Volume  10  No.2 Juli 2018 ISSN : 2085 – 1669 e-ISSN : 2460 – 0288 Website : jurnal.umj.ac.id/index.php/jurtek Email :  jurnalteknologi@umj.ac.id

## U  N  I  V  E  R  S  I  T  A  S   M  U  H  A  M  M  A  D  I  Y  A  H   J  A  K  A  R  T  A

## PENGARUH JEJARI HIDROLIK REGENERATOR DAN FREKUENSI GELOMBANG BUNYI TERHADAP KINERJA POMPA KALOR TERMOAKUSTIK GELOMBANG BERJALAN
Prastowo Murti 1,* , Ikhsan Setiawan 2 , Muhammad N M Fadly 2 , Solli Dwi Murtyas 1
1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Tidar Jalan Kapten Suparman 39 Magelang, 56116
2 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada,
Sekip Utara BLS 21 Yogyakarta, 55281 *prastowo@untidar.ac.id Diterima: 22 November 2017 Direvisi: 30 Januari 2018 Disetujui: 2 Februari 2018

## ABSTRAK
Refrigerant yang ada pada pompa kalor  konvensional berdampak langsung  terhadap lingkungan, salah  satunya adalah  merusak  lapisan  ozon,  sehingga  diperlu  dibuat  pompa  kalor  yang  ramah  lingkungan.  Pompa  kalor termoakutik  adalah  mesin  pompa  kalor  yang  memanfaatkan  fenomena  termoakustik  dan  tidak  menggunakan refrigerant  yang  berbahaya  pada  lingkungan.  Termoaakustik  adalah  fenomena  gelombang  bunyi  dapat menimbulkan perbedaan suhu atau sebaliknya. Pompa kalor termoakustik menghasilkan perbedaan suhu dikedua sisi regenerator yang  mana  dapat  dimanfaatkan  sebagai  pendingin  dan  pemanas.  Pompa  kalor  termoakustik terdiri dari pipa resonator, loudspeaker, dan regenerator . regenerator adalah jantung dari termoakustik tempat terjadinya  konversi  energi.  Oleh  karena  itu,  penelitian  ini  berfokus  pada  optimasi  jejari  hidrolik  regenerator berbahan  wire  mesh  (kasa  kawat)  stainless-steel  dan  frekuensi  gelombang  bunyi  pada  kinerja  pompa  kalor termoakustik  gelombang  berjalan.  Hasil  eksperimen  ini  menunjukksan  bahwa  jejari  hidrolik regenerator dan frekuensi  gelombang  bunyi  memiliki  pengaruh  yang  signifikan  terhadap  perbedaan  suhu  dikedua  sisi regenerator . Perbedaan suhu kedua sisi regenerator terbesar yang diperoleh sebesar 51,5 °C, dimana sisi dingin memiliki  suhu  12,2  °C  yang  dapat  dimanfaatkan  sebagai  pendingin  dan  sisi  panas  pompa  kalor  memiliki  suhu 63,6 °C yang dapat dimanfaatkan sebagai pemanas.
Kata kunci: pompa kalor termoakustik, gelombang berjalan, regenerator, frekuensi.

## ABSTRACT
The refrigerant in the conventional heat pump has affected to the environmental. One of them is ozone depletion, thus, heat pump which has no impact on the environment is needed. The thermoacoustic heat pump is heat pump device  which  employs  thermoacoustic  phenomena  and  works  with  no  refrigerant  hence  environmental  benign. Thermoacoustics  is  phenomena  sound  wave  that  can  cause  a  temperature  difference  or  vice  versa.  The thermoacoustic heat pump produces temperature difference in the both side of the regenerator in which can be used  as  refrigerator  and  heater.  Thermoacoustic  heat  pump  consists  of  resonator  tube,  loudspeaker,  and regenerator. Regenerator is the heart of thermoacoustic which is energy conversion takes place. Therefore, this research focuses on optimization of hydraulic radius of stainless steel wire mesh regenerator and frequency of the  sound  wave  on  the  performance  traveling-wave  thermoacoustic  heat  pump.  The  experimental  results  show that  hydraulic  radius  of  regenerator  and  frequency  of  sound  wave  gives  significant  effect  to  temperature difference  on  the  both  side  of  regenerator.  The  largest  temperature  difference  reach  is  51,5  °C,  which  is  cold side have 12,2 °C that can be used as a refrigerator and hot side have 63,6 °C that can be used as a heater.
