## Pengembangan Pendingin Termoakustik dengan Menggunakan Penukar Kalor Tambahan dalam Resonator

## Asmara P, Pebriarti A, Setiawan I dan Setio Utomo A B,
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta 55281, Indonesia
Abstrak  -  Telah  dilakukan  penelitian  piranti  termoakustik  dengan  mengamati  pengaruh  heat  exchanger menggunakan  berbagai  debit  cairan  dan  jenis  cairan  pada  penurunan  suhu  tandon  panas  dan  tandon  dingin.
Hasil yang diperoleh sebagai cairan terbaik yang digunakan adalah  air, disamping mudah didapat juga tidak  menimbulkan  korosi  pada  pipa  tembaga  sehingga  aliran  cairan  dalam  pipa  berjalan  dengan  lancar  dan diperoleh penurunan suhu pada tandon panas sebesar 5,5  C serta 1,3  C pada tandon dingin. Adapun penurunan suhu optimum tandon panas sebesar 5,4  C dan tandon dingin sebesar 1,8  C yang terjadi pada saat pipa tembaga dialiri  air  dengan  debit  (2,47  ±  0,01)  mL/s.  Terlihat  dengan  adanya  penggunaan  heat  exchanger  berupa  pipa tembaga yang dialiri cairan menyebabkan tandon panas mengalami penurunan suhu sehingga tandon panas belum jenuh dan pemompaan kalor dari tandon dingin ke tandon panas tetap stabil (dingin) yang berarti kinerja sistem meningkat.
Abstract  -  A Research  on  a  Thermoacoustic  device  for  observing the influence  of  a  heat  exchanger,  in  where  a liquid rate and a liquid kind are varied, on the temperature decrease of the hot and cool reservoirs has been done. It has been found that the best liquid which is used is water, beside it is easy to find moreover water doesn’t cause any corrosion on copper pipes of heat exchanger, so that water in copper pipes can fluently flow. As a result, the temperature decreasing on a hot reservoir is around 5.5  C and is around 1.3  C on cool reservoir. The optimum temperature decreasing on hot reservoir is about 5.4  C and 1.8  C on cool reservoir when copper pipe is flowed by a water rate of around (2.47 ± 0.01) mL/s. It has been shown that by using a copper pipe in heat exchanger, which is flowed by water, causes a temperature drop on hot reservoir. In other word, hot reservoir has not been saturated yet as a result some heat can continuously move from cool to hot reservoirs, that means the system performance rises.

## I. PENDAHULUAN
Sistem  pendingin  (AC)  umumnya  menggunakan bahan  pendingin  freon  padahal  freon  dijadikan  salah satu  penyebab  kerusakan  lapisan  ozon  di  atmosfer bumi.  Lebih  jauh  lagi,  hal  ini  berakibat  rusaknya lapisan  ozon  yang  berdampak  terjadinya  pemanasan global,    ketakpastian  iklim  dunia  dan  berimplikasi negatif bagi kehidupan di bumi. [1, 2, 3]
Dengan  demikian,  perlu  dikembang-kan  suatu sistem pendingin alternatif yang ramah lingkungan, dan salah satunya adalah pendingin termoakustik.
Oleh  karena  banyak  parameter  yang  menentukan kinerja  pendingin  termoakustik,  maka  pada  penelitian ini dibatasi  yaitu pengaruh  adanya  penukar kalor  ( heat exchanger )  tambahan  dalam  resonator.  Dengan demikian dapat diselidiki pengaruh kinerja termoakustik  dengan  adanya  penukar  kalor  tambahan dalam  resonator,  baik  bahan  penukar  kalor,  medium yang  digunakan  sebagai  penukar  kalor  maupun kecepatan atau debit mediumnya.

