Jurnal Fisika Indonesia — Nur Achmadin et al. ISSN 1410-2994 (Print)Vol. 20 (2016) No. 1 p.24-30 ISSN 2579-8820 (Online)

ARTIKEL RISET

Penentuan Kondisi Optimum Panjang Pipa Resonator danDaya Input Listrik Terhadap Kinerja Prime MoverTermoakustik Gelombang BerdiriWahyu Nur Achmadin*, Ikhsan Setiawan dan Agung Bambang Setio Utomo

Abstrak

Telah dilakukan penelitian tentang penentuan kondisi optimum panjang pipa resonator dan daya inputterhadap kinerja mesin prime mover termoakustik gelombang bediri. Prinsip prime mover termoakustik adalahmemindahkan panas dari suhu tinggi ke suhu rendah dan menghasilkan usaha dalam bentuk gelombang bunyi.prime mover termoakustik terdiri atas sebuah heater, sebuah pipa resonator, dan sebuah stack. stack terbuat darisusunan rapat lembaran-lembaran kasa kawat baja antikarat (wire mesh stainless steel) ukuran #14 sepanjang5 cm yang kemudian diletakkan 13 cm dari ujung pipa resonator. Pipa resonator terbuat dari stainless steelberdiameter 6,8 cm. Heater yang digunakan memiliki diameter 6,8 cm dengan kemampuan daya input listrikmaksimal 400 W berada dalam pipa stainless steel. Panjang pipa resonator dan daya input listrik divariasiuntuk mencari panjang pipa resonator optimum dan daya input listrik optimum. Panjang pipa resonator 155 cmdengan daya input listrik 400 W menghasilkan beda suhu onset terkecil dan waktu suhu onset terkecil (tercepat)yaitu (251 ± 4) ◦C dan (308 ± 4) s. Panjang pipa resonator 105 cm menghasilkan frekuensi gelombang bunyiterbesar yaitu (173,7 ± 0,6) Hz. Panjang pipa resonator 180 cm dengan daya input listrik 266 W menghasilkanamplitudo tekanan terbesar yaitu (4,4 ± 0,2) kPa. Panjang pipa resonator 205 cm dengan daya input listrik 266W menghasilkan daya bunyi dan efisiensi terbesar yaitu (4,2 ± 0,7) W dan (1,6 ± 0,3) %.

kata kunci: kasa kawat; prime mover ; stainless steel ; termoakustik

Abstract

A research on the determination optimum condition of pipe resonator length and electric power input onthe performance of standing wave thermoacoustic prime mover engine has been conducted. The principle ofthermoacoustic prime mover is to transfer the heat from high temperature to low temperature and produce awork in the form of sound waves. The thermoacoustic prime mover engine consists of a heater electric, a piperesonator, and a stack. Stack was made of some stainless wire mesh sheets forming 5 cm long with a size of 5cm thick by mesh #14 and then placed 13 cm from resonator hot-end. Pipe resonator are made of stainless steelpipes of 6.8 cm diameter. Heater electric was used has a diameter of 6.8 cm and a maximum power capabilityof 400 W within stainless steel pipes. The length of pipe resonator and the electric power input was varied tofind the best result. Pipe resonator which have length of 155 cm with an electric power input of 400 W producethe smallest difference onset temperature and the smallest time to reach onset condition (fastest) is (251 ± 4)◦C and (308 ± 4) s, respectively. Pipe resonator which have length of 105 cm produces the largest sound wavesfrequency that is (173.7 ± 0.6) Hz. The pipe resonator of 180 cm with an electric power input of 266 W producethe largest pressure amplitude is (4.4 ± 0.2) kPa. The pipe resonator of 205 cm with an electric power input of266 W produce the largest acoustic power and efficiency is (4.2 ± 0.7) W and (1.6 ± 0.3) %, respectively.

keywords: mesh; prime mover ; stainless steel ; thermoacoustic

*Korespondensi: wahyu.achmadin@gmail.com

Department of Physics, Universitas Gadjah Mada, Sekip Utara PO BOX

BLS 21, 55281 Yogyakarta, Indonesia

Informasi lengkap tentang penulis dapat dilihat pada akhir artikel

1. PendahuluanTermoakustik adalah suatu bidang yang mempelajarifenomena fisis dimana perbedaan suhu dapatmembangkitkan gelombang bunyi, atau sebaliknya,

