Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP Vol 9 No.1 Januari 2013
28
SUPERIORITAS PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA DARI NANOFLUIDA PADA PIPA HORIZONTAL
Iwan Setyawan
Dosen Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Gunadarma Email : iwanstyw@hotmail.com
ABSTRAK
Fluida dengan partikel solid berukuran nano yang tersuspensi di dalamnya dinamakan nanofluida. Salah satu diantaranya adalah Al2O3-H2O yang dari penelitian sebelumya ditemukan jika termal diffusivitas dan konduktivitas nanofluida menunjukkan peningkatan yang dramatis dengan hanya menambahkan 1% dan 4% vulome konsentrasi dari partikel nano Al2O3. Supaya fluida ini dapat diaplikasikan dan dikomersialkan, penelitian lebih lanjut mekanisme konveksi paksa harus dilakukan. Penelitian kali ini menyelidiki dengan terperinci performance konveksi paksa nanofluida dengan fluida dasar air dan partikel Al2O3 sebagai zat tersuspensi di dalam pipa horizontal. Hasil penelitian menunjukkan peningkatan Nu nanofluida dibandingkan fluida dasarnya.
Kata kunci : nanofluida, konveksi.
I. PENDAHULUAN
Terdapat kebutuhan besar untuk meningkatkan kemampuan perpindahan kalor fluida kerja di dalam banyak industri, dari transportasi, pembangkit energi sampai pada pendinginan kom-ponen electronik. Coolant, pelumas, dan fluida perpidahan kalor lainnya yang digunakan saat ini mempunyai sifat per- pindahan kalor yang kurang. Sementara itu fluida kerja konvensional yang mengandung partikel ukuran millimeter atau micrometer tidak dapat digunakan pada teknologi miniaturized karena dapat menyumbat microchannel. Dengan aplikasi nanotechnology pada termal engineering maka masalah ini dapat dipecahkan[1].
Apabila dibandingkan dengan partikel ukuran mikron, powder yang berukuran dalam nanometer mempunyai luas permukaan yang relatif lebih besar dan tentunya memiliki potensi yang sangat besar dalam peningkatan perpindahan kalor. Beberapa peneliti telah mencoba mencampurkan nano partikel ke dalam fluida dan membentuk fluida yang memiliki efektifitas perpindahan kalor lebih tinggi. Choi (1995) adalah yang pertama meng-gunakan istilah nanofluida mengenai fluida yang tersuspensi partikel nano di dalamnya. Choi melakukan pengukuran termal konduktivitas nano-fluida Al2O3 dan CuO, dimana air dan glycol sebagai fluida dasarnya. Hasil pengukurannya menunjukkan peningkatan termal konduktivitas nanofluida lebih 20% terhadap termal konduktivitas fluida dasarnya pada temperatur kamar. Peneliti lainnya, Eastman et al.(1997) menunjukkan bahwa termal konduktivitas mendekati 60%
dapat diperoleh untuk nanofluida yang terdiri
dari air dan CuO partikel dengan konsentrasi volume 5%[2]. Kemudian Eastman et al.
(2001)[3] juga mendapatkan peningkatan kon- duktivitas termal hingga 40 % hanya dengan menambahkan 0.3 % volume partikel nano Cu ke dalam ethylene glycol. Sementara itu, Das et al.(2003)[4] melakukan pengukuran termal konduktivitas dari air yang dicampur dengan masing-masing dengan partikel nano Al2O3
dan CuO dengan volume konsentrasi antara 1% sampai 4% pada temperatur 21 – 51 oC.
Hasil pengukuran menunjukkan peningkatan termal konduktivitas dan difusivitas yang cukup signifikan terhadap termal konduktivitas fluida dasarnya.
Hasil tersebut memberikan peluang bagi nanofluida untuk dapat dijadikan fluida kerja alternatif. yang selanjutnya keuntungan ekonomi komersialisasi nanofluida adalah termasuk biaya dan penghematan energi sehubungan dengn kemapuan memproduksi sistem heat exchanger yang lebih kecil dan lebih ringan dari sistem heat exchanger yang ada[5]. Akan tetapi sebelum nanofluida digunakan untuk aplikasi maka penelitian lanjutan perlu dilakukan karena konsep mekanisme dari nanofluida masih tingkat dasar. Beberapa artikel yang ada, fokus utamanya pada prediksi dan teknik pengukuran termal konduktivitas nanofluida.
