ANALISA METAL FOAM (COATING DAN TANPA COATING) SEBAGAI WICK STRUCTURE PADA HEAT PIPE SILINDER
TESIS
FITRI HARWINA SUCI GINTING 197026006
PROGRAM STUDI MAGISTER FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2022
ANALISA METAL FOAM (COATING DAN TANPA COATING) SEBAGAI WICK STRUCTURE PADA HEAT PIPE SILINDER
TESIS
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Magister Sains
FITRI HARWINA SUCI GINTING 197026006
PROGRAM STUDI MAGISTER FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PERNYATAAN ORISINALITAS
ANALISA METAL FOAM (COATING DAN TANPA COATING) SEBAGAI WICK STRUCTURE PADA HEAT PIPE SILINDER
TESIS
Saya menyatakan bahwa tesis ini adalah hasil karya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, 10 Januari 2022
Fitri Harwina Suci Ginting NIM. 197026006
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Fitri Harwina Suci Ginting
NIM : 197026006
Program Studi : Magister Fisika Jenis Karya Ilmiah : Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive Royalty Free Right) atas tesis saya yang berjudul:
Analisa Metal Foam (Coating dan Tanpa Coating) sebagai Wick Structure pada Heat Pipe Silinder
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan), dengan Hak Bebas Royalti Non- Eksklusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasikan tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai penulis dan sebagai pemilik hak cipta.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Medan, Januari 2022
Fitri Harwina Suci Ginting
Telah diuji dan dinyatakan lulus pada Tanggal : 4 Januari 2022
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Dr. Syahrul Humaidi, M.Sc Anggota : 1. Anggito P Tetuko, P.hD
2. Dr. Diana Alemin Barus, M.Sc 3. Prof. Dr. Marhaposan Situmorang
ANALISA METAL FOAM (COATING DAN TANPA COATING) SEBAGAI WICK STRUCTURE PADA HEAT PIPE SILINDER
ABSTRAK
Dalam tulisan ini, metal foam komersial dianalisis dan dikarakterisasi untuk digunakan sebagai wick structure dalam heat pipe silinder, dimana ferrofluid digunakan sebagai cairan kerja. Modifikasi permukaan metal foam diberi perlakuan menggunakan pembersihan aseton dan metode pelapisan superhidrofobik. Metal foam dikarakterisasi menggunakan beberapa pengukuran: XRD, mikroskop optik 3D, densitas, porositas, SEM-EDX, FTIR, sudut kontak, dan kapilaritas. Heat pipe silinder diuji pada dua variasi kalor input 3 dan 5 W arah horizontal. Karakterisasi metal foam menunjukkan bahwa metal foam yang dibersihkan aseton lebih cocok untuk digunakan sebagai wick structure dalam heat pipe silinder. Metal foam yang dibersihkan aseton memiliki karakteristik hidrofilik yang dapat meningkatkan pergerakan kapiler dan sirkulasi fluida dalam heat pipe. Uji kinerja heat pipe mengusulkan bahwa resistansi termal optimum diperoleh pada kalor input 5W (2,47oC/W).
Kata kunci: ferrofluid, heat pipe silinder, metal foam, modifikasi permukaan, wick structure.
ANALYSIS OF METAL FOAMS (COATING AND WITHOUT COATING) AS A WICK STRUCTURE IN
CYLINDRICAL HEAT PIPE
ABSTRACT
In this paper, the commercial metal foams were analyzed and characterized to be used as the wick structure in a cylindrical heat pipe, where ferrofluid was used as the working liquid. The surface modifications of the metal foams were prepared using acetone cleaning and superhydrophobic coating methods. The metal foams were characterized using several measurements: XRD, 3D optical microscope, density, porosity, SEM-EDX, FTIR, contact angle, and capillary. The cylindrical heat pipe was tested at two heat input variations of 3 and 5 W in a horizontal direction. The metal foam characterizations revealed that the acetone cleaned metal foam is more suitable to be used as the wick structure in a cylindrical heat pipe. The acetone cleaned metal foam has a hydrophilic characteristic that could enhance the capillary movement and liquid circulation in the heat pipe. The heat pipe ’s performances test proposed that the the optimum thermal resistance is obtained at heat input of 5W (2.47 oC/W).
Keywords: cylindrical heat pipe, ferrofluid, metal foam, surface modification, wick structure.
AFFIDAVIT
This is to certify that I have translated the foregoing from Indonesia to English That it is true and complete and that I am
competent in both languages.
S O E S I L O
Decree of Governor of DKI Jakarta No 527/1995
PRAKATA
Segala puji kehadirat Allah SWT yang telah memberikan karunia-Nya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Tesis dengan sebaik-baiknya. Shalawat dan salam selalu tercurah kepada Rasulullah SAW sebagai panutan kehidupan.
Penulisan Tesis dengan judul “Analisa Metal Foam (Coating dan Tanpa Coating) sebagai Wick Structure pada Heat Pipe Silinder” adalah syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Pascasarjana Fisika FMIPA, Universitas Sumatera Utara (USU).
Dalam tulisan ini penulis mengucapkan terima kasih dari hati yang paling tulus kepada pihak yang berperan dalam penyusunan Tesis. Terkhusus kepada yang tersayang kedua orang tua (Ibunda Dra. Hartati Sitepu dan Ayahanda Drs. Darwinta Ginting) dan keluarga yang selalu ada.
Salam takzim dan terima kasih kepada Dosen Pembimbing Bapak Dr. Syahrul Humaidi, M.Sc dan Bapak Anggito P Tetuko, Ph.D yang selalu menyediakan waktu untuk membimbing, mengarahkan, dan membagi ilmu kepada penulis. Kepada Dosen Pembanding Bapak Prof Dr. Marhaposan Situmorang dan Ibu Dr. Diana Alemin Barus, M.Sc. Kepada Dekan FMIPA USU Dr. Nursahara Pasaribu, M.Sc dan dosen Pascasarjana Fisika yang telah mendidik selama perkuliahan. Kepada Bapak Prof.
Perdamean Sebayang, M.Sc., Bu Nining Sumawati Asri, M.Sc., Bapak Lukman Faris Nurdiyansah, M.T., dan Bapak Eko Arief Setiadi, M.Sc yang membimbing penulis selama masa penelitian di Pusat Riset Fisika-Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN).
Kepada sahabat-sahabat yang tidak bisa disebutkan satu persatu yang telah memberi semangat dan alarm pengingat atas kealpaan yang penulis alami. Kepada pihak-pihak yang penulis sebutkan dan yang tidak bisa disebut satu persatu dalam tulisan ini, semoga segala kebaikan yang kalian berikan menjadi catatan pahala dan mendapat balasan kebaikan di dunia dan akhirat dari Allah SWT, aamiin.
