79

Click here to load reader

STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO Al2O3/ETHYLENE GLYCOL PADA CIRCULAR TUBE

DI BAWAH KONDISI FLUKS KALOR KONSTAN

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

DEFRI IRAWAN NIM. I0406021

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA 2013

Page 2: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

Page 3: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

MOTTO

(Penulis)

Jika kau telah melakukan yang terbaik, kau tidak akan memiliki waktu untuk mengkawatirkan kegagala

(H. Jackson Brown Jr.)

Page 4: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

v

Studi Eksperimental Perpindahan Kalor Konveksi Fluida Nano Al2O3/Ethylene Glycol Pada Circular Tube Dibawah Kondisi Fluks Kalor Konstan

Defri Irawan

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret

Surakarta, Indonesia E-mail : [email protected]

Abstrak

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui nilai konduktifitas termal dan

karakteristik perpindahan kalor dari fluida nano Al2O3/Ethylene Glycol pada circular tube di bawah kondisi fluks kalor konstan. Partikel nano Al2O3 didispersikan ke dalam ethylene glycol sebagai fluida dasar dengan tiga konsentrasi partikel yang berbeda masing-masing 0,2%, 0,5% dan 1,0% w/v. Seksi uji berupa pipa berpenampang lingkaran pada posisi mendatar yang terbuat dari stainless-steel dengan panjang 1,2 m, diameter dalam 0,005 m, dan diameter luar 0,0063 m. Fluks kalor konstan yang digunakan didapatkan dengan melilitkan kawat nikelin pada seksi uji dan dihubungkan dengan catu daya AC. Debit fluida nano yang dialirkan pada seksi uji disesuaikan dengan variasi bilangan Reynolds yaitu sebesar 350-630. Hasil penelitian menunjukkan bahwa konduktifitas termal efektif fluida nano meningkat dari fluida dasarnya, peningkatan tertinggi sebesar 5,81% untuk variasi konsentrasi 1,0% w/v. Untuk nilai bilangan Reynolds yang sama, perpindahan kalor meningkat seiring dengan peningkatan nilai bilangan Nusselt dari fluida dasar ke fluida nano pada posisi x/D = 200 dengan peningkatan tertinggi sebesar 37,62% untuk variasi 1,0% w/v. Pada variasi nilai bilangan Reynolds, peningkatan nilai Nusselt tertinggi untuk x/D = 200 mencapai 45,52% dari nilai bilangan Reynolds 350 hingga 630 untuk variasi 1,0% w/v. Kata kunci : Fluida nano, koefisien perpindahan kalor, konduktifitas termal,

konsentrasi partikel

Page 5: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

vi

Experimental Study of Convection Heat Transfer Al2O3/Ethylene Glycol Nano Fluid on Circular Tube under Constant Heat Flux

Defri Irawan

Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University

Surakarta, Indonesia E-mail : [email protected]

Abstract

This research was conducted to examine the thermal conductivity and heat

transfer characteristic of Al2O3/Ethylene Glycol nanofluid on a circular tube heat exchanger under constant heat flux conditions. Al2O3 nanoparticles were dispersed in ethylene glycol as base fluid at three different particles concentration of 0,2%, 0,5%, and 1,0% w/v, respectively. A straight horizontal stainless-steel tube of 1,2 m length, 0,005 m inner diameter and 0,0063 m outer diameter was used as a test section. A nickelin coil heater was connected to an AC regulated power supply to obtain constant wall heat-flux boundary condition. The flow rates were adjusted to obtain the Reynolds number specification from 350 to 630. The result shows that the nanofluid effective thermal conductivity increases from its base fluid. The highest enhancement of thermal conductivity of the observed nanofluids is 5,81% for nanoparticles concentration of 1,0% w/v. For the same Reynolds number, heat transfer increases with the increase of the Nusselt number from base fluid to nanofluids at x/D = 200 with the highest value of 37,62% for 1,0% w/v. At the Reynolds number variation, the highest Nusselt number enhancement at x/D = 200 reaches 45,52% from Reynolds number 350 to 630 for concentration of 1,0% w/v.

Keywords : Heat transfer coefficient, nano fluid, Nusselt number, particle

concentrations, thermal conductivity

Page 6: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

PERSEMBAHAN

Kepada yang telah berjasa aku persembahkan karya ini. Mereka adalah:

The creator and The master Himself

Terima kasih atas kasih sayang dan cinta yang tak pernah putus dari kalian. Kasih sayang kalian tak akan pernah kulupakan sepanjang hidupku. Semoga

Allah selalu memberikan nikmat, kesehatan, rezeki yang cukup, serta mengampuni segala dosa-dosanya, Amin.

Kakak kakakku tersayang, terima kasih atas bantuan, dorongan, serta semangat yang telah kalian berikan, kalian merupakan bagian terbaik dalam

hidupku

Terima kasih banyak atas support, bimbingan, nasehat, kesabaran, ilmu serta waktu dan pemikiran yang telah diberikan

Seorang gadis dengan sebuah nama, cerita dan cinta

Page 7: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user viii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat ALLAH SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala

limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan

menyelesaikan

Fluida Nano Al2O3/Ethylene Glycol pada Circular Tube di bawah Kondisi Fluks

Kalor Konstan ini dengan baik. Tugas Akhir ini disusun guna memenuhi

persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin

Universitas Sebelas Maret Surakarta.

Dalam Penyelesaian Tugas Akhir ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan

tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung.

Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa

terimakasih yang sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu

dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, terutama kepada:

1. Bapak Didik Djoko Susilo, S.T., M.T, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin

UNS Surakarta.

2. Bapak Eko Prasetyo B., S.T. M.T, selaku Pembimbing I atas bimbingannya

hingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

3. Bapak Budi Kristiawan, ST., MT, selaku Pembimbing II yang telah turut serta

memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.

4. Bapak Dr.techn. Suyitno S.T., M.T., selaku Pembimbing Akademis yang telah

membimbing penulis selama menempuh kuliah.

5. Bapak Wahyu Purwo Raharjo, ST. MT, selaku koordinator Tugas Akhir

6. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut

mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.

7. Papah, Mamah, mas yuni, mbak dewi, serta seluruh keluarga yang tidak bisa

penulis sebutkan satu per satu atas doa restu, motivasi, dan dukungan material

maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.

8. Kawan seperjuangan Tugas Akhir, Endra Dyatmika dan Ivan Kusuma Putra

yang telah berbagi susah, susah dan susah selama peneletian.

Page 8: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user ix

9. Kawan-kawan seperjuangan teknik mesin angkatan unggulan 2006, terima

kasih untuk semuanya, kalian akan selalu kukenang.

10. Keluarga besar Garba Wira Bhuana mapala UNS

11. Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah

membantu pelaksanaan dan penyusunan laporan Tugas Akhir ini.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Tugas Akhir ini masih jauh

dari sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan

Tugas Akhir ini.

Semoga Tugas Akhir ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita

semua Amin.

Surakarta, Desember 2012

Penulis

Page 9: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user x

DAFTAR ISI Halaman

Halaman Judul ...................................................................................................... i Halaman Surat Penugasan ..................................................................................... ii Halaman Pengesahan ............................................................................................ iii Halaman Motto...................................................................................................... iv Halaman Abstrak ................................................................................................... v Halaman Persembahan .......................................................................................... vii Kata Pengantar ..................................................................................................... viii Daftar isi ............................................................................................................... x Daftar Tabel ......................................................................................................... xii Daftar Gambar ...................................................................................................... xiii Daftar Notasi ........................................................................................................ xiv Daftar Lampiran ................................................................................................... xvi BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah ...................................................................... 1 1.2. Perumusan Masalah ............................................................................. 2 1.3. Batasan Masalah .................................................................................. 2 1.4. Tujuan dan Manfaat ............................................................................. 3 1.5. Sistematika Penulisan .......................................................................... 3

BAB II LANDASAN TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka ................................................................................. 5 2.2. Dasar Teori .......................................................................................... 9

2.2.1. Dasar Perpindahan Kalor ........................................................ 9 2.2.2. Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube) ............... 9

2.2.2.1. Kondisi aliran .............................................................. 9 2.2.2.2. Kecepatan rata rata (mean velocity) ........................... 11 2.2.2.3. Temperatur rata rata ................................................. 11 2.2.2.4. Fluks kalor konstan ..................................................... 12

2.2.3. Parameter Tanpa Dimensi ........................................................ 14 2.2.4. Aliran Laminar Dengan Kondisi Fluks Kalor Konstan ........... 15 2.2.5. Fluida Nano ............................................................................. 15

2.2.5.1 Sifat-sifat Fluida Nano .................................................. 15 2.2.5.2 Penentuan Fraksi Volume Fluida Nano ........................ 22 2.2.5.3 Langkah Perhitungan .................................................... 24

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat Penelitian ................................................................................ 27 3.2 Bahan Penelitian .................................................................................. 27 3.3 Skema dan Alat Penelitian ................................................................... 27

Page 10: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user xi

3.4 Prosedur Penelitian .............................................................................. 33 3.4.1 Tahap Persiapan ........................................................................ 34 3.4.2 Tahap Pelaksanaan Penelitian ................................................... 36

3.5 Metode Analisis Data ........................................................................... 36 3.6 Diagram Alir Peneltian ......................................................................... 37

BAB IV DATA DAN ANALISIS

4.1. Data Hasil Pengujian ........................................................................... 38 4.1.1 Data Pengujian Konduktifitas Termal ...................................... 39 4.1.2 Data Penelitian Fluida Nano ..................................................... 40

4.2. Perhitungan Data Hasil ......................................................................... 41 4.2.1. Perhitungan Konduktifitas Termal ........................................... 41

4.2.1.1 Perhitungan untuk mendapatkan persamaan referensi Qinf dari alat .................................................. 41 4.2.1.2 Perhitungan validasi untuk EG pada voltase 60 Volt45 4.2.1.3 Contoh perhitungan data untuk fluida nano

Al2O3/EG 0,2% w/v dengan voltase 60 volt ................. 43 4.2.2. Perhitungan Perpindahan Kalor ................................................ 48

4.2.2.1 Contoh perhitungan untuk data pengujian fluida EG Murni untuk Re 632,01 pada posisi x/D 200 ................ 49

4.2.2.2 Contoh perhitungan untuk data pengujian fluida nano Al2O3/EG 0,2% w/v untuk Re 633,71 pada posisi x/D 200 ....................................................... 51

4.2.2.3 Contoh perhitungan untuk data pengujian fluida nano Al2O3/EG 0,5% w/v untuk Re 635,05 pada posisi x/D 200 ....................................................... 53

4.2.2.4 Contoh perhitungan untuk data pengujian fluida nano Al2O3/EG 1% w/v untuk Re 637,27 pada posisi x/D 200 ....................................................... 56

4.3. Analisa Data 4.3.1 Analisa konduktifitas termal ....................................................... 60 4.3.2 Analisa transfer kalor .................................................................. 62

4.3.2.1 Validasi nilai perpindahan kalor ................................... 62 4.3.2.2 Pengaruh konsentrasi partikel nano terhadap

