ANALISIS PENAMBAHAN PHASE CHANGE MATERIAL PADA FLARED FIN HEATSINK MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

(1)

ANALISIS PENAMBAHAN PHASE CHANGE MATERIAL PADA FLARED FIN HEATSINK MENGGUNAKAN

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

SKRIPSI

ERZATAMA ASPRIYANTO 1710311047

UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL VETERAN JAKARTA FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

2021

(2)

ii

ANALISIS PENAMBAHAN PHASE CHANGE MATERIAL PADA FLARED FIN HEATSINK MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL

FLUID DYNAMICS

SKRIPSI

Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana

ERZATAMA ASPRIYANTO 1710311047

UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL VETERAN JAKARTA FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

2021

(3)

iii Fahrudin, S.T., M.T.

Penguji Utama

Dr. Damora Rhakasywi, S.T., M.T., IPP Pembimbing I

Sigit Pradana, S.T., M.T.

Penguji Lembaga

Dr. Ir. Reda Rizal, B.Sc., M.Si Dekan

Nur Cholis, S.T., M.Eng Kepala Program Studi

PENGESAHAN PENGUJI

Skripsi diajukan oleh :

Nama : Erzatama Aspriyanto

NIM : 1710311047

Fakultas : Teknik Program Studi : Teknik Mesin

Judul Skripsi : ANALISIS PENAMBAHAN PHASE CHANGE

MATERIAL PADA FLARED FIN HEATSINK

MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID

DYNAMICS

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Pembangunan Nasional Veteran Jakarta.

Ditetapkan di : Jakarta Tanggal Ujian : 13 Juli 2021

(4)

iv

PENGESAHAN PEMBIMBING

ANALISIS PENAMBAHAN PHASE CHANGE MATERIAL PADA FLARED FIN HEATSINK MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID

DYNAMICS

Dipersiapkan dan disusun oleh :

ERZATAMA ASPRIYANTO 1710311047

Mengetahui,

Ketua Program Studi Teknik Mesin

Nur Cholis, S.T., M.Eng

Pembimbing II

M. Arifudin Lukmana, S.T. MT Pembimbing I

Dr. Damora Rhakasywi, S.T., M.T., IPP

(5)

PERNYATAAN ORISINALITAS

Proposal skripsi ini adalah hasil karya sendiri, dan seluruh sumber yang dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar.

NIM :1710311047

Fakultas Teknik Program Studi: Teknik Mesin

Bila di kemudian hari ditemukan ketidaksesuaian dengan pernyataan ini, maka saya bersedia dituntut dan diproses sesuai dengan ketentuan yang berlaku.

Jakarta, 19 Juli 2021

Penulis,

TEMPEL

4FE4BAJXO32137562

Erzatama Aspriyanto)

(6)

vi

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI SKRIPSI UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Pembangunan Nasional Veteran Jakarta, saya yang bertanda tangan di bawah ini :

NIM : 1710311047

Fakultas : Teknik Program Studi : Teknik Mesin

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Pembangunan Nasional Veteran Jakarta Hak Bebas Royalti Non-eksklusif (Non Exclusive Royalti Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul “Analisis Penambahan Phase Change Material Pada Flared Fin Heatsink Menggunakan Computational Fluid Dynamics” beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti ini, Universitas Pembangunan Nasional Veteran Jakarta berhak menyimpan, mengalih media/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat dan mempublikasikan skripsi saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Jakarta, Pada tanggal : 19 Juli 2021

Yang menyatakan,

(Erzatama Aspriyanto)

(7)

vii ANALISIS PENAMBAHAN PHASE CHANGE MATERIAL PADA FLARED

FIN HEATSINK MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

Erzatama Aspriyanto

ABSTRAK

Perkembangan teknologi mendorong produsen menciptakan komponen elektronik yang berkinerja tinggi dalam ukuran yang lebih kecil. Hal itu menimbulkan tantangan tersendiri dalam proses penghilangan panas yang ditimbulkan karena adanya keterbatasan ruang yang tersedia sehingga menyebabkan penggunaan metode pendinginan aktif sulit untuk dilakukan. Flared fin heatsink merupakan salah satu dari berbagai jenis heatsink yang diketahui memiliki kemampuan yang lebih baik dibandingkan dengan straight fin heatsink dalam kondisi kondisi konveksi natural maupun konveksi paksa. Beberapa tahun kebelakang juga telah dilakukan pengembangan metode pendinginan pasif dengan menggunakan heatsink terintegrasi dengan phase change material (PCM) yang mampu mengurangi suhu komponen elektronik dibandingkan dengan sistem pendingin heatsink standar.