## II. STUDI PUSTAKA
Pustaka acuan yang komprehensif dalam termoakustika telah ditulis menggunakan gelombang berdiri [4] . Yazaki dkk [5] mendemonstrasikan  sebuah  prototipe  pendingin akustik  yang  menggunakan  siklus  Stirling.  Secara teoretis  dan  eksperimental  tentang  karakteristik frekuensi  pada  pendingin  termoakustik  telah  diperoleh
suatu  pita  frekuensi  yang  sempit  yang membangkitkan osilasi  kuat  dan  menimbulkan  efek  termoakustik  yang signifikan [6] . Jensen dkk [7] , memodelkan secara numerik dua  pendekatan  yang  berbeda  untuk  integrasi  gradien suhu  di  dalam stack termoakustik.  Zoontjens  dkk [8] telah mengembangkan desain pendingin termoakusktik, yang  selanjutnya  dilakukan  pemodelan  dan  optimisasi segmen-segmen inertansi akustik untuk piranti termoakustik dan kinerja sistem secara keseluruhan Adapun di FMIPA-UGM, sejumlah penelitian telah dilakukan  menggunakan  resonator  silindris  dari  bahan pipa PVC (panjang 53 cm dan diameter sekitar 4 cm = 1½  in.), stack dari  bahan  kertas  kardus  dan  film fotografi, loudspeaker 6½  in  60  W  8  dan  penguat audio  60  W  sehingga  memberikan  kuat  (intensitas) bunyi    maksimum  sebesar  120  dB [9,  10,  11] ,  optimasi penentuan  posisi stack dalam  resonator [12] ,  optimasi diameter resonator [13] , dan pengaruh amplitudo bunyi [14] agar kinerja sistem pendingin meningkat.

## III. METODE PENELITIAN
Siklus  proses  pendinginan  termoakus-tik diilustrasikan pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram P-V yang memperlihatkan empat tahap dalam siklus pendingin (refrigerator) termoakustik [15]
Saat gelombang akustik menyebabkan paket gas di dalam stack bergerak ke kiri maka tekanan dalam ruang tersebut  akan  meningkat  dan  gas  termampatkan.  Paket gas  yang  termampatkan  ini  sekarang  lebih  panas daripada  dinding stack di  dekatnya  sehingga  gas  akan melepaskan  kalor  ke stack dan  menyusutkan  volume paket  gas  tersebut.  Saat  gelombang  melanjutkan siklusnya,  paket  gas  ditarik  kembali  ke  kanan  dimana tekanan  dalam  ruang  tersebut  lebih  rendah.  Paket  gas menjadi  lebih  renggang  dan  lebih  dingin  dari  pada dinding stack di dekatnya, sehingga gas menyerap kalor dari dinding stack untuk mengembang. Siklus ini terus berulang  dan  efeknya  adalah transfer  kalor  dari  bagian kanan  ke  bagian  kiri stack ,  bagian  yang  terambil kalornya  menjadi  bagian  dingin  (kanan)  sedangkan bagian yang dialiri kalor menjadi bagian panas (kiri).

## IV. PERALATAN
Adapun  sistem  termoakustik  lengkap  meliputi sistem  sumber  bunyi,  sistem  deteksi  suhu  dan  sistem heat exchanger . (Gambar 2)
Sistem  sumber  bunyi  terdiri  atas Loudspeaker (+ kotak  sebagai  penutupnya)  dengan  merek  CUBIG, diameter  ring  10  inci,  impedance  4  ohm,  maximum power  400  W.  dan.  AFG  (audio  function  general) digital  model  GFG-8016G  dengan  ketelitian  alat  1  Hz beserta  Penguat  daya  stereo  (stereo  power  amplifier) dengan merek BELL M-900. Sedangkan sistem deteksi suhu  terdiri  atas  dua  buah  termometer  digital  dan  dua buah  termometer  batang.  Termometer  digital  yang digunakan disertai sensor suhu tipe LM-35. Termometer  digital  ini  memiliki  ketelitian  0,1  C, sedangkan  termometer  batang  memiliki  ketelitian  0,5  C.  Sistem Heat  Exchanger terdiri  atas  sebuah  pompa air yang digunakan untuk memompa air dari tandon air ke  pipa  tembaga heat  exchanger melalui  pipa  plastik dan  keluaran  air  dari heat  exchanger ke  luar sistem/lingkungan.