Karakteristik perpindahan kalor fluida nano ................. 64 4.3.2.3 Pengaruh bilangan Reynolds terhadap

karakteristik perpindahan kalor ..................................... 65

BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ..................................................................................... 69 5.2. Saran .............................................................................................. 69

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 70 LAMPIRAN ......................................................................................................... 72

Page 11: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi untuk meningkatkan

perpindahan kalor (heat transfer enhancement technology) pada penukar kalor

banyak dikembangkan dan dipergunakan pada beberapa aplikasi penukar kalor

antara lain pada sistem pendingin, otomotif, proses industri, dan pemanas air

tenaga surya. Karena telah diketahui bahwa sifat-sifat termal dari fluida kerja

memegang peran yang penting didalam perkembangan efisiensi energi peralatan

perpindahan kalor. Penggunaan fluida perpindahan kalor konvensional seperti

udara, air, mineral oil dan ethylene glycol mempunyai peranan penting dalam

beberapa aplikasi penukar kalor. Ethylene glycol (HO-CH2CH2-OH) merupakan

senyawa yang dapat digolongkan sebagai polialkohol, berupa zat cair yang tidak

berwarna, kental, berasa manis dan dapat larut sempurna didalam air dan fluida

cair lainnya serta memiliki freezing point yang rendah. Ethylene glycol banyak

digunakan digunakan dalam berbagai aplikasi antara lain sebagai fluida

penghilang es (deicing fluids) pada pesawat terbang dan landasannya, sebagai

fluida transfer kalor, serta sebagai bahan baku industri tekstil (MEG Global

Group, 2008). Akan tetapi, penggunaan fluida perpindahan kalor konvensional

tersebut dinilai masih kurang efektif karena memiliki sifat-sifat perpindahan kalor

yang sangat rendah dibandingkan dengan kebanyakan benda padat. Sebagai

akibatnya, suatu usaha dibutuhkan untuk mengembangkan suatu strategi baru

dalam meningkatkan efektivitas perpindahan kalor dari fluida konvensional

tersebut. Dari perkembangan teknologi yang ada, ditawarkan suatu fluida kerja

baru yaitu fluida nano. Fluida nano diperkirakan dapat digunakan sebagai fluida

kerja alternatif untuk menggantikan fluida kerja konvensional tersebut.

Fluida nano pertama kali diperkenalkan oleh Choi (1995) yaitu dispersi

antara fluida cair (yang disebut dengan fluida dasar) dengan partikel solid yang

mempunyai ukuran diameter dalam nanometer. Dari hasil penelitian tersebut

menunjukkan bahwa sifat-sifat termosik fluida nano meningkat dibandingkan

dengan fluida dasarnya. Peningkatan ini karena adanya perubahan pada properties

dari fluida kerja tersebut dibanding dengan menggunakan fluida konvensional

Page 12: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

2

sebagai fluida kerja. Sebelum fluida nano tersebut dapat diaplikasikan untuk

keperluan komersil, diperlukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui

karakteristik perpindahan kalornya. Oleh karena itu, penelitian mengenai

perpindahan kalor fluida nano pada sebuah penukar kalor penting untuk

dikembangkan. Penelitian ini akan menguji karakteristik perpindahan kalor fluida

nano Al2O3/ethylene glycol, pengaruh variasi laju aliran massa dan variasi fraksi

volume pada sebuah alat penukar kalor tubular dibawah kondisi fluks kalor

konstan.

1.2 Perumusan Masalah

1. Bagaimanakah pengaruh variasi fraksi volume terhadap sifat-sifat

termofisik fluida nano Al2O3/ethylene glycol?

2. Bagaimanakah pengaruh variasi laju aliran massa terhadap koefisien

perpindahan kalor fluida nano Al2O3/ethylene glycol?

1.3 Batasan Masalah

Pada penelitian ini masalah dibatasi sebagai berikut ini :

1. Alat penukar kalor berupa tabung (circular tube heat exchanger)

dengan bentuk penampang pipa adalah lingkaran.

2. Penukar kalor terbuat dari stainless steel dengan panjang 1.200 mm,

diameter dalam 5 mm dan diameter luar 6,3 mm.

3. Pengujian dilakukan pada posisi penukar kalor mendatar (horizontal).

4. Fluida dasar yang digunakan dalam pengujian ini adalah ethylene

glycol.

5. Partikel nano yang digunakan dalam dispersi adalah Al2O3 (alumina)

dengan ukuran partikel nominal 13 nm.

6. Sifat termofisik fluida nano yang diukur yaitu konduktivitas termal.

7. Kondisi batas fluks kalor konstan di dinding penukar kalor dengan

mengunakan kawat nikelin yang dililitkan pada pipa penukar kalor dan

disambungkan dengan regulator AC.

8. Gaya magnetik yang ditimbulkan dari aliran listrik diabaikan.

Page 13: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

3

1.4 Tujuan dan Manfaat

Penelitian ini bertujuan untuk:

1. Mengetahui pengaruh konsentrasi partikel nano yang didipersikan ke

dalam ethylene glycol terhadap peningkatan nilai konduktifitas

termalnya.

2. Mengetahui pengaruh penambahan konsentrasi partikel nano Al2O3

pada fluida dasar ethylene glycol terhadap nilai koefisien perpindahan

kalor dan bilangan Nusselt fluida nano Al2O3/EG.

3. Mengetahui pengaruh laju aliran massa terhadap nilai koefisien

perpindahan kalor dan bilangan Nusselt fluida nano Al2O3/EG.

Hasil penelitian yang didapat diharapkan memberi manfaat sebagai

berikut:

1. Mampu memberikan pengetahuan baru yang berguna dalam ilmu

penukar kalor mengenai fluida kerja transfer kalor.

2. Fluida kerja transfer kalor fluida nano diharapkan dapat mendorong

aplikasi alat penukar kalor yang lebih kompak dan ringkas.

1.5 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah,

perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat

penelitian, serta sistematika penulisan.

BAB II : Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan

pengujian menggunakan partikel nano Al2O3 sebagai fluida

kerja pada penukar kalor, aliran dalam sebuah pipa (internal

flow), sifat-sifat termofisik fluida nano dan karakteristik

perpindahan kalor pada penukar kalor.

BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan,

tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan

dan pengambilan data.

Page 14: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

4

BAB IV : Data dan analisis, menjelaskan data hasil pengujian,

perhitungan data hasil pengujian serta analisis hasil dari

perhitungan.

BAB V : Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.

Page 15: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

5

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

Hwang et al. (2009) melakukan penelitian mengenai aliran dan

karakteristik perpindahan kalor konveksi fluida nano Al2O3/air pada aliran

laminar kembang penuh (fully developed laminar flow). Alat yang digunakan

terdiri dari seksi uji, pompa, tangki penampung dan pendingin, serta seperangkat

alat pengontrol dan pengukur. Seksi uji berupa circular tube terbuat dari stainless

stell sepanjang 2.500 mm dengan diameter dalam 1,812 mm. Untuk mendapatkan

kondisi fluks kalor konstan, digunakan pemanas elektrik pada dinding seksi uji

yang dihubungkan pada catu daya AC. Sedangkan untuk mengurangi kehilangan

kalor, seluruh seksi uji dibungkus dengan insulator kalor. Fluida nano yang

digunakan pada penelitian ini adalah Al2O3/air dengan variasi volumetrik antara

0,001% sampai 0,3%. Pompa (HV-77921-40) kecepatan dan debit aliran yang

dapat divariasikan dengan range debit dari 0,4 sampai 21 ml/menit digunakan

untuk mengatur laju aliran sesuai dengan bilangan Reynolds yang diinginkan.

Skema alat yang digunakan pada penelitian terlihat pada gambar 2.1. berikut:

Gambar 2.1. Skema alat uji Hwang et al. (2008)

Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan partikel nano kedalam

fluida dasar meningkatkan koefisien perpindahan kalor fluida kerja secara

signifikan. Semakin tinggi konsentrasi partikel nano yang didispersikan ke dalam

Page 16: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

6

fluida dasar maka semakin tinggi pula nilai koefisien perpindahan kalornya. Hal

ini dapat ditunjukan pada nilai koefisien perpindahan kalor fluida nano Al2O3/air

yang meningkat sampai dengan 8% pada fraksi volume 0,3% dibandingkan

dengan fluida dasar pada rentang bilangan Reynolds yang sama.

Liu dan Yu (2010) melakukan penelitian mengenai karakteristik

perpindahan kalor dari fluida nano Al2O3/air yang mengalir melalui saluran mini

dengan kondisi batas fluks kalor konstan. Alat yang digunakan terdiri dari gear

pump (IDEX micropump 67-GA-V21) untuk mengalirkan fluida nano, flowmeter

(Mc-Millian G111) untuk mengukur laju aliran fluida nano, penukar kalor (Lytron

LL520G14) yang dihubungkan dengan pendingin udara (Neslab MERLIN 25)

untuk mendinginkan fluida nano sebelum mengalir masuk kembali kedalam seksi

uji, serta seperangkat alat pengontrol dan pengukur.tangki penampung dan

pendingin, serta seperangkat alat pengontrol dan pengukur. Alat yang digunakan

untuk melakukan penelitian akan digambarkan pada gambar 2.2. berikut:

Gambar 2.2. Skema alat uji Liu dan Yu (2010)

Seksi uji berupa circular minichannel terbuat dari stainless stell sepanjang

306 mm dengan diameter dalam 1,09 mm dan tebal dinding 0,25 mm. Untuk

mendapatkan kondisi fluks kalor konstan, digunakan pemanas elektrik pada

dinding seksi uji yang dihubungkan pada catu daya DC (Dynatronix CRS12-200).

Sedangkan untuk mengurangi kehilangan kalor, seksi uji dibungkus dengan tiga

lapis insulator kalor. Fluida nano yang digunakan pada penelitian ini adalah

Al2O3/air dengan variasi volumetrik antara 1 %, 2%, 3,5% dan 5%. Rentang

bilangan Reynolds yang digunakan adalah 600-4500. Untuk mendapatkan dispersi

Page 17: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

7

fluida nano yang stabil, partikel nano didispersikan dengan fluida dasar

menggunakan pengaduk magnetik. Kemudian menambahkan surfaktan nitric acid

untuk mengontrol pH fluida nano. Setelah itu larutan dihomogenisaasi dengan

menggunakan ultrasonic dismembrator (Barnant Model 700-5400) dan langkah

terakhir fluida nano diultrasonikasi menggunakan ultrasonicator (Biologics

150VT0) selama dua jam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa baik pada

perpindahan kalor konvektif dan angka Nusselt dari fluida nano meningkat seiring

dengan peningkatan fraksi volume dari partikel nano serta meningkatnya bilangan

Reynolds.