Penelitian ini dilakukan melalui simulasi secara numerik untuk mengetahui dampak penambahan PCM RT-42 berbasis parafin pada flared fin heatsink serta pengaruh jumlah dan tebal sirip pada flared fin heatsink yang ditambahkan PCM terhadap proses pencairan dan distribusi temperatur. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa PCM mampu menahan penambahan temperatur base heatsink selama proses pencairan berlangsung. Penambahan jumlah dan tebal sirip pada menyebabkan proses pencairan menjadi lebih cepat dan menjaga temperatur base heatsink pada temperatur yang lebih rendah. Selain itu, bertambahnya jumlah sirip dan tebal sirip heatsink menyebabkan proses perpindahan konveksi yang terjadi menjadi lebih efektif.

Kata Kunci : Flared fin heatsink, Phase change material, Perpindahan Panas, Computer fluid dynamics

(8)

viii INVESTIGATION OF FLARED FIN HEATSINK EMBEDDED WITH

PHASE CHANGE MATERIAL USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

Erzatama Aspriyanto

ABSTRACT

Technological advancements enable manufacturers to produce high-performance electronic components in smaller sizes. Because of the restricted area provided, it is difficult to use active cooling technologies to remove the heat created by electrical components. Flared fin heatsink is one of the various types of heatsinks that have better performance than straight fin heatsinks under natural and force convection condition. Flared fin heatsinks are one of several types of heatsinks that outperform straight fin heatsinks under natural and forced convection conditions.

Passive cooling systems utilizing an integrated heatsink with Phase Changed Material (PCM) have been developed in recent years. When compared to typical heatsink cooling systems, this design is capable of lowering the temperature of electrical components. The numerical simulation was used to investigate the influence of adding a paraffin-based PCM (RT-42) to the flared fin heatsink, as well as the effect of the number and thickness of fins on heat transfer performance and the melting process on the PCM-based heatsink. The results show that PCM is able to withstand the increase in base heatsink temperature during the melting process.

The increase in the number and thickness of the fins speeds up the melting process and keeps the base heatsink at a lower temperature. Furthermore, the increased number of fins and heatsink fin thickness makes the convection transfer process more effective.

Keywords : Flared fin heatsink, Phase change material, Heat transfer, Computer fluid dynamics

(9)

ix

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur terpanjatkan kehadirat Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa, yang melimpahkan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir atau Skripsi dengan judul “Analisis Penambahan Phase Change Material Pada Flared Fin Heatsink Menggunakan Computational Fluid Dynamics”. Skripsi ini sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Program Studi Teknik Mesin Universitas Pembangunan Nasional Veteran Jakarta.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan dan terwujud atas dukungan, bimbingan, serta bantuan dari banyak pihak baik bantuan, masukan dan dukungan dari berbagai pihak secara langsung maupun tidak langsung. Untuk itu pada kesempatan ini penulis ingin ucapkan terima kasih kepada:

1. Allah SWT yang selalu memberikan kemudahan dan kelancaran baik selama proses perkuliahan serta dalam pengerjaan Tugas Akhir.

2. Kedua orang tua yang memberikan dorongan, semangat, dan kasihnya yang selalu diberikan tanpa henti sehingga Tugas Akhir ini dapat selesai dengan tepat waktu.

3. Bapak Dr. Damora Rhakasywi, ST., MT., IPP dan Bapak M. Arifudin Lukmana, ST., MT., selaku dosen pembimbing 1 dan dosen pembimbing 2 yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikirannya dalam memberikan arahan dan saran kepada penulis sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan baik.

4. Bapak Nur Cholis, ST, M.Eng. selaku Kepala Program Studi Teknik Mesin Universitas Pembangunan Nasional Veteran Jakarta.

5. Teman seperjuangan penghuni Lab. Komputasi yang setia menemani penulis dalam proses pengambilan data dan memberikan bantuan ketika menghadapi kesulitan.

6. Keluarga Teknik Mesin 2017 yang selalu memberikan dukungan kepada penulis.

(10)

x

7.

Keluarga Patriot Team UPNVJ yang memberikan dukungan dan pelajaran banyak kepada penulis khususnya dalam hal organisasi.

8. Pihak lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Terima kasih atas bantuan dan dukungan yang telah diberikan kepada penulis.

Penulis menyadari bahwa proposal skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun untuk kesempurnaan proposal skripsi ini. Akhir kata, mohon maaf apabila ada kesalahan baik disengaja maupun disengaja yang dilakukan oleh penulis. Semoga apa yang tertuang dalam tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua.

