BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perpindahan panas konveksi adalah salah satu jenis perpindahan panas yang terjadi pada permukaan suatu benda yang terkonduksi dengan panas, kemudian terkena pengaruh fluida yang bergerak. Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan ke dalam konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection) [1]. Ada penelitian terkait perpindahan panas konveksi, pada komponen kelistrik yaitu heatsink. Hasil penelitian menunjukkan bahwa heatsink secara efektif mampu menyerap atau menghilangkan panas (energi panas) dari lingkungan sekitar (udara) menggunakan permukaan yang luasan perpidahan panas yang diperbesar seperti sirip pin [2].
Heatsink menggunakan sistem pendingin dalam sistem kerjanya untuk menghilangkan panas. Sistem pendingin adalah sistem yang berfungsi untuk menurunkan suhu suatu benda dalam kondisi yang ideal dengan mentransfer panas dari benda tersebut ke lingkungan. Secara umum, aliran fluida di heatsink bergerak dengan cara konveksi alami di mana udara yang lebih dingin mengalir ke bagian dalam sirip yang lebih panas, dan mengalir keluar menuju ujung sirip.
Banyak penelitian telah dilakukan untuk mempelajari upaya yang dapat dilakukan untuk meningkatkan proses pendinginan pada heatsink, salah satu penelitian menunjukkan bahwa, pendinginan heatsink dapat ditingkatkan ketika menggunakan luas permukaan yang lebih besar. Hal ini akan menyebabkan pembuangan panas yang lebih baik, karena akan memperluas area pendinginan yang dapat mempercepat proses perpindahan panas yang diserap oleh heatsink.
Kemudian dengan menggunakan desain sirip yang berbentuk aerodinamis, hal ini dapat memudahkan aliran udara panas dapat cepat dikeluarkan melalui sirip pendingin [3].
Sirip (fin) merupakan salah satu aplikasi ilmu perpindahan panas yang berfungsi untuk meningkatkan luasan perpindahan panas [4]. Peningkatan area perpindahan panas dapat menyebabkan peningkatan laju perpindahan panas, sirip juga dipengaruhi oleh konduktivitas termal material. Pemanfaatan sirip dapat
1
dimaksimalkan jika bahan sirip memiliki konduktivitas termal yang baik. Ada berbagai jenis sirip pada perangkat elektronik yang telah digunakan, mulai dari bentuk yang relatif sederhana. Seperti sirip persegi empat (rectangular), silinder, annular, meruncing atau pin, hingga kombinasi berbagai geometri yang berbeda dengan jarak yang teratur dalam susunan segaris (inline) atau selang-seling (staggered) [5].
Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk memahami faktor-faktor yang dapat mempengaruhi efisiensi perpindahan panas sirip pin. Giovanni Tanda [6]
mempelajari pengaruh jumlah pin dalam base dan jarak antara titik pusat sirip pada karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan, pada arah aliran udara (Sy) dan arah aliran udara melintang (Sx). Diketahui bahwa, semakin banyak jumlah pin dan semakin besar luas permukaan yang digunakan, maka akan semakin tinggi perpindahan panas yang dihasilkan, dan semakin dekat jarak antar pin, maka semakin cepat perpindahan panas yang dihasilkan antar pin-nya.
Oleh karena itu, sirip pin memiliki pengaruh penting pada kinerja peningkatan perpindahan panas. Tri Istanto dkk. [7] menerapkan sirip pin diamond yang tersusun segaris (inline) untuk mempelajari peningkatan perpindahan panas, didapatkan data bahwa sirip pin diamond yang tersusun segaris (inline) meningkatkan perpindahan panas dari permukaan plat datar sebagai akibat dari peningkatan luas permukaan perpindahan panas. Alik Dinikavanila dkk. [8]
membandingkan efisiensi perpindahan panas sirip pin pada dua jenis susunan pin yang bebeda, terbukti bahwa susunan sirip pin staggered memperoleh peningkatan perpindahan panas yang lebih baik daripada susunan segaris (inline).
Jin Xu dkk. [9] membandingkan pengaruh bentuk sirip pin terhadap peningkatan perpindahan panas. Disimpulkan bahwa sirip pin berbentuk diamond-s memiliki kapasitas perpindahan panas yang lebih tinggi daripada bentuk persegi, hal ini dikarenakan permukaan berbentuk diamond-s memiliki sudut tajam yang menyebabkan pemisahan dan pencampuran aliran fluida yang lebih kuat, sedangkan pada bentuk persegi permukaannya berupa bidang datar yang menyebabkan aliran fluida mengalami gaya gesekan yang besar, sehingga kemampuan untuk meningkatkan perpindahan panas lebih rendah. Dengan
demikian geometri sirip pin secara signifikan mampu mempengaruhi kinerja perpindahan panas.
Hasil penelitian yang telah dilakukan diatas membuktikan bahwa bentuk sirip pin dan jenis susunan sirip pin sangat berpengaruh terhadap perpindahan panas yang terjadi. Namun penulis masih menemukan beberapa kekurangan dari setiap penelitian yang telah dilakukan diatas, diantaranya yaitu jumlah pin yang digunakan tidak terlalu banyak, sehingga membuat jarak anat pin teralalu renggang yang mengakibatkan distribusi perpindahan panas kurang merata.