Anoop et al. (2009) melakukan penelitian mengenai pengaruh ukuran dan

konsentrasi partikel nano pada perpindahan kalor konveksi dari fluida nano pada

aliran laminar dengan kondisi fluks kalor konstan. Alat yang digunakan terdiri

dari pompa untuk mengalirkan fluida nano, seksi uji, unit pendingin dan tangki

penampung. Berikut ini adalah skema alat yang digunakan untuk melakukan

penelitian yang digambarkan pada gambar 2.3. berikut:

Gambar 2.3. Skema alat uji Anoop et al. (2009)

Seksi uji berupa circular tube terbuat dari tembaga sepanjang 1.200 mm

dengan diameter dalam 4,75±0,05 mm dan tebal dinding 1,25 mm. Untuk

mendapatkan kondisi fluks kalor konstan, digunakan pemanas elektrik pada

dinding seksi uji yang dihubungkan pada catu daya DC dengan daya mksimum

200 W. Sedangkan untuk mengurangi kehilangan kalor, seksi uji dilapisi dengan

insulator kalor. Fluida nano yang digunakan pada penelitian ini adalah Al2O3/air

dengan variasi ukuran partikel nano 45 nm dan 150 nm dan variasi volumetrik 1

Page 18: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

8

%, 2%, 4% dan 6%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa baik fluida nano

Al2O3/air dengan penambahan partikel nano ukuran 45 nm dan 150 nm

menunjukkan peningkatan karakteristik perpindahan kalor dibandingkan dengan

fluida dasarnya. Penelitian juga menunjukkan bahwa koefisien perpindahan kalor

meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi partikel dan laju aliran.

Torii (2007) melakukan penelitian mengenai perpindahan kalor konveksi

dari nano-diamond partikel nano yang melalui pipa horizontal dengan kondisi

fluks kalor konstan. Seksi uji berupa pipa stainless steel dengan panjang 1000

mm, diameter dalam 4 mm dan diameter luar 4,3 mm. Seksi uji dikalorkan

menggunakan catu daya dengan daya maksimum 1000 W. Alat yang digunakan

untuk melakukan penelitian akan digambarkan pada gambar 2.4. sebagai berikut:

Gambar 2.4. Skema alat uji (Torii, 2007)

Partikel nano yang digunakan memiliki variasi sebesar 0,1%, 0,4%, dan

1% dengan rentang bilangan Reynolds antara 3.000 hingga 6.000. Hasil penelitian

menunjukkan bahwa viskositas dari fluida nano meningkat seiring dengan

meningkatnya konsentrasi partikel pada fluida. Nilai bilangan Reynolds dan

konsentrasi partikel sangat mempengaruhi besarnya nilai koefisien perpindahan

kalor, semakin besar konsentrasi partikel maka semakin besar pula nilai koefisien

perpindahan kalor dari fluida. Dari hasil penelitian juga didapatkan bahwa

semakin tinggi nilai konduktifitas thermal, maka semakin tinggi pula nilai

perpindahan kalornya.

Page 19: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

9

2.2 Dasar Teori

2.2.1 Dasar Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor (heat transfer) adalah ilmu untuk meramalkan

perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur antara benda

dan material. Dari termodinamika telah diketahui bahwa energi yang berpindah

dinamakan kalor (heat), sedangkan ilmu perpindahan kalor tidak hanya

menjelaskan bagaimana energi kalor itu berpindah dari satu benda ke benda lain,

tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan kalor yang terjadi pada kondisi-

kondisi tertentu. Sebagai contoh pada peristiwa pendinginan yang berlangsung

pada suatu batangan baja kalor yang dicelupkan ke dalam air.

Ada tiga macam cara perpindahan kalor bila dilihat dari cara

perpindahannya, yaitu konduksi (hantaran), konveksi (aliran), dan radiasi

(pancaran).

1. Perpindahan kalor secara konduksi

Konduksi adalah perpindahan kalor melalui zat tanpa disertai perpindahan

partikel-partikel zat tersebut yang umumnya terjadi pada zat padat.

2. Perpindahan kalor secara konveksi

Konveksi adalah perpindahan kalor akibat adanya gerakan/perpindahan

molekul dari tempat dengan temperatur tinggi ke tempat yang temperaturnya

lebih rendah disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat perantaranya.

3. Perpindahan kalor secara radiasi

Radiasi adalah perpindahan kalor dengan cara pancaran gelombang cahaya dan

tidak memerlukan zat perantara karena gelombang cahaya dapat merambat

pada ruang hampa.

2.2.2 Aliran Dalam Sebuah Pipa (Internal Flow in Tube)

2.2.2.1 Kondisi aliran

Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai daerah

masuk (entrance region). Terdapat aliran laminar di dalam sebuah pipa bulat

dengan jari jari ro, dimana fluida memasuki pipa dengan kecepatan yang seragam.

Ketika fluida bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkannya tetap

menempel pada dinding pipa (kondisi lapisan batas tanpa slip) dan lapisan batas

(boundary layer) akan berkembang dengan meningkatnya x. Jadi, sebuah lapisan

Page 20: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

10

batas dimana efek viskos menjadi penting timbul di sepanjang dinding pipa

sedemikian rupa sehingga profil kecepatan awal berubah menurut jarak sepanjang

pipa x, sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk, dimana

setelah di luar itu profil kecepatan tidak berubah lagi menurut x. Aliran ini yang

disebut dengan aliran kembang penuh (fully developed flow), dan jarak dari arah

hydrodynamic entry

length Lh. Profil kecepatan pada daerah aliran kembang penuh berbentuk

parabola untuk aliran laminar, sedangkan untuk aliran turbulen berbentuk lebih

datar karena aliran berputar pada arah pipa.

Untuk aliran dalam pipa parameter tak berdimensi yang paling penting

adalah bilangan Reynolds (Re), yaitu menyatakan perbandingan antara efek

inersia dan viskos dalam aliran. Bilangan Reynolds untuk pipa bulat didefinisikan:

Re = (2.1)

dimana :

Re = bilangan Reynolds

= massa jenis fluida (kg/m3)

= viskositas dinamik (kg/m.s)

um = kecepatan rata rata fluida (m/s)

D = diameter dalam pipa (m)

Untuk aliran yang melewati pipa tidak bulat, bilangan Reynolds dihitung

berdasarkan diameter hidrolik, yang didefinisikan :

p

AD c

h

4

(2.2)

dimana :

Dh = diameter hidrolik (m)

Ac = luas penampang aliran (m)

p = keliling terbasahi (wetted perimeter) (m)

Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar atau aliran

turbulen. Kisaran bilangan Reynolds dimana akan diperoleh daerah aliran laminar,

transisi atau turbulen tidak dapat ditentukan dengan tepat. Daerah aliran transisi

dari aliran laminar ke turbulen mungkin berlangsung pada berbagai bilangan

Page 21: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

11

Reynolds, tergantung pada berapa besar aliran terganggu oleh getaran pipa,

kekasaran permukaan, dan hal hal sejenis lainnya. Untuk praktek pada umumnya,

nilai bilangan Reynolds untuk aliran laminar, transisi, dan turbulen adalah sebagai

berikut :

Re < 2.300 aliran laminar (2.3)

aliran transisi (2.4)

Re > 10.000 aliran turbulen (2.5)

Pada pipa yang sangat halus dengan kondisi tanpa gangguan aliran dan tanpa

getaran pada pipa, aliran laminar dapat dipertahankan sampai pada bilangan

Reynolds yang tinggi. Pada aliran berkembang penuh, nilai bilangan Reynolds

untuk terjadinya aliran turbulen adalah Re 2.300.

2.2.2.2 Kecepatan rata rata (mean velocity)

Karena kecepatan selalu bervariasi sepanjang masukan pipa, maka

digunakan kecepatan rata rata (um), untuk menyelesaikan permasalahan mengenai

aliran dalam pipa. Ketika kecepatan rata rata (um) dikalikan massa jenis fluida ( )

dan luasan pipa (A), maka akan didapat nilai laju aliran massa fluida ( m ) yang

melalui pipa. Laju aliran massa fluida didefinisikan sebagai banyak sedikitnya

massa air yang dialirkan tiap satuan waktu. Dituliskan dalam persamaan berkut:

m m.A

(2.6)

2.2.2.3 Temperatur rata rata

Ketika fluida yang mengalir pada pipa dikalorkan atau didinginkan,

temperatur fluida pada setiap penampang pipa berubah dari Ts pada permukaan

dinding ke maksimum (atau minimun pada proses pemanasan) pada pusat pipa.

Untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida dalam pipa, maka digunakan

temperatur rata rata (Tm) yang tetap seragam pada setiap penampang pipa. Tidak

seperti kecepatan fluida, temperatur rata rata (Tm) akan berubah sewaktu waktu

ketika fluida dikalorkan atau didinginkan.

Page 22: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

12

(a) Aktual (b) Rata rata

Gambar 2.5. Profil temperatur aliran dalam pipa (Cengel, 2003)

Temperatur rata rata ini dengan densitas ( ) dan kalor spesifik (Cp) konstan yang

mengalir pada pipa dengan jari jari R adalah

cA cpm pmpfluida A T V m T CT CmE

R

mpm

R

p

p

mm x) rdrT(r,x)V(r,

RVCR

drT C

Cm

mCp TT

022

0 2r 2

(2.7)

Temperatur rata rata (Tm) fluida berubah selama pemanasan atau pendinginan,

sehingga properti fluida pada aliran dalam pipa biasanya dihitung pada temperatur

bulk rata rata fluida (bulk mean temperature), yang merupakan rata rata dari

temperatur rata rata sisi masuk (Tm,i) dan temperatur rata rata sisi keluar (Tm,o),

yaitu :

2

)( ,, omimb

TTT

(2.8)

2.2.2.4 Fluks Kalor Konstan

Besarnya laju aliran massa yang mengalir masuk pada sebuah pipa dengan

satu saluran masuk dan satu saluran keluar pada sistem dalam keadaan setimbang

adalah sama dengan besarnya laju aliran massa yang mengalir keluar,

. Bila energi kinetik dan energi potensial serta kerja dalam sistem

diabaikan, maka kesetimbangan energi untuk suatu fluida di dalam tabung dapat

dinyatakan dengan:

- (2.9)

Page 23: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

13

dimana:

= laju perpindahan kalor fluida (Watt)

= laju aliran massa fluida (kg/s)

Cp = kalor spesifik fluida (kJ/kg.K)

Te = temperatur fluida keluar tabung (K)

Ti = temperatur fluida masuk tabung (K)

Dengan catatan bahwa temperatur fluida yang mengalir di dalam tabung adalah

konstan karena tidak adanya interaksi energi dari dinding tabung seperti yang

terlihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6. Kesetimbangan energi fluida yang mengalir didalam pipa

(Cengel, 2003)

Dalam kasus fluks kalor konstan, laju transfer kalor dapat dinyatakan sebagai

berikut ini :

- (2.10)

Kondisi batas fluks kalor konstan bisa dicapai ketika sebuah pipa dipanaskan

dengan tahanan listrik yang seragam dari segala arah. Fluks kalor konstan pada

permukaan dinding dapat dinyatakan dengan :

= (2.11)

dimana :

= fluks kalor konstan (W/m2)

hx = koefisien perpindahan kalor konveksi lokal (W/m2. °C)

Ts = temperatur permukaan dinding (°C)

Tm = temperatur rata-rata fluida (°C)

Oleh karena itu, ketika hx = h = konstan, temperatur permukaan dinding (Ts) harus

berubah ketika = konstan dan fluks kalor konstan harus berubah ketika Ts

Page 24: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

14

konstan. Sedangkan besarnya nilai koefisien perpindahan kalor lokal fluida

sepanjang x yang mengalir didalam tabung dapat dinyatakan dengan:

= -

- =

- (2.12)

dimana:

hx = koefisien perpindahan kalor konveksi lokal (W/m2. °C)

= laju aliran massa fluida (kg/s)

Cp = kalor spesifik fluida (kJ/kg.K)

Ts,x = temperatur permukaan dinding pada jarak x(°C)

Tm,x = temperatur rata-rata fluida pada jarak x (°C)

2.2.3 Parameter Tanpa Dimensi

Pada penukar kalor metode perpindahan kalor yang terjadi utamanya

adalah konveksi dan konduksi. Persamaan perpindahan kalor konveksi berkaitan

dengan variabel penting yang dinamakan parameter tanpa dimensi

(dimensionless). Parameter tanpa dimensi dalam kaitannya dengan perpindahan

kalor konveksi adalah :

a. Bilangan Reynolds (Reynolds Number)

Bilangan Reynolds (Re) didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya inersia

dengan gaya kekentalan, di dalam lapis batas kecepatan.