Jakarta, Juli 2021

Penulis

(11)

xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

PENGESAHAN PENGUJI ... iii

PENGESAHAN PEMBIMBING ... iv

PERNYATAAN ORISINALITAS ... v

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ... vi

ABSTRAK ... vii

ABSTRACT ... viii

KATA PENGANTAR ... ix

DAFTAR ISI ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xiv

DAFTAR TABEL ... xvi

DAFTAR LAMPIRAN ... xvii

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Rumusan Masalah ... 3

1.3. Batasan Masalah ... 3

1.4. Tujuan ... 4

BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Kalor ... 6

2.2. Perpindahan Panas ... 7

2.2.1. Perpindahan Panas Secara Konduksi ... 7

2.2.2. Perpindahan Panas Secara Konveksi ... 8

2.2.3. Perpindahan Panas Secara Radiasi ... 9

(12)

xii

2.2.4. Perpindahan Panas Pada Extended Surface (Sirip) ... 10

2.3. Heatsink ... 11

2.3.1. Fungsi Heatsink ... 12

2.3.2. Material Heatsink ... 12

2.3.3. Desain Sirip Heatsink ... 13

2.4. Flared Fin Heatsink ... 15

2.5. Phase Change Material ... 16

2.6. RT42 Phase Change Material (RT42 PCM) ... 19

2.7. Finite Volume Method (FVM) ... 20

2.8. Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 21

2.8.1. Pre Processing ... 22

2.8.2. Solver... 23

2.8.3. Post Processing ... 24

2.9. Governing Equation ... 24

2.10. Bilangan Nusselt ... 26

BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Diagram Alir Penelitian ... 28

3.2. Identifikasi Masalah ... 29

3.3. Studi Literatur ... 29

3.4. Pengumpulan Data ... 29

3.5. Penentuan Model Pengujian ... 30

3.5.1. Model Pengujian Perbandingan Heatsink Konvensional Dengan Heatsink-PCM ... 30

3.5.2. Model Pengujian Pengaruh Variasi Jumlah Sirip Heatsink-PCM ... 31

3.5.3. Model Pengujian Pengaruh Variasi Tebal Sirip Heatsink-PCM ... 32

3.6. Meshing ... 32

(13)

xiii 3.7. Parameter Permodelan dan Boundary Condition ... 34 3.8. Post Processing ... 43

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Hasil Validasi Model ... 46 4.2. Grid Independency Test ... 47 4.2. Pengaruh Penambahan PCM Pada Flared Fin Heatsink ... 48 4.3. Pengaruh Jumlah dan Ketebalan Sirip Terhadap Proses Pencairan PCM Pada Flared Fin Heatsink – PCM ... 51 4.4. Pengaruh Jumlah dan Ketebalan Sirip Terhadap Temperatur Pada Flared Fin Heatsink-PCM ... 54

4.5. Pengaruh Jumlah dan Ketebalan Sirip Terhadap Proses Perpindahan Panas Pada Flared Fin Heatsink – PCM ... 59

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan ... 61 5.2. Saran ... 62

DAFTAR PUSTAKA RIWAYAT HIDUP LAMPIRAN

(14)

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1. Kalor Laten dan Kalor Sensibel ... 6