Nur Achmadin et al. — Jurnal Fisika Indonesia 25

gelombang bunyi dapat menimbulkan perbedaansuhu. Piranti termoakustik dapat dibagi menjadibeberapa kategori [1]. Salah satunya berdasarkanarah aliran panas, piranti termoakustik dibagike dalam dua kelompok yaitu penggerak utama(prime mover) dan pendingin (refrigerator). Primemover memindahkan panas dari suhu tinggi kesuhu rendah dan menghasilkan usaha dalam bentukgelombang bunyi. Sebaliknya, pendingin termoakustikmemindahkan panas dari suhu rendah ke suhu tinggidengan menggunakan usaha dari luar sistem berupagelombang bunyi.

Penelitian mengenai prime mover termoakustikgelombang berdiri mulai dilakukan dandikembangakan di Laboratorium Fisika Atomdan Inti FMIPA UGM. Setiawan telah berhasilmembuat dan menguji prime mover termoakustikgelombang berdiri dengan menggunakan stack bahanstainless steel #14 dan menghasilkan efisiensi sebesar1,4 %[2]. Murti melanjutkan penelitian tersebutdengan memberikan optimasi jejari hidraulik danpanjang stack terhadap prime mover termoakustikdan menghasilkan efisiensi terbaik sebesar 1,4 %[3].Penelitian ini merupakan kelanjutan dari penelitiantersebut. stack yang digunakan dalam penelitianini terbuat dari susunan rapat lembaran-lembarankasa kawat baja antikarat (mesh stainless steel)dengan ukuran #14 setebal 5 cm. Pemilihan kasakawat sebagai stack dikarenakan bahan ini jumlahnyabanyak, harganya terjangkau dan mudah didapatkandi toko. Pipa resonator yang digunakan terbuat daristainless steel dengan diameter pipa 6,8 cm.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan Setiawan [2]dan Murti [3], perlu dilakukan kajian lebih lanjuttentang parameter yang mempengaruhi kinerja primemover termoakustik gelombang berdiri. Oleh sebabitu, penulis melakukan penelitian mengenai pengaruhpanjang pipa resonator dan pengaruh daya inputlistrik terhadap kinerja prime mover termoakustik.

2. Prinsip TermoakustikPerpindahan panas sepanjang stack terdiri dari empatlangkah yaitu dua langkah adiabatik (1 dan 3) dan dualangkah isobarik (2 dan 4) ditunjukkan oleh Gambar1. Pada siklus tersebut terdapat empat langkah yaitu:1 Langkah (1): Paket gas mengalami proses

kompresi (pemampatan) adiabatik sambilbergeser ke kanan sehingga memiliki suhu lebihtinggi dari sebelumnya.

2 Langkah (2): Terjadi perpindahan panas daristack menuju paket gas. Suhu paket gas menjadilebih tinggi dari sebelumnya mengakibatkanvolume paket gas semakin memampat dan usahadW dilakukan pada paket gas.

Gambar 1 Siklus mesin prime mover termoakustik padagelombang berdiri

3 Langkah (3): Kumpulan paket gas kembalimengalami proses ekspansi (perenggangan)adiabatik sambil bergeser ke kiri. Paket gaskembali ke posisi semula dan mengalamipenurunan suhu.

4 Langkah (4): Perpindahan panas kembali terjadi,namun kali ini terjadi dari paket gas menujustack. Volume paket gas semakin merenggangdan usaha dW dilakukan pada paket gas. Siklustersebut dapat berjalan hingga gas keluar darikanal stack.

3. Metodologi PenelitianPengambilan data dimulai dengan melakukanpersiapan. Data beda suhu direkam oleh perangkatlunak WE7000 Ethernet. Daya input listrik dihentikansetelah kenaikan beda suhu sudah tidak signifikan.Perekaman amplitudo tekanan dihentikan tiap bedasuhu sedangkan perekaman suhu dihentikan setelahmesin termoakustik sudah tidak menghasilkan bunyi.Langkah ini diulangi untuk panjang pipa 105 cm, 130cm, 155 cm, 180 cm, dan 205 cm.