Hanya sedikit referensi yang meliputi penggambaran kemampuan termal dari nanofluida. Pemahaman yang komplit tentang kemampuan perpindahan kalor nanofluida dibutuhkan untuk aplikasi[6].
Tujuan dari penelitian ini untuk melihat sejauh mana keunggulan nanofluida dalam perpindahan kalor konveksi dengan fokus
Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP Vol 9 No.1 Januari 2013
29 utama yang diteliti adalah perpindahan kalor
konveksi paksa pada selinder horisontal dengan fluks kalor konstan.
II. KARATERISTIK NANO-FLUIDA
Nanofluida yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah campuran antara air dan nanopartikel Al2O3 dengan volume konsentrasi 1% dan 4%. Ukuran nano partikel yang digunakan adalah 32 nm. Pada gambar 1 ditampilkan grafik perbandingan antara shear stress untuk nanofluida 1% dan 4% volume konsentrasi pada temperatur 20,40 dan 60oC.
Grafik tersebut menunjukkan hubungan linear antara shear stress dan shear rate, sehingga dapat dikatakan bahwa nanofluida tersebut tergolong fluida yang mengikuti hukum Newton atau fluida yang Newtonian.
Sementara hasil pengukuran viskositas nanofluida Al2O3 terhadap temperatur ditampilkan pada gambar 2. Dari gambar tersebut terlihat bahwa viskositas nanofluida 4% volume konsen-trasi, lebih tinggi dari nanofluida dengan volume konsentrasi 1%.
Pengaruh temperature dapat dilihat dengan jelas bahwa semakin tinggi temperatur maka viskositas nanofluida makin rendah[7].
0.01 0.1 1
10 100 1000
Shear rate [1/s]
Shear Stress [Pa]
1 % at 20°C 1% at 40°C 1% at 60 °C 4% at 20°C 4% at 40°C 4% at 60°C
Gambar 1 Nanofluida sebagai fluida Newtonian[6]
0.0001 0.001 0.01
10 100 1000
Vis co sit y [ Pa .s]
Shear rate [1/s]
1% at 20°C 1% at 40 °C 1% at 60°C 4% at 20°C 4% at 40°C 4% at 60°C
Gambar 2 Viskositas dari Nanofluida[7]
Gambar 3 Rasio termal difusivitas antara Nanofluida dan air vs
Temperatur[7]
Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP Vol 9 No.1 Januari 2013
30
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3
0 10 20 30 40 50 60
Temperature (°C) Thermal conductivity ratiowater
Al2O3 (1%) Al2O3 (4%)
Gambar 4 Rasio termal konduktivitas antara Nanofluida dan air vs Temperatur[8]
Kemudian ratio perbandingan hasil pengukuran termal difusivitas dan kon- duktivitas dari nanofluida Al2O3 dengan air dapat dilihat pada gambar 3 dan gambar 4.
Pengukuran dilakukan dengan menggunakan metode temperatur osilasi yang telah dikembangkan oleh Roetzel, (1990), Czarnetsky (1995) dan Nandy Putra (2002).
Dari grafik dapat dilihat peningkatan termal difusivitas berkisar antara 2.6% sampai 11%
untuk volume konsentrasi 1% pada temperatur 21oC – 51oC. Sedangkan untuk volume kon-sentrasi 4% terjadi peningkatan sebesar 13.2 % sampai 28.5 %. Sementara itu peningkatan terjadi pula pada termal konduktivitasnya yakni sebesar 2% sampai 11% untuk 1% volume konsentrasi dan peningkatan sebesar 9.4% samapi 24.3%
untuk 4% volume konsentrasi pada kisaran 21oC – 51oC.
III. PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI NANO-FLUIDA
Nanofluida adalah suatu hal yang masih baru sehingga hanya sedikit referensi yang membahas mengenai perpindahan kalor konveksi dari fluida ini. Nandy (2003) melakukan prediksi nilai koefisien perpindahan kalor konveksi nanofluida Al2O3- H2O. Dalam prediksi ini diasumsikan bilangan Reynold sebagai variable antara 10000 sampai dengan 100000 untuk setiap fluida (air, nano 1% dan 4%) dengan menggunakan korelasi Dittus Boitler,
Nu = 0.023 Re 0.8 Pr n (1) dan nilai pangkat n adalah 0.4 untuk pemanasan.