Gambar 2. 2. Perpindahan Panas Secara Konduksi Pada Dinding Datar... 8

Gambar 2. 3. Perpindahan Panas Secara Konveksi... 9

Gambar 2. 4. Perpindahan Panas Secara Radiasi ... 10

Gambar 2. 5. Perpindahan Panas Pada Extended Surface (Sirip) ... 10

Gambar 2. 6. Heatsink Pada Komponen Elektronik ... 12

Gambar 2. 7. Pin Fin Heatsink... 14

Gambar 2. 8. Plate Fin Heatsink ... 14

Gambar 2. 9. Folded Fin Heatsink ... 15

Gambar 2. 10. Flared Fin Heatsink ... 15

Gambar 2. 11. Kurva Temperatur dan Perubahan Fasa Phase Change Material .. 16

Gambar 2. 12. Klasifikasi Phase Change Material ... 16

Gambar 2. 13. Diskritisasi Domain Pada Vertex-Centered FVM ... 20

Gambar 2. 14. Structured dan Unstructured Mesh ... 23

Gambar 2. 15. Hybrid Mesh ... 23

Gambar 3. 1. Diagram Alir Penelitian ... 28

Gambar 3. 2. Skema Permasalahan Flared Fin Heatsink-PCM ... 29

Gambar 3. 3. Geometri Flared Fin Heatsink – PCM ... 31

Gambar 3. 4. Variasi Jumlah Sirip Flared Fin Heatsink – PCM ... 31

Gambar 3. 5. Variasi Ketebalan Sirip Flared Fin Heatsink – PCM ... 32

Gambar 3. 6. Domain Area Meshing ... 33

Gambar 3. 7. Detail Hasil Meshing Heatsink-PCM 7 Sirip ... 34

Gambar 3. 8. Pengaturan Pada General Task Page ... 35

Gambar 3. 9. Beberapa Model Persamaan Pada Models Task Page ... 36

Gambar 3. 10. Contoh Pengaturan Materials (PCM RT-42) ... 37

Gambar 3. 11. Named Selection Pada Model Heatsink Konvensional ... 38

Gambar 3. 12. Named Selection Pada Model Heatsink-PCM 7 Sirip ... 39

Gambar 3. 13. Kondisi Batas Pada Constant Heat Flux ... 40

Gambar 3. 14. Kondisi Batas Pada Wall Heatsink (Heatsink Konvensional) ... 40

Gambar 3. 15. Kondisi Batas Pada Adiabatic Wall (Heatsink-PCM) ... 41

Gambar 3. 16. Pengaturan Pada Solution Methods Task Page ... 42

(15)

xv Gambar 3. 17. Pengaturan Parameter Kriteria Konvergensi ... 42 Gambar 3. 18. Pengaturan Pada Run Calculation Task Page ... 43 Gambar 4. 1. Model Permasalahan Untuk Validasi ... 46 Gambar 4. 2. Perbandingan Hasil Eksperimen (Kamkari et al., 2014) dengan Simulasi ... 46 Gambar 4. 3. Grid Independency Test ... 48 Gambar 4. 4. Perubahan Temperatur Rata-Rata Heatsink Selama 3600 Detik ... 49 Gambar 4. 5. Kontur Distribusi Temperatur Heatsink Konvensional dan Heatsink- PCM ... 50 Gambar 4. 6. Proses Pencairan PCM Pada Heatsink-PCM Dengan Variasi Jumlah Sirip ... 52 Gambar 4. 7. Kontur Liquid Fraction Heatsink-PCM Variasi Jumlah Sirip ... 53 Gambar 4. 8. Proses Pencairan PCM Pada Heatsink-PCM Dengan Variasi Tebal Sirip ... 53 Gambar 4. 9. Kontur Liquid Fraction Heatsink-PCM Variasi Tebal Sirip ... 54 Gambar 4. 10. Grafik Temperatur Base Heatsink-PCM Variasi Jumlah Sirip ... 55 Gambar 4. 11. Kontur Distribusi Temperatur Heatsink-PCM Variasi Jumlah Sirip ... 56 Gambar 4. 12. Temperatur Base Heatsink-PCM Variasi Tebal Sirip ... 57 Gambar 4. 13. Kontur Distribusi Temperatur Heatsink-PCM Variasi Tebal Sirip ... 58 Gambar 4. 14. Bilangan Nusselt Heatsink-PCM Variasi Jumlah Sirip... 59 Gambar 4. 15. Bilangan Nusselt Heatsink-PCM Variasi Tebal Sirip ... 60

(16)

xvi

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1. RT-42 Datasheet ... 19

Tabel 3. 1. Spesifikasi RT-42 dan Aluminium ... 30

Tabel 3. 2. Detail Parameter Meshing ... 33

Tabel 3. 3. Jumlah Nodes, Elemen Dan Kualitas Meshing Tiap Heatsink ... 34

Tabel 3. 4. Pengaturan Parameter Pada General Page ... 35

Tabel 3. 5. Model Persamaan yang Digunakan Pada Simulasi ... 36

Tabel 4. 1. Pengaturan Mesh Untuk Grid Independency Test ... 47

(17)

xvii

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN 1 Simulasi Untuk Percobaan Kamkari (Validasi) LAMPIRAN 2 Simulasi Grid Independency Test

LAMPIRAN 3 Simulasi Heatsink Konvensional LAMPIRAN 4 Hasil Simulasi Heatsink Konvensional LAMPIRAN 5 Simulasi Heatsink-PCM dengan 7 Sirip LAMPIRAN 6 Simulasi Heatsink-PCM dengan 11 Sirip LAMPIRAN 7 Simulasi Heatsink-PCM dengan 15 Sirip

LAMPIRAN 8 Hasil Simulasi Heatsink-PCM dengan Variasi Jumlah Sirip LAMPIRAN 9 Simulasi Heatsink-PCM dengan Tebal Sirip 1.5 mm

LAMPIRAN 10 Simulasi Heatsink-PCM dengan Tebal Sirip 2 mm

LAMPIRAN 11 Hasil Simulasi Heatsink-PCM dengan Variasi Tebal Sirip