BAB IITINJAUAN PUSTAKA

2.1 Perpindahan Kalor (Heat Transfer)Perpindahan kalor (heat transfer) adalah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur diantara benda dan material. Pada gambar dibawah ini, pemanasan air didalam panci terdapat beberapa perpindahan panas seperti, perpindahan panas konveksi, konduksi, dan radiasi.

Gambar 2.1 Proses Perpindahan Kalor (https://www.google.com/search?q=proses+perpindahan+kalor)

2.1.1 KonduksiPerpindahan panas secara konduksi adalah proses dimana panas mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah bertemperatur lebih rendah dalam satu medium atau diantara medium-medim lainnya, yang bersinggungan secara langsung. Laju perpindahan panas konduksi dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut ini.

Dimana : = Konduktivitas termal (J/s.m.C) = Luas Penampang (m2) = Suhu (C) = Gradient temperatur kearah perpindahan kalor

Gambar 2.2 Volume unsur untuk Analisis Konduksi Kalor Satu Dimensi(Yunus A Cengel, 2008)

Konduksi perpindahan panas didalam suatu unsur, molekul dengan molekul. Sebatang besi apabila diberi api pada ujung A, maka ujung B akan menyerap energi dari nyala api. Ini adalah contoh sederhana perpindahan panas secara konduksi.

Gambar 2.3 Perpindahan Kalor Konduksi(https://www.google.com/search?q=proses+perpindahan+kalor)

2.1.2 KonveksiKonveksi adalah pergerakan molekul-molekul pada fluida (yaitu cairan atau gas) dan rheid. Konveksi tak dapat terjadi pada benda padat, karena tidak ada difusi yang dapat terjadi pada benda padat. Konveksi merupakan salah satu cara perpindahan panas dan massa utama. Perpindahan panas dan massa terjadi melalui difusi dan adveksi. Untuk menghitung kalor yang berpindah secara konveksi dapat dilihat pada persamaan 2.2 berikut ini.

Dimana : = Laju perpindahan panas konveksi (W/m2) = Koefesien perpindahan kalor (W/m2) = Dinding benda yang bersuhu panas (C) = Aliran suatu fluida yang dingin (C)Perpindahan panas konveksi paksa terjadi karena pertambahan temperatur pada suatu benda yang disebabkan oleh energi luar, seperti pada gambar 2.4 sepanci air yang dipanaskan dengan sebuah lilin.

Gambar 2.4 Sepanci Air Dipanaskan(https://www.google.com/search?q=sepanci+air+dipanaskan)

Perpindahan panas konveksi bebas terjadi bila mana sebah benda ditempatkan pada suatu fluida yang suhunya lebih tinggi atau lebih rendah daripada benda tersebut, seperti pada gambar dibawah ini konveksi alami terjadi dari penguapan air laut karena perbahan cuaca.

Gambar 2.5 Aliaran Udara Panas/Dingin dipantai(https://www.google.com/search?q=penguapan+air+laut)

2.1.3 RadiasiBerlainan dengan konduksi dan konveksi, dimana perpindahan energi terjadi melalui bahan perantara, panas juga berpindah melaui daerah-daerah hampa (Gambar 2.6). Mekanismenya adalah dengan melalui sinaran atau radiasi elektromagnetik. Energi yang diradiasikan dari suat permukaan ditentukan dalam bentuk pancaran, yang secara termodinamika dapat dibuktikan bahwa daya pancar tersebut sebanding dengan pangkat empat temperatur absolutnya dan sebanding langsung dengan luas permukaan atau dapat ditulis dengan persamaan 2.3 berikut ini :

Dimana : = Luas permukaan (m2) = Suhu (C)Kecepatan sebuah benda meradiasikan energi dapat dihitung dengan persamaan Stefan-Boltzman.

Gambar 2.6 Perpindahan Kalor Radiasi (https://www.google.com/search?q=perpindahan+kalor+radiasi)

2.2 Panas dan TekananPanas dan tekanan memiliki hubungan erat, setiap terjadi peningkatan panas pasti terjadi peningkatan tekanan. Berikut ini akan dijelaskan tentang pengertian panas dan tekanan.