Re = (2.13)

Untuk harga Re yang tinggi, gaya inersia akan lebih berpengaruh daripada gaya

kekentalan. Untuk harga Re yang rendah, gaya kekentalan akan lebih

berpengaruh dari gaya inersia.

b. Bilangan Prandtl (Prandtl number)

Bilangan Prandtl (Pr) didefinisikan sebagai perbandingan antara diffusivitas

momentum, (m2/s) , dengan diffusifitas termal, (m2/s). Bilangan Prandtl

menyediakan sebuah pengukuran kerelatifan efektivitas momentum dan

transfer energi dengan cara difusi di dalam kecepatan dan temperatur lapis

batas. Bilangan Prandtl untuk gas hampir serupa, dalam kasusnya transfer

energi dan momentum dengan difusi dapat dibandingkan (Incropera, 1992).

Page 25: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

15

Nilai Pr sangat dipengaruhi oleh pertumbuhan relatif kecepatan dan temperatur

lapis batas.

Pr = = (2.14)

c. Bilangan Nusselt (Nusselt Number)

Bilangan Nusselt (Nu) adalah bilangan tanpa dimensi yang menyatakan

perbandingan antara koefisien perpindahan kalor koveksi (h) terhadap

konduktivitas termal fluida (k). Bilangan ini menyediakan sebuah perhitungan

tentang perpindahan kalor konveksi yang terjadi pada permukaan. Bilangan

Nusselt dapat dirumuskan pada persaman sebagai berikut ini:

Nu = (2.15)

Bilangan Nu merupakan fungsi universal dari bilangan Re, dan bilangan Pr.

Apabila Re dan Pr diketahui, maka dapat digunakan untuk menghitung nilai Nu

untuk fluida, nilai kecepatan, dan skala panjang yang berbeda.

2.2.4 Aliran Laminar Dengan Kondisi Fluks Kalor Konstan

Untuk aliran laminar berkembang penuh (fully developed) dalam sebuah

pipa, dengan kondisi fluks kalor konstan, bilangan Nusselt bernilai konstan, tidak

bergantung kepada bilangan Reynolds dan Prandtl sebagai berikut (Cengel, 2003):

Nu = = 4,36

Bilangan Nusselt juga dapat diketahui melalui persamaan dari Shah untuk aliran

laminar dengan kondisi fluks kalor konstan yang dapat dilihat dari Bejan (2004)

sebagai berikut:

Nu = 1,953 untuk (2.16)

2.2.5 Fluida Nano

2.2.5.1 Sifat-sifat Fluida Nano

Fluida nano adalah suatu dispersi koloid antara fluida cair (yang disebut

dengan fluida dasar) dengan partikel solid yang mempunyai ukuran diameter

dalam nanometer untuk merubah sifat-sifat dasar dari fluida dasar untuk dapat

Page 26: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

16

meningkatkan kemampuan dalam mentransfer kalor. Sistem dispersi secara

sederhana dapat diartikan sebagai larutan atau campuran dua zat yang berbeda

maupun sama wujudnya. Sistem dispersi ditandai dengan adanya zat yang terlarut

dan zat pelarut. Contohnya, jika tiga jenis benda, yaitu pasir, gula dan susu

masing-masing dimasukkan ke dalam suatu wadah yang berisi air, kemudian

diaduk dalam wadah terpisah, maka kita akan memperoleh 3 sistem dispersi.

Pasir, gula dan susu disebut fase terdispersi. Sedangkan air disebut medium

pendispersi. Dispersi koloid disebut juga larutan koloid. Dispersi koloid akan

terjadi jika diameter fasa terdispersi berukuran antara 1 nanometer sampai 100

nanometer. Sifat dispersi koloid terletak diantara suspensi dan larutan. Secara

sepintas, dispersi koloid akan tampak seperti larutan homogen. Namun jika

diamati di bawah mikroskop ultra maka kita masih bisa membedakan antara fase

terdispersi dan medium pendispersi. Sistem ini ditandai dengan kondisi larutan

selalu keruh namun tidak terjadi pengendapan sehingga penyaringan fasa

terdispersi tidak bisa dilakukan. Contoh dispersi koloid adalah dispersi susu di

dalam air, santan, agar-agar yang sudah dimasak, detergen, mentega, selai, dan

lain-lain.

Berikut adalah beberapa sifat-sifat thermofisik dari fluida nano yang dapat

diketahui dari penelitian yang akan dikerjakan:

Densitas Fluida Nano

Densitas dapat didefinisikan sebagai massa suatu zat per satuan volume.

nf = p + (1- ) bf (2.17)

Dimana:

nf = densitas fluida nano (kg/m3)

= fraksi volume fluida nano

bf = densitas fluida dasar (kg/m3)

p = densitas partikel nano (kg/m3)

Persamaan diatas diambil dalam jurnal Anoop et all. (2009).

Viskositas Fluida Nano

Viskositas adalah kekentalan suatu fluida yang merupakan ukuran

besarnya tahanan fluida terhadap gaya geser yang diterima. Terdapat 2 jenis

viskositas, yaitu viskositas absolute dan kinematik. Viskositas absolute atau

Page 27: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

17

dinamik adalah sifat dari fluida yang berhubungan dengan tegangan geser dan

pergerakan fluida. Terjadi pada suatu titik yang dibagi dengan gradien

kecepatannya (besarnya hambatan yang terjadi ketika terdapat suatu lapisan fluida

mencoba bergerak melalui lapisan lain yang sama dengan kecepatan tertentu).

Satuan SI dari viskositas adalah Pa.s [1 kg/(m s)], namun satuan cgs unit yaitu

poise (P) [1 g/(cm s)] juga umum digunakan. Viskositas kinematik didefinisikan

sebagai perbandingan dari viskositas absolute dengan densitas dari temperatur dan

tekanan yang sama. Satuan dari viskositas kinematik adalah m2/s.

Pada penelitian ini, viskositas yang dipakai adalah viskositas dinamik yang

didapatkan dari perhitungan prediksi menggunakan persamaan dari Einstein

(1956) yaitu:

(2.18)

Dimana:

µeff = Viskositas efektif fluida nano

p = Fraksi volume dari partikel

µb = Viskositas dinamik fluida dasar

Kalor Spesifik Fluida Nano

Kalor spesifik dapat didefinisikan sebagai banyaknya energi kalor yang

dibutuhkan untuk mengubah temperatur 1 g zat sebanyak 10C atau 1 K. Untuk

fluida nano dimana terdapat fraksi volume, kalor spesifik efektif fluida nano pada

tekanan konstan (cp,nf) dapat diestimasikan berdasarkan korelasi dari Xuan dan

Roetzel (2000) sebagai berikut:

cp,nf = -

(2.19)

Konduktifitas Termal Fluida Nano

Konduktifitas termal didefinisikan sebagai kemampuan material untuk

menghantarkan kalor. Konduktifitas termal adalah suatu data yang sangat penting

dalam penukar kalor. Koefisien perpindahan kalor sangat dipengaruhi oleh nilai

konduktifitas termal dari fluida kerja. Konduktifitas termal merupakan properties

yang sulit untuk diukur karena sangat bervariatifnya fluida kerja yang ada dan

Page 28: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

18

tidak tersedia data yang cukup untuk setiap fluida kerja. Nilai konduktifitas termal

bisa didapatkan dengan beberapa cara, yaitu:

1. Pengukuran yang sangat detail dari data percobaan yang lengkap.

2. Gabungan dari data percobaan yang terbatas dengan data teori atau data

empirik.

3. Turunan atau persamaan dari data percobaan dari suatu fluida kerja lain dengan

susunan kimia yang sama.

Pada penelitian ini konduktitifitas termal didapatkan dari teori pengujian

steady state dari PA Hilton dan perhitungan. Sebelum melakukan perhitungan

untuk mendapatkan nilai konduktifitas termal, perlu dilakukan kalibrasi dengan

menggunakan fluida yang telah memiliki data nilai konduktifitas termal sebagai

referensi awal. Kemudian melakukan perhitungan untuk mencari besar

perpindahan kalor insidental ( ) yang nantinya akan digunakan untuk

mendapatkan data konduktifitas termal dari fluida nano dengan penambahan

partikel Al2O3 yang belum memiliki data nilai konduktifitas termal sebelumnya.

Nilai konduktifitas termal didapatkan dengan cara menggunakan hasil persamaan

trendline dari grafik antara dan

Perhitungan awal untuk fluida dasar yang dilakukan untuk data referensi yaitu:

a. Mencari temperatur rata-rata:

(2.20)

Dimana:

T1 = Temperatur plug dari alat

T2 = Temperatur jacket dari alat

b. Mencari nilai konduktifitas termal fluida yang digunakan sebagai acuan dari

data referensi yang telah ada sebelumnya. Pada penelitian ini menggunakan air

dan EG murni. Nilai konduktifitas termal dapat dicari dengan meggunakan

interpolasi dari data referensi air dan EG sebagai berikut:

Page 29: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

19

Tabel 2.1. Data referensi nilai k untuk EG (ASHRAE, 2009)

Temperatur ( °C )

Konduktifitas termal (W/m. °C)

30 0,2594 35 0,2597 40 0,2601 45 0,2612 50 0,2614

c. Menghitung beda temperatur:

T = T1 T2 (2.21)

d. Menghitung besar kalor yang terkonduksi melalui fluida dalam alat:

= (2.22)

e. Menghitung daya masuk:

= V × I (2.23)

f. Kemudian didapat besar perpindahan kalor secara insidental dengan

persamaan:

= - (2.24)

Setelah nilai didapatkan, maka dibuat grafik antara dengan .