Hasil prediksi ditunjukkan pada gambar
5. Untuk nanofluida dengan 1% volume konsentrasi terjadi peningkatan sebesar 6.9%
pada temperatur 21oC kemudian ratio ini meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur, pada temperatur 51oC koefisien perpindahan kalor meningkat sebesar 13.5%.
Sementara untuk volume konsentrasi 4%
terjadi peningkatan sebesar 14.5% sampai 28.5% pada range temperatur 21oC sampai 51oC[4].
Setelah prediksi ini dilakukan, Nandy et al. (2004) melakukan penelitian dengan menggunakan double pipe heat excha-nger dengan arah aliran berlawanan (counter flow) dan turbulen. Dalam penelitian ini digunakan dua jenis fluida yaitu fluida dingin (air) yang mengalir dalam anulus dan fluida panas (nanofluida) yang mengalir dalam tabung.
Nanofluida dipanaskan dengan electric heater dan temperatur dikontrol menjadi konstan.
Hasil penelitian ditampilkan pada gambar 6. Disini dapat dilihat bahwa koefisien perpindahan kalor konveksi dari nanofluida adalah lebih tinggi daripada koefisien perpindahan kalor air. Kecen-drungan garis juga menunjukkan bahwa peningkatan koefisien perpindahan kalor konveksi nanofluida konsentrasi 1% hanya sekitar 6%untuk fluida panas temperatur sekitar 40oC, 8% pada 50oC dan mencapai 10% pada 60oC
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4
0 20 40 60
Tem perature [oC]
h nano/ h water
Al2O3 1%
Al2O3 4%
Gambar 5 Prediksi h nanofluida/ h air vs Temperatur[4]
Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP Vol 9 No.1 Januari 2013
31
1 . 0 4 1 . 0 6 1 . 0 8 1 . 1 1 . 1 2 1 . 1 4 1 . 1 6 1 . 1 8
0 2 0 4 0 6 0 8 0
T H 1 (oC )
h Nanofluida/ hwater
N a n o f lu id s 1 %
N a n o f lu id s 4 %
Gambar 6. h nanofluida/ h air vs Temperatur[9]
Pengukuran dengan nanofluida konsentrasi 4% ditunjukkan pada gambar yang sama menunjukkan kecepatan peningkatan lebih tinggi. Peningkatan mulai dari 7% untuk 40oC, dan meningkat sampai 17% pada 50oC dan sekitar 15% pada 60oC. Dalam Gambar 6 juga menyajikan, bahwa selain konsentrasi volume, temperatur berpengaruh pada peningkatan koefisien perpindahan kalor konveksi, grafik menunjukkan dengan jelas bahwa peningkatan koefisien perpindahan kalor konveksi bertambah dengan kenaikan temperatur dan kecepatan peningkatan-nya bergantung pada konsentrasi partikel solid[8].
IV. PENELITIAN PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI PAKSA
4.1. Exprimental setup
Peralatan penelitian yang digunakan ditunjukkan pada gambar 7. Prinsip kerja alat ini adalah memberikan fluks kalor konstan pada sepanjang dinding luar pipa heater yang merupakan seksi uji{3}. Sementara itu pompa sirkulasi{1} meng-alirkan fluida ke pipa heater
sehingga terjadi perpindahan kalor antara dinding pipa bagian dalam dengan fluida.
Aliran fluida diatur dengan bukaan katup yang kapasitasnya diukur dengan flowmeter {2}. Fluks kalor yang diberikan diatur dengan menggunakan voltage regulator yang dayanya terukur pada energy analizer.
Setelah melewati seksi uji/pipa heater, fluida memasuki kondensor{4} yang gunanya untuk menurunkan temperatur fluida. Kemudian fluida yang kembali dingin mengalir ke reservoir/ tangki{5} untuk selanjutnya dialirkan kembali ke pipa heater oleh pompa sirkulasi.
Posisi termokopel pada seksi uji dapat dilihat pada gambar 8. Seksi uji yang berupa pipa heater terbuat dari tembaga dengan konduktivitas, kt = 397.48 W/moC. Untuk mengukur temperatur rata-rata pipa heater maka termokopel type K ditempatkan pada sisi luarnya dengan lokasi radial dan aksial yang berbeda. Lokasi radialnya adalah a, b, c dan d dan lokasi aksialnya adalah 2, 3, 4, 5 dan 6. Termokopel disolderkan pada lokasi 2b, 3c, 4d, 5a dan 6c. Sementara itu untuk mengukur tempe-ratur bulk fluida sebelum masuk, Tbi dan setelah keluar, Tbo pipa heater, maka termokopel T1 dan T7
dibenamkan kedalam sumbuh pipa heater yang dapat dilihat pada gambar 7.