Medan, 10 Januari 2022
Fitri Harwina Suci Ginting
DAFTAR ISI
Halaman
PENGESAHAN TESIS i
ABSTRAK iii
ABSTRACT iv
PRAKATA v
DAFTAR ISI vi
DAFTAR TABEL viii
DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN
ix x BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Rumusan Masalah 3
1.3 Tujuan Penelitian 3
1.4 Batasan Masalah 4
1.5 Manfaat Penelitian 4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Heat Pipe 5
2.1.1 Jenis-jenis heat pipe 5
2.1.2 Struktur heat pipe 6
2.1.3 Prinsip kerja heat pipe 7
2.2 Wick Structure 8
2.3 Metal Foam 10
2.4 Fluida Kerja 11
2.5 Densitas dan Porositas 13
2.6 Sudut Kontak 14
2.7 Kapilaritas 2.8 XRD
15 16
2.9 SEM-EDX 16
2.10 FTIR 16
2.11 Resistansi Termal 17
2.12 Konduktivitas Termal 17
BAB 3 METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian 19
3.2 Alat dan Bahan 19
3.2.1 Alat Penelitian 19
3.2.2 Bahan Penelitian 19
3.3 Prosedur Penelitian 19
3.3.1 Preperasi bahan 19
3.3.2 Identifikasi metal foam 20
3.3.3 Pembersihan metal foam dengan aseton 21
3.3.4 Pelapisan metal foam 21
3.3.5 Karakterisasi metal foam 22
3.3.6 Pengujian heat pipe 23
3.4 Diagram Alir 27
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Identitas Metal Foam
4.1.1 Karakterisasi x-ray diffraction (XRD) 4.1.2 Analisis 3-D OM
4.1.3 Analisis densitas dan porositas
29 29 30 31
4.2 Analisis SEM-EDX 31
4.3 Analisis FTIR 34
4.4 Sudut Kontak 36
4.5 Analisis Kapilaritas 38
4.6 Kinerja Heat Pipe Silinder 41
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
5.2 Saran
45 45
DAFTAR PUSTAKA 46
DAFTAR PUBLIKASI 49
LAMPIRAN 50
DAFTAR TABEL
Nomor Tabel
Judul Halaman
2.1 Jenis-jenis fluida kerja pada heat pipe 13
2.2 Konduktivitas termal berbagai bahan 18
4.1 Intensitas dan FWHM pola difraksi 29
4.2 Porositas dan ukuran pori metal foam 31
4.3 Analisis EDX metal foam (pembersihan aseton) 33 4.4 Analisis EDX metal foam (pelapisan superhidrofobik) 33
4.5 Analisis sudut kontak metal foam 37
4.6 Tekanan kapiler pada metal foam 38
DAFTAR GAMBAR
Nomor Gambar
Judul Halaman
2.1 Jenis-jenis heat pipe 6
2.2 Struktur heat pipe 7
2.3 Proses kerja heat pipe 8
2.4 Screen mesh wick 9
2.5 Sintered metal powder 9
2.6 Grooved wick 10
2.7 Metal foam berdasarkan jenis-jenis bahan 11
2.8 Rangkaian alat mengukur sudut kontak 14
2.9 Klasifikasi sudut kontak 15
3.1 Rangkaian alat menguji kapilaritas 23
3.2 Heat pipe silinder dan metal foam 24
3.3 Rangkaian pengujian kinerja heat pipe 25
4.1 Analisis XRD metal foam 30
4.2 Struktur kristal Cr, Ni, Fe 30
4.3 Morfologi dan distribusi pori metal foam 31
4.4 SEM metal foam (pembersihan aseton) 32
4.5 SEM metal foam (lapisan superhidrofobik) 32
4.6 EDX metal foam (pembersihan aseton) 33
4.7 EDX metal foam (lapisan superhidrofobik) 34
4.8 FTIR metal foam (pembersihan aseton) 35
4.9 FTIR metal foam (lapisan superhidrofobik) 35 4.10 Sudut kontak metal foam (pembersihan aseton) 36 4.11 Sudut kontak metal foam (lapisan superhidrofobik) 37
4.12 Kenaikan kapilaritas metal foam 38
4.13 Tekanan kapiler SS foam terhadap sudut kontak 40 4.14 Tekanan kapiler SS foam terhadap radius pori 40 4.15 Distribusi temperatur terhadap panjang aksial 41 4.16 Distribusi temperature terhadap waktu (kalor input 3 W) 42 4.17 Distribusi temperature terhadap waktu (kalor input 5 W) 42
4.18 Resistansi termal metal foam 43
4.19 Konduktivitas termal heat pipe 43
4.20 Konduktivitas termal efektif stainless steel foam 44
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Lampiran
Judul Halaman
1. Alat, Bahan, dan Pengujian 50
2. Peak List Pengujian X-Ray Diffraction (XRD) 55 3. Profil Pengujian X-Ray Diffraction (XRD) 56 4. Analisis X-Ray Diffraction (XRD) Menggunakan
Software Match
57
5. Perhitungan Densitas dan Porositas 58
6. Distribusi Temperatur terhadap Selang Waktu 59 7. Perhitungan Resistansi dan Konduktivitas Termal 71
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Heat pipe merupakan teknologi yang digunakan untuk melakukan transfer panas tinggi (Arbak & Dukhan, 2020). Heat pipe memiliki tiga komponen, yaitu wadah, fluida kerja dan wick structure. Komponen wick structure perlu lebih diperhatikan karena memiliki pengaruh besar dalam pergerakan kapiler atau sirkulasi cairan selama kinerja heat pipe berlangsung.
Wick structure bisa diperoleh dari metode sintered metal powder, screen mesh, composite wicks, dan groove wick. Diantara semua metode, proses sintering lebih popular untuk membuat wick structure. Beberapa proses sintering yang fabrikasi oleh peneliti yaitu: sintering serbuk tembaga oleh Putra et al, (2016), sintering hybrid zeolite-Cu oleh Midiani et al, (2019), sintering serbuk satinless steel Zhang et al, (2020), sintering serbuk Nikel-Aluminium dan Nikel-Tembaga oleh Szymanski dan Mikielewicz (2017). Proses fabrikasi dengan metode sintering yang telah dilakukan sebelumnya masih tergolong rumit. Para peneliti terus mengembangkan cara efektif dan efisien untuk menghasilkan wick structure agar memiliki sudut kontak kecil, aksi kapiler tinggi, tahanan termal rendah, dan konduktivitas termal tinggi.
Metal foam komersial merupakan material berpori yang sedang popular untuk dijadikan media transfer panas. Dengan menggunakan material yang tersedia secara komersial maka membuat pekerjaan lebih efektif dan efesien. Metal foam komersial dinilai lebih ekonomis dibandingkan harus membuat media berpori dengan metode sintered metal powder, screen mesh, composite wicks, dan groove wick. Maka dari itu, metal foam komersial menjadi peluang besar untuk dijadikan wick structure pada aplikasi heat pipe. Dalam penggunaan metal foam komersial pada heat pipe, beberapa peneliti melakukan modifikasi untuk menghasilkan perpindahan panas yang lebih baik. Misalnya, teknik hybrid antara metal foam dengan material lain, pemilihan jumlah pori metal foam atau modifikasi permukaan.
Studi literatur melaporkan tentang perlakuan terhadap metal foam komersial oleh peneliti sebelumnya. Bao et al (2020) melakukan investigasi perpindahan panas Multi channel heat pipe (MCHP) dengan media metal foam. Metal foam yang digunakan berbahan tembaga dengan porositas 90% dan jumlah pori 20 PPI. Metal foam diberi variasi heat flux (18.750 W/m2 hingga 112.500 Wa/m2) dan filling rasio fluida kerja (10%, 20%, 30%, 40%, 50%, dan 60%). Parameter yang diuji adalah resistansi termal, yang mana semakin rendah nilai resistansi termal berarti semakin baik perpindahan panas MCHP. Ketika heat flux yang diberikan besar membuat fluida kerja dibagian evaporator mendidih lebih cepat. Namun, kombinasi filling rasio fluida kerja perlu disesuaikan. Jika filling rasio terlalu sedikit akan membuat daerah evaporator cepat kering. Sedangkan saat filling rasio terlalu banyak, proses pendidihan lama sehingga sulit membentuk gelembung uap dan proses penguapan memburuk.
Sehingga didapat hasil tahanan termal terbaik ketika heat flux paling besar yaitu 112.500 Watt/m2 dan filling rasio fluida kerja 20%. Rossi et al (2017) melakukan studi tentang perlindungan aluminium foam terhadap korosi dengan deposition cataphoretic.
Selama proses deposistion cataphoretic, terjadi distribusi muatan negative pada permukaan katoda. Menyebabkan, molekul resin muatan positif tertarik ke permukaan sampel, sehingga gaya adhesi pada permukaan aluminium foam meningkat.
Peningkatan gaya adhesi menandakan permukaan aluminium foam yang bersih dan terlindung dari korosi.
Hu et al (2018) melakukan analisa perpindahan panas metal foam (tembaga) dengan lapisan hidrofobik dan tanpa lapisan. Jumlah pori metal foam digunakan dengan variasi 5 hingga 40 PPI dengan porositas 90%. Lapisan hidrofobik ditreatment dengan lapisan 1% berat 1-dodecanethiol (C12H26S). Semakin banyak jumlah pori perpindahan panas semakin baik. Setelah dilakukan pengujian, perpindahan panas metal foam dengan lapisan hidrofobik pada 20 PPI mendapatkan hasil terbaik.
Perpindahan panas yang terjadi 5-34% lebih besar daripada metal foam tanpa lapisan.
Shirazy et al (2012) melakukan studi eksperimental mekanisme hidrofobisitas metal foam pada berbagai keadaan udara (udara bebas, udara kering di desikator dan atmosfer nitrogen di desikator). Metal foam yang digunakan berbahan tembaga dengan 75 PPI dan porositas sebesar 85%. Mula-mula permukaan metal foam dijadikan hidrofilik dengan proses reduksi hydrogen. Pengujian dilakukan setelah reduksi
hydrogen. Sudut kontak metal foam pada udara bebas setelah 48 jam menjadi 136°, sedangkan pada metal foam yang berada di desikator setelah 96 jam tetap hidrofilik.