2.2.1 PanasPanas adalah salah satu bentuk energi. Panas memiliki kaitan erat dengan getaran atau gerakan molekul. Molekl itu sendiri adalah bagian atau partikel dari suatu benda. Apabila benda dipanaskan, maka molekul akan bergerak cepat sedangkan apabila didinginkan molekul akan bergerak lemah. Jika panas diambil dari suatu benda maka temperature benda itu akan turun. Makin banyak panas yang diambil maka temperatur benda menjadi makin rendah, tetapi setelah mencapai - 273C panas itu tidak dapat lagi dikeluarkan dengan perkataan lain temperatur tersebut adalah yang terendah yang tidak dapat dicapai dengan cara apapun. Karena itu maka temperatur - 273C dikatakan sebagai nol absolute dan didalam dunia ilmiah dikenal sebagai 0 Kelvin.

2.2.2 Panas JenisPanas jenis ialah panas yang diberikan kepada suatu benda seberat 1 kg sehingga meneyebapkan temperatur benda itu naik 1C. Untuk menaikkan temperatur dari 30C menjadi 31C, 1 kg air memerlukan 1 Kkal panas, dengan demikian maka air mempunyai panas jenis 1 Kkal/kg.

2.2.3 Panas Sensibel (Sensible Heat)Panas sensibel adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan atau menurunkan temperatur suatu benda. Jika panas ditambahkan pada suatu benda (dipanasi), temperatur benda akan naik, hal ini karena molekul-molekul pada benda tersebut menerima panas dan bergerak lebih cepat. Jika panas sensibel diambil dari suatu benda temperaturnya akan turun, karena gerakan moleklnya menjadi lemah. Perubahan ini dapat dilihat dan diukur dari perubahan temperatur pada thermometer. Jumlah panas sensibel dapat dihitung dengan persamaan 2.4 berikut ini.

Dimana : = Jumlah panas sensible dalam joule, Kkal atau Btu = Massa zat dalam kg atau pound = Panas jenis dalam J/kg.K, Kkal/kgC atau Btu/lbF= Perubahan suhu dalam Kelvin (K), C atau F

2.2.4 Panas Laten (Latent Heat)Laten artinya tidak nampak atau tersembunyi (hidden). Panas laten adalah panas yang diperlukan untk mengubah wujud zat dari padat menjadi cair, dari cair menjadi gas atau sebaliknya, tanpa mengubah temperaturnya. Tiap zat mempunyai dua panas laten yaitu padat menjadi cair atau sebaliknya (peleburan dan pembekuan) dan cair menjadi gas atau sebaliknya (penguapan dan pengembunan).Perubahan panas laten tidak dapat dilihat pada thermometer. Panas laten diperlukan untuk mengubah energi potensial dari molekul agar tingkat wujud zat berubah. Jumlah panas laten dapat dihitung dengan persamaan 2.5 berikut ini.

Dimana : = Jumlah panas laten dalam joule, Kkal, atau Btu = Massa zat dalam kg atau pound = Panas laten dalam J/kg.K, Kkal/kgC atau Btu/lb.F

2.3 Berbagai Sistem Konversi Energi LangsungBerbagai peralatan konvensional untuk membangkitkan tenaga listrik yang sejauh ini telah diuraikan jenisnya oleh proses tenaga uap Rankine dan proses tenaga gas brayton. Semua peralatannya melibatkan hubungan dari tingkat keadaan suatu fluida kerja yang secara tak langsung mengambil energi dari bahan bakar dan membantu manusia untuk mengkonversikan sebagian dari energi itu menjadi tenaga listrik. Pembangkitan jenis tenaga ini memerlukan berbagai komponen peralatan yang berat dan besar serta mempunyai banyak bagian yang bergerak. Efesiensi peralatan yang lazim dicapai hanya 30 hingga 35 persen.Suatu sistem konversi energi yang menjadi penting perannya, disebut sebagai peralatan konversi energi langsung (KEL). Dalam sistem ini energi listrik diperoleh secara langsung dari energi bahan bakar, tanpa proses dan manipulasi suatu fluida kerja.Berbagai metode KEL tergantung pada berbagai gejala fisik yang memungkinkan konversi energi langsung menjadi listrik. Beberapa metode ini menggnakan masukan energi panas, sedangkan yang lain menggunakan energi radiasi surya atau energi kimia. Dengan sendirinya sebagai peralatan konversi langsung tentulah harus memenuhi hukum thermodinamika yang pertama dan kedua. Analisa sebagai sistem yang lebih mutakhir ini memerlukan kemampuan dalam berbagai bidang, termasuk thermodinamika, elektromagnetika, mekanika fluida dan fisika tingkat keadaan padat.Suatu jenis sistem KEL telah dipakai dalam berbagai penerapan antariksa. Pada tahun 1822, Seeback menemukan bahwa gaya gerak listrik (ggl) dapat menembus diantara dua sambungan logam yang berbeda yang berada pada temperatur yang berlainan. Efek ini merupakan dasar, suatu peranti untuk mengukur temperatur.