Pada tahap akhir adalah dilakukannya analisispada penentuan beda suhu onset (∆Tonset) danwaktu onset. Nilai beda suhu diperoleh dari hasilpengurangan antara sisi panas dengan sisi dingin.Analisis selanjutnya pada penelitian ini adalahpenentuan nilai frekuensi, amplitudo tekanan, dayabunyi, dan efisiensi sistem. Data yang terekamoleh pressure transducer berupa amplitudo tekanan,

Nur Achmadin et al. — Jurnal Fisika Indonesia 26

Gambar 2 Skema lengkap mesin prime mover termoakustik

sehingga format data yang terekam adalah sumbu-xsebagai fungsi waktu dan sumbu-y sebagai amplitudotekanan.

Setelah didapatkan nilai amplitudo pada tiappanjang pipa dan daya input listrik listrik, kemudiandaya bunyi dan efisiensi [4]. Pressure transducer yangdipilih untuk menghitung daya bunyi dan efisiensiadalah presssure tansducer terdekat dari stack danpressure transducer terjauh dari stack (bagian ujung).

4. Hasil dan PembahasanPengaruh panjang pipa resonator dan daya inputlistrik terhadap kinerja prime mover termoakustikgelombang berdiri terdiri dari beberapa parameterseperti: suhu onset, waktu onset, frekuensi, amplitudotekanan, daya bunyi, dan efisiensi.

4.1. Beda Suhu onset

Beda suhu onset merupakan beda minimum suhuantara suhu sisi panas dengan suhu sisi dingindari stack yang menyebabkan terjadinya gelombangbunyi pada prime mover termoakustik. Penentuanbeda suhu onset dapat dilakukan dengan mengamatiperilaku suhu terhadap waktu.

Pada Gambar 3a, hasil yang diperoleh adalah dayainput listrik 400 W memiliki beda suhu onset terendahsaat panjang pipa resonator 155 cm. Beda suhu onsetmengalami penurunan pada panjang pipa resonator105 cm hingga 155 cm, kemudian beda suhu onsetnaik seiring bertambahnya panjang pipa resonator.Pola yang sama terjadi pada daya input listrik 266W, 299 W, dan 335 W, sehingga dapat dikatakanbahwa pada panjang pipa resonator 155 cm memilikibeda suhu onset yang terendah tanpa bergantungpada daya inputnya. Hal ini membuktikan bahwa rasionilai jejari hidraulik dengan nilai kedalaman penetrasitermal (rh/δk) terhadap beda suhu onset yang palingsesuai (optimum) untuk menghasilkan kontak termaladalah panjang pipa resonator 155 cm.

Setiawan telah melakukan perhitungan secaranumerik mengenai pengaruh jejari hidraulik terhadapbeda suhu onset yang menunjukkan rasio (rh/δk)

Tabel 1 Parameter stack dalam panjang pipa resonator berbeda.

Panjang pipa (cm) rh(mm) δk ωτ rh/δk105 0,497 0,2 6,19 2,49130 0,497 0,23 4,68 2,16155 0,497 0,25 3,96 2,0180 0,497 0,27 3,4 1,84205 0,497 0,29 2,94 1,71

Gambar 3 Perbandingan beda suhu onset terhadap (a)panjang pipa resonator dan (b) daya input listrik.

optimum bernilai 2,1 untuk semua gas yang diuji[5]. Pada penelitian yang sama, Murti secaraeksperimen memperoleh nilai rasio optimum berkisar2,2 – 2,5 ditiap panjang stack [3]. Sementara padapenelitian ini, untuk panjang pipa resonator 155cm memiliki nilai rasio (rh/δk) bernilai 2, sehinggadapat disimpulkan bahwa nilai rasio (rh/δk) dalampenelitian ini sudah mendekati nilai rasio secaranumerik dan eksperimen seperti yang ditampilkanpada Tabel 5.1.