Hal ini berarti hidrofobisitas disebabkan oleh adsorbsi senyawa organik yang ada di udara bebas menurunkan energi permukaan metal foam. Setelah dianalisis dengan XPS, dengan meningkatnya waktu kandungan karbon pada permukaan busa semakin meningkat. Modifikasi pemukaan metal foam berbahan tembaga berhasil dilakukan oleh Shi et al (2020). Permukaan superhidrofilik didapat dengan metode oksidasi, sedangkan permukaan superhidrofobik dengan metode oksidasi dan modifikasi kimia.
Selanjutnya, Analisis manajemen termal juga diperoleh pada pengujian heat pipe Sejauh studi literature belum ada yang memberikan lapisan cairan aseton pada metal foam berbahan stainless steel dengan ferrofluida sebagai cairan kerja. Maka keterbaruan dalam penelitian ini adalah membuat permukaan metal foam komersial agar mengalami keterbasahan sempurna menggunakan cairan aseton. Metal foam juga dikarakterisasi dan diuji pada heat pipe. Sebagai perbandingan, metal foam juga diberi perlakuan dengan cairan superhidrofobik.
Dari pemaparan latar belakang diatas, maka penulis melakukan penelitian dengan judul “Analisa Metal foam (Coating dan Tanpa Coating) sebagai Wick Structure pada Heat pipe Silinder”
1.2 Rumusan Masalah
1.2.1 Apa jenis fasa pada material metal foam komersial yang digunakan?
1.2.2 Bagaimana pengaruh cleaning (pembersihan) dan coating (pelapisan)terhadap karakterisasi metal foam?
1.2.3 Bagaimana kinerja heat pipe yang diperoleh menggunakan metal foam sebagai wick structure?
1.3 Tujuan Penelitian
1.3.1 Untuk mengetahui jenis fasa material metal foam komersial yang digunakan.
1.3.2 Untuk mengetahui pengaruh cleaning (pembersihan) dan coating (pelapisan) terhadap karakterisasi metal foam.
1.3.3 Untuk mengetahui kinerja heat pipe yang diperoleh menggunakan metal foam sebagai wick structure.
1.4 Batasan Masalah
Untuk menghindari meluasnya objek kajian dalam penelitian ini maka diberikan batasan-batasan masalah sebagai berikut:
1.4.1 Wick structure yang digunakan menggunakan metal foam komersial.
1.4.2 Variasi perlakuan yang dilakukan pada metal foam adalah pembersihan dengan aseton dan pelapisan dengan cairan superhidrofobik.
1.4.3 Karakterisasi yang dilakukan pada metal foam adalah XRD, densitas, porositas, SEM-EDX, FTIR, sudut kontak, dan kapilaritas.
1.4.4 Uji alat yang dilakukan untuk menunjukkan kinerja metal foam pada heat pipe adalah distribusi temperatur, tahanan termal, dan konduktivitas termal efektif.
1.5 Manfaat Penelitian
1.5.1 Memberikan informasi mengenai proses dan bahan coating yang baik untuk diterapkan pada metal foam komersial.
1.5.2 Memberikan informasi karakteriasi metal foam sebagai wick structure.
1.5.3 Memberikan informasi pengujian alat heat pipe.
1.5.4 Menjadikan metal foam komersial yang ditreatment sebagai kandidat wick structure di masa depan.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Heat Pipe
Heat pipe adalah sistem perpindahan panas dengan memanfaatkan perubahan fasa fluida kerja. Heat pipe selama operasi didesain tertutup untuk mengisolasi fluida kerja dari lingkungan luar. Pada pengaplikasiannya, heat pipe diletakkan di daerah yang menimbulkan panas pada suatu alat, misalnya microprocessor.
Heat pipe memiliki keunggulan diantaranya memudahkan mentransmisikan panas dalam jumlah besar dan berlangsung cepat (Zohuri, 2016), penyebaran panas merata, selama proses temperature relatif konstan (isotermal), tidak memerlukan energi tambahan dalam beroperasi karena pemompaan kapiler secara alami dapat menggerakkan sirkulasi fluida kerja sepanjang heat pipe , dan dapat menggunakan berbagai macam fluida kerja (Nemec, 2018). Keunggulan yang dimiliki heat pipe menjadikannya juga digunakan pada perancah tulang (Su et al,, 2018), regenerator, reaktor, mesin stirling (Dukhan et al,, 2019), industri dirgantara dan otomotif (Changdar dan Chakraborty, 2021), pengendali untuk menurunkan ledakan gas metana batu bara (Shao et al,, 2020), perusahaan listrik tenaga nuklir, sampai aplikasi ruang angkasa (Szyman dan Mikielewicz, 2017).
2.1.1. Jenis-jenis heat pipe
Pada prinsipnya heat pipe digunakan sebagai perangkat pendingin.
Namun, kegunaan untuk aplikasi yang berbeda-beda maka heat pipe didesain menjadi beberapa jenis. Pada Gambar 2.1 (celsiainc.com) terdapat jenis-jenis heat pipe diantaranya adalah: standard heat pipe, variable conductance heat pipe, loop thermosyphon, loop heat pipe, rotating heat pipe, dan oscillating heat pipe.
Gambar 2.1 Jenis-Jenis Heat pipe: a). standard heat pipe, b). variable conductance heat pipe, c). loop thermosyphon, d). loop heat pipe, dan e). oscillating heat pipe
2.1.2. Struktur heat pipe
Struktur heat pipe terdiri dari bagian luar dan bagian dalam yang tertutup rapat seperi pada Gambar 2.2 (Ameri et al, 2017). Pada bagian luar terdapat wadah atau container berbentuk silinder yang berfungsi mengisolasi fluida kerja dari lingkungan luar. Oleh sebab itu harus berasal dari material yang memiliki kompatibilitas yang baik dengan fluida kerja dan lingkungan eksternal, konduktivitas termal yang tinggi, tahan terhadap beban berat, padat dan mudah dibentuk, seperti, stainless steel, aluminium, nikel, tembaga atau paduannya.
Pada bagian dalam heat pipe terdapat komponen yang sangat penting dalam mengatur kinerja heat pipe yaitu wick structure, rongga pipa dan cairan sebagai fluida kerja. Heat pipe terdiri dari tiga daerah, yaitu evaporator, adiabatik, dan kondensor (Rahman et al,, 2011). Daerah evaporator sebagai tempat sumber panas masuk dari lingkungan ke sistem (heat pipe) dan proses penguapan fluida
a b c
d e
kerja. Fluida kerja ketika berada di daerah adiabatik tidak mengalami perpindahan panas karena diisolasi oleh material yang memiliki nilai konduktivitas termal rendah, sehingga panas yang keluar dari daerah ini dapat diminimalisir. Daerah kondensor sebagai tempat pelepasan kalor dari sistem ke lingkungan dan proses pengembunan fluida kerja. Ketiga daerah secara bergantian melaksanakan tugas dalam transfer panas.
2.1.3. Prinsip kerja heat pipe
Selama heat pipe dalam keadaan normal maka sirkulasi fluida kerja akan berlangsung terus menerus bergantian pada daerah evaporator-adiabatik- kondensor. Berikut adalah peristiwa-peristiwa yang terjadi selama proses kerja heat pipe:
a. Peristiwa endoterm. Panas yang berasal dari sumber panas akan masuk ke daerah evaporator melalui dinding heat pipe dengan mekanisme perpindahan panas secara konduksi. Panas yang sampai ke evaporator akan membuat fluida kerja mendidih sehingga terjadi perpindahan panas secara konveksi. Selanjutnya fluida kerja akan mengalami evaporasi, perubahan fase dari air menjadi uap.
b. Peristiwa aliran uap. Uap akan mengalir menuju daerah dengan temperature yang lebih rendah, yaitu kondensor. Daearah adiabatik hanya dilewati uap karena dianggap tidak mengalami heat transfer atau terjadi proses isotermal.
Gambar 2.2. Struktur heat pipe Wick structure
Wadah heat pipe
c. Peristiwa eksoterm. Uap yang sampai di kondensor akan terkondensasi menjadi cair. Cairan yang terbentuk pada dinding daerah kondensor dan permukaan wick structure akan didistribusikan kembali menuju daerah evaporator melalui aksi kapiler wick structure. Gambar 2.3 merupakan rangkaian proses kerja heat pipe (Idrus et al, 2013).