Gambar 2.7 Sistem Konversi Energi Langsung (www.deltron.com)

Untuk berbagai logam ggl yang dicapai adalah rendah, pada urutan kebesaran beberapa V per derajat beda temperatur, tetapi berbagai bahan semi konduktor menghasilkan berbagai keluaran voltase yang jauh lebih besar, karena bahan jenis P dan jenis N dapat dihubungkan untuk memanfaatkan perbedaan-perbedaan dua jenis bahan (didalam bahan jenis N pemanasan zat menyebapkan elektron-elektron berdifusi ke ujung zat yang lebih dingin, dengan demikian ujung zat yang lebih panas menjadi bermuatan positif. Didalam jenis P ujung yang dingin akan menjadi bermuatan positif oleh difusi dari lubang-lubang).

Gambar 2.8 Bebagai Logam GGL (www.deltron.com)

Karena termokopel dapat diartikan sebagai suatu mesin termal, efesiensinya tergantung kepada Th (temperatur sisi panas peltier) dan Tc (temperatur sisi dingin peltier) dan juga berbagai parameter zat dan berbagai semi konduktor. Sistem-sistem yang menghasilkan daya besar beberapa W pada berbagai efesiensi diantara 5 sampai 12 persen.Pada tahun 1834, Peltier menemukan bahwa arus yang mengalir dalam ikatan tertutup yang dibentuk dari dua buah logam yang berbeda akan memanaskan suatu ujung dan mendinginkan ujung lainnya. Gejala ini dapat ditingkatkan dengan menggunakan berbagai bahan semi konduktor, dan dalam kasus ini suatu refrigerator termolistrik.

2.4 Sirip-Sirip (Fins)Sirip-sirip sering kali digunakan dalam alat-alat penukar kalor untuk memperbesar luas perpindahan kalor konveksi, dengan demikian akan menambah fungsi dari perpindahan kalor tersebut. Pada Gambar 2.9 memperlihatkan beberapa contoh dari permukaan bersirip (finned surfaces). Radiator-radiator mobil, pengembun (condenser), lemari es rumah tangga, penyedot kalor transistor adalah contoh-contoh yang dikenal.

Gambar 2.9 Jenis-Jenis Sirip(https://www.google.com/search?q=jenis-jenis+sirip+pendingin)

Teori perpindahan kalor dari sirip didasarkan pada sebuah kombinasi energi bahan dan persamaan-persamaan laju. Sebuah teori dengan persamaan diferensial untuk distribusi temperatur didalam sirip. Pada Gambar 2.9 memperlihatkan sebuah sirip sederhana yang mempunyai penampang siku-siku yang sama. Dalam menentukan persamaan pengatur maka harus memasukkan efek-efek perpindahan kalor konvektif diantara sirip fluida sekitarnya dan perpindahan kalor hantaran diantara sirip tersebut.2.5 Pendingin Termo-ElektrisPendingin Termo-Elektris adalah pemompaan panas yang digunakan didalam aplikasi penstabilan temperatur, perputaran temperatur, atau pendingin lingkungan yang diperlukan. Ada banyak produk yang menggunakan pendingin termo-elektris mencakup CCD kamera (alat gandengan muatan), diode laser (DL) mikroprosesor, penganalisa darah, dan pendingin tamasya yang dapat dibawa-bawa.

