6 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Proses Perpindahan Panas
Perbedaan suhu di antara dua daerah merupakan penyebab terjadinya proses perpindahan panas [12]. Perpindahan panas terjadi dari daerah yang memiliki temperatur yang lebih tinggi menuju daerah yang bertemperatur lebih rendah.
Terdapat tiga mekanisme proses perpindahan panas yang terjadi yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Tetapi pada penelitian ini penulis akan berfokus pada perpindahan panas konveksi.
a. Konduksi
Proses perpindahan panas konduksi diartikan perambatan panas tanpa diikuti perpindahan dari bagian zat perantaranya. Persamaan yang digunakan pada perpindahan panas konduksi disebut juga Hukum Fourier [13] yang dinyatakan seperti berikut :
(2.1)
Di mana:
= Laju perpindahan panas konduksi (W) k = Konduktivitas termal (W/m.K)
A = Luas permukaan (m²)
∆x = Tebal penampang permukaan (m) T0 = Temperatur awal (K)
T1 = Temperatur akhir (K)
Tanda minus yang digunakan bermakna penurunan karena perpindahan panas terjadi dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Pada simbol k nilainya bergantung pada properti materialnya yang mana setiap material memiliki kemampuan konduktivitas termal masing-masing. Gambar 2.1 di bawah merupakan tingkat konduktivitas termal material berdasarkan kenaikan suhunya.
7
Gambar 2.1 Konduktivitas Thermal Terhadap Kenaikan Temperatur [13]
b. Konveksi
Perpindahan panas konveksi terjadi antara dua buah benda kerja yang salah satu diantaranya merupakan fluida yang mengalami perpindahan massa [12].
Pergerakan molekul pada suatu zat yang menyebabkan adanya perpindahan panas konveksi. Konveksi terbagi menjadi dua jenis aliran yaitu aliran eksternal yang diartikan tanpa adanya batas jalur yang dilalui fluida dan aliran internal yang mana jalur fluida sudah diatur untuk dilewati. Berdasarkan jenisnya konveksi juga dibagi menjadi dua yaitu konveksi alami dan konveksi paksa. Konveksi alami terjadi karena perbedaan densitas fluida yang mengakibatkan fluida naik ke atas permukaan perbedaan densitas ini salah satu penyebabnya karena adanya perbedaan temperatur [13]. Konveksi paksa didefinisikan gerak fluida yang terjadi karena adanya gaya dari luar yang memaksa fluida untuk bergerak misalnya pompa. Laju perpindahan panas konveksi dituliskan seperti :
8
(2.2)
Di mana :
q = Laju perpindahan panas konveksi (W)
h = Koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m².K) A = Luas area permukaan (m²)
Ts = Temperatur permukaan (K)
T∞ = Temperatur lingkungan/ambient (K)
Sedangkan nilai koefisien perpindahan kalor konveksi berpengaruh berdasarkan fluida yang digunakan berbeda dengan konduksi yang menggunakan properti dari materialnya. Tabel 2.1 di bawah merupakan tabel nilai koefisien perpindahan panas konveksi.
Tabel 2.1 Nilai Koefisien Konveksi Perpindahan Panas [13]
Nilai Koefisien Konveksi Perpindahan Panas
Proses h (W/m2.K)
Free Convection Gases Liquids
2 – 25 50 – 1000 Forced Convection
Gases Liquids
25 – 250 100 – 20,000 Konveksi dengan perubahan fase
Boiling or Condensation 2500 – 100,000
2.2 Waterblock dengan Jenis Minichannel dan Microchannel
Waterblock merupakan salah satu alat penukar panas yang biasanya dipakai untuk mendinginkan pada perangkat elektronik. Jenis saluran minichannel akan dialiri fluida yang akan bersentuhan langsung dengan dinding saluran sebagai media perpindahan panas hingga akhir saluran. Perpindahan panas dengan ukuran
9
mikro paling efisien terjadi pada tubuh manusia yaitu, pada paru-paru dan ginjal yang memiliki diameter sekitar 4μm yang mana nilai bilangan Reynoldsnya juga sangat kecil. Dalam buku Heat Transfer and Fluid Flow in Minichannel and Microchannel membuat klasifikasi untuk ukuran diameter yang dapat kita lihat pada Tabel 2.2 [14].