Dari pengukuran 5 titik pada dinding luar heater didapatkan temperatur rata-rata dinding luar pipa heater, Two. Temperatur dinding bagian dalam pipa heater, Twi dihitung dengan rumus[10] :
L k
di q do T
T
t wo
wi
2 . . .
ln .
(2)
Fluks kalor yang diserap oleh fluida di-hitung dengan menggunakan rumus[11] :
i bi bo p
s
A
T T C q m .
(3)
Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP Vol 9 No.1 Januari 2013
32 Gambar 7. Skema peralatan pengujian perpindahan panas pipa horizontal
2 3 4 5 6
a b
c d isolasi
Gambar 8. Posisi termokopel pada heater
Koefisien perpindahan kalor yang terjadi ditentukan dengan rumus hukum pendinginan Newton[11] :
) (
"
b wi
s
T T h q
(4)
dimana, Tb = (Tbi+Tbo)/2 4.2. Prosedure Pengujian
Dalam penelitian ini digunakan tiga jenis fluida yang terdiri dari fluida air, nanofluida
1%, dan nanofluida 4%. Fluida pertama yang diuji adalah air disusul nanofluida 1% dan terakhir nanofluida 4%. Setelah penelitian dilakukan terhadap air, maka untuk penelitian terhadap nanofluida terlebih dahulu dilakukan persiapan pencampuran partikel ini ke fluida dasar(air). Volume nanopartikel yang diperlukan ditentukan dengan menghitung berat equivalent dari partikel dengan menggunakan densitas sebenarnya, di mana Al2O3 = 66,7 gram/liter (dengan mengabaikan massa udara yang terjebak di dalamnya).
Kemudian melakukan pencampuran nanopartikel ke dalam fluida dasar yang dalam penelitian ini, penulis masih menggunakan cara manual. Setelah diperkirakan campuran sudah homogen dan nanopartikel benar-benar sudah tersuspensi dalam fluida dasarnya, dilanjutkan dengan memasukkannya sampai penuh atau sekitar 40 liter ke dalam reservoir alat eksprimental.
Dalam penelitian ini disupply daya heater 180 Watt (q"supply = 3638 W/m2) kemudian kapasitas aliran (Q) nanofluida divariasikan 30 ltr/jam, 60 ltr/jam, 90 ltr/jam, 135 ltr/jam dan 180 ltr/jam dengan memastikan tiap-tiap
Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP Vol 9 No.1 Januari 2013
33 variasi, keadaan steady sudah tercapai
V. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada gambar 9, adalah grafik Nu-Re perbandingan antara ketiga jenis fluida. Disini dapat dilihat jika sampai dengan Re 1600, relatif belum menunjukkan peningkatan bilangan Nu untuk kedua jenis nanofluida 1%
dan 4% terhadap fluida air. Tetapi begitu Re melewati sekitar 1600, bilangan Nu untuk kedua jenis nanofluida mulai nampak terjadi peningkatan melewati fluida air.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Nu
Re
Water Nano 1%
Nano 4%
Gambar 9 Grafik Nu vs Re
Makin besar nilai Re maka makin tajam peningkatan bilangan Nu-nya.
Dari grafik tersebut dapat pula dilihat bahwa untuk nanofluida 4%, peningkatan Nu- nya lebih besar dibandingkan nanofluida 1%.
Apabila bilangan Nu kedua jenis nanofluida ini dibandingkan terhadap bilangan Nu fluida dasarnya (air), terlihat jelas bahwa dengan meningkatnya bilangan Re maka meningkat pula ratio bilangan Nu, Nunano/Nuair. Dimana peningkatan rasio bilangan Nu sampai 16%
pada Re 4800 untuk nanofluida 1% dan sampai 29% pada Re 4800 untuk nanofluida 4%. Jadi dapat dikatakan bahwa faktor konsentrasi partikel nano pada nanofluida sangat berperan dalam peningkatan koefisien perpindahan kalor nanofluida terhadap fluida dasarnya.