Adapun  bahan-bahan  yang  digunakan  yaitu  tabung resonator  terbuat  dari  pipa  PVC  dengan  diameter  5,53 cm dan panjang pipa 80 cm (dibagi dalam tiga bagian,
panjang  14  cm, 11  cm, dan  54  cm).  Pipa-pipa  tersebut dihubungkan  dengan  dua  buah  penghubung  PVC dengan  ketebalan  masing  masing  0,5  cm.  Penghubung PVC pertama dipasang pada pipa berukuran 14 cm dan 11  cm.  Diantara  kedua  pipa  ini  diletakkan hot  heat exchanger .  Kemudian  penghubung  PVC  kedua dipasang  antara  11  cm  dan  54  cm.  Di  dalam  pipa berukuran  11  cm  diletakkan stack ,  sedangkan  ujung pipa  yang  berukuran  54  cm  dihubungkan  dengan loudspeaker sedangkan pada  ujung  pipa 14  cm  ditutup dengan  penutup  yang  terbuat  dari  PVC [16] .  Sedangkan stack yang  digunakan  adalah  jenis  pelat  sejajar  yang terbuat  dari mika  dengan  tebal  0,3  cm  dan  panjang  10 cm.  Pada  bagian mika  dilekatkan  beberapa  senar nilon berdiameter  0,1  cm  dan  panjang  10  cm  berjarak  antar nilon  sebesar  2  cm  serta  lebar  mika stack disesuaikan dengan  diameter  tabung  resonator  yang  digunakan. Dalam  hal  ini  spasi  antar  pelat  adalah  0,1  cm [17] (Gambar  3a).  Adapun Hot  heat  exchanger (HHX) sebagai  penyerap  kalor  terbuat  dari  bahan  tembaga berbentuk  pipa  berdiameter  0,15  cm  dengan  bagian tengahnya  dibuat  bentuk  lekukan  dengan  panjang lekukan 30,5 cm dan tinggi lekukan disesuaikan dengan pipa resonator yang digunakan (Gambar 3b).
Gambar 2. Set up alat piranti termoakustik [18]
Sebelum dimulai eksperimen, frekuensi yang akan digunakan  ditentukan  terlebih  dahulu.  Frekuensi resonansi  ditentukan  melalui  perhitungan  dengan  orde frekuensi n = 1, tegangan V = 15 volt (tetap) dan arus I =  2,4  ampere  (tetap).  Nilai  frekuensi  tabung  resonator yang diperoleh dari persamaan adalah 108 Hz dengan v = 349 m/s pada suhu kamar. [18]
Gambar 3. a). mika stack disesuaikan dengan diameter tabung resonator [17] , 3b Hot heat exchanger
(HHX) sebagai penyerap kalor terbuat dari pipa tembaga [19]
Pengoperasian  alat  berlangsung  selama  50  menit dengan  26  menit  pertama hot  heat  exchanger belum diberi  cairan  setelahnya hot  heat  exchanger dialiri dengan  cairan  sampai  menit  ke  50.  Pada  pengukuran laju  ini,  akan  difokuskan  pada  densitas  cairan  yang digunakan serta pengaruhnya pada suhu tandon.
Pada  saat  pengoperasian  piranti  termoakustik beberapa  menit  sebelum  pipa  tembaga heat  exchanger dialiri  cairan,  kedua  tandon  pada  piranti  termoakustik mengalami perubahan suhu, dimana pada tandon panas mengalami  peningkatan  suhu  dan  pada  tandon  dingin mengalami penurunan suhu akibat adanya transfer kalor dalam  tandon  dingin  dipindahkan  ke  tandon  panas. (Gambar 4)
Gambar 4. Grafik suhu vs waktu pada saat hot heat exchanger sebelum dan sesudah hot heat exchanger diberi air pada menit ke 26 [18]
Akan  tetapi  setelah  beberapa  menit  pengoperasian suhu dalam tandon dingin akan mencapai minimum dan suhu  dalam  tandon  panas  mencapai  maksimum  atau mengalami kejenuhan pada masing-masing tandon. Hal ini berakibat adanya sebagian kalor dalam tandon panas yang  mengalir  kembali  ke  tandon  dingin  sehingga menyebabkan  suhu  tandon  dingin  sedikit  demi  sedikit menjadi naik.