Keywords : thermoacoutic heat pump, traveling-wave, regenerator, frequency.

## PENDAHULUAN
Dewasa  ini  perkembangan  pompa  kalor  ( heat pump )  memberikan  kemudahan,  kemajuan, dan  kemulian  umat  manusia.  Seiring  dengan dampak  positif  terhadap  lingkungan,  dampak negatif muncul pun muncul secara bersamaan. Salah  satu  dampak  negatif  itu  adalah penggunaan refrigerant pada lemari pendingin maupun pendingin ruangan. Kebocoran
refrigerant
pada mesin pendingin menyebabkan lapisan ozon berlubang. Sehingga penggunaan refrigerant yang mengandung  dampak  negatif  diatur  dalam Montreal Protocol tahun 1987.
Dengan  alasan-alasan  yang  telah  tersebut  di atas,  penulis  tergerak  untuk  melakukan penelitian mengenai piranti termoakustik untuk mengurangi dampak negatif refrigerant . Piranti ini diharapkan dapat digunakan sebagai pengganti mesin pendingin konvensional yang menggunakan refrigerant berbahaya.  Piranti termoakustik  yang  dimaksud  ialah  pompa kalor termoakustik ( thermoacoustic heat pump ) tanpa menggunakan refrigerant berbahaya namun hanya menggunakan medium  seperti  udara  dan  gas  mulia  yang ramah  lingkungan.  Pompa  kalor  termoakustik menggunakan  fenomena  Termoakustik  yaitu fenomena fisis dimana gelombang bunyi dapat menimbulkan  perbedaan  suhu  (Setiawan, 2005).
Berdasarkan  jenis  gelombang  bunyi  yang digunakan,  pompa  kalor  termoakustik  dapat dibedakan menjadi dua yaitu mesin termoakustik  gelombang  berjalan  dan  mesin termoakustik  gelombang  tegak.  Perbedaan antara  pompa  kalor  termoakustik  gelombang tegak dan gelombang tegak terletak pada beda fase dilokasi regenerator antara osilasi tekanan dan  osilasi  kecepatan.  Pada  pompa  kalor termoakustik  gelombang  tegak  murni,  beda fase  antara  tekanan  dan  kecepatan  adalah  90° sedangkan  pada  pompa  kalor  termoakustik gelombang  berjalan  murni  tekanan  dan kecepatan  osilasi  sefase.  Perbedaan  lain terletak  pada  siklus  yang  dialami  paket  gas. Pada  pompa  kalor  gelombang  tegak  siklus termodinamik  yang  terjadi  adalah  pendekatan siklus  Brayton  sedangkan  pada  pompa  kalor termoakustik  gelombang  berjalan  pendekatan siklus Stirling. Sehingga pompa kalor termoakustik  gelombang  berjalan  memiliki
kinerja  yg  lebih  baik  dibanding  pompa  kalor termoakustik gelombang tegak (Swift, 1999).
Seperti  pada  penjelasan  sebelumnya,  medium pompa  kalor  termoakustik  adalah  gas,  maka medium  tidak  berubah  fase.  Sehingga  pompa kalor termoakustik dapat menghasilkan pendingin  maupun  pemanas  dengan  rentan suhu  yang  tinggi.  Sebagai  pendingin,  pompa kalor termoakustik mampu menghasilkan suhu -65  °C  (Tijani,  2002).  Sedangkan  sebagai pemanas,  pompa  kalor  mampu  menghasilkan suhu  350  °C  (Bassem,  2011).  Berdasarkan hasil ini kinerja pompa kalor termoakustik bisa dibandingkan dengan pompa kalor
konvensional. Disamping itu, banyak keunggulan  yang  dimiliki  oleh  teknologi  ini. Adapun beberapa keunggulannya adalah memiliki  reliabilitas  tinggi,  relatif  murah, ramah  lingkungan,  no  moving  part  (tidak bergerak), dan terintegrasi.