Performa heat pipe optimal ditandai dengan semakin cepat proses sirkulasi fluida kerja. Dibutuhkan tekanan awal yang kecil untuk menghasilkan perbedaan temperature antara evaporator dan kondensor yang rendah. Selisih temperature yang rendah menyebabkan penurunan titik didih pada fluida kerja, sehingga mempercepat terbentuknya uap untuk dialirkan ke kondensor.
Akhirnya proses sirkulasi akan semakin cepat (Putra et al,, 2016).
2.2 Wick Structure
Wick structure atau material berpori adalah bagian penting dari perangkat heat pipe yang berfungsi sebagai jalur sirkulasi fluida kerja dari daerah kondensor menuju evaporator menggunakan aksi kapiler. Aksi kapiler bergantung pada ukuran pori dan jari-jari kelengkungan antar muka wick structure. Pori-pori kecil memberikan daya angkat fluida yang baik. Namun, aliran cairan dibatasi karena kesulitan melewati pori- pori kecil. Pori-pori yang lebih besar biasanya memungkinkan aliran cairan yang besar, tetapi daya angkat fluida yang buruk. Untuk itu dalam pembuatan wick structure perlu dilakukan modifikasi pori-pori untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Wick structure pada umumnya terbuat dari material logam seperti steinless steel, tembaga,
Gambar 2.3. Proses kerja heat pipe
aluminium, atau nikel (Raditya et al, 2014).
Wick structure terdiri dari tiga tipe dasar, yaitu screen mesh wick, sintered metal powder, dan grooved wick. Ketiga tipe wick structure memiliki karakteristik sebagai berikut:
a. Screen Mesh Wick
Screen mesh wick dibuat dari jaring seperti Gambar 2.4 (Nemec, 2018).
Aksi kapiler yang dihasilkan screen mesh wick termasuk kategori sedang.
Keunggulan dari tipe screen mesh wick memiliki harga yang murah dan dapat digunakan untuk struktur heat pipe yang rumit.
b. Sintered Metal Powder
Sintered metal powder dibuat dengan menuangkan bubuk logam ke celah antara pipa dan mandrel. Lalu ditempatkan ke oven atau tungku pada suhu
tertentu untuk dilakukan proses sintering. Bubuk akan menempel pada dinding heat pipe. Partikel-partikel bubuk akan saling mengikat dan menghasilkan pori.
Pori yang dihasilkan lebih kecil dari pada grooved wick dan screen mesh wick, Gambar 2.5. Sintered metal powder
Gambar 2.4. Screen mesh wick
sehingga menghasilan aksi kapiler yang lebih baik diantara ketiga tipe wick.
Gambar 2.5 (Abotsi et al, 2018) merupakan wick structure tipe sintered metal powder yang memiliki rongga di bagian tengah.
c. Grooved Wick
Grooved wick biasanya memiliki struktur alur aksial pada radius bagian dalam pipa. Strukutur alur dibuat dengan ekstrusi atau broaching. Ukuran grooved wick relative lebih besar dibanding dengan screen mesh dan sintered
metal powder, oleh sebab itu memiliki aksi kapiler paling kecil. Penggunaan grooved wick pada heat pipe menghasilkan kinerja yang baik asalkan aplikasinya tidak memerlukan elevasi merugikan yang signifikan terhadap gravitasi. Gambar 2.6 (Columbia-staver) merupakan wick structure tipe grooved wick.
Bahan berpori dibutuhkan oleh heat pipe untuk menimbulkan efek kapilaritas.
Agar pemompaan kapiler berlangsung optimal diperlukan wick structure dengan daya basah yang baik. Daya basah yang baik ketika permukaan wick structure bersifat superhidrofilik atau hidrofilik, dibuktikan dengan sudut kontak dibawah 90° (Putra et al, 2016). Semakin kecil sudut kontak semakin baik kenaikan kapiler fluida kerja.
Performa heat pipe juga dapat menurun jika wick structure berubah sifat menjadi hidrofobik, ditandai dengan perubahan sudut kontak di atas 90°.
Berbagai metode untuk membuat permukaan wick structure menjadi superhidrofilik adalah dengan deposisi uap, inversi fase, pirolisis semprotan ultrasonic, kalsinasi, perawatan hidrotermal, perakitan lapis demi lapis, peakitan sol-gel, anodisasi elektokimia, elektospinning, polimerisasi antarmuka dan pelapisan larutan (Otitoju et al,, 2017).
Gambar 2.6. Grooved wick
2.3 Metal Foam
Metal foam adalah jenis material baru yang memiliki karakteristik kepadatan rendah, strukur ringan, manajemen termal yang baik, penyerapan energi yang baik, dan harga yang terjangkau (Ashby et al,, 2000). Metal foam memiliki struktur seluler yang terbuat dari logam padat yang sebagian volume mengandung pori-pori. Jenis pori-pori pada metal foam terdiri dari pori tertutup (closed cell foam) dan pori terbuka (open cell foam) berupa jaringan yang saling berhubungan. Metal foam berpotensi untuk diaplikasikan pada manajemen energi dan manajemen termal, sehingga cocok untuk dijadikan wick structure pada heat pipe sebagai jalur sirkulasi fluida kerja.
Bahan material umumnya dipakai untuk membuat metal foam adalah aluminium, tembaga, stainless steel, dan nikel. Gambar 2.7 (Sumber: filter-elements) merupakan jenis metal foam berdasarkan jenis-jenis bahannya, aluminium foam, copper foam, stainless steel foam dan nickel foam. Produksi metal foam dimulai dari melelehkan logam. Struktur pori metal foam dibentuk dengan menyuntikkan agent foam pada lelehan logam. Agent foam akan membentuk gelembung gas, namun karena massa jenis gelembung gas lebih rendah daripada cairan maka gelembung gas akan naik ke permukaan. Untuk mencegah gelembung gas naik ke permukaan dilakukan penambahan elemen paduan untuk membentuk partikel penstabil dalam lelehan, sehingga terjadi pengendapan gas pada lelehan logam.
2.4 Fluida Kerja
Fluida kerja adalah komponen penting untuk melakukan transfer panas dengan mengalami perubahan fase cair-uap-cair sehingga terbentuk aliran sirkulasi secara terus menerus. Tidak semua jenis fluida kerja cocok untuk digunakan pada semua
Gambar 2.7. Metal foam berdasarkan jenis-jenis bahan
Aluminium foam Copper foam Stainless Steel Foam Nickel Foam
pengaplikasian heat pipe karena masing-masing fluida kerja memiliki titik didih yang berbeda. Faktor-faktor penting yang perlu diperhatikan untuk memilih fluida kerja adalah:
a. Sesuai dengan bahan metallic pipe untuk mencegah reaksi kimia.
b. Menyesuaikan dengan rentang temperature yang dihasilkan sumber panas.
c. Konduktivitas termal yang tinggi.
d. Stabilitas termal yang baik.
e. Panas laten penguapan yang tinggi.
f. Mempunyai viskositas yang rendah.
g. Tegangan permukaan tinggi.
h. Mengalami keterbasahan yang baik pada wick structure dan dinding heat pipe.
Dalam desain heat pipe, nilai tegangan permukaan yang tinggi diinginkan agar heat pipe dapat beroperasi melawan gravitasi dan untuk menghasilkan gaya penggerak kapiler yang tinggi. Selain tegangan permukaan yang tinggi, fluida kerja juga perlu membasahi material berpori dan material wadah, yaitu sudut kontak harus nol atau sangat kecil. Tekanan uap di atas rentang suhu operasi harus cukup besar untuk menghindari kecepatan uap tinggi, yang cenderung menghasilkan gradien suhu yang besar dan menyebabkan ketidakstabilan aliran. Panas laten yang tinggi dari penguapan diinginkan untuk mentransfer panas dalam jumlah besar dengan aliran fluida minimum dan karenanya untuk mempertahankan penurunan tekanan rendah di dalam heat pipe.
Konduktivitas termal fluida kerja sebaiknya tinggi untuk meminimalkan gradien suhu radial dan untuk mengurangi kemungkinan titik didih nukleat pada permukaan wick structure atau wadah. Resistansi terhadap aliran fluida akan diminimalkan dengan memilih fluida dengan nilai viskositas uap dan cairan yang rendah (Zohuri, 2016).
Pada Tabel 1. Terdapat beberapa fluida kerja yang diurutkan berdasarkan titik lebur, titik leleh, panas laten penguapan, rentang temperature kerja. Selain jenis fluida pada Tabel 2.2 nanofluida juga dapat digunakan sebagai fluida kerja. Nanofluida berasal dari nanopartikel yang dijadikan material komponen nanofluida. Beberapa nanofluida yang dapat diaplikasikan pada heat pipe adalah Fe2O3 (H R Goshayeshi et al,, 2015), Fe3O4 (Ameri et al,, 2017), Al2O3, CuO, SiO2 (Yao et al,, 2015) dan MgO (Rabbani et
al,, 2019).