Hal  inilah  yang  mendasari  perlunya  pembuangan kalor  dari  tandon  panas  ke  luar  dari  sistem  piranti termoakustik agar  suhu  pada  tandon  panas  tidak  jenuh sehingga tidak ada aliran kalor balik dari tandon panas ke  tandon  dingin  dan  suhu  pada  tandon  dingin  tetap dingin.
Pendinginan hot heat exchanger dengan menggunakan  cairan  memberikan  perubahan  terhadap laju  pendinginan  dan  pemanasan  tandon. Hot  heat exchanger dibuat  dari  bahan  tembaga  yang  memiliki kapasitas  panas  tinggi  dan  konduktivitas  termal  yang besar  sehingga  mampu  menyerap  dan  melepaskan kalor. Hot  heat  exchanger yang  digunakan  berbentuk uliran  supaya  pipa  tembaga  yang  berada  di  dalam tandon panas cukup banyak menyerap kalor. Sedangkan
cairan  yang  digunakan  untuk  mendinginkan hot  heat exchanger berupa : air, larutan garam, dan alkohol.
Pada  saat hot  heat  exchanger dialiri  cairan,  suhu pada  tandon  panas  relatif  menurun,  hal  ini  disebabkan karena cairan mampu membawa kalor dan membuangnya ke lingkungan.
Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  penurunan suhu  terbesar  terjadi  pada  saat hot  heat  exchanger dialiri cairan yang memiliki densitas  = 0,9968 g/cm 3 yaitu air dengan penurunan suhu yang diperoleh sebesar 5,5  C terjadi pada tandon panas dan 1,3  C terjadi pada tandon  dingin.  Besarnya  nilai  kapasitas  panas  yang dimiliki  air  mempengaruhi  besarnya  penurunan  suhu yang terjadi pada kedua tandon. [18]
Gambar  5  merupakan  grafik  pengoperasian  alat selama 30 menit tanpa dan dengan cairan berdebit (2,45  0,01) mL/s.
Gambar 5. Grafik suhu vs waktu pengoperasian piranti termoakustik selama 30 menit dengan heat exchanger tanpa dan dengan cairan [19]
Setelah pengoperasian piranti termoakustik  selama 15  menit  berikutnya, heat  exchanger pipa  tembaga dialiri  cairan  air  dan  debit  tertentu,  sehingga  pipa tembaga  dan  cairan  yang  dialirkan  akan  menyerap panas pada tandon panas dan dibuang keluar sistem.
Terlihat  bahwa  suhu  pada  tandon  panas  akan langsung  mengalami  penurunan  hingga  beberapa derajat  Celcius,  sedangkan  pada  tandon  dingin  tidak langsung  mengalami  penurunan  suhu  tetapi  beberapa saat  setelah  pemberian  cairan  pada  pipa  tembaga heat exchanger .
Hal ini disebabkan karena kalor pada tandon panas diserap  langsung  oleh  pipa  tembaga  dan  cairan  yang dialirkan  sehingga  suhu  pada  tandon  panas  akan langsung  turun,  sedangkan  pada  tandon  dingin  masih dalam  proses  pemompaan  kalor  dari  tandon  dingin  ke tandon  tandon  panas.  Jika  pemompaan  kalor  dari tandon dingin ke tandon panas berlangsung stabil maka suhu tandon dinginpun akan semakin turun juga.
Terlihat pada Gambar 6 mulai menit ke 10 sampai menit  ke  15  terjadi  kenaikan  suhu  yang  cenderung
semakin  bertambah  pada  tandon  dingin.  Ketakstabilan ini  diakibatkan  adanya  arus  balik  kalor  dari  tandon panas  ke  tandon  dingin  yang  tidak  mampu  diimbangi oleh  pemompaan  kalor  dari  tandon  dingin  ke  tandon panas  dan  hal  ini  yang  mengakibatkan  suhu  pada tandon dingin semakin bertambah.
Dengan  adanya  cairan pada heat  exchanger ,  maka sebagian  kalor  pada  tandon  panas  akan  terserap  dan dibuang keluar sistem sehingga tidak mengalir balik ke tandon dingin.