Gambar 2.10 Potongan Termo Elektrik Cooler(https://www.google.com/search?q=potongan+termoelektrik+cooler)

2.5.1 Cara Kerja TermoelektrikTermoelektrik didasarkan pada pengaruh Peltier, yang ditemukan pada tahun 1834, dimana arus DC diterapkan pada dua material yang berlainan dan menyebapkan perbedaan temperatur. Efek Peltier adalah salah satu dari tiga efek termoelektrik, dua yang dikenal sebagai efek Seebeck dan Efek Thomson. Dua efek terakhir mematuhi conduktor, ketiga efek dihubungkan satu sama lain oleh suatu hubungan sederhana.Jenis modul termoelektrik dihasilkan dengan menggunakan dua keramik tipis dengan satu rangkaian P dan N bismuth telrida (BiTe) semi penghantar material dapat disisipkan diantara keramik itu. Bahan keramik didua sisi termoelektrik menambahkan kekerasan dan memerlukan sekatan elektris. Jenis bahan N memiliki kelebihan elektron, Satu P dan satu N berpasangan, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.10 Pasangan termoelektrik dihubungkan secara elektris dan panas pada rangkaian seri dan parallel. Sebuah modul termoelektrik dapat berisi satu atau beberapa ratus pasang.Perpindahan elektron dari jenis bahan P ke bahan jenis N melalui penghubung elektrik, elektron pindah ke energi yang lebih tinggi yang berkenaan dengan panas (sisi dingin). Dilanjutkan melalui kisi-kisi material, elektron mengalir dari bahan jenis N ke bahan jenis P melalui penghubung elektrik, penurunan ke energi yang lebih rendah dan membebaskan energi pada sisi panas.

Gambar 2.11 Cara Kerja Elemen Peltier (www.tellurex.com)

Termoelektrik dapat digunakan untk memanaskan dan mendinginkan, tergantung pada arah arus. Dalam sebuah aplikasi yang memerlukan kedua-duanya memanaskan dan mendinginkan, didisain untuk pendinginan. Penggunaan termoelektrik dalam pemanasan adalah sangat efesien sebab semua pemanasan internal dan beban dari sisi yang dingin dipompakan ke sisi panas itu. Ini mengurangi daya yang diperlukan untuk mencapai panas yang diinginkan.

Gambar 2.12 Penggunaan Peltier untuk Mendinginkan dan Memanaskan Makanan (Luh Putu Ike Midiani dan Ida Bagus Gd Widiantara, 2013)

2.5.2 Parameter yang Berkenaan dengan Panas yang DiperlukanTermoelektrik yang sesuai untuk aplikasi tergantung pada sedikitnya tiga parameter. Parameter ini adalah temperature permukaan yang panas (Th), temperatur permukaan yang dingin (Tc), dan panas yang diserap dari permukaan yang dingin (Qc).Sisi panas dari termoelektrik adalah sisi dimana panas dilepaskan ketika kekuatan DC diterapkan. Sisi ini diikat oleh heat sink. Ketika menggunakan udara heat sink (konveksi alami atau konveksi paksa), temperatur sisi yang panas dapat diuraikan dengan menggunakan persamaan 2.7 berikut ini.

Dimana : = Temperatur sisi panas (C) = Ambient temperatur (C) = Perlawanan heat sink (C/Watt)

Dimana : = Perlawanan panas untuk sisi panas dari thermoelektrik (Watt) = Panas yang diserap dari sisi dingin (Watt) = Daya elektrik untuk thermoelektrik (Watt)Perlawanan panas dari heat sink menyebapkan temperatur naik berkenaan dengan lingkungan. Jika perlawanan yang berkenaan dengan panas dari heat sink yang tidak diketahui, kemudian perkiraan temperatur yang diterima naik yang berkenaan dengan lingkungannya yaitu :Konveksi alami : 20C sampai 40CKonveksi paksa : 10C sampai 15CCairan pendingin : 2C sampai 5CHeat sink adalah sebuah komponen penting dalam perakitan. Sebuah heat sink yang kecil tidak akan bisa memperoleh temperatur sisi dingin yang diinginkan. Sisi dingin dari thermoelektrik diperoleh dingin ketika power DC diterapkan. Sisi ini mungkin diperlukan untuk mendinginkan lebih dari temperatur yang diinginkan dari objek pendingin itu. Ini terjadi ketika sisi dingin tidak berhubungan langsung dengan objek. Perbedaan temperatur antara termoelektrik () hubungan antara Th dan Tc menurut persamaan 2.9 berikut ini.