Grafik ini akan menghasilkan persamaan yang akan digunakan selanjutnya untuk

menentukan nilai konduktifitas termal. Perhitungan lanjut untuk mendapatkan

nilai konduktifitas termal dari fluida dengan penambahan partikel nano yaitu:

a. Menghitung daya masuk:

= V × I

b. Menghitung beda temperatur:

Tnf = T1 T2

c. Mencari perpindahan kalor insidental fluida nano dari grafik yang telah didapat

dari perhitungan referensi.

d. Menghitung kalor yang dikonduksikan melalui fluida nano dengan

penambahan Al2O3 dengan persamaan:

= - (2.25)

Page 30: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

20

e. Menghitung nilai kondukfititas termal fluida nano

knf = (2.26)

Dimana:

knf = Konduktifitas termal dari fluida nano (W/m.°C)

= Perpindahan kalor secara konduksi melalui fluida dasar (Watt)

= Perpindahan kalor secara konduksi melalui fluida nano (Watt)

= Jarak rongga dari tabung dalam dan luar (0,30 mm)

A = Luas area konduksi (0,0133 m2)

T = Perbedaan temperatur antara T1 dan T2 (°C)

= Kalor yang diterima dari elemen (Watt)

= V×I, merupakan voltase dan arus yang didapat pada pengujian.

= Perpindahan kalor insidental (Watt) yaitu seluruh perpindahan

kalor yang terjadi dari elemen ke inti dari alat selain yang

ditransfer melalui konduksi melewati fluida yang sedang diuji.

Meliputi a. Kalor terkonduksi dari inti ke selubung dari alat

b. Kalor teradiasi dari inti ke selubung.

c. Kalor yang hilang ke lingkungan

- = Perpindahan kalor insidental fluida nano yang terjadi saat beda

temperatur tertentu. Didapatkan dari persamaan yang dibuat

berdasarkan kalibrasi awal dengan fluida dasar dengan nilai k

yang telah diketahui sebelumnya (Watt)

Setelah nilai konduktifitas termal dari perhitungan didapatkan, diperlukan

validasi dengan nilai konduktifitas termal dari referensi. Sedangkan untuk nilai

konduktifitas termal dari fluida nano, dilakukan validasi dengan menggunakan

beberapa persamaan empirik yang ada. Pada penelitian ini menggunakan validasi

dengan korelasi dari Yu dan Choi (1993), Hamilton-Crosser (1962), serta Wasp

Model (1977).

Page 31: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

21

Validasi menggunakan persamaan Yu dan Choi (1993) dari jurnal

Duangthongsuk dan Wongwises (2010):

knf = -

- -kw (2.27)

Dimana:

knf = Konduktifitas termal dari fluida nano (W/m.°C)

kw = Konduktifitas termal dari fluida dasar (W/m.°C)

kp = Konduktifitas termal dari partikel nano (W/m.°C)

= fraksi volume fluida nano

konduktifitas

termal dari fluida nano yaitu 0,1 (Bozorgan, 2012)

Validasi menggunakan persamaan Hamilton-Crosser (1962) dari jurnal

Duangthongsuk dan Wongwises (2010):

knf = kw - - - -

- - (2.28)

Dimana:

knf = Konduktifitas termal dari fluida nano (W/m.°C)

kw = Konduktifitas termal dari fluida dasar (W/m.°C)

kp = Konduktifitas termal dari partikel nano (W/m.°C)

= fraksi volume fluida nano

n = empirical shape factor

Nilai n yang digunakan untuk partikel dengan bentuk bulat

(spherical particle) adalah 3 (Torii, 2007)

Validasi menggunakan persamaan Wasp Model (1977) dari jurnal

Duangthongsuk dan Wongwises (2010):

knf = - -

- (2.29)

Page 32: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

22

Dimana:

knf = Konduktifitas termal dari fluida nano (W/m.°C)

kw = Konduktifitas termal dari fluida dasar (W/m.°C)

kp = Konduktifitas termal dari partikel nano (W/m.°C)

= fraksi volume fluida nano

Difusivitas Kalor Fuida Nano

Difusivitas kalor didefinisikan sebagai perbandingan kemampuan cairan

mengkonduksi kalor yang dinyatakan dalam nilai konduktifitas termal terhadap

kemampuan menyimpan kalor yang dinyatakan dalam nilai kapasitas kalor

volumetric ( cp). Korelasi difusivitas kalor dinyatakan sebagai berikut :

nf = (2.30)

Dimana:

nf = Diffusifitas kalor (m2/s)

knf = Konduktifitas termal (W/m.°C)

nfCpnf = Besarnya energi yang disimpan suatu material per volume

nf dikalikan dengan kalor jenis dari

fluida nano Cpnf) (J/m3·°C)

Jadi, difusivitas kalor dari suatu material dapat dikatakan sebagai rasio

dari kalor yang terkonduksi melalui suatu material dengan kalor yang tersimpan

per volume. Persamaan ini didapatkan dari Incropera (2007). Persamaan ini juga

digunakan pada jurnal dari Duangthongsuk dan Wongwises (2010).

2.2.5.2 Penentuan Fraksi Volume Fluida Nano

Pada penelitian ini, digunakan variasi konsentrasi partikel nano pada fluida

dasar. Variasi yang digunakan adalah dengan persen berat partikel terhadap

volume campuran, yaitu sebesar 0,2%, 0,5%, dan 1% w/v. Untuk dapat

dibandingkan dengan jurnal yang ada, persen w/v tersebut harus dikonversikan

menjadi fraksi volume (v/v), yaitu fraksi volume zat terlarut terhadap volume

larutan. Berikut adalah perhitungan konversi dari persen w/v ke fraksi volume.

Page 33: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

23

a. Mencari volume dari partikel pada larutan fluida nano sebagai berikut:

Vp = (2.31)

Dimana:

Vp = Volume dari partikel (cm3)

Wp = Massa dari partikel (gram)

p = Densitas dari partikel (gr/cm3)

b. Mencari besar fraksi volume ( ) dari partikel dengan persamaan sebagai

berikut:

= (2.32)

Dimana:

Vp = Volume dari partikel (cm3)

Vnf = Volume campuran/fluida nano (cm3)

Pada penelitian ini menggunakan fluida nano Al2O3/EG, densitas dari

Al2O3 adalah 4,000 g/cm3 (Sigma-Aldrich).

Untuk 0,2% w/v Al2O3 yaitu 0,2 gram Al2O3 dalam 100 ml campuran, maka

untuk 1 liter campuran dibutuhkan Wp = 2 gram Al2O3.

Vp = = 0,50 cm3

= = 0,00050

Dan persen fraksi volumenya 0,050%

Untuk 0,5% w/v Al2O3 yaitu 0,5 gram Al2O3 dalam 100 ml campuran, maka

untuk 1 liter campuran dibutuhkan Wp = 5 gram Al2O3.

Vp = = 1,25cm3

= = 0,00125

Dan persen fraksi volumenya 0,125%

Untuk 1% w/v Al2O3 yaitu 1 gram Al2O3 dalam 100 ml campuran, maka untuk

1 liter campuran dibutuhkan Wp = 10 gram Al2O3.

Page 34: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

24

Vp = = 2,5 cm3

= = 0,00250

Dan persen fraksi volumenya 0,250%

2.2.5.3 Langkah Perhitungan

Pada penelitian ini, langkah-langkah perhitungan yang akan dilakukan

mula-mula adalah dengan mencari nilai perpindahan kalor untuk pendinginan

pada fluida nano. Perhitungan didefinisikan pada koefisien perpindahan kalor

konvektif lokal sebagai berikut:

hnf-x = -

(2.33)

Dimana:

hnf-x = Koefisien perpindahan kalor lokal dari fluida nano (W/m2K)

= Fluks kalor dari seksi uji (W/m2)

= ( cp(Tout-Tin)) iL

Ti,w(x) = Temperatur dinding dalam tabung (°C)

Tm(x) = Temperatur bulk rata pada posisi x (°C)

Di = Diameter dalam tabung stainless (m)

L = Panjang seksi uji (m)

= Laju aliran massa (kg/s)

= c

cp = Kalor spesifik dari fluida (kJ/kg.K)

Karena temperatur dinding dalam tidak bisa diukur secara langsung,

nilainya dapat dicari dengan menggunakan persamaan konduktifitas termal untuk

silinder dari Pak dan Cho (1991) sebagai berikut:

Ti,w(x) = To,w(x) - - -

- (2.34)

Page 35: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

25

Dimana:

To,w(x) = Temperatur dinding luar (°C)

= Kalor yang disalurkan ke seksi uji (W)

ks = Konduktifitas termal dari pipa (stainless steel) (W/m.°C)

Do = Diamter luar dari pipa (m)

x = Posisi longitudinal dari seksi uji dari saluran masuk (m)

Temperatur bulk rata-rata Tm(x) pada salah satu titik pada seksi uji dapat

ditentukan dari keseimbangan energi di titik mana saja dari pipa dengan fluks

kalor konstan. Untuk dx dari pipa dengan fluida incompressible dan tekanan

diabaikan, dapat dituliskan sebagai berikut:

Dqconv = pdx = cpdTm (2.35)

Dimana keliling dari pipa adalah p = dan dTm adalah temperatur diferensial

rata-rata dari fluida pada bagian tersebut.

Dari persamaan (2.35), maka akan didapat:

dTm = dx (2.36)

Variasi dari Tm terhadap x ditentukan melalui integrasi dari x = 0 ke x, kemudian

didapatkan persamaan sebagai berikut:

Tm(x) = Tin + -

x (2.37)

Mensubstitusikan persamaan (2.34) dan (2.37) kepada persamaan (2.33), koefisien

perpindahan kalor hnf-x didapat melalui persamaan berikut:

-- -

--

- (2.38)

Dengan memasukkan temperatur dinding, temperatur fluida, serta fluks kalor

konstan yang didapat dari pengukuran kedalam persamaan (2.38), maka koefisien

perpindahan kalor dapat diketahui dalam studi ini. Setalah koefisien perpindahan

kalor dari fluida nano diketahui, serta konduktifitas termaldiketahui dari

pengujian. Bilangan Nusselt dapat diketahui dari persamaan berikut ini:

--

(2.39)

Page 36: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

26

Bilangan Nusselt juga dapat diketahui melalui persamaan dari Shah untuk aliran

laminar dengan kondisi fluks kalor konstan yang dapat dilihat dari Bejan (2004)

seperti pada persamaan sebagai berikut:

Nu = 1,953 untuk (2.40)

Page 37: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

27

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tempat Penelitian

Penelitian terdiri dari dua tahap. Tahap pertama yaitu pengambilan data

untuk penelitian konduktifitas termal, dilaksanakan di Laboratorium Fenomena

Dasar Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Pengambilan data

perpindahan kalor dilaksanakan di Laboratorium Perpindahan Kalor dan Massa

Pusat Studi Ilmu Teknik (PSIT) Universitas Gadjah Mada Yogyakarta.