Setiawan (2014) membuat piranti pompa kalor termoakustik  tipe  gelombang  berjalan  yang mana tabung resonator terbuat dari bahan PVC (Polyvinyl  Chloride)  dan  membentuk  simpal dengan  total  keliling  220  cm.  Hasil  uji  coba optimum diperoleh pendinginan sebesar 6,2 °C dan  pemanasan  10,2  °C.  Penelitian  ini memperlihatkan bahwa pompa kalor termoakustik dapat dibuat dengan menggunakan  bahan-bahan  berbiaya  murah.
Pada penelitian ini, penulis berupaya meningkatkan kinerja pompa kalor termoakustik tipe gelombang berjalan berbahan  PVC  dengan  mengubah  parameter kerja  seperti  frekuensi  gelombang  bunyi  dan jejari  hidrolik  regenerator.  Parameter  ini memiliki  pengaruh  terhadap  kinerja  alat, sehingga  diharapkan  mampu  menghasilkan pendingin  dan  pemanas  dengan  rentan  suhu lebih luas (beda suhu tinggi).

## METODE PENELITIAN
Gambar 1 merupakan skematik penelitian yang terdiri  dari loudspeaker (merk  CUBIG  model 251,  maksimum  400  watt,  4  Ω,  diameter  10 inch),  pipa  PVC  sepanjang  370  cm  (220  cm pipa bagian melingkar dan 150 cm pipa lurus) dengan diameter 5,5 cm, dan regenerator yang terbuat  dari  susunan  keping  bulat wire  mesh (kasa  kawat) stainless  steel dengan  berbagai nomor mesh .  Kepingan mesh disusun  hingga panjang 6 cm.
Jurnal Teknologi 10 (2) pp 147 - 152 © 2018
Gambar 1. Diagram skematik pompa kalor termoakustik
Frekuensi gelombang bunyi diatur menggunakan Audio  Function  Generator
(AFG),  sementara  input  listrik  ke loudspeaker diatur  oleh audio  amplifier yang  dimonitor dengan  dua  buah  multimeter  (Voltmeter  dan Amperemeter).  Suhu  dikedua  sisi  regenerator diukur  menggunakan  sensor  LM35  yang dikoneksikan dengan data logger dan dimonitor melalui komputer.
Lima regenerator digunakan untuk mengetahui pengaruh  jejari  hidrolik  regenerator  terhadap kinerja  pompa  kalor  termoakustik.  Jejari hidrolik h r regenerator yang terbuat dari mesh dihitung dengan
) 1 ( 4     D r h (1)
dimana D adalah  jejari  kawat mesh dan  adalah  porositas  yang  dinyatakan  sebagai   4 / 1 nD     . n adalah  nomor mesh (banyak kawat per unit panjang) (Swift, 2001). Hasil  perhitungan  jejari  hidrolik  regenerator dapat dilihat di tabel 1.
Tabel 1. Perhitungan jejari hidrolik regenerator
Regenerator n
(1/inch) D (mm) h r (mm) 1 30 0,18  0,22 2 40 0,16  0,16 3 50 0,14  0,13 4 60 0,14  0,10 5 80 0,12  0,07

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar  2. Grafik  suhu  terhadap  waktu  saat jejari hidrolik 0,10 mm dan frekuensi 30 Hz.