Perkiraan Qc (beban panas) yang diserap dari sisi dingin sangat rumit, sebab semua beban yang berhubungan dengan panas dalam perancangan harus dipertimbangkan. Diantara beban yang berhubungan dengan panas adalah sebagai berikut :1. Beban panas aktif : 12.R beban panas dari alat.2. Beban panas pasif : Radiasi (hilangnya panas antara dua objek dengan temperatur yang berbeda).Perpindahan panas (hilangnya panas melalui udara, dimana udara memiliki temperatur berbeda dibanding objek). Kerugian konduksi (hilangnya panas melalui hantaran sekrup dan lain-lainnya). Beban sementara (waktu yang diperlukan untuk mengubah temperatur dari suatu objek).

2.5.3 Mengoprasikan TermoelektrikSemua termoelektrik dinilai untuk Imax, Vmax, Qmax, dan Tmax, pada nilai Th spesifik. Pengoprasian pada daya secara maksimum relative tidak efesien dalam kaitan dengan pemanasan internal pada daya yang tinggi. Oleh karena itu, termoelektrik biasanya beroperasi dari 25% sampai 80% dari arus maksimum. Masukkan daya termoelektrik ditentukan oleh temperatur sisi panas dan kemampuan mendinginkan beban yang ditentukan. Termoelektrik beroprasi, arus yang mengalir itu mempunyai dua efek yaitu :1. Efek Peltier (mendinginkan)2. Efek Joulian (memanaskan)Efek Joulian adalah sebanding dengan putaran daya. Oleh karena itu, daya meningkat, pemanasan Joule mendominasi pendingin Peltier dan menyebabkan kerugian dalam jaringan pendingin.Untuk masing-masing alat, Qmax adalah pemindahan panas maksimum yang dapat diserap oleh sisi dingin dari termoelektrik. Panas maksimum ini terjadi pada Imax, Vmax, dan dengan = 0C. Nilai Tmax adalah perbedaan nilai temperatur maksimum antara termoelektrik itu. Nilai maksimum ini terjadi pada Imax, Vmax, dan dengan tidak ada beban (Qc = 0 Watt).

2.6 Cara Pemasangan Elemen PendinginCara yang digunakan dalam pemasangan sistem termoelektrik (TE) sangat perlu disesuaikan dengan pemilihan alat. Pemasangan atau perakitan yang bertujuan untuk menjaga perpindahan panas. Pada umumnya suatu alat dalam mendinginkan atau memanaskan suat objek sangat dipengaruhi oleh temperatur lingkungan. Semua alat penghubung antara objek yang diinginkan dengan lingkungan dan juga alat penghubung dengan panas. Dengan cara yang sama semua alat penghubung yang berkenaan dengan panas selalu untuk menghalangi perpindahan panas atau menambahkan perlawanan yang berkenaan dengan panas.Toleransi untuk menukar permukaan panas seharusnya tidak lebih dari 0,001 inch dan maksimum 0,003 inch. Total pembacaan diindikasikan menggunakan lebih dari satu modul antar pelat yang tingginya bervariasi tidak lebih dari 0,001 inch (tergantung dari toleransi modul yang digunakan). Kebanyakan pemasangan TE menggunakan satu atau lebih thermal grease alat penghubung, dimana toleransi kebersihan sangat dibutuhkan saat thermal grease dan heat sink dipasang, usahakan terhindar dari kotoran dan debu, ini sangat penting agar tidak terjadi kerusakan terhadap elemen Peltier. Ketika tombol TE telah dipasang pada penukar panas (heat sink), harus diberi isolasi antara heat sink dengan modul Peltier.

Gambar 2.13 Prosedur Perakitan Elemen Pendingin

2.7 Pemilihan Heat SinkPemilihan heat sink sangat penting untuk keseluruhan pengoprasian sistem termoelektrik dan lebih untuk proses pendingin. Semua termoelektrik untuk menghasilkan temperatur yang lebih dingin memerlukan suatu heat sink baik, dan akan terjadi kerusakan jika diaoprasikan tanpa heat sink.