3.2 Bahan Penelitian

a. Partikel nano Al2O3 (718475-Aluminium Oxide)

- Spesifikasi (Sigma-Aldrich) :

assay : 99,8% trace metal basis

particle size : 13 nm

density : 4 g/cm3

b. Alkohol 95 %

c. Ethylene Glycol (HO-CH2CH2-OH)

3.3 Skema dan Alat Penelitian

Gambar 3.1. Skema alat penelitian

Pompa

T3 Tin Tout T5 T1 T2 T4

Pompa

Katup

Katup

Regulated Power

Supply

Seksi Uji

Thermocouple

Reader

Pompa

Tangki

Penampung Tangki

Penampung Pendingin

Tangki p

Page 38: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

28

a. Seksi Uji

Seksi uji berupa penukar kalor dengan spesifikasi:

Konstruksi : penukar kalor circular tube

Arah liran : searah

Bahan pipa (tube) : terbuat dari stainless steel

Gambar 3.2. Pipa stainless steel

Dimensi:

- panjang : 1.200 mm

- diameter dalam : 5 mm

- diameter luar : 6,3 mm

Untuk mendapatkan kondisi fluks kalor konstan, penghantar pemanas

menggunakan kawat nikelin 1 mm yang dililitkan pada pipa stainless

steel dengan dibungkus oleh isolator.

Gambar 3.3. Nikelin dililitkan pada pipa dengan dibungkus isolator

Sistem dilengakapi dengan pendingin yang akan mendinginkan fluida

nano yang keluar dari seksi uji. Pendingin diletakkan dalam tangki

yang dialiri air untuk mendinginkan.

Page 39: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

29

Untuk menahan agar kalor tidak keluar, seksi uji dibungkus dengan

isolator, kemudian dibungkus kembali dengan aluminium foil sebagai

lapisan paling luar.

b. Termokopel

Untuk mengukur temperatur, digunakan termokopel tipe-K. Tipe K

Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy) tersedia untuk rentang

°C hingga ± 1.200 °C. Termokopel ini dipasang pada sisi

masuk dan keluar tabung (untuk mengukur temperatur fluida nano masuk

dan keluar tabung), pada dinding luar tabung 5 buah (untuk mengukur

temperatur dinding luar tabung).

Gambar 3.4. Termokopel

c. Thermocouple Reader

Alat ini digunakan untuk menunjukkan temperatur yang diukur oleh

termokopel.

Gambar 3.5. Thermocouple reader

Page 40: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

30

d. Pompa

Pompa yang digunakan terdapat tiga buah:

Satu pompa digunakan untuk memompa fluida nano dari tangki

penampung masuk ke dalam alat penukar kalor.

Dua pompa untuk mengalirkan air yang digunakan untuk

mendinginkan fluida nano.

e. Tangki penampung

Tangki penampung terdiri atas tiga tangki yaitu:

Tangki penampung fluida nano, digunakan untuk menampung fluida

nano sementara sebelum masuk penukar kalor.

Tangki pendingin, digunakan untuk mendinginkan fluida nano keluar

penukar kalor

Tangki penampung pendingin, digunakan untuk menampung air

pendingin sementara sebelum masuk tangki pendingin,

(a) (b) (c)

Gambar 3.6. Tangki penampung (a) untuk fluida nano, (b dan c) untuk air

f. Stop kran

Stop kran ini dari bahan tembaga yang digunakan untuk mengatur debit

aliran air. Sedangkan cara penggunaannya dengan cara diputar untuk

mengatur debit yang akan diinginkan.

g. Regulated Power Supply

Digunakan sebagai catu daya untuk memanaskan pemanas yang dipasang

pada seksi uji untuk mendapatkan kondisi fluks kalor konstan.

Page 41: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

31

Gambar 3.7. AC Regulated Power Supply

h. Pengaduk magnetik (Magnetic Stirrer)

Digunakan untuk medispersikan dan memanaskan fluida dasar dengan

partikel nano.

Gambar 3.8. Pengaduk magnetik (Magnetic Stirrer)

i. Ultrasonic Vibrator

Digunakan sebagai pendispersi lanjutan untuk fluida nano yang telah

dicampur terlebih dahulu pada Magnetic Stirrer untuk mendapat fluida

nano yang lebih stabil.

Page 42: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

32

Gambar 3.9. Ultrasonic Vibrator

j. Timbangan digital

Digunakan untuk menakar dan menimbang massa partikel nano yang

akan dicampurkan.

k. Thermocontroller dan contactor

Digunakan untuk membatasi keluaran suhu agar tidak terjadi pemanasan

berlebih pada seksi uji. Thermocontroller dihubungkan dengan contactor

atau relay untuk memutus atau menyambung arus listrik yang diatur oleh

temperature controller.

(a) (b)

Gambar 3.10. (a) Temperature Controller (b) Contactor

l. Gelas ukur

Sebagai penakar fluida nano, serta digunakan untuk mengetahui debit

aliran yang keluar dari alat uji.

Page 43: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

33

m. Stopwatch

Stopwatch digunakan untuk mengukur selang waktu yang diperlukan

untuk menampung fluida nano keluar dari penukar kalor dalam jumlah

tertentu dengan menggunakan gelas ukur

n. Thermal Conductivity of Liquid and Gases P.A. Hilton LTD tipe H111

Digunakan untuk menguji nilai konduktivitas termal fluida dasar dan

fluida nano.

Gambar 3.11. Thermal Conductivity of Liquid and Gases P.A. Hilton LTD tipe H111

3.4 Prosedur Penelitian

Peralatan penelitian terdiri dari tiga sistem, yakni sistem pengukuran,

sistem lintasan fluida nano dalam pipa, dan lintasan fluida pendingin. Lintasan

fluida dalam pipa merupakan sebuah lintasan tertutup. Fluida nano yang berada

dalam tangki penampung dialirkan oleh pompa sentrifugal melewati bagian pipa,

mengalir melewati seksi uji dan kembali ke tangki penampung fluida nano.

Pemanas yang merupakan lilitan nikelin dikontrol dengan thermocontroller untuk

mempertahankan temperatur pada pipa stainless agar tidak terjadi pemanasan

berlebih yang mengakibatkan lilitan nikelin putus. Lintasan fluida pendingin

adalah lintasan terbuka. Aliran air dingin menggunakan dua buah pompa dan dua

buah tangki penampung air, di mana aliran air dingin berasal dari tangki

penampung air dingin utama menuju ke tangki pendingin. Air dingin yang keluar

dari tangki pendingin kembali ke tangki air dingin utama.

Page 44: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

34

3.4.1 Tahap Persiapan

Tahap persiapan awal adalah pembuatan dari fluida nano Al2O3/ethylene

glycol. Berikut adalah proses yang akan dilakukan untuk membuat campuran

fluida nano:

1. Menakar dan menimbang partikel nano sesuai variasi yang digunakan (sebesar

0.2, 0.5, dan 1 % konsentrasi partikel nano).

2. Mendispersikan partikel nano yang telah ditakar dan ditimbang dengan

ethylene glycol kedalam gelas ukur dan diaduk menggunakan magnetic stirrer.

3. Melakukan dispersi lanjut menggunakan ultrasonic vibrator untuk

mendapatkan fluida nano yang lebih stabil.

Tahap kedua adalah tahap pengujian nilai konduktivitas termal dari fluida

nano yang akan digunakan. Pengujian konduktivitas termal dari fluida nano

menggunakan alat Thermal Conductivity of Liquid and Gases P.A. Hilton LTD

tipe H111. Prosedur pengujian konduktivitas termal dari fluida nano adalah

sebagai berikut :

Menyiapkan fluida nano yang akan diuji

Menyiapkan alat Thermal Conductivity of Liquid and Gases, suntikan

Merangkai bagian-bagian alat dan mengalirkan pendingin

Memasukkan salah satu fluida nano yang akan diuji ke dalam heater dengan

menggunakan suntikan

Menyalakan Heat Transfer Unit yang bertujuan untuk memanaskan fluida di

dalam heater

Variasi voltase (V) dengan voltase 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180, dan 200

volt

Mencatat data temperatur plug (T1), temperatur jacket (T2), arus (I) yang

terbaca pada Heat Transfer Unit

Mematikan Heat Transfer Unit

Menguras bahan uji di dalam heater hingga bersih supaya tidak terjadi

pencampuran fluida apabila akan melakukan pengujian dengan fluida lain dan

supaya heater tidak berkarat.

Page 45: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

35

Berikut ini diagram alir pengujian konduktivitas termal :

Menyiapkan fluida nano yang akan diuji

Menyiapkan Alat Thermal Conductivity of Liquid and Gases

Mengalirkan pendingin

Memasukkan fluida nano secara bergantian

Mulai

Menghidupkan alat

Selesai

Mematikan alat

Menguras bahan uji

Memvariasi voltase V = 60V, 80V, 100V, 120V, 140V, 160V, 180V, 200V

Mencatat data T1, T2, I

Page 46: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

36

3.4.2 Tahap Pelaksanaan Penelitian

Prosedur yang dilakukan dalam pengambilan data penelitian adalah

sebagai berikut:

1. Memasukkan fluida nano yang telah dibuat kedalam tangki penampung.

2. Mengalirkan fluida nano dengan cara menghidupkan pompa sentrifugal yang

telah terpasang serta mengatur debit dengan memutar stop kran.

3. Mengalirkan fluida pendingin.

4. Mengatur debit aliran dengan menggunakan gelas ukur.

5. Menghidupkan power regulator dan mengatur voltase yang sesuai untuk

memanaskan seksi uji, kemudian menunggu kurang lebih selama satu jam

untuk mendapat kondisi yang stabil dari pemanasan.

6. Melakukan pengambilan data berupa temperatur masuk dan keluar pipa seksi

uji, serta temperatur dinding dari seksi uji.

7. Mengulangi langkah 4 hingga 6 untuk variasi debit aliran yang berbeda.

8. Setelah pengambilan data selesai, mematikan unit pemanas dan melakukan

pendinginan terhadap alat dengan tetap menyalakan pompa fluida nano dan

dua pompa pendingin selama kurang lebih satu jam.

9. Setelah seksi uji dingin, mematikan seluruh unit kelistrikan.

10. Mengulangi langkah 1 hingga 9 untuk konsentrasi fluida nano yang berbeda.

3.5 Metode Analisis Data

Dari data yang telah diperoleh, yaitu berupa temperatur masuk dan keluar

pipa seksi uji, serta temperatur dinding dari seksi uji dan debit aliran fluida,

selanjutnya dapat dilakukan analisis data yaitu dengan:

a. Menentukan sifat-sifat fluida nano ( nf, Cnf, nf, knf,)

b. Menghitung laju aliran massa fluida nano ( )

c. Menghitung laju perpindahan kalor (q)

d. Menghitung nilai fluks kalor konstan ( )

e. Menghitumg temperatur dinding dalam tabung ( )

f. Menghitung temperatur bulk rata-rata ( )

g. Menghitung koefisien perpindahan kalor konveksi lokal ( )

h. Menghitung bilangan Nusselt lokal ( )

Page 47: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

37

3.6 Diagram Alir Penelitian

Pengambilan data:

Debit fluida kerja Temperatur masuk fluida Temperatur keluar fluida Temperatur dinding luar pipa

Mulai

Variasi konsentrasi partikel nano: Fluida kerja (EG) 0% w/v

Fluida kerja Al2O3/EG 0,2% w/v Fluda kerja Al2O3/EG 0,5% w/v Fluida kerja Al2O3/EG 1% w/v

Variasi laju aliran massa mengacu nilai Re:

630 570 520 460 400 350

Analisis data:

Menentukan sifat-sifat fluida nano ( nf, Cnf, nf, knf,) Menghitung laju aliran massa fluida nano ( ) Menghitung laju perpindahan kalor (q) Menghitung nilai fluks kalor konstan ( ) Menghitung temperature dinding dalam tabung Menghitung temperature bulk rata-rata Menghitung koefisien perpindahan kalor konveksi lokal ( ) Menghitung bilangan Nusselt lokal ( )

Kesimpulan

Selesai

Tahap Persiapan: Fluida nano Alat penukar kalor horizontal

circular tube

Page 48: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

38

BAB IV

DATA DAN ANALISIS

Pada bab ini akan dianalisa mengenai pengaruh penambahan partikel nano

Al2O3 dengan variasi 0,2%, 0,5%, dan 1% w/v terhadap nilai konduktifitas termal

dari fluida nano Al2O3/EG, pengaruh penambahan partikel nano Al2O3 dengan

variasi 0,2%, 0,5%, dan 1% w/v terhadap karakteristik perpindahan kalor dan

sifat-sifat dari fluida nano Al2O3/EG, serta pengaruh variasi bilangan Reynolds

aliran fluida nano Al2O3/EG dalam circular tube terhadap karakteristik

perpindahan kalor dari fluida fluida nano Al2O3/EG.