Gambar 6. Grafik suhu vs waktu pengoperasian pada piranti termoakustik dengan berbagai debit air [19]
Hal  ini  ditunjukkan  pada  suhu  tandon  panas  yang menurun atau dengan lain kata suhu pada tandon panas sudah  tidak  jenuh  lagi.  Akibat  lebih  jauh  lagi pembuangan  kalor  dari  tandon  dingin  ke  tandon  panas akan berlangsung dengan baik tanpa adanya arus kalor balik, sehingga sistem akan stabil (dingin) dengan suhu pada tandon dingin tidak bergeser naik.
Dilain  pihak  menggunakan  air,  terlihat  bahwa penurunan  suhu  pada  tandon  panas  sudah  cukup  baik karena  kebanyakan hasil  menunjukkan  bahwa  semakin besar debit air semakin besar pula penurunan suhu pada tandon panas. Hanya saja pada debit (2,24 ± 0,01) mL/s terjadi  penurunan  suhu  yang  cukup  besar  melebihi penurunan suhu tandon panas pada debit air yang lebih besar.
Pada  tandon  dingin  penurunan  suhu  yang  terjadi tidak linier terhadap semakin besarnya debit air, namun tetap  terlihat  bahwa  pada  debit  terbesar  menghasilkan penurunan  suhu  terbesar  di  tandon  dingin.  Pada dasarnya,  semakin  besar  debit  yang  dialirkan  semakin besar  pula  penurunan  suhu  pada  tandon  dingin  dan tandon panas. Akan tetapi terkadang tidaklah demikian realitasnya, hal ini dikarenakan adanya beberapa faktor yang  mempengaruhi  hasil  penurunan  suhu  pada  kedua tandon tersebut, antara lain kapasitas panas, kelancaran aliran dan sebagainya.

## KESIMPULAN
Kesimpulan  yang  diperoleh  dari  penelitian  ini adalah  bahwa  adanya  penggunaan heat  exchanger berupa  pipa  tembaga  yang  dialiri  oleh  cairan  pada tandon  panas  menyebabkan  penurunan  suhu  pada
tandon  panas  sehingga  tandon  panas  tidak  jenuh sehingga  pemompaan  kalor  dari  tandon  dingin  ke tandon  panas  tetap  stabil  dan  tidak  terjadi  arus  kalor balik.
Disamping  itu  penurunan  suhu  optimum  pada kedua  tandon  terjadi  pada  debit  terbesar,  dengan viskositas  dan  densitas  yang  lebih  kecil.  Adapun penurunan  suhu  optimum  terjadi  pada  saat  pipa tembaga dialiri air dengan debit (2,47 ± 0,01) mL/s, dan penurunan  suhu  pada  tandon  panas  sebesar 5,4  C  dan tandon dingin sebesar 1,8  C.
DAFTAR PUSTAKA [1]  Anonim,  2007a,  Perlindungan  Lapisan  Ozon, Kementrian Negara Lingkungan hidup, http://ozon.menlh.go.id diakses  pada  tanggal  10 April 2007. [2]  Anonim,  2007b,  Thermoacoustics,  Los  Alamos National
Laboratory, http://www.phys.tue.nl/lt/workshop/workshop.html diakses pada tanggal 24 Januari 2007. [3]  Anonim,  2007c,  First  International  Workshop  on Thermoacoustics, Technische Universiteit
Eindhoven and the Acoustical Society  of America, http://www.lanl.gov/projects/thermoacoustics/ diakses pada tanggal 4 Februari 2007.
[4]  Swift,  G.W.,  2002, Thermoacoustics:  A  Unifying Perspective  for  Some  Engines  and  Refrigerators , Los  Alamos  National  Laboratory,  Acoustical Society of America Publications.
[5]  Yazaki,  T.,  Biwa,  T.,  dan  Tominaga,  A.,  2002,  A Pistonless  Stirling  Cooler, Appl.  Phys.  Lett. 80(1), 157  159.
[6]  Tu,  Q.,  Gusev,  V.,  Bruneau,  M.,  Zhang,  C.,  Zhao, L.,  dan  Guo,  F.,  2006,  Experimental  and Theoretical Investigation on Frequency Characteristic of Loudspeaker-driven Thermoacoustic  Refrigerator, Cryogenics 45,
739  746.