Gambar  2  merupakan  grafik  perubahan  suhu dikedua  sisi  regenerator  saat  jejari  hidrolik 0,10  mm  dan  frekuensi  gelombang  bunyi  30 Hz.  Terlihat  pada  mulanya  suhu  kedua  sisi regenerator  adalah  sama.  Kemudian  saat sistem pembangkit gelombang bunyi diaktifkan, terjadi perubahan suhu dikedua sisi. Sisi  panas  regenerator  adalah  sisi  yang memiliki  suhu  lebih  tinggi  dibanding  suhu awal,  dan  begitupun  sebaliknya  sisi  dingin regenerator  adalah  sisi  yang  memiliki  suhu lebih  rendah  dari  suhu  awalnya.  Dari  grafik nampak  suhu  sisi  panas regenerator  ( P T )  naik hingga ( P T  ) 35,3 °C dari suhu awal 28,3 °C, sedangkan  suhu  sisi  dingin  regenerator  ( D T ) turun  ( Maks D T ,  )  16,2  °C  dari  suhu  awal.
Sehingga  perbedaan  kedua  suhu  kedua  sisi regenerator adalah 51,5 °C.
Ketika  sistem  pembangkit  gelombang  bunyi belum  diaktifkan,  partikel  gas  (medium) didalam  regenerator  dalam  kondisi  diam. Sementara  saat  sumber  bunyi  diaktifkan, partikel gas akan berosilasi sekaligus memindahkan  kalor  dari  sisi  dingin  ( D T )  ke sisi  panas  ( P T ).  Fenomena  ini  disebut  dengan termoakustik.  Gambar  3  adalah  ilustrasi fenomena termoakustik, ilustrasi ini digunakan untuk memudahkan pemahaman fisis fenomena  termoakustik.  Paket  gas  merupakan volume  gas  cukup  kecil  sehingga  tekanan  dan suhu  seragam  namun  cukup  besar  untuk meninjau sifat-sifat makroskopik gas. Regenerator  diasumsikan  merupakan  susunan pelat  sejajar  yang  mana  letak  paket  gas bergerak  bolak  balik  dalam  arah  sejajar, kemudian  paket  gas  memiliki  kecepatan  dan tekanan  sefase  akibat  dari  gelombang  bunyi berjalan.
Paket  gas  yang  berosilasi  di  dekat  pelat  datar dengan  jarak K y   (kondisi  kontak  termal sempurna)  maka  akan  mengalami  empat tahapan seperti gambar 3. Pada tahap (1) paket gas  mengalami  kompresi  isotermal  di  dekat pelat yang dingin. Selanjutnya, dalam tahap (2) paket  gas  bergerak  ke  daerah  dekat  bagian pelat  yang  panas  dan  pada  saat  bersamaan mengalami  pendinginan  pada  volume  konstan dengan  melepaskan  kalor  ( 1 dQ )  kepada  pelat sehingga  pada  saat  itu  paket  gas  melakukan usaha  ( 1 dW ) pada  lingkungan.  Kemudian, pada  tahap  (3)  paket  gas  mengalami  ekspansi isotermal  di  dekar  bagian  pelat  yang  panas. Terakhir,  pada  tahap  (4)  paket  gas  bergerak kembali ke daerah dekat pelat yang dingin dan pada  saat  bersamaan  mengalami  pemanasan pada  volume  konstan  dengan  menyerap  kalor
( 2 dQ ) dari pelat, sehingga pada saat itu usaha
( 2 dW ) dilakukan  pada  paket  gas  oleh lingkungannya  (Setiawan,  2014).  Siklus  ini kembali  berulang  hingga  terjadi  perbedaan suhu diantara dua sisi regenerator.