VI. KESIMPULAN
Akhir-akhir ini nanofluida diklaim sebagai
sebuah fluida perpindahan kalor jenis baru untuk masa depan dalam Thermal Engineering yang superior terhadap fluida dasarnya. Untuk membuktikan klaim ini sebuah penelitian dilakukan dengan menggunakan nano-fluida Al2O3-Air sebagai fluida perpindah-an kalor konveksi paksa pada pipa horizontal dengan fluks kalor konstan..
Performance perpindahan kalor konveksi nanofluida terlihat dengan jelas lebih besar dari pada air sebagai fluida dasarnya. Volume konsentrasi mem-pengaruhi peningkatan performance perpindahan kalor konveksinya.
Hasil penelitian ini cukup membuktikan superioritas nanofluida terhadap fluida dasarnya Sehingga peluang nanofluida sebagai fluida alternative dimasa depan terbuka lebar.
DAFTAR SIMBOL A = Luas (m2)
cp = Kalor spesifik pada tekanan konstan (J/kg.C)
h = Koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2C)
k = Konduktivitas termal (W/m.C) m = Laju aliran massa (kg/s) q" = Fluks kalor (Wm2) q = Kalor (W)
Q = Debit aliran (ltr/jam) T = Temperatur ( C)
= Viskositas kinematik (m2/s)
= Diffusifitas termal (m2/s) ρ = Densitas (kg/m3)
= Viskositas absolute (kg/s.m Gz = Bilangan Graetz
Nu = Bilangan Nubelt Re = Bilangan Reynolds Pr = Bilangan Prandtl
DAFTAR PUSTAKA
[1] Technology Transfer at Argonne, More about Argonne’s stable, highly conductive Nanofluids, Argonne National Laboratory,
http://www.techtransfer.anl.gov/techtour/
nanofluids.htm.
[2] Xuan, Y., Li, Q., Heat transfer enhancement of nanofluid, International journal of heat and fluid flow, vol.
21,pp.58-64, 2000.
[3] Eastman, J.A., Choi, U.S., Li, S., Yu, W., Thompson L.J., Anomalousy increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles, Applied
Jurnal Mekanikal Teknik Mesin S-1 FTUP Vol 9 No.1 Januari 2013
34 physic letter, vol 78, no.6,pp.718-720,
2001.
[4] Putra, N., Menentukan Koefisien Perpindahn kalor konveksi dari Nanofluida dengan korelasi Dittus Boetler, Proceeding Seminar Nasio-nal Pengembangan riset & Tech-nologi di Bidang Industri, universitas Gajah Mada Yogyakarta, 2003.
[5] Eastman, J.A., Choi, U.S., Li, S., Development of energy-efficient nanofluids for heat transfer applications, Recearch Briefs Argonne National Laboratory, 2000.
[6] Xuan, Y., Roetzel, W., Conceptions for heat transfer correlation of nanofluids, Int.
Journal of heat and mass Transfer, vol.
43,pp. 3701-3707, 2000
[7] Putra, N., Heat transfer in dispersed media, Shaker Verlag, Aachen, 2002.
[8] Das, S.K., Putra, N., Thiesen, P., Roetszel, W., Temperature dependence of thermal conductivity enhancement for nanofluids, ASME J.Heat Transfer, vol.125, pp.567-574, 2003.
[9] Putra, N., Ferky, R., Enhancement of Forced Convection Heat Transfer in water-based Nanofluids Containing Al2O3
Nano Particles, 3rd International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, Cape Town, South Afrika, HEFAT, 2004.
[10] Holman, J.P., Perpindahan kalor, 6 ed, Erlangga, Jakarta, 1995.
[11] Incopera, F.P., Dewitt, P.D., Fundamental of heat and mass transfer, 4 ed., John Willey and Sons, United state of America, 1996.
[12] Das, S.K., Putra, N., Roetszel, W., Pool boiling characteristics of nano-fluids , Int.
Journal of heat and mass transfer, vol.46, pp.851-862, 2003.
![Gambar 4 Rasio termal konduktivitas antara Nanofluida dan air vs Temperatur [8]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3795873.3941033/3.893.138.403.115.314/gambar-rasio-termal-konduktivitas-antara-nanofluida-dan-temperatur.webp)
![Gambar 6. h nanofluida/ h air vs Temperatur [9]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/3795873.3941033/4.893.176.423.130.390/gambar-h-nanofluida-h-air-vs-temperatur.webp)
