commit to user
2.2 Dasar Teori
2.2.6 Fluida Nano
2.2.6.1 Sifat-sifat Fluida Nano
Fluida nano adalah suatu dispersi koloid antara fluida cair (yang disebut dengan fluida dasar) dengan partikel solid yang mempunyai ukuran diameter dalam nanometer untuk merubah sifat-sifat dasar dari fluida dasar untuk dapat meningkatkan kemampuan dalam mentransfer kalor. Sistem dispersi secara sederhana dapat diartikan sebagai larutan atau campuran dua zat yang berbeda maupun sama wujudnya. Sistem dispersi ditandai dengan adanya zat yang terlarut dan zat pelarut. Contohnya, jika tiga jenis benda, yaitu pasir, gula dan susu masing-masing dimasukkan ke dalam suatu wadah yang berisi air, kemudian diaduk dalam wadah terpisah, maka kita akan memperoleh 3 sistem dispersi. Pasir, gula dan susu disebut fase terdispersi. Sedangkan air disebut medium pendispersi. Dispersi koloid disebut juga larutan koloid. Dispersi koloid akan terjadi jika diameter fasa terdispersi berukuran antara 1 nanometer sampai 100 nanometer. Sifat dispersi koloid terletak diantara suspensi dan larutan. Secara sepintas, dispersi koloid akan tampak seperti larutan homogen. Namun jika diamati di bawah mikroskop ultra maka kita masih bisa membedakan antara fase terdispersi dan medium pendispersi. Sistem ini ditandai dengan kondisi larutan selalu keruh namun tidak terjadi pengendapan sehingga penyaringan fasa terdispersi tidak bisa dilakukan. Contoh dispersi koloid adalah dispersi susu di dalam air, santan, agar-agar yang sudah dimasak, detergen, mentega, selai, dan lain-lain.
Berikut adalah beberapa sifat-sifat thermofisik dari fluida nano yang dapat diketahui dari penelitian yang akan dikerjakan:
· Densitas Fluida Nano
Densitas dapat didefinisikan sebagai massa suatu zat per satuan volume.
Dimana:
nf = densitas fluida nano (kg/m3)
= fraksi volume fluida nano
bf = densitas fluida dasar (kg/m3)
p = densitas partikel nano (kg/m3)
Persamaan diatas didapat dari korelasi Pak dan Cho (1998), yang diambil dalam jurnal Duangthongsuk dan Wongwises (2010).
· Viskositas Fluida Nano
Viskositas adalah kekentalan suatu fluida yang merupakan ukuran besarnya tahanan fluida terhadap gaya geser yang diterima. Terdapat 2 jenis viskositas, yaitu viskositas absolute dan kinematik. Viskositas absolute atau dinamik adalah sifat dari fluida yang berhubungan dengan tegangan geser dan pergerakan fluida. Terjadi pada suatu titik yang dibagi dengan gradien kecepatannya (besarnya hambatan yang terjadi ketika terdapat suatu lapisan fluida mencoba bergerak melalui lapisan lain yang sama dengan kecepatan tertentu). Satuan SI dari viskositas adalah Pa.s [1 kg/(m s)], namun satuan cgs unit yaitu poise (P) [1 g/(cm s)] juga umum digunakan.
Viskositas kinematik didefinisikan sebagai perbandingan dari viskositas absolute dengan densitas dari temperatur dan tekanan yang sama. Satuan dari viskositas
kinematik adalah m2/s. Pada penelitian ini, viskositas yang dipakai adalah
viskositas dinamik yang didapatkan dari perhitungan prediksi menggunakan persamaan dari Einstein (1956) yaitu:
eff= 1+2,5 p b (2.18)
Dimana:
µeff = Viskositas efektif fluida nano
p = Fraksi volume dari partikel
µbf = Viskositas dinamik fluida dasar
· Kalor Spesifik Fluida Nano
Kalor spesifik dapat didefinisikan sebagai banyaknya energi kalor yang
dibutuhkan untuk mengubah temperatur 1 g zat sebanyak 10C atau 1 K. Untuk
fluida nano dimana terdapat fraksi volume, kalor spesifik efektif fluida nano pada
commit to user
tekanan konstan (cp,nf) dapat diestimasikan berdasarkan korelasi dari Xuan dan Roetzel (2000) sebagai berikut:
cp,nf =
1- bfcpbf+ pcpp
nf
(2.19)
Dimana:
cp,nf = Kalor spesifik fluida nano (kJ/kg.K)
= Fraksi volume dari partikel
bf = densitas fluida nano (kg/m3)
cp,bf = Kalor spesifik partikel (kJ/kg.K)
p = densitas partikel nano (kg/m3)
cp,p = Kalor spesifik partikel (kJ/kg.K)
nf = densitas fluida nano (kg/m3)
· Konduktifitas Termal Fluida Nano
Konduktivitas termal didefinisikan sebagai kemampuan material untuk menghantarkan kalor. Konduktifitas termal adalah suatu data yang sangat penting dalam penukar kalor. Koefisien perpindahan kalor sangat dipengaruhi oleh nilai dari konduktifitas termal dari fluida kerja. Konduktifitas termal merupakan properties yang sulit untuk diukur karena sangat bervariatifnya fluida kerja yang ada dan tidak tersedia data yang cukup untuk setiap fluida kerja. Nilai konduktifitas termal bisa didapatkan dengan beberapa cara, yaitu:
1. Pengukuran yang sangat detail dari data percobaan yang lengkap.
2. Gabungan dari data percobaan yang terbatas dengan data teori atau data empirik.
3. Turunan atau persamaan dari data percobaan dari suatu fluida kerja lain dengan susunan kimia yang sama.
Pada penelitian ini konduktitifitas kalor didapatkan dari teori pengujian steady state dari PA Hilton dan perhitungan. Sebelum melakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai konduktifitas termal, perlu dilakukan kalibrasi dengan menggunakan fluida yang elah memiliki data nilai konduktifitas kalor sebagai referensi awal. Kemudian melakukan perhitungan untuk mencari besar
perpindahan kalor insidental (Qi) yang nantinya akan digunakan untuk mendapatkan data konduktifitas kalor dari fluida nano dengan penambahan partikel Al2O3 yang belum memiliki data nilai konduktifitas kalor sebelumnya. Nilai konduktifitas kalor didapatkan dengan cara menggunakan hasil persamaan
trendline dari grafik antara Qi dan yang memiliki nilai akurasi yang tinggi.
Perhitungan awal untuk fluida dasar yang dilakukan untuk data referensi Qi yaitu:
a. Mencari temperatur rata-rata: T1+T2
2 (2.20)
Dimana:
T1 = Temperatur plug dari alat.
T2 = Temperatur jacket dari alat.
b. Mencari nilai konduktifitas kalor fluida yang digunakan sebagai acuan dari data referensi yang telah ada sebelumnya. Pada penelitian ini menggunakan air dan PG murni. Nilai konduktifitas kalor dapat dicari dengan meggunakan interpolasi dari data referensi air dan PG sebagai berikut:
Tabel 2.1. Data referensi nilai k untuk PG (ASHRAE)
c. Menghitung beda temperatur:
T = T1 – T2 (2.21)
d. Menghitung besar kalor yang terkonduksi melalui fluida dalam alat:
Qc = kA
r (2.22)
e. Menghitung daya masuk:
Qe = V × I (2.23)
f. Menghitung perpindahan kalor secara insidental dengan persamaan:
Qi = Qe - Qc (2.24)
Setelah nilai Qi didapatkan, maka dibuat grafik antara Qi dengan . Grafik ini akan menghasilkan persamaan yang akan digunakan selanjutnya untuk menentukan nilai konduktifitas kalor. Perhitungan lanjut untuk mendapatkan nilai konduktifitas kalor dari fluida dengan penambahan partikel nano yaitu:
a. Menghitung daya masuk:
Qe = V × I
b. Menghitung beda temperatur:
Tnf = T1 – T2
c. Mencari perpindahan kalor insidental fluida nano dari grafik yang telah didapat dari perhitungan referensi.
d. Kemundian menghitung kalor yang dikonduksikan melalui fluida nano dengan
penambahan Al2O3 dengan persamaan:
Qc = Qe - Q f (2.25)
e. Dan menghitung nilai kondukfititas kalor fluida nano
knf =
Qc r
A ô (2.26)
Dimana:
knf = Konduktifitas kalor dari fluida nano (W/m.°C)
Qc = Perpindahan kalor secara konduksi melalui fluida dasar (Watt)
Qc = Perpindahan kalor secara konduksi melalui fluida nano (Watt)
= Jarak rongga dari tabung dalam dan luar (0,30 mm)
A = Luas area konduksi (0,0133 m2)
T = Perbedaan temperatur antara T1 dan T2 (°C)
Qe = Kalor yang diterima dari elemen (Watt)
= V×I, merupakan voltase dan arus yang didapat pada pengujian.
Qi-nf = Perpindahan kalor insidental fluida nano yang terjadi saat beda temperatur tertentu. Didapatkan dari persamaan yang dibuat berdasarkan kalibrasi awal dengan fluida dasar dengan nilai k yang telah diketahui sebelumnya (Watt)
Setelah nilai konduktifitas thermal dari perhitungan didapatkan, diperlukan validasi dengan nilai konduktifitas thermal dari referensi. Sedangkan untuk nilai konduktifitas thermal dari fluida nano, dilakukan validasi dengan menggunakan beberapa persamaan empirik yang ada. Pada penelitian ini menggunakan validasi dengan korelasi dari Yu dan Choi (1993).
Ø Validasi menggunakan persamaan Yu dan Choi (1993)
knf =
kp+ 2kbf+ 2 kp- kbf 3
kp+ 2kbf- kp- kbf 3 kbf , (2.27)
thermal dari fluida nano yaitu 0,1
· Difusivitas Kalor Fuida Nano
Difusivitas kalor didefinisikan sebagai perbandingan kemampuan cairan mengkonduksi kalor yang dinyatakan dalam nilai konduktifitas termal terhadap kemampuan menyimpan kalor yang dinyatakan dalam nilai kapasitas kalor
volumetric ( cp). Korelasi difusivitas kalor dinyatakan sebagai berikut :
nf = knf
nfCpnf (2.28)
Dimana:
nf = Diffusifitas kalor (m2/s)
knf = Konduktifitas termal (W/m.°C)
nfcpnf = Besarnya energi yang disimpan suatu material per volume
nf dikalikan dengan kalor jenis dari
fluida nano cpnf) (J/m3·°C)
Jadi, difusivitas kalor dari suatu material dapat dikatakan sebagai rasio dari kalor yang terkonduksi melalui suatu material dengan kalor yang tersimpan per volume.
Persamaan ini didapatkan dari Incropera (2007). Persamaan ini juga digunakan pada jurnal dari Duangthongsuk dan Wongwises (2010).