Tabel 2.1 Jenis-jenis fluida kerja pada heat pipe
2.5 Densitas dan Porositas
Semua material di alam yang menempati ruang pasti memiliki densitas.
Densitas adalah kerapatan antar partikel penyusun material. Semakin rapat partikel penyusun, nilai densitas material akan semakin tinggi. Sebaliknya, semakin renggang partikel penyusun, nilai densitas material akan semakin rendah. Kerapatan penyusun partikel akan membentuk suatu pori. Pori atau prositas adalah rasio volume rongga terhadap volume seluruh material (Abotsi et al,, 2018). Porositas dapat dinyatakan dengan angka 0% s/d 100% atau 0 s/d 1.
Karakterisasi porositas diperlukan pada wick structure karena berhubungan dengan pengangkutan fluida kerja. Ukuran pori yang kecil meningkatkan sirkulasi fluida kerja dengan aksi kapiler. Ukuran pori dapat diatur dengan banyak cara, salah satunya metode sintering. Seperti penelitian yang dilakukan oleh kaddour et al, (2018).
Mereka membandingkan perbedaan pori antara bubuk tembaga tanpa sintering dengan bubuk tembaga yang disintered. Hasilnya, wick structure dengan ukuran pori paling kecil adalah dengan metode sintering dibandingkan tanpa sintering.
Fluida Kerja
Titik Lebur (°C)
Titik Didih (°C)
Panas Laten Pengupan (kJ kg -1)
Temperature Kerja (°C)
Helium -271 -269 21 -271 s/d – 269
Nitrogen -210 -196 198 -203 s/d – 160
Amonia -78 -33 1360 -203 s/d -160
Aseton -95 57 518 -60 s/d 100
Methanol -98 64 1093 10 s/d 130
Etanol -112 78 850 0 s/d 130
Air 0 100 2260 30 s/d 200
Merkuri -39 361 298 250 s/d 650
Sesium 29 670 490 450 s/d 900
Potassium 62 774 1938 500 s/d 1000
Sodium 98 895 3913 600 s/d 1200
Silver 960 2212 2350 1800 s/d 2300
2.6 Sudut Kontak
Performa heat pipe yang optimal ditandai dengan kemampuan keterbasahan yang baik pada wick structure. Syarat keterbasahan harus dimiliki oleh wick structure karena berpengaruh terhadap daya kapilaritas untuk mengalirkan fluida kerja. Semakin baik keterbasahan wick structure daya kapilaritas semakin tinggi. Pembasahan yang baik adalah saat permukaan wick structure ditetesi cairan, maka cairan akan menyebar bukan membentuk buliran. Energi permukaan merupakan indikator keterbasahan permukaan. Energi permukaan rendah mengalami keterbasahan kecil sedangkan energi permukaan tinggi membuat keterbasahan semakin maksimal (Goswami et al,, 2021). Metode yang dapat digunakan untuk membuat sampel memiliki energi permukaan tinggi dengan membersihkan permukaan material dengan bahan pembersih, seperti alkohol atau aseton (Khalili dan Sarafbidabad, 2017). Sementara untuk membuat sampel medapatkan energi permukaan rendah dengan memodifikasi permukaannya dengan bahan polimer (Lai et al,, 2019).
Cara untuk mengekspresikan karakteristik pembasahan permukaan wick structure adalah dengan mengetahui sudut kontak (Otitoju et al,, 2017). Sudut kontak adalah sudut yang terbentuk antara permukaan padatan dengan permukaan cairan karena ada gaya adhesi yang bekerja. Pengukuran sudut kontak dapat dilakukan dengan mudah menggunakan alat seperti Gambar 2.8 (Chen et al, 2018).
Gambar 2.8. Rangkaian alat mengukur sudut kontak
Hasil pengukuran sudut kontak dapat menentukan sifat keterbasahan yang dimiliki oleh permukaan material. Beberapa sifat keterbasahan seperti superhidrofilik, hidrofilik, hidrofobik atau superhidrofobik tersaji pada Gambar 2.9 (Samanta et al, 2020). Semakin kecil sudut kontak permukaan wick structure semakin baik keterbasahan yang dialami, akibatnya daya kapilaritas semakin tinggi. Sebaliknya, semakin besar sudut kontak permukaan wick structure maka keterbasahan akan menurun diikuti dengan penurunan daya kapilaritas. Nilai sudut kontak yang baik digunakan pada wick structure dibawah 90°. Artinya permukaan wick structure harus bersifat hidrofilik atau semakin baik jika superhidrofilik
2.7 Kapilaritas
Kapilaritas adalah mekanisme sirkulasi fluida kerja pada heat pipe selama berlangsungnya perpindahan panas. Kapilaritas dapat terjadi karena perbedaan tekanan antara daerah evaporator dan kondensor (Rahman et al,, 2011). Aksi kapilaritas pada wick structure bergantung pada ukuran pori. Ukuran pori yang kecil dapat meningkatkan aksi kapilar, sedangkan ukuran pori yang lebih besar dapat menurunkan aksi kapiler. Namun, pada ukuran pori kecil aliran fluida perlu dibatasi agar cairan tidak kesulitan melewati pori-pori kecil.
Untuk mengetahui kinerja kapilaritas maka akasi kapiler wick structure perlu diukur. Alat ukur yang digunakan untuk mengukur kinerja kapilaritas adalah rangkaian alat yang terdiri dari set statif, beaker gelas, neraca digital dan fluida kerja. Rangkaian alat tersebut dihubungkan dengan sistem computer.
Gambar 2.9. Klasifikasi Sudut Kontak
2.8 X-Ray Diffraction (XRD)
XRD adalah teknik karakterisasi sinar-x yang digunakan untuk mengidentifikasi jenis ikatan, analisis unsur, struktur kristal, dan fasa suatu material.
Identifikasi terjadi dengan memanfaatkan interaksi antara sinar-x dan susunan atom yang terdapat pada kristal. Sinar-x yang datang menuju bidang kristal akan didifraksi oleh susunan atom dan menghasilkan pola interferensi. Dari pola interferensi yang dihasilkan akan didapat informasi identitas fasa (Li et al,, 2018).
2.9 Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-Ray (SEM-ED)
SEM-EDX merupakan gabungan dari dua jenis instrument yaitu SEM dan EDX. Pengujian SEM-EDX bertujuan untuk memperoleh:
a. Topografi: ciri-ciri permukaan dan tekstur suatu material.
b. Morfologi: bentuk dan ukuran dari penyusun material.
c. Kristalografi: susunan dari butir-butir di dalam material.
d. Analisa unsur dan karakteristik kimia suatu material.
SEM-EDX menggunakan sinar elektron untuk mendapatkan informasi dari sampel. Jenis sinyal utama yang terdeteksi adalah backscattered (BSE) dan elektron sekunder (SE), yang menghasilkan gambar skala abu-abu dari sampel pada pembesaran yang sangat tinggi. Namun, ada banyak sinyal lain yang dapat menjadi produk dari interaksi elektron-materi, dan ini dapat memberikan informasi tambahan tentang sampel. Misalnya, elektron backscattered menghasilkan gambar dengan kontras yang membawa informasi tentang perbedaan nomor atom; elektron sekunder memberikan informasi topografi; cathodoluminescence dapat memberikan informasi tentang struktur elektronik dan komposisi kimia bahan; dan elektron yang ditransmisikan dapat menggambarkan struktur dalam sampel dan kristalografi (Thermofisher.Com).
2.10 Fourier Transformed Infrared (FTIR)
Pengujian FTIR bertujuan untuk mengidentifikasi gugus fungsi dan ikatan kimia yang terdapat pada material. Prinsip kerja FTIR adalah menghubungkan energi
inframerah dengan sampel. Spektrum inframerah merupakan karakteristik dari ikatan dalam spesies molekuler, oleh karena itu mereka sering digunakan untuk menyelidiki substansi dan identitas, kualitas, dan perubahannya (Tranter, 2016). Ketika cahaya inframerah melewati sampel, beberapa radiasi diserap oleh sampel dan beberapa ditransmisikan. Setiap senyawa organic memiliki spectrum inframerah tertentu tergantung pada struktur molekulnya. Penyerapan radiasi inframerah menghasilkan getaran-getaran karateristik dalam molekul. Didefinisikan sebagai peregangan dan pembengkokan karena perubahan dipole listrik.