Pengujian konduktifitas termal dilakukan dengan memvariasikan besar

tegangan yang masuk pada alat uji dan kemudian mengambil data berupa besar

tegangan, arus, temperatur masuk dan keluar dari seksi uji. Sedang untuk uji

transfer kalor, dilakukan dengan memvariasikan nilai bilangan Reynolds aliran

fluida nano dalam circular tube dengan mengatur debit fluida yang masuk dalam

circular tube baik untuk fluida dasar, maupun fluida dengan penambahan 0,2%,

0,5%, dan 1% w/v partikel nano Al2O3. Pengujian dilakukan dengan menjaga

fluks kalor pada seksi uji agar tetap konstan, yaitu dengan menjaga besar voltase

dan arus pada regulator sehingga akan didapat besar daya keluaran yang sama

pada tiap regulator. Daya yang dihasilkan dijaga sekitar kurang lebih ± 450 Watt.

Data penelitian diambil setelah data fluida masuk tidak berubah. Data yang

diperoleh dalam pengujian antara lain: tegangan dan arus dari regulator, debit

aliran fluida, temperatur fluida masuk seksi uji, temperatur fluida keluar seksi uji,

serta temperatur dinding luar circular tube. Tiap variasi pengujian, data diambil

setiap 5 menit setelah diperoleh kondisi tunak (steady state). Data-data pada

kondisi tunak ini yang digunakan dalam perhitungan dan analisa data penelitian

4.1 Data Hasil Pengujian

Pengujian terdiri dari dua tahap. Tahap pertama yaitu pengujian

konduktifitas termal, dilaksanakan di Laboratorium Fenomena Dasar Mesin

Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Dan yang kedua yaitu penelitian

Page 49: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

39

perpindahan kalor dilaksanakan di Laboratorium Perpindahan Kalor dan Massa

Pusat Studi Ilmu Teknik (PSIT) Universitas Gadjah Mada Yogyakarta.

4.1.1 Data Pengujian Konduktifitas termal

Setelah pembuatan fluida nano Al2O3/EG selesai maka langkah selanjutnya

adalah pengujian konduktifitas termal EG dan fluida nano Al2O3/EG dengan

variasi 0,2 %, 0,5% dan 1% w/v menggunakan alat Termal Conductivity of Liquid

and Gases P.A. Hilton LTD tipe H111. Hasil pengujian konduktifitas termal dapat

dilihat pada tabel 4.1 hingga 4.4 berikut.

Tabel 4.1. Data pengujian EG

V (volt) I (A) T1 (°C) T2 (°C) T bulk (°C) 60 0,119 35,3 34,3 34,8 80 0,157 35,9 34,5 35,2 100 0,196 37,4 34,7 36,1 120 0,230 38,1 34,0 36,1 140 0,264 39,8 34,2 37,0 160 0,296 42,2 34,8 38,5 180 0,330 45,7 36,1 40,9 200 0,355 48,8 37,1 43,0

Tabel 4.2. Data pengujian Al2O3/EG 0,2% w/v

V (volt) I (A) T1 (°C) T2 (°C) T bulk(°C) 60 0,118 31,2 30,1 30,7 80 0,116 32,0 30,5 31,3 100 0,193 33,2 30,5 31,9 120 0,228 34,6 31,0 32,8 140 0,263 36,6 31,4 34,0 160 0,298 38,4 31,8 35,1 180 0,328 40,7 32,5 36,6 200 0,351 43,4 33,1 38,3

Page 50: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

40

Tabel 4.3. Data pengujian Al2O3/EG 0,5% w/v

V (volt) I (A) T1 (°C) T2 (°C) T bulk(°C) 60 0,119 35,8 34,9 35,4 80 0,158 37,0 35,1 36,1

100 0,196 38,1 35,5 36,8 120 0,230 39,2 35,4 37,3 140 0,264 40,5 35,4 38,0 160 0,296 41,5 34,9 38,2 180 0,330 43,1 34,6 38,9 200 0,356 45,8 35,2 40,5

Tabel 4.4. Data pengujian Al2O3/EG 1% w/v

V (volt) I (A) T1 (°C) T2 (°C) T bulk(°C) 60 0,119 33,5 32,6 33,1 80 0,158 32,9 31,0 32,0

100 0,196 33,8 31,2 32,5 120 0,230 35,3 31,9 33,6 140 0,264 36,8 31,8 34,3 160 0,296 38,5 32,6 35,6 180 0,330 40,6 32,6 36,6 200 0,356 43,1 33,1 38,1

4.1.2 Data Penelitian Fluida Nano

Setelah pengujian konduktifitas termal EG dan fluida nano Al2O3/EG selesai

maka langkah selanjutnya adalah penelitian perpindahan kalor EG dan fluida nano

Al2O3/EG dengan variasi 0,2 %, 0,5% dan 1% w/v. Hasil penelitian perpindahan

kalor dapat dilihat pada tabel dibawah.

Tabel 4.5. Data penelitian fluida dasar EG

Re Debit (LPM)

Tin (°C)

Tout (°C)

Tbulk (°C)

Ts1

(°C) Ts2

(°C) Ts3

(°C) Ts4

(°C) Ts5

(°C) 630±10 2,39 33 36,2 34,6 52,2 55,0 57,0 60,1 61,8 570±10 2,18 33,5 36,8 35,2 52,8 56,0 58,3 61,6 63,0 520±10 1,98 33,8 37,4 35,6 53,8 57,0 59,7 63,0 64,3 460±10 1,77 34,2 38 36,1 54,5 58,1 61,0 64,3 66,0 400±10 1,57 34,3 38,5 36,4 55,3 59,0 62,3 65,8 67,2 350±10 1,36 34,6 38,9 36,8 56,1 60,2 63,9 67,2 68,8

Page 51: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

41

Tabel 4.6. Data penelitian fluida Al2O3/EG 0,2% w/v

Re Debit (LPM)

Tin (°C)

Tout (°C)

Tbulk (°C)

Ts1

(°C) Ts2

(°C) Ts3

(°C) Ts4

(°C) Ts5 (°C)

630±10 2,39 32,6 36,1 34,4 51,8 54,3 56,4 57,8 59,7 570±10 2,18 32,8 36,7 34,8 52,3 55,3 57,7 59,8 61,9 520±10 1,98 33,2 37,2 35,2 53,3 54,1 57,5 60,8 62,7 460±10 1,77 33,7 37,8 35,8 54,3 55,8 57,6 61,7 63,1 400±10 1,57 34,1 38,3 36,2 53,6 56,1 59,5 62,2 63,1 350±10 1,36 34,2 38,9 36,6 55,6 58,8 61,4 65,3 67,7

Tabel 4.7. Data penelitian fluida Al2O3/EG 0,5% w/v

Re Debit (LPM)

Tin (°C)

Tout (°C)

Tbulk (°C)

Ts1

(°C) Ts2

(°C) Ts3

(°C) Ts4

(°C) Ts5

(°C) 630±10 2,39 32,3 36,0 34,2 51,5 54,2 55,7 57,7 58,7 570±10 2,18 32,5 36,3 34,4 51,3 54,2 55,6 58,8 59,7 520±10 1,98 33,0 37,1 35,1 52,3 53,5 57,0 59,7 61,2 460±10 1,77 33,2 37,6 35,4 53,0 54,8 57,4 61,7 63,2 400±10 1,57 33,6 38,2 35,9 53,3 55,7 59,6 62,8 63,2 350±10 1,36 34,0 38,7 36,4 54,9 56,8 60,5 64,5 65,7

Tabel 4.8. Data penelitian fluida Al2O3/EG 1% w/v

Re Debit (LPM)

Tin (°C)

Tout (°C)

Tbulk (°C)

Ts1

(°C) Ts2

(°C) Ts3

(°C) Ts4

(°C) Ts5 (°C)

630±10 2,39 32,0 35,9 33,9 51,0 53,1 53,5 57,5 58,7 570±10 2,18 32,3 36,1 34,2 48,0 50,0 53,1 55,8 58,1 520±10 1,98 32,5 37,0 34,8 51,3 53,3 55,5 59,2 60,5 460±10 1,77 32,8 37,3 35,1 51,1 54,2 56,5 60,5 60,7 400±10 1,57 33,1 38,3 35,7 52,5 55,9 58,0 62,4 62,7 350±10 1,36 33,4 38,6 36,0 53,9 55,3 59,8 64,1 65,5

4.2 Perhitungan Data Hasil

4.2.1 Perhitungan konduktifitas termal

4.2.1.1 Perhitungan untuk mendapatkan persamaan referensi Qinf dari alat:

Untuk mendapatkan nilai konduktifitas termal dari fluida kerja maka perlu

dilakukan kalibrasi dengan menggunakan fluida yang telah memiliki data nilai

konduktifitas termal sebagai referensi awal. Nilai konduktifitas termal didapatkan

dengan cara menggunakan hasil persamaan trendline dari grafik antara dan

Data fluida dasar dapat dilihat pada tabel 4.9 di bawah.

Page 52: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

42

Tabel 4.9. Data untuk fluida EG

V (volt) I (A) T1 (°C) T2 (°C) T bulk (°C) k referensi (W/m. °C)

60 0,119 35,3 34,3 34,8 0,2597 80 0,157 36,1 34,4 35,3 0,2597 100 0,196 37,5 34,6 36,1 0,2598 120 0,230 38,2 33,9 36,1 0,2598 140 0,264 39,8 34,1 37,0 0,2599 160 0,296 42,2 34,8 38,5 0,2601 180 0,330 45,7 36,0 40,9 0,2603 200 0,355 48,9 37,0 43,0 0,2606

Berikut adalah langkah perhitungan untuk mencari nilai pada tegangan 60 Volt,

diketahui data alat:

= Jarak rongga dari tabung dalam dan luar (0,30 mm)

A = Luas area konduksi (0,0133 m2)

Menghitung temperatur rata-rata, Tb:

T b = = = 34,8 °C

Menghitung b

T = T1 T2 = (35,3 34,3) °C = 1 °C

Menghitung kalor yang dikonduksikan melalui fluida, Qc :

=

Nilai k untuk EG pada temperatur rata-rata 34,8 °C adalah 0,2597 W/m.°C

= = 11,51 W

Menghitung daya masukan, Qe:

= V × I = 60 V × 0,119 A = 7,14 W

Menghitung perpindahan kalor insidental

= - = (7,14 11,51) W = -4,37 W

Dengan cara perhitungan yang sama, akan didapatkan nilai Qi untuk seluruh nilai

voltase yang digunakan. Dengan demikian akan dapat dibuat persamaan untuk

Page 53: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

43

mencari Qi yaitu Qi = (-5,7 T) + 2,87 yang bisa digunakan pada perhitungan

lanjutan untuk mendapatkan nilai k fluida nano.