Gambar 2.14 Pemilihan Heat Sink (Dogar Situmeang, 2013)

Perbedaan temperatur yang terjadi sangat berbeda dari temperatur yang didinginkan. Suatu parameter didisain dapat digunakan untuk membatasi temperatur heat sink naik diatas temperatur lingkungan yang dibolehkan 10C sampai 20C. Temperatur heat sink secara langsung akan mempengaruhi temperatur sisi dingin. Diamana pada gilirannya mempengaruhi sisi yang dingin temperatur yang dapat dicapai dengan TEC. Perlawanan heat sink adalah ukuran dari kemampuan untuk membuang panas, untuk persamaannya dapat dilihat pada persamaan 2.10 dibawah ini

Dimana : = Tahanan panas heat sink (C/W) = Temperatur heat sink (C) = Temperatur lingkungan (C) = Panas yang masuk ke heat sink (W)Tujuan dari perencanaan heat sink akan memperkecil tahanan termal. Ini dapat dicapai melalui arah dari luas permukaan dan boleh mengguakan aliran cairan atau udara paksa. Dalam Gambar 2.14 berikut dapat dilihat bagaimana perlawanan heat sink dapat ditentukan. Suhu lingkungan adalah 27C, kenaikan yang diinginkan kesisi heat sink adalah 10C, atau temperatur heat sink 37C. Beban yang harus dibuang adalah 10 W, ini memberi suatu perlawanan 10C/10W atau 1C/W.

Gambar 2.15 Termal TeknikTiga jenis dasar cara mendinginkan heat sink adalah konveksi alami, konveksi paksa, dan dengan cairan yang didinginkan merupakan cara yang paling efektif. Nilai khusus HSR untuk konveksi alami yang membentang dari 0,5C/W sampai 5C/W.Konveksi paksa dari 0,02C/W sampai 0,5C/W dan cairan pendingin dari 0,005C/W sampai 0,15C/W. Secara umum, kebanyakan aplikasi yang menggunakan pendingin termoelektrik memerlukan konveksi paksa atau pendingin cairan. 2.8 Beban PanasSebelum pendingin atau heat sink dipilih, kebutuhan heat sink harus disesuaikan dengan beban panas Peltier. Ini menentukan masukan jumlah panas dari sistem Peltier. Memperkecil beban panas yang diizinkan untuk mencapai temperatur lebih rendah atau mengurangi daya yang diperlukan untuk pendinginan. Berikut cara untuk memperkirakan beban panas pasif dan aktif, dan hanya untuk beban panas steady state.Beban panas terdiri dari dua jenis yaitu pasif dan aktif, atau kombinasi keduannya. Beban panas aktif adalah panas yang diusir oleh alat yang sedang didinginkan. Umumnya digunakan persamaan dengan masukan penggerak kepada alat itu. Beban panas pasif secara alami terdiri dari radiasi, konveksi, dan konduksi.

2.8.1 Beban Panas AktifBeban panas aktif merupakan beban panas yang dibuang oleh kinerja alat itu sendiri. Persamaan umum untuk beban panas aktif dapat dilihat pada persamaan 2.11dibawah ini.

Dimana : = Beban panas aktif (W). = Voltase berlaku untuk alat yang sedang didinginkan (Volt). = Perlawanan alat (Ohm). = Arus melalui alat (Amp).

2.8.2 Beban Panas PasifBeban panas pasif terdiri dari beban panas yang terjadi yaitu beban panas radiasi, beban panas konveksi, beban panas konduksi, dan kombinasi beban panas konveksi dan konduksi. Berikut ini akan dibahas mengenai beban panas yang terdapat pada beban panas pasif.1. RadiasiPada dua objek dengan temperatur berbeda disekitarnya dari tiap bagian (perpindahan panas diantara dua objek tersebut) ini terjadi melalui penyinaran elektromagnetik yang dipancarkan dari satu objek dan diserap oleh objek lainnya. Benda yang panas akan mengalami beban panas yang hilang dan yang dingin akan mengalami panas dari perbedaan temperatur ini disebut penyinaran termal.Beban panas radiasi pada umumnya tidak penting dipertimbangkan karena beban panas pasif lainnya secara umum jauh lebih besar. Beban panas radiasi pada umumnya penting dalam sistem beban yang aktif kecil dan perbedaan temperatur besar, terutama yang beroprasi dalam suatu ruang hampa. Persamaan dasar yang digunakan untuk beban panas radiasi dapat dilihat pada persamaan 2.12 dibawah ini. Dimana : = Beban panas radiasi (Watt). = Shape factor (worst case value = 0,91). = Emisivitas (worst case value = 1). = Ketetapan Stefan Boltzman (5,667 x 10-8 W/M2K4). = Suhu lingkungan (K). = Sisi dingin (K).