2.11 Resistansi Termal
Resistansi termal atau resistansi termal adalah parameter penting untuk mengevaluasi perpindahan panas suatu heat pipe (Tang et al,, 2020). Resistansi termal menawarkan indikasi resistansi aliran panas dalam suatu sistem. Resistansi termal diperoleh dari perubahan suhu daerah evaporator dan daerah kondensor terhadap kalor input yang diberikan. Untuk mencari suhu yang terditribusi pada daerah evaporator dan daearah kondensor dapat dihitung dari rata-rata suhu yang diperoleh disetiap daerah.
Resistansi termal bergantung pada panas input yang diberikan sumber panas kepada evaporator. Semakin besar panas input yang diberikan maka resistansi termal akan semakin kecil. Semakin kecil resistansi termal maka kinerja perpindahan panas suatu heat pipe akan semakin baik (Goshayeshi et al,, 2016).
2.12 Konduktivitas Termal
Konduktivitas termal adalah kemampuan bahan untuk menghantarkan panas.
konduktivitas termal sebagai kriteria utama yang perlu diperhatikan dalam pemilihan struktur berpori (Singh et al, 2009). Untuk mengetahui keefektifan konduktivitas termal dapat dilakukan dengan percobaan wadah tertutup yang diisi dengan material berpori dan cairan sebagai zat yang bergerak. Beberapa nilai konduktivitas termal material tersaji pada Tabel 2.2 (August et al, 2018).
Tabel 2.2 Konduktivitas termal berbagai bahan Jenis Bahan Densitas
(g/cm3)
Konduktivitas Termal (W/mK)
Aluminium 2,80 236,91
Stainless steel 7,90 15
Tembaga 8,92 400
Nikel 8,91 91
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dan karakterisasi dilakukan pada 17 Februari 2021 – 22 Juni 2021 di Laboratorium Pusat Riset Fisika-Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan.
3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat penelitian
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah neraca digital 4 digit, komputer yang dipasang aplikasi RsWight, gelas beaker, kabel USB, set statif, oven, pipet tetes, termokopel tipe K, project board, arduino ATMEGA 2560, catu daya DC, 3D Optical Microscope seri VHX 5000, Scanning Electron Microscope – Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX) tipe JSM – IT200, Fourier Transformed Infrared (FTIR) menggunakan Thermoscientific Nicolet iS-10 dan X-Ray Diffraction (XRD) menggunakan Rigaku Smartlab X- ray diffractometer.
3.2.2 Bahan penelitian
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah metal foam, heat pipe silinder berbahan tembaga (panjang 150 mm, tebal 2,08 mm, dan diameter luar 12,67 mm), ferrofluida, cairan aseton (CH3COCH3), cairan superhidrofobik, kawat nichrom (Ni-Cr), glass wol, kertas amplas ukuran 150, 320, 500, dan 1000.
3.3 Prosedur Penelitian 3.3.1 Preparasi bahan
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian adalah metal foam
sebagai bahan uji, bahan pembersihan dan bahan lapisan. Metal foam yang digunakan adalah jenis metal foam komersial yang diproduksi oleh Recemat BV, Netherland, bahan pembersihan adalah cairan aseton dan bahan lapisan yang digunakan adalah cairan superhidrofobik berasal dari super nano hydrophobic liquid repellent. Sebelum dilakukan pengujian identitas, Metal foam dipotong dengan dimensi (32,7 x 8,2 x 7,3) mm. Selanjutnya metal foam dihaluskan dengan kertas amplas. Kemudian metal foam direndam dengan cairan aseton selama 10 menit, lalu dikeringkan dengan oven pada suhu 110°C selama 60 menit. Setelah metal foam kering, sampel dikeluarkan dari oven dan dikeringkan pada suhu ruangan selama 15 menit.
3.3.2 Identifikasi metal foam
Metal foam komersial yang digunakan dalam percobaan belum memiliki spesifikasi material, seperti komposisi, jumlah pori, kepadatan, dan persentase rongga. Terlebih dahulu dilakukan identifikasi terhadap metal foam sebelum dilakukan treatment. Identifikasi fasa metal foam diuji dengan XRD smartlab rigaku dengan tegangan dan arus listrik masing-masing 40 kV dan 30 mA. Puncak-puncak yang muncul dianalisis kembali menggunakan aplikasi match dan vesta untuk mendapat fasa dan struktur kristal metal foam.
Selanjutnya, permukaan metal foam direkam dengan alat 3D OM lalu dianalisis dengan aplikasi ImageJ untuk mendapatkan jumlah pori. Jumlah pori metal foam dinyatakan dalam satuan PPI (Pori Per Inci). Jumlah pori dengan aplikasi imageJ dihitung secara inci linear bukan inci persegi.
Identifikasi kepadatan dan persentase rongga dengan pengujian densitas bulk (𝜌𝑠) dan porositas (𝜀). Pengujian dilakukan dengan prinsip Archimedes menggunakan neraca digital 4 digit. Pengujian densitas bulk dengan menimbang massa metal foam dalam keadaan kering di udara (mk) dan massa metal foam terendam di aquades (ma). Untuk menghitung densitas bulk metal foam menggunakan persamaan 1, yaitu:
ρs = mk
mk−ma x ρaquades (1)
Keterangan :
𝜌𝑠 = Densitas Metal foam (g/cm3)
𝑚𝑘 = massa Metal foam kering di udara (g)
𝑚𝑎 = massa Metal foam jenuh digantung di dalam aquades (g) 𝜌𝑎𝑞𝑢𝑎𝑑𝑒𝑠 = Densitas aquades (g/cm3)
Adapun prosedur pengujian porositas dilakukan dengan menimbang massa metal foam dalam keadaang kering, sebagai mk. Kemudian metal foam direndam di dalam aquades, lalu permukaannya dilap dengan kain katun untuk menimbang massa jenuh setelah perendaman yang konstan, sebagai mu. Pengukuran terakhir menimbang massa metal foam yang terendam dalam aquades, sebagi ma. Cara menghitung porositas metal foam dari data yang diperoleh menggunakan persamaan 2 sebagai berikut:
ε =mu−mk
mu−ma x 100% (2)
Keterangan :
𝜀 = Porositas metal foam (%)
𝑚𝑘 = massa metal foam kering di udara (g)
𝑚𝑢 = massa metal foam jenuh setelah perendaman (g)
𝑚𝑎 = massa metal foam jenuh digantung di dalam aquades (g)
3.3.3 Pembersihan metal foam dengan aseton
Metal foam yang sudah dipreparasi dilakukan perendaman kembali dengan cairan aseton selama 30 menit, kemudian dikeringkan pada suhu ruang selama 30 menit sebelum dikarakterisasi.
3.3.4 Pelapisan metal foam dengan cairan superhidrofobik
Pelapisan metal foam dengan cairan superhidrofobik dilakukan untuk membandingkan karakteristik metal foam yang dibersihkan dengan aseton.
Pelapisan superhidrofobik dilakukan dengan metode semprot. Penyemprotan
dilakukan pada jarak 300 mm antara semprotan dan metal foam. Metal foam dibiarkan kering selama 20 menit. Karakterisasi dapat dilakukan setelah 20 menit penyemprotan.
3.3.5 Karakterisasi material metal foam
Metal foam setelah ditreatment dilakukan beberapa karakterisasi untuk mengetahui kondisi materialnya, yaitu sebagai berikut:
a. Uji sudut kontak. Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui kondisi keterbasahan dari sampel yang ditreatment. Alat yang digunakan dalam karakterisasi sudut kontak adalah Three-Dimension Optical Microscope (3-D OM) seri VHX 5000. Metal foam yang diinginkan sebagai wick structure harus bersifat hidrofilik (0° < θ < 90°) atau superhidrofilik (0°) dengan keterbasahan sempurna. Semakin kecil sudut kontak, maka akan semakin baik digunakan sebagai wick structure. Proses pengujian sudut kontak adalah sebagai berikut:
1) Pastikan alat uji sudah terangkai dengan benar.
2) Letakkan sampel di meja sampel.
3) Teteskan air pada permukaan sampel dengan menggunakan pipet tetes.
4) Tangkap gambar tetesan yang direkam.