Gambar 4 merupakan grafik pengaruh
frekuensi gelombang bunyi terhadap perbedaan suhu di kedua sisi regenerator untuk beberapa  jejari  hidrolik.  Pada  percobaan frekuensi  diatur  dari  30  Hz  sampai  200  Hz. Pemilihan  frekuensi  30  Hz  sebagai  frekuensi
terendah dikarenakan keterbatasan dari kemampuan
loudspeaker . Berdasarkan
pengamatan,  frekuensi  30  Hz  untuk  semua jejari hidrolik regenerator menghasilkan perbedaan  suhu  yang  paling  tinggi.  Hal  ini mengindikasikan  bahwa  frekuensi  30  Hz merupakan  frekuensi  yang  dekat  dengan frekuensi  resonansi  dari  sistem  pompa  kalor termoakustik.  Pompa  kalor  termoakustik  akan bekerja  secara  maksimal  apabila  frekuensi gelombang bunyi merupakan frekuensi resonansi  dari  sistem.  Karena  saat  frekuensi resonansi, paket gas berosilasi dengan maksimal. Ketika paket gas berosilasi maksimal, semakin banyak kalor yang dipindahkan  paket  gas  dari  sisi  dingin regenerator ke sisi panas regenerator. Sehingga,  terjadi  perbedaan  (gradien)  suhu yang  besar  antara  kedua  sisi  regenerator (Murti, 2015)
Gambar  3. Ilustrasi  tahapan  proses  siklus pompa kalor termoakustik gelombang berjalan (Setiawan, 2014) .
Jurnal Teknologi 10 (2) pp 147 - 152 © 2018
Gambar  4. Pengaruh  frekuensi  gelombang bunyi  terhadap  beda  suhu  di  kedua  sisi regenerator untuk beberapa jejari hidrolik.
Gambar  5. Pengaruh  regenerator  dengan beberapa  jejari  hidrolik  pada  frekuensi gelombang  bunyi  30  Hz  terhadap  perbedaan suhu  pompa  kalor  termoakustik  gelombang berjalan.
Selanjutnya,  gambar  5  merupakan  grafik perbedaan  suhu  tiap  jejari  hidrolik  pada frekuensi  30  Hz.  Terlihat  jejari  hidrolik  0,10 mm  menghasilkan  perbedaan  suhu  di  kedua sisi  regenerator  sebesar  51,5 ℃ .  Hasil  ini merupakan  perbedaan  suhu  yang  paling  besar dibanding  dengan jejari  hidrolik  yang  lainnya. Ketika  pompa  kalor  termoakustik  bekerja dengan  gelombang  berjalan,  hal  yang  perlu diperhatikan adalah parameter non- dimensional ωτ. Untuk pompa kalor termoakustik gelombang berjalan nilai parameter ωτ harus bernilai kurang dari 1. Hal sebaliknya  apabila  pompa  kalor  termoakustik gelombang  tegak,    nilai  parameter  ωτ  harus bernilai kurang lebih 1 (Yazaki, 1998). Parameter  merepresentasikan  pertukaran kalor  antara  pelat  dan  paket  gas.  ωτ didefinisikan sebagai
2       
K h r   (2)
dimana h r adalah  jejari  hidrolik  regeneator.
Kedalaman  penetrasi  termal k  adalah  jarak yang  dapat  ditempuh  oleh  kalor  didalam medium  selama  selang  waktu f T / 1  .
Kedalaman  penetrasi  termal  dihitung  dengan
   / 2  k .  adalah  difusivitas  gas  dan
 adala frekuensi angular gelombang bunyi.
Pompa  kalor  termoakustik  pada  penelitian  ini menggunakan udara saat tekanan atmosfer dan suhu  kamar  sebagai  gas  kerja  (medium). sehingga, pompa kalor termoakustik gelombang  berjalan  memiliki  0,04  ketika regenerator dengan jejari hidrolik 0,10 mm dan frekuensi  gelombang  bunyi  30  Hz.  Melihat  ini,  ada  kesesuaian  dengan  teori  pompa kalor termoakustik gelombang berjalan,
sehingga  mampu  menghasilkan  perbedaan suhu  yang  tinggi.  Pompa  kalor  termoakustik yang memiliki perbedaan suhu tinggi merupakan pompa kalor dengan kinerja tinggi. Sama  halnya  dengan  hasil  penelitian  ini, pompa kalor berfungsi sebagai pendingin pada suhu  12,2 °C. Sementara pompa kalor sebagai pemanas pada suhu 63,6 °C.