Tabel 2.2 Klasifikasi Channels [14]
Klasifikasi Diameter Channel Konvensional Channel > 3 mm
Minichannels 3 m ≥ D > 200 μm
Microchannels 200 μm ≥ D > 1 μm
Transitional Microchannels 10 μm ≥ D > 1 μm Transitional Nanochannel 1 μm ≥ D > 0.1 μm
Nanochannels 0.1 μm ≥ D
Saat ini minichannel banyak digunakan untuk meningkatkan pengaturan panas pada alat elektronik. Pendingin minichannel satu fasa banyak digunakan secara umum untuk pendingin alat elektronik karena kemampuannya untuk menghasilkan peningkatan perpindahan panas konveksi yang sangat tinggi yang mana menggunakan berbagai macam fludia sebagai media pendinginnya.
Para peniliti terdahulu sudah mengembangkan minichannel satu fasa dengan membuat jalur SRMs berluaskan 1 cm² [6]. Terdapat juga yang peneliti yang melakukan pengujian untuk perpindahan panas konveksi paksa dan pressure drop secara eksperimental untuk aliran air pada SRMs dengan diameter hidraulik antara 0.133 mm dan 0.367 mm dengan kecepatan air 0.2 sampai 12 m/s [15]. Peneliti ini mencoba membuat korelasi perpindahan panas secara empiris untuk aliran laminar dan turbulen yang mengindikasikan konfigurasi geometri dari microchannel heat sink, diameter hidraulik, dan ratio jarak tengah antara jalur microchannel. Nilai nusselt number (Nu) dan fluks panas memiliki nilai yang lebih tinggi pada bagian sekitar aliran masuk karena batas termal yang tipis, nilai yang bervariasi pada
10
keliling jalur channel, dan mendekati nol pada pojok channel karena aliran yang lemah [16].
Penelitian lain juga melakukan investigasi eksperimental dan numerik pada performa termal dan hidraulik aliran air dalam double (DPSMs) and triple path multi-serpentine rectangular microchannel (TPSMs) berdasarkan penelitian sebelumnya untuk membandingkan performa dari dua desain tersebut dengan pendingin konvensional SRM dan SPSM dalam ∆P, Rth, dan Nu [7].
2.3 Reynolds Number
Bilangan Reynolds adalah besaran tak berdimensi penting dalam mekanika fluida. Bilangan Reynolds (Re) membantu memprediksi pola aliran dalam aliran fluida yang berbeda. Pada bilangan Reynolds rendah, aliran cenderung didominasi oleh aliran laminar, sedangkan pada bilangan Reynold tinggi aliran cenderung bergejolak/turbulence [17]. Turbulensi dihasilkan dari perbedaan kecepatan dan arah fluida, yang terkadang berpotongan atau bahkan bergerak berlawanan dengan arah keseluruhan aliran. Aliran ini mulai mengaduk aliran, menggunakan energi fluida dalam prosesnya untuk meningkatkan kemungkinan terjadinya kavitasi.
Bilangan Reynolds merupakan rasio gaya inersia terhadap kekuatan viskositas, bilangan Reynolds memiliki aplikasi yang luas, mulai dari aliran fluida dalam pipa hingga aliran udara melalui sayap pesawat terbang. Berdasarkan rekomendasi API 13D, diasumsikan bahwa bilangan Reynolds pada aliran internal kurang dari atau sama dengan 2100 menunjukkan aliran laminar, untuk jenis aliran transient bernilai diantara 2100 hingga 4000 dan bilangan Reynolds lebih besar dari 4000 menunjukkan aliran turbulen [18]. Prediksi terjadinya turbulensi dan kemampuan untuk menghitung efek penskalaan dapat digunakan untuk membantu memprediksi perilaku fluida pada skala yang lebih besar, seperti dalam pergerakan udara atau air lokal atau global dan dengan demikian terkait efek meteorologi dan klimatologi.
Konsep ini diperkenalkan oleh George Stokes pada tahun 1851, tetapi bilangan Reynolds dinamai oleh Arnold Sommerfeld pada tahun 1908 setelah
11
Osborne Reynolds (1842–1912), yang mempopulerkan penggunaannya pada tahun 1883 [19].
