Cara memperkirakan kapasitas pendiginan dan pembuangan kalor dari modul termoelektrik/peltier

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Memeperkirakan kemampuan modul pendingin termoelektrik (peltier) untuk mendinginkan sebuah objek merupakan salah satu hal penting yang perlu dilakukan sebelum menerapkannya. Seperti yang sudah dibahas sebelumnya bahwa jika modul peltier dialiri arus listrik maka akan terjadi fenomena pompa kalor sehingga satu sisi akan menyerap kalor (dingin) dan sisi yang lainnya melepaskan kalor (panas). Bagaimana menentukan besarnya kalor yang diserap dan dibuang ini?

Cara yang paling mudah adalah dengan melihat grafik yang didapat dari data teknis modul peltiernya. Sebagai contoh adalah TEC1-12706. Peltier jenis ini mungkin yang paling banyak di pasaran karena harganya relatif murah dan memiliki kinerja yang cukup baik. Dari data teknisnya diberikan grafik seperti ini.

Gambar 1. Grafik data teknis TEC1-12706

Grafik sebelah kanan adalah grafik jika temperatur sisi panasnya 25 ^oC sedangkan yang sebelah kiri adalah grafik jika temperatur sisi panasnya 50 ^oC. Sumbu horizontal menunjukkan perbedaan temperatur dari kedia sisi modul peltier atau Delta T. Tegangan dan kapasitas pendinginan ditunjukkan oleh sumbu vertikal yaitu V dan Qc. Sealin itu, arus juga digambarkan dengan garis miring yang terdapat dalam grafik.

Untuk lebih jelas membaca grafik di atas, perhatikan contoh berikut:

Sebuah modul peltier digunakan untuk pendingin. Sisi panasnya ditempelkan heatsink-fan agar terjaga temperaturnya tidak lebih dari 50 ^oC. Modul peltier ini kemudian disambungkan dengan tegangan 12 VDC. Jika temperatur sisi dinginnya 10 ^oC, berapakah:

a. arus yang mengalir?

b. Laju penyerapan kalor pada sisi dingin?

c. Laju pembuangan kalor pada sisi panas?

Penyelesaian:

Karena temperatur sisi panas adalah 50 ^oC maka yang digunakan adalah grafik sebelah kanan. Dari kasus di atas dapat dilihat bahawa DeltaT adalah 40 ^oC, karena sisi dinginnya 10 ^oC. Sebelum melihat berapa kalor yang diserap dan dibuang, maka arus yang mengalir perlu dicari terlebih darhulu. Arus yang mengalir dapat diperkirakan besarnya dengan menggunakan dari grafik kanan-atas. Dari grafik itu didapat arus yang mengalir adalah sekitar I=4 A (lihat garis merah). Kemudian, laju penyerapan kalornya dilihat dari grafik kanan-bawah. Dari grafik itu didapat penyerapan kalornya yaitu Qc =18 Watt.

Modul termoelektrik adalah sebuah pompa kalor sehingga berlaku

dimana Q_h adalah kalor yang dibunag dan W adalah kerja (dalam hal ini adalah daya listrik). Oleh karenenya pembuangan kalor yang terjadi adalah:

Keyword: Peltier, Termoelektrik, Perhitungan, estimasi

Siklus Rankine

oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Siklus rankine adalah sebuah siklus termodinamika yang mengkonversi energi kalor menjadi kerja (energi gerak) berupa pergerakan piston atau putaran turbin. Prinsip kerja dari sikus ini pada dasarnya adalah dengan membuat uap bertekanan dan temperatur tinggi kemudian dialirkan ke turbin sehingga terjadi kerja. Uap yang keluar dari turbin kemudian dicairkan lagi sehingga berfasa liquid. Air dalam fasa liquid ini kemudian dipompa lagi ke boiler untuk dijadikan uap lagi. Proses ini berlangsung terus menerus sehingga putaran turbin juga terjadi secara kontinu. Siklus ini banyak diterapkan pada pembangkit listrik tenaga uap (Steam Power Plant).

Dari penjelasan di atas maka proses yang terjadi pada siklus rankine adalah penguapan/pendidihan, ekspansi turbin, kondensasi, dan pemompaan. Setiap proses tersebut terjadi di masing-masing komponen, yaitu boiler, turbin, kondenser, dan pompa. Untuk lebih jelasnya dapat dilihar gambar 1.

Gambar 1. Skema Siklus Rankine

Pada gambar telihat bahwa dalam siklus rankine terdapat empat komponen utama yaitu: boiler, turbin, kondenser, dan pompa. Oleh karena itu dalam siklus ini juga terdapat empat proses yaitu:

1. Titik 1 ke 2 adalah proses pendidihan fluida kerja. Pada proses ini fluda yang berfasa liquid masuk ke dalam boiler untuk mendapatkan kalor sehingga terjadi perubahan fasa menjadi uap bertekanan dan temperatur tinggi.
2. Titik 2 ke 3 adalah proses ekspansi turbin. Pada proses ini fluida kerja di titik2 masuk ke turbin sehingga putaran turbin berupa kerja dihasilkan. Fluida kerja yang keluar dari turbin bertekanan dan temperatur lebih rendah. Kerja turbin inilah yang dimanfaatkan untuk berbagai keperluan seperti pembangkit listrik.
3. Titik 3 ke titik 4 adalah proses kondensasi. Pada proses ini fluida kerja yang keluar dari turbin masih berfasa uap. Oleh karena itu perlu dikondensasikan dengan melepaskan kalor sehingga fasanya berubah menjadi liquid.
4. Titik 4 ke 1 adalah proses pompa. Pada proses ini fluida kerja di titik 4 yang sudah liquid dipompakan kembali ke boiler. Kerja eksternal diperlukan agar proses pemompaan berjalan. Setelah dipompa maka tekanan fluida kerja menjadi tinggi.

Proses yang terjadi pada setiap komponen berlaku hukum kekekaan energi dan massa. Dalam siklus rankine sederhana ini aliran massa tidak berubah. Aliran energi yang masuk ke dalam sistem rankine terjadi pada boiler berupa kalor dan pada pompa berupa kerja. Sedangkan energi yang keluar sistem ini terjadi pada komponen kondenser berupa kalor dan pada turbin berupa kerja.

Siklus ini merupakan salah satu siklus mesin kalor, sehingga performansinya dinyatakan dengan nilai efisiensi, yaitu perbandingan antara kerja bersih yang dihasikan dan energi kalor yang masuk ke dalam sistem atau dapat dituliskan sebagai berikut:

Contoh soal:

Sebuah pembangkit listrik tenaga uap menggunakan siklus rankine sebagai prinsip dasarnya. Air masuk ke dalam boiler pada tekanan 5 MPa dan temperatur 80 ^oC. Uap yang dihasilkan boiler bertekanan 5 MPa dan temperatur 600 ^oC. Uap ini kemudian masuk ke dalam turbin sehingga menghasilkan kerja sebesar 5 MW. Uap yang keluar dari turbin bertekanan 150 kPa dengan keadaan saturasi gas. Setelah itu uap dicairkan melalui kondenser sehingga temperaturnya 70 ^oC.

Tentukan:

1. Berapa laju aliran massa fluida kerja?
2. Berapa energi kalor yang dibutuhkan pada boiler?
3. Berapa energi kalor yang buang oleh kondenser?
4. Berapa kerja yang butuhkan oleh pompa?
5. Berapa efisiensi dari mesin ini?

Solusi:

 

 

 

 

   

Keyword: Power plant, siklus rankine, efisiensi, pembangkit listrik tenaga uap