5) Analisis gambar untuk menentukan sudut kontak antara cairan dengan permukaan sampel (Midiani et al,, 2020)
b. Uji kapilaritas. Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui kinerja kenaikan fluida kerja dari bagian kondensor ke bagian evaporator pada heat pipe. Proses pengujian kapilaritas adalah sebagai berikut:
1) Pastikan alat uji sudah terangkai dengan benar.
2) Timbang massa kering sampel.
3) Isi gelas kimia dengan aquades 80 ml.
4) Letakkan gelas kimia di atas timbangan digital.
5) Menyeimbangkan neraca digital ke titik 0.
6) Biarkan perangkat lunak mulai menerima data.
7) Menggantung material berpori sampai ujung nya menyentuh permukaan cairan.
8) Memproses data yang direkam oleh komputer.
9) Proses siap ketika sampel mencapai kejenuhan (Li et al,, 2010) Rangkaian pengujian kapilaritas ditampilkan pada Gambar 3.1.
Untuk mengukur tekanan kapiler metal foam sebagai wick structure dapat dihitung dengan persamaan 1:
𝑃𝑐 =2𝛾𝑐𝑜𝑠 𝜃
𝑟 (3)
c. Uji SEM-EDX. Karakterisasi dilakukan untuk memperoleh gambaran permukaan atau fitur dari metal foam ya Alat yang digunakan tipe JSM IT200 dengan akselerasi 10-15 kV.
d. Uji FTIR. Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui gugus fungsi yang terkandung pada metal foam. Alat FTIR yang digunakan tipe Nicolet iS-10.
3.3.6 Pengujian heat pipe
Pengujian heat pipe adalah tahap akhir untuk membuktikan kinerja Metal foam sebagai wick structure. Metal foam yang diujikan pada heat pipe jika memiliki karakteristik superhidrofilik atau hidrofilik. Pengujian yang
Gambar 3.1 Rangkaian alat menguji aksi kapilaritas 7. Set Statif 5. Kabel USB 4. Komputer 3. Fluida
2. Gelas Beaker 1. Metal foam
6. Neraca
dilakukan berupa distribusi temperature, resistansi termal, dan konduktivitas termal. Ferrofluida yang dipersiapkan digunakan sebagai fluida kerja dengan rasio pengisian 20% dari total volume heat pipe. Berikut adalah proses pengujian kinerja heat pipe:
a. Wadah heat pipe dipanaskan agar tidak ada udara yang terperangkap.
b. Metal foam dengan karakteristik hidrofilik terbaik dimasukkan kedalam wadah (Gambar 3.2) dan permukaan heat pipe silinder dipasang termokopel.
c. Daerah evaporator dipasang dua termokopel, adiabatik dipasang satu termokopel, dan kondensor dipasang tiga termokopel. Jarak antar termokopel berkisar 2 cm.
d. Kemudian kawat nichrom dililitkan pada bagian evaporator yang berfungsi sebagai penyalur panas dan sepanjang heat pipe silinder dibalut glass wol agar panas terisolasi.
e. Heat pipe diletakkan pada statif dalam arah horizontal. Heat pipe siap untuk diuji. Rangkaian pengujian heat pipe ditampilkan pada Gambar 3.3. Untuk variasi kalor input yang digunakan 3 W dan 5 W. Kalor input berasal dari catu daya DC dengan mengatur tegangan masukan dan arus masukan. Ketika data perubahan suhu diterima dan proses berhenti
Gambar 3.2. Heat pipe silinder dan metal foam
Metal foam
Heat pipe
setelah suhu jenuh. Parameter yang dianalisis adalah distribusi temperature sepanjang heat pipe, resistansi termal dan konduktivitas termal.
Resistansi termal dapat diperoleh dengan persamaan 4 (Goshayeshi et al, 2016):
𝐑 =𝐓𝐞−𝐓𝐜
𝐐𝐢𝐧 = 𝐓𝐞−𝐓𝐜
𝐕𝐈 (4)
Keterangan :
R = Resistansi termal (°C/W)
Te = Suhu rata-rata daerah evaporator (°C) Tc = Suhu rata-rata daerah kondensor (°C) 𝑸𝒊𝒏 = Panas input (W)
Sementara untuk menentukan nilai konduktivitas termal heat pipe dan konduktivitas termal efektif material menggunakan persamaan 5 dan 6:
K = L
R.A (5)
Keterangan :
K = Konduktivitas termal (W/m°C) L = Panjang heat pipe (m)
Gambar 3.3 Rangkaian pengujian kinerja heat pipe Daerah kondensor
Daerah adiabatik Daerah
evaporator
T1 T2 T3 T4 T5 T6
1. Heat pipe
3. Project Board 4. Komputer 2. Termokopel
5. Arduino ATMEGA 2560 6. Set Statif 7. Catu Daya DC
A = Luas penampang heat pipe (m2)
𝑘𝑒𝑓𝑓 = (1 −)𝑘𝑠+𝑘𝑓 (6)
Keterangan :
𝑘𝑒𝑓𝑓 = Konduktivitas termal efektif material (W/m°C) 𝑘𝑠 = Konduktivitas termal material (W/m°C)
𝑘𝑓 = Konduktivitas termal fluid (W/m°C)
= Porositas material
3.4 Diagram Alir
Mulai
Pemotongan metal foam dengan dimensi 32,7 x 8,2 x 7,3 mm
Menghaluskan permukaan dengan amplas
Merendam metal foam dengan aseton selama 10 menit. Dikeringkan dengan oven pada suhu 110°C selama 60 menit. Lalu dibiarkan pada suhu
ruangan selama 15 menit
Identifikasi informasi metal foam: XRD, jumlah
pori, densitas, dan porositas
Karakterisasi Sudut kontak dan kapilaritas Treatment metal foam:
pelapisan dengan superhidrofobik dan pembersihan dengan
aseton
Treatment metal foam:
pelapisan dengan superhidrofobik dan pembersihan dengan
aseton
Mendapatkan sampel dengan
karakteristik hidrofilik Karakterisasi SEM-
EDX, FTIR
Analisis data
Ya
Tidak B1
B2
B3
Pengujian kinerja heat pipe silinder
Kesimpulan Analisis data B1
B2
B3
Selesai
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Identitas Metal Foam
4.1.1. Karakterisasi x-ray diffraction (XRD)
Hasil XRD sampel metal foam disajikan pada Gambar 4.1, dengan menggunakan radiasi CuKα =1,540598 pada percobaan. Puncak yang dihasilkan menunjukkan bahwa fasa utama metal foam adalah Stainless steel austenitik (SS 304). Hasil dengan puncak yang sama menyimpulkan bahwa material tergolong SS 304 seperti diperoleh dari penelitian sebelumnya, yaitu Li et al (2018) dan Guo et al (2016). Bahan metal foam terdiri dari nikel (Ni), krom (Cr), dan besi (Fe) sebagai unsur utama SS 304. Struktur kristal dianalisis dengan software Vesta dan diperoleh struktur kristal kubik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.2. Parameter kisi yang dihasilkan adalah a=b=c dengan sudut α=β=γ=90°. Parameter kisi Nikel, Kromium dan Besi masing- masing adalah 3,5870 Å, 2,8839 Å dan 2,8860 Å. Tabel 1 menunjukkan nilai intensitas dan full width at half maximum (FWHM) untuk setiap unsur utama.
Berdasarkan analisis juga, indeks miller disajikan sebagai berikut 43,60° (111), 44,53° (011), 74,57° (022), 50,77° (002) 81,80° (112), dan 64,86° (002).
Tabel 4.1 Intensitas dan FWHM dari pola difraksi
Fase 2θ (°) Intensitas (cps) FWHM Nikel
43,60 88 0,4092
50,77 30 0,6346
74,57 31 0,7594
Kromium, Besi
44,53 59 0,3400
64,86 8 1,0429
81,80 12 0,9956
4.1.2. Analisis three-dimensional optical microscope (3-D OM)
Gambaran struktur permukan metal foam diambil menggunakan 3-D OM (Gambar 4.3 a). Analisis dilanjutkan menggunakan software image J untuk mengukur jumlah pori dan nilai rata-rata diameter pori metal foam. Diperoleh jumlah pori setiap satuan inci sebesar 30 pores per inch (PPI) dan ukuran rata- rata diameter pori adalah 443µm. Distribusi ukuran pori disajikan pada (Gambar 4.3 b). Ukuran pori metal foam yang digunakan sebagai wick structure mempengaruhi kinerja heat pipe secara keseluruhan. Pergerakan kapilaritas fluida dari daerah kondensor ke daerah evaporator mengalami peningkatan karena ukuran pori berkurang. Menyebabkan penigkatan sirkulasi
Gambar 4.2 Struktur Kristal Cr, Ni, Fe
Cr Cr Cr Cr
Cr Cr
Cr Cr
Cr
Gambar 4.1 Analisis XRD Metal Foam
cairan dan waktu penguapan. Faktor lain yang mempengaruhi pergerakan kapiler fluida di dalam heat pipe adalah keterbasahan permukaan (Shirazy et al, 2013 dan Tetuko et al, 2013).