Secara keseluruhan pada Gambar 3a terdapat garisyang berhimpitan dengan daya input listrik padatiap panjang pipa resonator. Hal tersebut disebabkanadanya kemungkinan bahwa daya input listrik tidakbegitu berpengaruh pada hasil beda suhu. Dalam halini, berapa pun daya input listrik yang diberikan,selama panjang pipa resonator tidak berubah makaakan menghasilkan nilai beda suhu yang tidak berbedajauh seperti yang ditampilkan pada Gambar 3b.

Nur Achmadin et al. — Jurnal Fisika Indonesia 27

Gambar 4 Hubungan antara waktu suhu onset terhadap (a)panjang pipa resonator dan (b) daya input listrik.

4.2. Waktu Suhu onset

Gambar 4a menampilkan semakin besar dayainput listrik yang diberikan terhadap prime movertermoakustik maka akan semakin cepat waktu untukmenghasilkan bunyi dan sebaliknya, semakin kecildaya input listrik yang diberikan terhadap mesinprime mover termoakustik maka akan semakin lambatwaktu yang dihasilkan untuk menghasilkan bunyi.

Hal tersebut disebabkan daya input listrik yangbesar akan memberikan aliran panas yang lebih cepatdaripada daya input listrik yang rendah sehingga dayainput listrik memiliki pengaruh terhadap waktu padaprime mover termoakustik. Pada penggunaan pipa155 cm dengan daya input listrik 400 W memberikanwaktu tercepat untuk menghasilkan bunyi denganwaktu onset sebesar (308±4) s atau kurang lebihsekitar 5 menit sedangkan pipa 105 cm dengan dayainput listrik 266 W memberikan waktu terlama untukmenghasilkan bunyi dengan waktu onset sebesar(636±1) s atau 10 menit.

Perbandingan waktu onset terhadap panjang piparesonator ditampilkan pada Gambar 4a. Berdasarkanhasil yang diperoleh, panjang pipa resonator 155memiliki waktu onset tercepat (optimum). Olehkarena nilai waktu onset optimum dan nilai beda suhuonset optimum berada pada panjang pipa resonator155 cm, maka dapat disimpulkan kondisi tersebut

Gambar 5 Hubungan antara frekuensi bunyi saat beda suhu350◦C terhadap (a) panjang pipa resonator dan (b) dayainput listrik.

disebabkan oleh pengaruh rasio (rh/δk) terhadapprime mover termoakustik.

4.3. Frekuensi Bunyi

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui kondisioptimum panjang pipa resonator dan daya inputlistrik terhadap nilai frekuensi bunyi dalam mesinprime mover termoakustik. Hasil keluaran darisensor tekanan adalah amplitudo tekanan, spektrumamplitudo tekanan yang dianalisa FFT (Fast FourierTransform) tersedia di dalam perangkat lunak matlabR2003.

Berdasarkan hasil yang diperoleh bahwa sebesarapapun daya input listrik yang diberikan pada primemover termoakustik dengan panjang pipa tetap,frekuensi gelombang di dalam pipa resonator tidakberubah (Gambar 5b). Hal tersebut dikarenakanfrekuensi pada pipa resonator tertutup hanyadipengaruhi oleh kecepatan udara di dalam piparesonator v dan panjang pipa resonator l. Hal inisesuai dengan persamaan yang menyatakan bahwapanjang pipa resonator berbanding terbalik dengannilai frekuensi, yang artinya semakin panjang piparesonator yang digunakan maka akan semakin rendahnilai frekuensinya dan sebaliknya semakin pendek piparesonator yang digunakan maka semakin tinggi nilai

Nur Achmadin et al. — Jurnal Fisika Indonesia 28

frekuensi yang dihasilkan seperti yang ditampilkanoleh Gambar 5a.

4.4. Amplitudo Tekanan

Gambar 6a menampilkan bahwa terdapat penurunannilai amplitudo tekanan pada panjang pipa 205 cm.Penurunan tersebut terjadi dimungkinkan nilai kontaktermal ωτ dengan frekuensi yang dihasilkan kurangsesuai sehingga nilai amplitudo tekanan menjaditurun. Dengan adanya penurunan amplitudo tekanantersebut, amplitudo tekanan optimum terhadap mesinprime mover termoakustik dalam penelitian inidihasilkan oleh panjang pipa 180 cm.