2. Beban Panas KonveksiDimana temperatur dari suatu cairan (dalam hal ini panas) mengalir diatas suatu objek yang berbeda ke objek lainnya dengan adanya perpindahan kalor terjadi. Jumlah perpindahan kalor bervariasi tergantung besarnya aliran fluida. Panas konveksi yang berada pada TEC biasanya terjadi secara alami (konveksi bebas). Ini adalah terjadi ketika aliran uap panas dihisap oleh fan.Konveksi yang terjadi pada suatu sistem adalah suatu fungsi yang dipengaruhi oleh permukaan yang diarahkan, dan perbedaan didalam temperatur antara permukaan ini melingkupi uap panas. Perpindahan panas konveksi pada umumnya penting didalam sistem yang beroprasi dalam suatu lingkungan berupa uap panas dengan beban aktif kecil atau perbedaan temperatur besar. Persamaan dasar yang digunakan untuk perpindahan panas konveksi dapat dilihat pada persamaan 2.13 dibawah ini.

Dimana : = Beban panas convective (Watt). = Koefesien perpindahan panas konveksi (W/m2.C), nilai h adalah dari tabel Typical Values Convection Heat Transfer Coefecient. = Luas permukaan yang diarahkan (m2). = Temperatur lingkungan (C).

3. Beban Panas KonduksiPerpindahan kalor dapat terjadi dimana pertukaran energi terjadi dengan mengarahkan dampak molekul dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. Persamaan dasar yang digunakan untuk perpindahan panas konduksi dapat dilihat pada persamaan 2.14 dibawah ini.

Dimana : = Beban panas konduksi (Watt). = Konduktivitas termal material (W/m2.C). = Luas permukaan (m2). = Panjang garis edar panas (m). = Perbedaan temperatur kesisi garis edar panas (C), temperatur lingkungan dikurangi temperatur sisi dingin).

4. Kombinasi Beban Panas Konveksi dan KonduksiKombinasi beban panas konveksi dan konduksi terjadi karena pada suatu alat penukar kalor terjadi perpindahan panas secara bersamaan antara perpindahan beban panas konveksi dengan beban panas konduksi. Persamaan 2.15 berikut dapat digunakan untuk mencari beban panas yang hilang dalam kaitannya dengan konveksi dan konduksi.

Dimana : = Beban panas (Watt). = Luas permukaan luar (m2). = Ketebalan isolasi (m). = Konduktivitas termal (W/m2.C). = Koefesien perpindahan panas convective (W/m2.C). = Perbedaan temperatur kesisi garis edar panas (C), temperatur lingkungan dikurangi temperatur sisi dingin.

2.9 Termoelektrik yang Dingin dengan Peltier SelEfek Seebeck adalah konversi langsung dari energi panas kekedalam energi listrik. Bila dua sambungan listrik dihubungkan dengan dua batang-batang yang berbeda (A dan B), ada sambungan (1 dan 2). SA dan SB adalah koefesien Seebeck dari material (persamaan dibawah disederhanakan seperti koefesien Seebeck tergantung pada temperatur). Efek Peltier adalah panas yang memompa (memindahkan energi panas dari satu tempat yang dingin ketempat yang lebih panas) dengan menggunakan tenaga listrik. Jika diasumsikan suatu voltase dan arus kedalam dua metal, maka akan didapat hubungan yang satu dingin sedang dan yang lainnya panas. Dengan menggunakan persamaan yang sama dan tenaga mendinginkan (Q) adalah sebanding dengan perbedaan dari koefesien Peltier dari metal (A dan B) dan arus I.

Gambar 2.12 Persamaan Efek Seeback dan Efek Peltier

Elemen peltier mempunyai hubungan yang banyak, dingin dihubungkan secara seri dan panas secara parallel. Pada umumnya berbentuk persegi dengan sisi keramik, ukurannya berkisar 5 mm sampai 60 mm atau lebih dengan tebal 3 mm sampai 5 mm, sesuai dengan daya yang digunakan. Tidak ada ketentuan yang pasti untuk elemen yang besar sebagai jumlah yang dapat diparalelkan untuk memperoleh daya pendinginan yang maksimal.