## KESIMPULAN
Penelitian eksperimental pengaruh jejari hidrolik  regeneator  dan  frekuensi  gelombang bunyi terhadap pendingin dan pemanas dengan rentan suhu lebih luas pompa kalor termoakustik gelombang berjalan telah dilakukan. Eksperimen ini menunjukkan bahwa jejari hidrolik regenerator dan frekuensi gelombang  bunyi  memiliki  pengaruh  yang signifikan  terhadap  perbedaan  suhu  dikedua sisi regenerator. Perbedaan suhu tertinggi yang diperoleh  sebesar  51,5  °C.  Sehingga  pompa kalor  termoakutik  dapat  digunakan  sebagai pendingin dan pemanas.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan  terimakasih  kami  tujukan  kepada Universitas  Tidar  karena  telah  mendukung penelitian  ini  dengan  hibah  penelitian  dosen pratama (nomor: 472.ap/UN57/LT/2017).
Terima  kasih  kepada  bapak  Ikhsan  Setiawan, Muhammad  N.  M.  Fadly,  dan  Agung.  B.  S. Utomo dari Jurusan Fisika FMIPA UGM yang telah membantu dalam menyelesaikan penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Anonim, Montreal Protocol http://en.wikipedia.org/wiki/Montreal_P rotocol, diakses 20 Agustus 2017.
Bassem,  M. Et  al .  2011. Thermoacoustic Stirling  Heat  Pump  Working  as  a Heater . Int. J. Refig. 34, 1125. Kikuchi,  R. Et  al .  2015. Measurement  of
Performance  of  Thermoacoustic  Heat
Pump  in  -3  to  160  °C  temperature range . Jpn. J. of Apl. Phys. 54, 117101. Murti,  P. Et  al .  2015.  Pengaruh  panjang  stack kasa  kawat  stainless-steel  dan  heat exchanger pada kinerja pendingin
termoakustik gelombang berdiri
berbiaya  murah.  Proceeding  Seminar
Nasional  Teknik  Mesin  10  (SNTM  10)
13  august  2015  Universitas  Kristen Petra  ISBN: 978-979-25-4419-0 Setiawan,  I., et  al .  2005.  Rancang  Bangun Piranti Termoakustik Sebagai Pendingin dan  Pemanas  Secara  Simultan,  Laporan Penelitian  Antar  Bidang  Ilmu,  Proyek Penelitian  Antar  Bidang  Ilmu,  FMIPA UGM, Yogyakarta. Setiawan, I. 2014. Pembuatan Piranti Pendingin  Termoakustik  Gelombang
Berjalan,  Prosiding  Seminar  Nasional
Fisika dan Terapannya (SNAFT IV), 15 November  2014,  Universitas  Airlangga, Surabaya, Indonesia. Setiawan,  I. Et  al. 2017. Experimental Demonstration  of  the  Dependence  of
Temperature Decrease on the Hydraulic Radius  of  Regenerator  in  a  Traveling- Wave  Thermoacoustic  Refrigerator .  J. Of phys: Conf. Ser. 820 012012. Swift,  G.  W,  1997, Thermoacoustic  Engine , Editor  M.  J.Crocker,  Encyclopedia  of Acoustic,  John  Willey  &  Sons,  New York. Swift, G.W. 2001. Thermoacoustic: A
Uniflying  Perspective  for  Some  Engine and  Refrigerator ,  Los  Alamos  National Laboratory, Acoustical Society of America Publication.
Tijani.  MEH, et  al .  2002. Construction  and performance of a thermoacoustic refrigerator .  Cryogenics, 42  (2002)  59– 66. Yazaki  T. et  al .  1998, Travelling  wave thermoacoustic engine in a looped tube , Physics  Review  Letters,  81(15):  3128- 3131.