model
: TEC1-12706
Max cooling power : 92 Watt Operates from : 0-15,4 V dan 0-15 A ∆T max : 68ᵒC
Operates from : -24 - +70 ᵒC Size : 40 x 40 x 4 mm Weight : 24 gram
Gambar 3 Termoelektrik TEC1-12706
Dalam setiap perancangan box memiliki sebuah hambatan termal untuk memperoleh hasil hambatan total. Berdasarkan pada perancangan box pendingin  TE  tersebut  maka  dapat  diketahui hambatan termal dari bahan bangunan alat pendingin minuaman kaleng TE ini digunakan. Lebih jelasnya ditunjukan pada Tabel I.
T ABEL I H AMBATAN TERMAL BOX MINUMAN No Nama Bahan Termal (mm)
Harga Konduksi W/m. o C (x)   E/ o C (C) 1 Plastik 2 6,02 2 Polyurethane 19 0,020 3 Plastik film 2 6,02 4 Stainless steel 1 12,11 No Nama Bahan Surface Conductance W/m. o C 1 Lapisan udara luar - 9,37 2 Polyurethane - 22,70
Besarnya beban hambatan termal yang dihasilkan TE pada konstruksi box sebesar  R 1 =  1,493  m 2 . o C/W,  sedangkan  I koefisien perpindahan panas yang dihasilkan U = 0,669 W/m 2 . o C Besarnya  gaya  gerak  listrik  (GGL)  yang  dihasilkan termoelektrik pada temperatur  yang direncanakan adalah T 0 = - 10ᵒC  dan  6ᵒC  dari  produk  ini  seperti  terlihat  pada  Gambar  4 dimana didapatkan hasil tegangan seperti berikut.
Gambar 4 Grafik beban gaya gerak listrik (GGL)

## SIMULASI PERANCANGAN COOLING BOX KAPASITAS 12 LITER MENGGUNAKAN TERMOELEKTRIK
0 10 20 30 40 0 5 10 Q ( W ) I (A) GRAFIK KALOR Q -  (W) Q + (W) 0 5000 10000 -20 -10 0 10 20 q c (W) Temperatur ᵒC GRAFIK KALOR KONDUKSI (W) 0 50 100 150 200 250 0 5 10 Cool in g P owe r
(m W/m m ²) Panjang Termoelemen  (mm)

## GRAFIK COP
Cooling Power
(mW/mm²) Panjang Thermoele ment COP
-15 -10 -5 0 5 10 15 0 5 10 15 20 T em p er at u re ( ᵒC) Simulasi Modul (TEC1-12706) I (A) Voltage (V) Temperatur e (ᵒC)
Timbulnya  panas  yang  dihasilkan  dari  arus  listrik  TE  ke heat sink . Maka besarnya beban kalor yang dihasilkan modul TE ini didapat hasil seperti yang ditunjukan pada Gambar 5 berikut.

## Gambar 5 Grafik beban kalor termoelektrik
Kalor  yang  timbul  akan  merambat  secara  konduksi  dari permukaan panas ke permukaan dingin dimana  pada Gambar 6 didapat hasil beban kalor  yang terjadi seperti berikut.

## Gambar 6 Grafik beban kalor konduksi
Modul  TE  memiliki  daya  pendingin  per  satuan  luas  dan Coeficient  of  Performance (COP).  Karena  modul  TE  memiliki efek  sebuah  kontak  resistansi  yang  meningkat  seiring  dengan panjang  setiap  elemen  yang  menurun,  untuk  mengetahui  nilai COP  modul  TE  maka  dapat  didapat  nilai  beban  yang  terjadi seperti terlihat pada Gambar 7 berikut.

## Gambar 7 Coeficient of performance (COP)
Pengujian  modul  TE  tipe  (TEC1-12706)  dilakukan  untuk mendapatkan  hasil  performa  kerja  temperatur  dingin  TE  yang terbaik.  Seperti  terlihat  pada  Gambar  8  yang  menunjukan  hasil performa terbaik modul TE sebagai berikut.
Gambar 8 Grafik hasil simulasi performa TEC-12706

## IV. KESIMPULAN
Hasil pembahasan yang telah kami lakukan secara simulasi diperoleh  bahwa  simulasi  dilakukan  untuk  mendapatkan temperatur yang konstan pada cooling box , dengan cara  simulasi Coeficient of Performance (COP) sebesar 0,120473. Dengan hasil temperatur  yang  didapat  -12  sampai  0 o C.  Hasil  simulasi menunjukan  arus  listrik  yang  di  dapat  sebesar  2  sampai  3  A. dimana  waktu  yang  dibutuhkan  untuk  bisa  mencapai  -12 o C selama 38 detik.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Kami  mengucapkan  terima  kasih  kepada  bapak  Cheppy Agustian  yang telah  men- support menulis untuk  menyelesaikan artikel  ini,  kepada  Kaprodi  Teknik  Mesin  Universitas Mercubuana, kepada rekan rekan  yang telah  banyak  membantu dalam menyelaesaikan artikel ini.

## DAFTAR RUJUKAN
[1] Christophe,  G.  (2016).  Continuum  Theory  and Modelling  of  Thermoelektric  Element,  First  Edition. Published by Wiley-VCH Verleg GmbH & Co. KGaA.
[2] Rahmat,  I.M.,  Azridjal,  A.,  Afdhal,  K.M.  Penggunaan Thermoelectric sebagai Elemen Pendingin  Box  Cooler. 2016. ISBN 978-602-0-5 | ISSN 1693-3168.
[3] Many, P.I. (2016). Design, Modeling and Simulation of a  Thermoelectric  Cooling  System  (TEC).  Master’s Theses. 749.
[4] Kennedy,  Khairil.,  A,  dan  Moch,  B.A.  Experimental study  of  thermoelectric  Refrigerator  Performance: Effect  of  Air  Flow  Rate  at  the  cold  side  Heat  sink. International  Symposium  on  Smart  Material  and Mechatronics, 2016 (ISBN 978-602-60436-0-3).
[5] Eky,  I.,  Abrar.,  dan  Tri,  A.A.  Thermoelectric  Cooler Performance  Design  And  Realization  Measurement System. Vol. 4, No. 1. 2017. 673-680p.
[6] Lukman,  N.  Uji  unjuk  kerja  Pendingin  ruangan Berbasis  Thermoelectric  Cooling.  Jurnal  SIMETRIS. Vol. 8. No. 1. 2017 (ISSN 2252-4983).