Kemudian variasi bentuk sirip pin yang dibandingkan terlalu sedikit, karena hanya membandingkan dua bentuk sirip pin saja, dan yang terakhir dari semua penelitian diatas belum ditemukanya percobaan yang menggunakan kombinasi bentuk sirip pin dalam satu susunan. Oleh karena itu, dari kekurangan tersebut penulis mendapatkan gagasan ide untuk melakukan penelitian terkait studi eksperimen perpindahan panas konveksi paksa pada sirip pin dengan variasi geometri segiempat terhadap susunan inline dan staggered.
1.2 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu:
1. Mengetahui pengaruh waktu pengujian terhadap perbedaan temperatur pada sirip pin segiempat, dengan variasi geometri diamond dan kombinasi (diamond- segiempat) untuk susunan inline dan staggered.
2. Mengetahui hubungan Reynolds Number terhadap koefisien konveksi pada sirip pin segiempat, dengan variasi geometri diamond dan kombinasi (diamond- segiempat) untuk susunan inline dan staggered.
3. Mengetahui pengaruh Reynolds Number terhadap Nusselt Number pada sirip pin segiempat, dengan variasi geometri diamond dan kombinasi (diamond- segiempat) untuk susunan inline dan staggered.
4. Mengetahui pengaruh laju perpindahan panas konveksi terhadap nilai efektivitas termal pada sirip pin segiempat, dengan variasi geometri diamond dan kombinasi (diamond-segiempat) untuk susunan inline dan staggered.
5. Mengetahui pengaruh laju perpindahan panas konveksi terhadap nilai efisiensi termal pada sirip pin segiempat, dengan variasi geometri diamond dan kombinasi (diamond-segiempat) untuk susunan inline dan staggered.
1.3 Ruang Lingkup Penelitian
Adapun ruang lingkup penelitian ini yaitu:
1. Sirip pin yang digunakan berbentuk segiempat, dengan variasi geometri diamond yang berbahan dasar aluminium campuran 6061.
2. Menggunakan base plate berbahan dasar aluminium campuran 6061, dengan dimensi ukuran panjang kali lebar (101 x 101) mm, dan tebal 5 mm.
3. Menggunakan isolator base berbahan dasar nylon (polyethylene) dengan dimensi ukuran panjang 160 mm, lebar 130 mm, dan tebal 15 mm.
4. Ukuran sirip pin adalah tinggi 73 mm, mempunyai dimensi sisi 10x10 mm, diameter lubang 3 mm dan kedalaman lubang 10 mm.
5. Variasi susunan yang digunakan pada penelitian tugas akhir ini yaitu inline dan staggered.
6. Alat pengujian dari penelitian menggunakan free and force convection tipe TDI005.
7. Pengujian dilakukan dengan penerapan perpindahan panas konveksi secara paksa (forced convection) dengan variasi kecepatan aliran udara masuk yaitu sebesar 1 m/s, 1,5 m/s, 2 m/s, 2,5 m/s, 3m/s dan daya sebesar 3 W, 6 W, 9 W.
8. Mengabaikan pengaruh radiasi dari dari lingkungan alat pengujian.
9. Mengabaikan pengaruh losses pada rangkaian listrik.
1.4 Metodologi Penelitian
Adapun metodologi penelitian yang dilakukan yaitu:
1. Melakukan studi literatur mengenai fenomena konveksi pada sirip pin yang dilakukan dengan mencari jurnal-jurnal ataupun buku yang mendukung tugas akhir ini.
2. Mendesain dan Merancang spesimen uji yaitu sirip pin segiempat, isolator base dan base plate dengan bentuk segiempat untuk susunan inline dan staggered.
3. Melakukan proses pembuatan sirip pin, isolator base dan base plate sesuai dengan bentuk dan ukuran yang telah ditentukan dan disesuaikan dengan alat uji yang digunakan.
4. Melakukan penggabungan antara bagian sirip pin, base plate, base isolator sesuai dengan susunan dan variasi yang telah di tentukan.
5. Melakukan pengujian spesimen dengan menggunakan alat free and force convection.
6. Melakukan analisis data yang didapat dengan menghitung perbedaan temperatur (∆T), koefisien perpindahan panas konveksi (h), temperatur rata- rata logaritmik (∆TLMTD), bilangan Nusselt (Nu), bilangan Reynolds (Re), efektivitas (), dan efisiensi (η).
1.5 Sistematika Penulisan
Adapun sustematika penulisan pada penelitian ini yaitu:
1. BAB I Pendahuluan
Pada Bab ini berfokus pada penjelasan mengenai latar belakang penelitian, tujuan penelitian, ruang lingkup penelitian, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan.
2. BAB II Tinjauan Pustaka
Pada Bab ini berfokus pada penjelasan mengenai teori-teori yang berkaitan dengan dasar teori yang mendukung topik tugas akhir. Teori yang digunakan antara lain teori mengenai perpindahan panas, sirip pin, jenis susunan sirip pin, material yang digunakan, dan teori perhitungan perpindahan panas terkait konveksi paksa.
3. BAB III Metodologi Penelitian
Pada Bab ini berfokus pada tahapan penelitian serta diagram alir penelitian dari awal perancangan hingga hasil akhir yang didapatkan, tempat dan pelaksanaan penelitian, dan peralatan yang digunakan.
4. BAB IV Hasil dan Pembahasan
Pada Bab ini berfokus pada pengolahan data hasil pengujian, perhitungan data hasil pengujian serta analisis hasil dari perhitungan.
5. BAB V Penutup
Pada Bab ini berfokus pada kesimpulan yang menjawab dari tujuan penelitian dan saran terkait hasil penelitian yang telah didapatkan.