(2.3)
Di mana :
ρ = densitas fluida (kg/m3) v = kecepatan aliran (m/s) dh = panjang (m)
μ = viskositas dinamis (kg/(m.s) / Pa.s / N.s/m)
Untuk aliran eksternal bilangan reynolds pada aliran turbulen > 5 x 105 dan untuk aliran laminar < 5 x 105 sedangkan transient sama dengan 5 x 105 dalam menentukan jenis aliran pada aliran external hal ini berdasarkan lokasi yang ditinjau dalam menentukan jarak pada aliran tersebut.
2.4 Nanofluida
Nanofluida merupakan perpaduan nanopartikel dengan ukuran 1-100 nm yang dilarutkan dengan fluida kerja [20]. Peningkatan efisiensi dalam sistem termal memiliki banyak keuntungan, misalnya pengurangan dampak lingkungan, konsumsi energi yang lebih rendah dan biaya yang lebih rendah. Dalam beberapa tahun terakhir, nanofluida telah dievaluasi secara ekonomis dan lingkungan berdasarkan metodologi keberlanjutan untuk menentukan manfaatnya dalam sistem termal.
Pembuatan nanofluida bisa mengguankan banyak bahan fluida dasar diantaranya adalah air, ethylene glycol, dan mineral oil para peneliti menggunakan ultrasonic pada proses pembuatan yang dilakukan selama 12 jam [20]. Pada penelitian ini peneliti menggunakan air akuades sebagai fluida dasarnya karena kemudahan dan kemurahan untuk mendapatkannya.
12
Pada penelitian ini penulis menggunakan nanofluida CuO. Pada penelitian terdahulu nanofluida tembaga oksida (CuO) dibuat dengan metode dua langkah.
Pertama, disiapkan nanopartikel CuO. Nanopartikel CuO yang digunakan peneliti terdahulu diproduksi oleh Nanophase Technologies Corp. dengan komposisi serbuk non-metal yang diproduksi menggunakan uap fisik metode sintesis. Serbuk CuO kemudian didispersikan ke dalam etilen glikol cairan dasar. Ukuran partikel rata-rata bubuk CuO adalah 29 nm saat diterima. Luas permukaan spesifik CuO nanopartikel adalah 32 m2/g [10]. Setelah dicampurkan dalam fluida basa etilen glikol, CuO nanopartikel padat tersebar dengan agitasi gaya magnet; suspensi kemudian dihomogenisasi secara intensif ultrasonik. Nanofluida stabil berhasil disiapkan tanpa menambahkan surfaktan. Fraksi volume CuO nanopartikel tersuspensi dalam cairan etilen glikol berada di bawah 5%.
Untuk mendapatkan nilai volume konsentrasi, peneliti melakukan dengan cara perhitungan manual dengan perumusan :
Volume konsentrasi =
(2.4)
Volume nanopartikel awal =
(2.5) Volume nanopartikel =
(2.6)
Di mana pada persamaan 2.4, 2.5, 2.6 dapat kita tentukan massa nanopartikel awal adalah massa nanopartikel dengan konsentrasi yang diinginkan. Massa endapan didapat dari massa botol dengan sisa endapan yang ada dikurang dengan massa botol. Untuk volume endapan didapat dari volume awal dikurang volume nanofluida. Volume nanofluida didapat dari volume awal dikurang volume endapan ekuivalen.
Dalam penelitian ini pencampuran yang terjadi antara akuades dengan nanopartikel diperlukan perhitungan menggunakan persamaan 2.7 dan 2.8 untuk
13
mencari properti massa jenis dan viskositas nanofluida berdasarkan konsentrasi yang digunakan dengan menggunakan formulasi [21] untuk massa jenisnya :
(2.7)
Di mana :
ρnf = densitas nanofluida ρp = densitas nanopartikel
φ = volume konsentrasi nanopartikel ρbf = densitas fluida dasar
Untuk mencari nilai viskositas nanofluida berdasarkan konsentrasi yang digunakan menggunakan formulasi [22] :
(2.8)
Di mana :
μnf = viskositas nanofluida μf = viskositas fluida dasar
ø = volume fraksi dari partikel yang tersuspensi
Tabel 2.3 merupakan properties yang saya gunakan untuk mencari nilai densitas nanofluida, viskositas nanofluida, dan volume konsentrasi yang dibutuhkan yang menggunakan perumusan di atas.