Adapun Gambar 6b menampilkan bahwa daya inputlistrik yang kecil pada prime mover termoakustikmenghasilkan nilai amplitudo yang tinggi sedangkandaya input listrik yang besar pada mesin termoakustikmenghasilkan nilai amplitudo yang rendah. Besarnyadaya input listrik yang diberikan menyebabkan aliranpanas dalam mesin termoakustik menjadi lebih cepatyang sehingga pencapaian beda suhu 350◦C dapatdilakukan dengan mudah, namun besarnya amplitudotekanan yang dihasilkan belum maksimal atau masihkecil. Hal ini berkebalikan apabila daya input yangdiberikan kecil, kemampuan untuk mencapai bedasuhu 350◦C sulit untuk didapatkan, namun besarnyaamplitudo tekanan yang dihasilkan sudah maksimalatau besar.

Hasil penelitian ini memiliki kesamaan denganpenelitian yang telah dilakukan Biwa [6]. Biwamelakukan penelitian untuk mengetahui kinerjakonversi energi termoakustik dua jenis stack. Biwamenggunakan stack dengan nilai kontak termalsebesar 0,13 dan 3,5. Didapatkan bahwa nilai kontaktermal stack ωτ sebesar 3,5 dengan rasio jejarihidraulik rh/δk sebesar 1,87 merupakan stack terbaikdikarenakan mampu menghasilkan amplitudo, dayabunyi, serta efisiensi yang besar [6]. Sementarapada penelitian ini stack dengan amplitudo optimumterdapat pada nilai ωτ sebesar 3,4 dan rasio (rh/δk)sebesar 1,84.

4.5. Daya Bunyi

Pada Gambar 7a didapatkan bahwa pada panjangpipa resonator 205 cm terdapat penaikan daya bunyidan penurunan daya bunyi. Hal ini disebabkanadanya beberapa faktor yang mempengaruhi dayabunyi, yaitu jejari hidraulik stack, frekuensi resonansi,amplitudo tekanan, jarak antar dua sensor dan bedafase gelombang dari dua sensor.

Adapun pada Gambar 7b didapatkan bahwa dayainput listrik 400 W menghasilkan daya bunyi yanglebih rendah dibandingkan daya input listrik 266 W.Seperti yang telah dipaparkan sebelumnya, bahwa

Gambar 6 Hubungan antara amplitudo tekanan saat bedasuhu 350◦C terhadap (a) panjang pipa resonator dan (b) dayainput listrik.

dalam penelitian ini menggunakan beda suhu 350◦Csebagai indikator sehingga dapat disimpulkan bahwapada suhu 350◦C daya 400 W masih menghasilkandaya bunyi yang kecil.

Gambar 7a memperlihatkan adanya penurunan dayabunyi seiring dengan bertambahnya panjang piparesonator terbatas pada 205 cm. Apabila panjang piparesonator terus diperpanjang, diduga akan ditemukanpanjang pipa resonator optimum yang memberikandaya bunyi optimum seperti yang terjadi pada dayainput listrik 299 W dan 335 W. Di atas panjangpipa resonator optimum, daya bunyi akan mengecilkarena panjang pipa resonator yang terlalu panjangakan membuat disipasi menjadi terlalu besar sehinggamenyebabkan efisiensi berkurang [1]. Pada penelitianini juga stack yang digunakan terbatas yaitu kawatkasa #14 shingga perlu dibuktikan dengan melakukanpenelitian menggunakan panjang pipa resonator yanglebih panjang dari 205 cm serta kawat kasa yangberbeda.