4.1.3. Analisis densitas dan porositas
Berdasarkan analisis yang dilakukan, densitas dan porositas stainless steel foam adalah 5,02 g/ cm3 dan 37,5%. Kepadatan metal foam dipengaruhi oleh jenis bahan, ketebalan ligamen, ukuran dan jumlah pori (PPI). Di sisi lain, ukuran pori metal foam mempengaruhi pergerakan kapiler fluida. Tabel 4.2 menyajikan perbandingan porositas dan ukuran pori antara stainless steel foam dengan metal foam lain yang dianalisis oleh peneliti sebelumnya.
Tabel 4.2 Porositas dan ukuran pori metal foam
4.2. Analisis Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-Ray (SEM- EDX)
Morfologi metal foam (pembersihan aseton dan pelapisan superhidrofobik) dianalisis menggunakan SEM dan disajikan pada Gambar 4.4 dan 4.5. Berdasarkan
Material Porositas (%) Pori per inci (PPI) Stainless steel (Penelitian saat ini) 37,5 30
Stainless steel (Wang dan Guo, 2016) 90 10, 30, dan 70
Tembaga (Shen et al, 2021) 90 15
Aluminium (Dukhan et al, 2019) 88,5 10 dan 40
Gambar 4.3 (a). Morfologi metal foam (b). Distribusi ukuran pori metal foam
a b
gambar, terdapat material tambahan yang menempel pada permukaan metal foam akibat lapisan superhidrofobik dibandingkan dengan metal foam dengan pembersihan aseton. Temuan saat ini memiliki kesesuaian yang baik dengan analisis yang dilakukan Shi et al (2020), yang mana permukaan superhidrofilik dan superhidrofobik diperoleh dengan metode oksidasi dan modifikasi kimia.
Analisis EDX yang disajikan pada Gambar 4.6 dan Tabel 4.3 menunjukkan bahwa bahan utama metal foam adalah Cr, Fe, Ni dan O, dengan demikian stainless steel dapat dikonfirmasi sebagai bahan metal foam. Berdasarkan karakterisasi juga, pembersihan aseton tidak mempengaruhi zat pada metal foam. Hal berbeda dengan hasil metal foam yang telah dilapisi lapisan superhidrofobik. Tertera hasil pada Gambar 4.7 dan Tabel 4.4, bahwa diperoleh beberapa zat seperti Fluor (F), silikon (Si) dan karbon (C). Lapisan nanopartikel hasil semprotan superhidrofobik menutupi
Gambar 4.5 SEM metal foam (lapisan superhidrofobik) Gambar 4.4 SEM metal foam (pembersihan aseton)
permukaan metal foam dan dapat membuat permukaan menjadi kasar dibandingkan dengan sampel metal foam pembersihan aseton. Hasil serupa juga dikemukakan oleh Goswami et al (2021), Safanov et al (2018) dan Khalili dan Sarafbidabad (2017) di mana bahan energi permukaan rendah (fluopolimer) digunakan dalam penelitian mereka
Tabel 4.3 Analisis EDX metal foam (pembersihan aseton)
Tabel 4.4 Analisis EDX metal foam (lapisan superhidrofobik) Unsur Berat (%) Atomik (%)
C O
41,27 11,67
62,54 13,27
F 9,90 9,49
Si 8,60 5,57
Cr 1,81 0,63
Fe 12,65 4,12
Ni 14,11 4,37
Unsur Berat (%) Atomik (%)
O 1,82 6,04
Cr 33,99 34,71
Fe 25,78 24,51
Ni 38,41 34,74
Gambar 4.6 EDX metal foam (pembersihan aseton)
4.3. Analisis FTIR
Karakterisasi FTIR pada kedua sampel metal foam dengan pembersihan aseton dan pelapisan superhidrofobik diukur pada rentang bilangan gelombang 4000 – 400 cm-1. Pada metal foam dengan pembersihan aseton (Gambar 4.8), spektrum FTIR terdeteksi dan menunjukkan vibrasi regangan pada 3441,70 (O-H), 1629,91 (C=O), 1017,5 (C-O-C), 648,32, dan 463,66 cm-1 (M-O). Pita serapan yang timbul pada panjang gelombang kurang dari 1000 cm-1 dapat digolongkan sebagai oksida logam (M-O). Intensitas yang dihasilkan bilangan gelombang berturut-turut adalah 85,3%, 94,7%, 99,9%, dan 12,5%. Di sisi lain, vibrasi regangan yang sama juga terjadi pada metal foam berlapis superhidrofobik (Mozammel et al, 2018; 48, Ma et al, 2018;
Chang dan Hsiao, 2017).
Gambar 4.7 EDX metal foam (lapisan superhidrofobik)
Gambar 4.9 FTIR metal foam (lapisan superhidrofobik) Gambar 4.8 FTIR metal foam (pembersihan aseton)
4.4. Sudut Kontak
Sudut kontak metal foam pada dua perlakuan pembersihan aseton dan pelapisan superhidrofobik yang berbeda disajikan pada Tabel 4.5, Gambar 4.10 dan 4.11.
Gambar yang diambil menggunakan 3D optical microscope menunjukkan bahwa metal foam yang dibersihkan aseton memiliki karakteristik superhidrofilik sejak hari pertama sampai hari ke 10. Perbedaan sudut kontak superhidrofilik dan superhidrofobik diukur dari sudut kontak air pada permukaan padat (Sakai et al¸2006;
Kulinich dan Farzaneh, 2004). Indikator keterbasahan permukaan padat diperoleh dari kekasaran dan energi permukaan. Sifat hidrofilik ditentukan dari kekasaran permukaan yang lebih rendah dan energi permukaan yang lebih tinggi daripada sifat hidrofobik (Song et al, 2006; Ramos et al, 2003). Sudut kontak pada metal foam yang dibersihkan dengan aseton tidak dapat diukur karena cairannya benar-benar tersebar di seluruh permukaan. Permukaan mengalami perubahan keterbasahan pada hari ke-15 dengan nilai sudut kontak 107°. Hal ini terjadi karena perubahan komposisi kimia permukaan yang dipengaruhi oleh kondisi lingkungan, pencemaran senyawa organik dan oksidasi (Shirazy et al, 2012).
Gambar 4.10 Sudut kontak permukaan metal foam (pembersihan aseton) (a) hari-1 (b) hari-2 (c) hari-5 (d) hari-10 (e) hari-15
a b c
d e
107°
Tetesan cairan
Tetesan cairan
Tetesan cairan Tetesan cairan
Di sisi lain, metal foam dengan lapisan superhidrofobik menunjukkan nilai sudut kontak yang tinggi dalam kisaran 132-150 ° sejak hari 1 hingga 15, hal ini disebabkan oleh kekasaran permukaan yang tinggi dari lapisan pelapis (Wu et al, 2006). Ketiga treatment memiliki karakteristik hidrofobik sejak awal, hal ini disebabkan kekasaran permukaan yang tinggi dari lapisan pelapis (Ghaffari et al, 2019).
Tabel 4.5 Analisis sudut kontak metal foam
Karakteristik hidrofilik dari wick structure dengan sudut kontak rendah diperlukan untuk dimanfaatkan di dalam heat pipe (Shirazy et al, 2013 dan Tetuko et al, 2013). Pada permukaan superhidrofilik, gaya adhesi permukaan lebih tinggi daripada gaya kohesi molekul cairan (Adamson, 1990; Rossi et al, 2017). Fenomena ini dapat meningkatkan pergerakan kapiler fluida dari bagian kondensor heat pipe ke bagian evaporator dan dapat meningkatkan kinerja heat pipe (Lai et al, 2019). Perilaku
Perlakuan Sudut Kontak (°)
H-1 H-2 H-5 H-10 H-15
Metal foam pembersihan
aseton - - - - 107
Metal foam Lapisan
superhidrofobik 132 146 149 150 150
Gambar 4.11 Sudut kontak permukaan metal foam (lapisan superhidrofobik) (a) hari-1 (b) hari-2 (c) hari-5 (d) hari-10 (e) hari-15
a b c
d e
