Thermoacoustic Effect

Saya yakin, kita semua sudah tidak asing lagi dengan AC (Air Conditioner) atau pendingin ruangan khususnya bagi mereka yang tinggal di kota-kota dengan suhu relatif panas seperti di Jakarta, Surabaya, atau Medan.Bahkan Bandung yang dulu terkenal sebagai kota yang sejuk mulai ikut-ikutan menjadi panas akibat pengaruh penasan global (Global Warming). Jadi bumi makin panas akibat rusaknya lapisan ozon yang berfungsi melindungi bumi dari panasnya matahari secara langsung. Tetapi, kondisi ini tidak menjadi AC makin populer bak pahlawan karena berhasil memberikan udara sejuk kepada manusia karena ternyata AC sendiri menjadi salah satu penyebab kerusakan ozon.

Seperti kita ketahui AC menggunakn gas refrigerant CFC yang mengandung chlorine, fluorine dan carbon. Ketika gas ini dilepas ke udara, CFC dapat menyebabkan lapisan ozon makin tipis. Oleh karena itu, sejak tahun 1995 gas ini dilarang digunakan lagi untuk mencegah kerusakan ozon yang lebih parah. Sebagai penggantinya digunakan gas refrigerant hydro-fluorocarbon atau gas-gas refrigerant alami seperti ammonia dan hydro carbon (propane).

Sebenarnya, alternatif lain yang bisa dipertimbangkan adalah thermoacoustic effect yaitu efek yang diperoleh dari interaksi suara dan kalor melalui sebuah siklus termodinamika. Teknologi ini telah diteliti sejak tahun 1980 di Laboratorium Los Alamos Amerika Serikat tetapi baru tahun 1992 berhasil di aplikasikan dalam sistem pendingin secara langsung. Dalam perkembangannya, thermoacoustic berpotensi untuk digunakan sebagai heat engine, pulsating combustion, heat pumps, refrigerators,dan mixture separators. Sebagai contoh, para peneliti di Penn State University mengembangkan sistem pendingin (chiller) untuk ice cream.

Ide dasar dari teknologi ini adalah fenomena osilasi gelombang suara dimana didalamnya terdapat aktifitas kompresi dan ekpansi terhadap partikel gas. Dari hasil pengamatan, ternyata selama aktifitas ini berlangsung suhu gas juga mengalami osilasi. Ketika gas tersebut berinteraksi dengan batas-batas solid sekitarnya akan terjadi pula osilasi perpindahan kalor dari gas ke batas tersebut. Jadi apabila suara merambat melalui celah yang relatif sempit akan terjadi aliran panas/kalor ke dan dari dinding-dinding celah tersebut. Peristiwa semacam ini disebut sebagai efek thermoacoustic. Osilasi suhu ini tentu saja tidak terlalu berarti misalnya dalam kejadian gelombang suara dari manusi yang berbicara. Tetapi dengan menggunakan udara yang mendapatkan tekanan tinggi maka osilasi yang terjadi menunjukkan efek thermoacoustic yang signifikan.

Berikut ini adalah salah satu aplikasi thermoacoustic untuk sistem refrigerasi/pendinginan (thermoacoustic refrigerator).

Pada dasarnya yang terjadi dalam sistem ini dapat dipahami dari konstruksi dasarnya yang terdiri dari resonator yang digunakan untuk menghasilkan gelombang suara berdiri (Standing wave) dan stack yang terdiri dari lapisan-lapisan solid dengan celah tertentu untuk melepaskan kalor. Seperti ditunjukkan dalam gambar dibawah ini, Untuk menghasilkan efek thermoacoustic diperlukan gelombang suara berdiri didalam gas inert. Untuk itu digunakan sebuah loudspeaker untuk menghasilkan gelombang suara dengan frekuensi tertentu yang tentu saja disesuaikan dengan panjang tabung resonator. Selanjutnya gelombang suara ini akan beriteraksi dengan sekumpulan dinding solid yang tersusun paralel yang disebut stack. Refrigasi yang diperoleh dapat dipahami dengan memperhatikan elemen gas yang terdapat pada celah stack. Pada saat terjadi kompresi terhadap gas, dengan asumsi sumber gelombang suara dari kiri,  maka partikel bergerak ke kanan dan membawa panas. Selanjutnya ketiga gas melewati celah-celah dinding dari stack terjadi perpindahan panas dari gas terhadap dinding stack. Sebaliknya pada saat gas mengalami ekspansi maka partikel gas bergerak ke kiri dan keluar dari celah stack dengan temperatur lebih rendah sehingga akan menyerap panas yang ada. Panas yang terserap tersebut akan di pindahkan ke dinding stack pada saat terjadi kompresi. Demikian seterusnya sehingga terjadi perpedaan suhu antara bagian kiri dan kanan dan pada akhirnya tercipta kondisi dingin di sebelah kiri stack dan kondisi panas disebelah kanan stack dalam tabung resonator. Bila masing-masing bagian tersebut dipasang heat exchanger maka sebuah sistem refrigasi dapat dihasilkan.

[courtesy of Los Alamos Science]

Perlu diperhatikan bahwa jarak antara dinding-dinding dalam stack menjadi krusial. Hal ini dikarenakan jika jarak antara dinding-dinding tersebut terlalu sempit maka thermal contact antara gas dan dinding stack terlalu bagus sehingga meyebabkan temperatur gas akan sama dengan temperatur dinding stack. Sebaliknya bila terlalu lebar menyebabkan thermal contact yang buruk sehingga tidak terjadi aliran panas yang efektif antara gas dengan dinding stack.

Leave a comment

Filed under Uncategorized

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s