Tabel 2.3 Properties Fisik Fluida Basis Air dan Nanopartikel CuO [23]
Properties Fisik Fluida Dasar (Air) CuO
Cp (J.kg-1.K-1) 4179 540
ρ (kg.m-3) 997,1 6500
K (W.m-1.K-1) 0,613 18
dρ (nm) 0,384 29
α x 10-7 (m2.s-1) 1,47 51,28
β x 10-5 (K-1) 21 0,85
14 2.5 Penelitian Terdahulu
Berikut adalah beberapa penelitian terdahulu yang menjadi referensi tugas akhir ini sebagai berikut yang dapat kita lihat pada Tabel 2.4 :
Tabel 2.4 Tabel Penelitian Terdahulu
No. Nama Peneliti Judul Penelitian Hasil 1 R.B. Ganvir et.
al. (2016)
Heat transfer
characteristics in nanofluid
Penurunan temperatur terbesar pada nanofluida alumina yaitu dari 49,4 hingga 43,9°C untuk 1%
konsentrasi volumetrik dan laju aliran 1,0 l per menit.
Selain itu, kondisi seperti bahan dan ukuran partikel nano, partikel yang sesuai kisaran konsentrasi untuk menjaga stabilitas dapat dicapai koefisien
perpindahan panas yang lebih tinggi
2 Idawati Supu dkk. (2016)
Pengaruh suhu terhadap perpindahan panas pada material yang berbeda
Pada percobaan dengan menggunakan gelas berbahan kaca, rata-rata penurunan suhu yang cepat yaitu sebesar 8o, yaitu pada suhu awal sebesar 68oC terukur selama 5 menit berkurang menjadi 60oC.Benda dengan konduktivitas tinggi memiliki laju penurunan suhu yang lambat daripada benda dengan bahan konduktivitas
15
rendah pada suhu yang tinggi, akan tetapi ketika benda mendekati suhu ruangan, kelajuan benda tidak berbeda signifikan untuk masing-masing bahan.
3 Al Neama et.
al. (2017)
An experimental and numerical investigation of the use of liquid flow
in serpentine
microchannels for microelectronics cooling
Percobaan secara
eksperimental dan numerik menunjukkan bahwa Nu rata- rata meningkat secara monoton dengan laju aliran, karena penurunan ketebalan lapisan batas termal, dan desain SPSM menyediakan perpindahan panas yang paling efektif, diikuti oleh DPSM dan TPSM dengan heat sink SRM yang memiliki perpindahan panas paling buruk. Prediksi numerik Nu rata-rata sangat sesuai dengan pengukuran eksperimental dengan perbedaan rata-rata sekitar 6% untuk sistem aliran laminar dan turbulen.
4 Wayan Nata Septiadi dkk.
(2018)
Sistem pendingin CPU berbasis heat pipe
Sistem pendingin CPU Cascade Double Kondensor
mampu menurunkan
temperatur processor pada kondisi Idle 10 Watt sebesar 3,89 oC dan pada kondisi
16
pembebanan maksimal 48 Watt mampu menurunkan temperatur processor sebesar 4,24 oC, serta menurunkan temperatur kondensor pada kondisi Idle 10 Watt sebesar 17,12 oC
5 Z. Said et. al.
(2019)
Heat transfer
enhancement and life cycle analysis of a Shell- and-Tube Heat Exchanger using stable CuO/water nanofluid
Nanofluida didiamkan untuk memastikan kestabilannya yang akan digunakan selama pemakaian di penukar panas.
Koefisien perpindahan panas konveksi meningkat 7%, perpindahan panas meningkat sebesar 11,39%.
![Gambar 2.1 Konduktivitas Thermal Terhadap Kenaikan Temperatur [13]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3902383.3987993/2.892.277.661.139.632/gambar-konduktivitas-thermal-kenaikan-temperatur.webp)
![Tabel 2.1 Nilai Koefisien Konveksi Perpindahan Panas [13]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3902383.3987993/3.892.165.778.616.923/tabel-nilai-koefisien-konveksi-perpindahan-panas.webp)
![Tabel 2.2 Klasifikasi Channels [14]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3902383.3987993/4.892.162.776.337.567/tabel-klasifikasi-channels.webp)