Gambar 2.13 Penampang Peltier (https://www.google.com/search?q=penampang+peltier)Ketika elemen Peltier beroprasi, sejumlah panas diserap disisi yang dingin (Pc) dan jumlah panas yang lain (Ph) dilepaskan disisi yang panas. Sebab elemen menyerap daya listrik yang diubah menjadi panas, Ph akan lebih besar dari pada Pc.

Gambar 2.14 Keseimbangan Energi dari Elemen Peltier

Panas adalah energi termal yang mengisi dalam zat. Temperatur cendrung mengukur dari benda yang menerima panas atau dari pelepasan panas ke benda yang lain. Panas akan selalu mengalir dari tempat yang bertemperatur tinggi ke tempat yang bertemperatur rendah. Panas yang terdapat pada benda tergantung pada temperaturnya, massa jenis panas (es). Panas jenis adalah suatu ketetapan untuk unsur masing-masing. Panas jenis air adalah 4186 J/kg.K. Untuk memperoleh kebutuhan energi panas rata-rata suatu benda dari T1 ke T2 , digunakan persamaan 2.16 dibawah ini.

Persamaan ini menyatakan diperlukan 10 kali lebih banyak energi yang dignakan untuk memanaskan 10 kg air dibanding 1 kg air dan juga diperlukan lebih banyak energi untuk memanaskan 1 kg air dibanding 1 kg dari unsur lain (sebab air mempunyai panas jenis yang paling besar dari semua unsur yang ada). Temperatur sebenarnya bukanlah suatu penunjukan ukuran dari energi. Elemen Peltier digunakan untuk memberikan data suatu voltase kerja, arus maksimum dan hasil dingin maksimum yang diperoleh dari arus tersebut. Sebenarnya, hasil dingin (power cooling) juga tergantung pada perbedaan temperatur antara sisi panas dengan sisi dingin. Gambar 2.15 dibawah menggambarkan bagaimana memperoleh energi dingin (power cooling) yang maksimal dengan perbedaan temperatur dan menggunakan pengukur arus.

Gambar 2.15 Diagram Power Cooling

Pemindahan panas antara dua sisi yang padat tergantung pada perbedaan temperatur dan hubungan luas daerah. Jika salah satu dari sisi adalah suatu fluida (cairan atau gas) itu juga tergantung pada kecepatan fluida bergerak terhadap bidang kontak (karena itu akan lebih dingin ketika angin bertiup kencang walaupun ditemperatur yang sama). Pemindahan panas secara fisika dan metematika adalah sama dengan aliran arus listrik. Daya penggerak adalah perbedaan temperatur, sama dengan voltase dan aliran panas adalah sama dengan arus.

Gambar 2.16 Keseimbangan Listrik dan Keseimbangan Panas

Titik diatas (Q) berarti aliran yang besarnya persatuan waktu, sehingga (Q) diberi titik menunjukkan aliran panas per detik, dalam J/s atau W. Temperatur dalam SI diukur dalam Kelvin, dan temperatur dalam Celcius ditambahkan 273. Perbedaan temperatur, derajat Celcius dan Kelvin adalah sama, untuk satuan daya tahan panas adalah K/W.Daya tahan panas ketika rendah akan memberikan aliran panas yang besar dengan perubahan temperatur (T) yang kecil. Benda padat yang datar, permukaan yang halus akan memberikan hasil yang lebih baik. Benda dari fluida padat, logam sirip (heat sink) dan fan yang dipasang. Karena kumpulan fluida padat dapat memperoleh suatu daya tahan (keseimbangan) yang sangat rendah dengan sangat besar dan besarnya ventilasi heat sink tidak menjadi permasalahan.

Gambar 2.17 Aliran Panas

Ketika suhu dingin menurun dengan elemen Peltier dapat dicapai temperatur yang dingin, untuk mengganti energi panas dan membuang suhu panas dengan cara dilepaskan ke udara luar. Perbedaan temperatur pada musim panas atau dingin pada malam hari. Penurunan dibawah mennjukkan semua data (temperature, bahan tuntas, dan daya tahan) dan mempunyai persamaan proses yang bersifat berulang-ulang.

Gambar 2.18 Proses Peltier4

24