4.6. Efisiensi

Pada Gambar 8a ditunjukkan efisiensi terbesar denganpenggunaan daya input listrik 266 W dan 400W terdapat pada panjang pipa resonator 205 cm,sementara efisiensi terbesar pada penggunaan dayainput listrik 299 W dan 335 W adalah panjang

Nur Achmadin et al. — Jurnal Fisika Indonesia 29

Gambar 7 Hubungan antara daya bunyi saat beda suhu 350◦Cterhadap (a) daya input listrik dan (b) panjang pipa resonator.

pipa resonator 180 cm. Pada Gambar 8b ditunjukkanefisiensi terbesar terdapat pada daya input listrik266 W sedangkan efisiensi terkecil dihasilkan olehdaya input listrik 400 W. Sehingga dapat disimpulkanbahwa efisiensi optimum saat beda suhu 350 ◦C adalahpanjang pipa resonator 205 cm dengan daya inputlistrik 266 W, yaitu sebesar 1,6%.

Dalam hal ini, penambahan panjang pipa resonatordiduga akan membuat kecepatan gas udara distack menjadi berkurang. Nilai dissipasi energimembesar pada medium kerja dengan kecepatantinggi, sedangkan medium kerja dengan kecepatanrendah akan mengalami disipasi yang kecil. Nilaidissipasi kecil menandakan energi panas yangdigunakan untuk memindahkan panas dari ujung sisipanas ke ujung sisi dingin semakin sedikit terbuangsehingga pemindahan panas berlangsung optimum.

5. KesimpulanDari penelitian yang telah dilakukan dapat diambilkesimpulan bahwa: Penentuan kondisi optimumpanjang pipa resonator terhadap kinerja mesinprime mover termoakustik gelombang berdiri yaitu:Beda suhu onset terkecil dan waktu onset terkecildihasilkan oleh panjang pipa resonator 155 cm yaitumasing-masing sebesar (251±4)◦C dan (308±4) s.Frekuensi bunyi tertinggi saat beda suhu 350◦Cdihasilkan oleh panjang pipa resonator 105 cm yaitu

Gambar 8 Hubungan antara efisiensi saat beda suhu 350◦Cterhadap (a) daya input listrik dan (b) panjang pipa resonator

sebesar (173,7±0,6) Hz. Amplitudo tekanan terbesarsaat beda suhu 350◦C dihasilkan oleh panjang piparesonator 180 cm yaitu sebesar (4,4±0,2) kPa. Dayabunyi dan efisiensi terbesar saat beda suhu 350◦Cdihasilkan oleh panjang pipa resonator 205 cm yaitumasing-masing sebesar (4,2±0,7) W dan (1,6±0,3) %.

Penentuan kondisi optimum daya input listrikterhadap kinerja mesin prime mover termoakustikgelombang berdiri yaitu: Beda suhu onset terkecildan waktu onset terkecil dihasilkan oleh daya inputlistrik 400 W. Frekuensi bunyi saat beda suhu 350◦Cterhadap semua daya input listrik bernilai sama.Amplitudo tekanan, daya bunyi, dan efisiensi terbesarsaat beda suhu 350◦C dihasilkan oleh daya inputlistrik 266 W.

Pustaka1. Panhuis, P.H.M.W.: Mathematical Aspects of

Thermoacoustics2. Setiawan, I., Murti, P., Achmadin, W.N., Utomo, A.B.S.:

Pembuatan dan pengujian mesin penggerak termoakustiktipe gelombang tegak. In: Proceeding Seminar NasionalTahunan Teknik Mesin XIV, Banjarmasin (2015)

3. Murti, P.: Studi Eksperimental Pengaruh Jejari HidrolikDan Panjang Stack Terhadap Kinerja Prime MoverTermoakustik Gelombang Berdiri

4. Fusco, A.M., Ward, W.C., Swift, G.W.: Two-sensorpower measurements in lossy ducts. Journal of theAcoustical Society of America 84, 2229–2235 (1992)

5. Setiawan, I., Masafumi, K., Makoto, N.: Numerical studyon the effect of working gases on the critical temperaturedifference of a standing wave thermoacoustic prime

Nur Achmadin et al. — Jurnal Fisika Indonesia 30

mover. In: Proceeding of The 8th InternationalConference on Fluid and Thermal Energy Conversion(FTEC 2013), 8-11 November 2013, Semarang,Indonesia (2013)

6. Biwa, Y. T Tashiro, Mizutani, U.: Experimentaldemonstration of thermoacoustic energy conversion in a

resonator. Phys Rev E 69(6), 066304–6 (2004)