[7]  Jensen,  C.,  Raspet,  R.  dan  Slaton,  W.,  2006, Temperatur Gradient Integration in Thermoacoustic Stacks, App. Acoust . 67, 689  699.
[8]  Zoontjens,  L.,  Howard,  C.Q.,  Zander,  A.C.,  dan Cazzolato, B.S., 2005, Development of a Low-Cost Loudspeaker-Driven  Thermoacoustic  Refrigerator, Proceeding  of  Acoustics ,  9-11  November  2005, Busselton, Western Australia.
[9]  Ikhsan  S., Agung  B.S.U ,  Andi  R.W.,  Guntur  M., 2005, Rancang  Bangun  Piranti  Termoakustik sebagai  Pendingin  dan  Pemanas  Udara  secara Simultan ,  Laporan  Penelitian  Antar  Bidang  Ilmu 2005, FMIPA, UGM, Yogyakarta.
[10]  Ikhsan  S., Agung  B.S.U .,  Andi  R.W.,  dan  Guntur M.,  2007,  Rancang  bangun  piranti  termoakustik sebagai  pemompa  kalor, Sigma Vol.10  No.  1,  hal. 25-33.
[11]  Elyanita  MS,  Setiawan  I  dan Setio  Utomo  A  B , 2007, Pengaruh Peubah frekuensi dan posisi stack bahan  kardus  terhadap  peubah  suhu  pada  sistem
termoakustik ,  Jurnal  Fisika  Indonesia  No.  33  Vol. XI, Edisi Agustus 2007. ISSN: 1410-2994
[12]  Romdhiah,  I.  Setiawan,  dan Setio  Utomo  A  B .,
2006, Pengaruh Variasi Posisi Stack dan Frekuensi Gelombang  Bunyi  Terhadap  Perbedaan  Suhu  pada Sistem  Termoakustik  dengan  Bahan Stack Film, Jurnal  Fisika  Indonesia No.  31  Vol.  X,  Edisi Desember 2006. ISSN: 1410-2994
[13]  Sampurna  D,  Setiawan  I  dan Setio  Utomo  A  B , 2007, Studi eksperimen untuk mengetahui pengaruh  diameter  tabung  resonator  silindris terhadap kinerja piranti termoakustik, Jurnal Fisika Indonesia No.  33  Vol.  XI,  Edisi  Agustus  2007. ISSN: 1410-2994
[14] Zulheldi, Ikhsan Setiawan dan Setio Utomo A B , 2006, Pengaruh Intensitas Bunyi, Jarak Letak Stack dan  Diameter  Tabung  Resonator  pada  Piranti Termoakustik, Jurnal Fisika Indonesia No. 31 Vol. X, Edisi Desember 2006. ISSN: 1410-2994
[15]  Russell,  D.A.  dan  Weibull,  P.,  2002,  Tabletop Thermoacoustic  Refrigerator  for  Demonstration,
Am. J. Phys. 70, 1231  1233.
[16]  Ma’rifah,  L.K,  2009,  Optimalisasi  Diameter Tabung Resonator Silindris Dan Daya Loudspeaker Terhadap  Penurunan  Suhu  Pada  Sistem  Pendingin Termoakustik, Skripsi S1,  Jurusan  Fisika,  FMIPA UGM, Yogyakarta.
[17]  Naibaho,  K.  E.  J.  A,  2009,  Studi  Pengaruh Tegangan Loudspeaker Dan  Ketebalan  Pelat Stack
Sejajar  Terhadap  Perubahan  Suhu  Pada  Resonator Silindris  Ujung  Tertutup  Piranti  Termoakustik,
Skripsi S1,  Jurusan  Fisika,  FMIPA  UGM, Yogyakarta.
[18]  Pebriarti  A,  2011,  Pengaruh  Berbagai  Densitas Cairan  Pada Heat  Exchanger Terhadap  Penurunan Suhu  Dalam  Piranti  Termoakustik, Skripsi S1, Jurusan Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta
[19]  Asmara  P,  2011,  Pengaruh  Pipa  Tembaga  berisi Cairan yang mengalir sebagai Heat exchanger pada Piranti  Termoakustik, Skripsi S1,  Jurusan  Fisika FMIPA UGM, Yogyakarta.