4.2.1.2 Perhitungan validasi untuk EG pada voltase 60 Volt:

Berikut diberikan contoh perhitungan untuk data EG murni pada tegangan

60 Volt dengan data sebagai berikut:

I = 0,119 A

T1 = 35,3 °C

T2 = 34,3 °C

Tb = 34,8 °C

Langkah perhitungan adalah sebagai berikut:

a. Menghitung daya masukan EG, Qe-EG:

Qe-EG = V × I

= 60 V × 0,119 A

= 7,14 W

b. Menghitung beda temperatur untuk EG, EG:

TEG = T1 T2

= (35,3 34,3) °C

= 1 °C

c. Menghitung perpindahan kalor insidental untuk EG, Qi-EG :

Qi-EG = (-5,7 × 1) + 2,87

= -2,83 W

d. Menghitung kalor yang dikonduksikan melalui EG, Qc-EG:

Qc-EG = Qe-EG Qi-EG

= (7,14 (-2,83)) W

= 9,97 W

e. Menghitung konduktifitas termal untuk EG, kEG:

kEG = -

=

= 0,2648 W/m.°C

Page 54: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

44

Dengan langkah perhitungan yang sama maka akan didapatkan nilai konduktifitas

termal dari EG untuk nilai variasi voltase 80-200 volt. Serta dicantumkan pula

nilai konduktifitas termal referensi dari EG yang akan digunakan sebagai

pembanding dari nilai perhitungan yang akan ditunjukkan pada tabel 4.10 sebagai

berikut:

Tabel 4.10. Data hasil perhitungan kalibrasi untuk EG dengan k referensinya

V (volt) I (A) T1 (°C) T2 (°C) T bulk (°C) k (W/m.°C)

k ref. (W/m. °C)

60 0,119 35,3 34,3 34,8 0,2648 0,2597 80 0,158 35,9 34,5 35,2 0,2683 0,2597 100 0,196 37,4 34,7 36,1 0,2860 0,2598 120 0,230 38,1 34,0 36,1 0,2646 0,2598 140 0,264 39,8 34,2 37,0 0,2659 0,2599 160 0,296 42,2 34,8 38,5 0,2642 0,2601 180 0,330 45,7 36,1 40,9 0,2646 0,2603 200 0,356 48,8 37,1 43,0 0,2614 0,2606

Nilai k rata-rata = 0,2669 0,2600

f. Validasi nilai konduktifitas termal

k rata-rata untuk perhitungan pada EG = 0,2669 W/m.k dan,

k rata-rata untuk k referensi EG = 0,2600 W/m.k

Perhitungan persentase ketidaksesuaian dari nilai k perhitungan dan referensi:

% Error = -

× 100

% Error = -

× 100 = 2,7%

4.2.1.3 Contoh perhitungan data untuk fluida nano Al2O3/EG 0,2% w/v

dengan voltase 60 Volt

Berikut diberikan contoh perhitungan untuk fluida nano Al2O3/EG 0,2% w/v

pada tegangan 60 Volt dengan data sebagai berikut:

I = 0,118 A T1 = 31,2 °C

T2 = 30,1 °C Tb = 30,7 °C

Dengan langkah perhitungan adalah sebagai berikut:

Page 55: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

45

a. Menghitung daya masukan Al2O3/EG 0,2% w/v, Qe-nf:

Qe-nf = V × I = 60 V × 0,118 A = 7,08 W

b. Menghitung beda temperatur untuk Al2O3/EG 0,2%, nf:

T nf = T1 T2 = (31,2 30,1) °C = 1,1 °C

c. Menghitung perpindahan kalor insidental untuk Al2O3/EG 0,2% w/v, Qi-nf :

Qi-nf = (-5,7× 1,1) + 2,87 = -3,40 W

d. Menghitung kalor yang dikonduksikan melalui Al2O3/EG 0,2% w/v, Qc-nf:

Qc-nf = Qe-nf Qi-nf = (7,08 (-3,40)) W = 10,48 W

e. Menghitung konduktifitas termal untuk Al2O3/EG 0,2% w/v :

Knf = -

= = 0,2149 W/m.K

Dengan langkah perhitungan yang sama untuk voltase 80-200 volt maka akan

didapatkan nilai perhitungan yang ditunjukkan pada tabel 4.11 sebagai berikut:

Tabel 4.11. Data perhitungan untuk Al2O3/EG 0,2% w/v

V (volt) I (A) T1 (°C) T2 (°C) T bulk (°C) k (W/m.°C)

60 0,118 31,2 30,1 30,7 0,2149 80 0,116 32,0 30,5 31,3 0,2250 100 0,193 33,2 30,5 31,9 0,2658 120 0,228 34,6 31,0 32,8 0,2820 140 0,263 36,6 31,4 34,0 0,2758 160 0,298 38,4 31,8 35,1 0,2817 180 0,328 40,7 32,5 36,6 0,2831 200 0,351 43,4 33,1 38,3 0,2760

f. Validasi nilai konduktifitas termal

Berdasarkan hasil perhitungan didapatkan nilai konduktifitas termal rata-rata

untuk fluida nano Al2O3/EG 0,2% w/v sebesar 0,2630 W/m.°C. Untuk

perhitungan validasi diperlukan data dari fraksi volume dan propertis dari

fluida dasar dan partikel nano yang akan digunakan.

Page 56: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

46

Berikut adalah nilai dari tiap w/v partikel

0,2% w/v = 0,00050

0,5% w/v = 0,00125

1% w/v = 0,00250

Properties dari fluida dan partikel

EG pada Tbulk = 30,7 °C, cp = 2267,6 J/kg.°C

k = 0,2594 W/m.°C

Al2O3 cp = 765 J/kg.°C

k = 40 W/m.°C

Persamaan validasi yang digunakan:

Validasi menggunakan persamaan Yu dan Choi (1993)

knf = -

- -kw

termal dari

fluida nano yaitu 0,1

= -

0,2594

= 0,2602 W/m.°C

% Error = -

× 100

= -

× 100

= 1,1%

Validasi menggunakan persamaan Hamilton-Crosser (1962)

knf = kw - - - -

- -

Nilai yang digunakan untuk partikel dengan bentuk bulat (spherical

particle) adalah 3

Page 57: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

47

= 0,2549 - - - -

- -

= 0,2600 W/m.°C

% Error = - -

- × 100

= -

× 100

= 1,16%

Validasi menggunakan persamaan Wasp Model (1977)

knf =

= 0,2594

= 0,2600 W/m.°C

% Error = -

× 100

= -

× 100

= 1,16%

Dengan perhitungan yang sama bisa didapatkan nilai konduktifitas termal

untuk variasi voltase 80-200 volt dan fluida nano dengan variasi konsentrasi

partikel 0,5% -1 %. Hasil perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.12 di bawah.

Tabel 4.12. Data hasil seluruh perhitungan konduktifitas termal

% w/v Perhitungan Yu and Choi Hamilton-Crosser Wasp model

0,2 0,2630 0,2602 0,2600 0,2600

0,5 0,2677 0,2613 0,2609 0,2609

1,0 0,2748 0,2619 0,2616 0,2616

Page 58: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

48

Sedangkan besarnya persentase kesalahan dari hasil perhitungan dengan

persamaan validasi yang digunakan dalam penelitian ini yaitu Yu dan Choi,

Hamillton-Crosser dan Wasp dapat dilihat pada tabel 4.13 di bawah.

Tabel 4.13. Data validasi konduktifitas termal

% w/v Yu and Choi Hamilton-Crosser Wasp model

0,2 1,11% 1,16% 1,16%

0,5 2,48% 2,60% 2,60%

1,0 4,92% 5,03% 5,03%

4.2.2 Perhitungan perpindahan kalor

Setelah menghitung nilai konduktifitas termal EG dan fluida nano Al2O3/EG

dengan variasi 0,2 %, 0,5% dan 1% w/v selesai maka langkah selanjutnya adalah

perhitungan perpindahan kalor EG dan fluida nano Al2O3/EG. Data sifat-sifat

termofisik fluida dasar didapat dari ekstrapolasi dapat dilihat pada tabel 4.15

berkut:

Tabel 4.14. Propertis EG Murni (ASHRAE, 2009)

T (°C)

Properties EG

kg/m3 µ

kg/m.s Cp

J/kg.°C k

W/m.°C 25 1128,8 0,013661 2236 0,2592 30 1125,6 0,011258 2269 0,2594 35 1122,3 0,009384 2299 0,2597 40 1118,9 0,007919 2330 0,2601 45 1115,3 0,006747 2361 0,2612 50 1111,6 0,005791 2393 0,2614 55 1107,8 0,005008 2425 0,2623 60 1103,9 0,004369 2456 0,2638 65 1099,8 0,003835 2487 0,2639 70 1095,6 0,003369 2518 0,2655

Berikut adalah data dari seksi uji yang digunakan:

Panjang circular tube : 1,2 m

Diameter dalam circular tube : 0,005 m

Diameter luar circular tube : 0,063 m

Luas penampang : 0,0000785 m2

Konduktifitas termal circular tube : 16 W/m.°C

Page 59: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

49

4.2.2.1 Contoh perhitungan untuk data pengujian fluida EG murni untuk Re

632,01 pada posisi x/D = 200.

Berikut adalah data yang akan digunakan:

Temperatur fluida masuk circular tube, Tin : 33 °C

Temperatur fluida keluar circular tube, Tout : 36,2 °C

Temperatur bulk : 34,6 °C

Panjang circular tube pengujian, L : 1,2 m

Temperatur dinding luar pada posisi x, Tw,o : 61,8 °C

Debit fluida, : 2,39 LPM

: 0,0000398 m3/s

: 0,01884 m2

a. Sifat-sifat fluida

Sifat fluida dasar didapat dari interpolasi data referensi (ASHRAE, 2009) pada

Tbulk = 34,6 °C

19,5 kg/m3

Viskositas fluida, µ

µ EG = 0,01796 kg/m.s

Kalor spesifik fluida, cp

cp EG = 2292 J/kg.°C

Konduktifitas termal fluida, k

k EG = 0,2597 W/m.°C

b. Perhitungan transfer kalor

Laju aliran massa, :

= 1119,5 kg/m3 × 0,0000398 m3/s = 0,0446 kg/s

Laju perpindahan kalor, :

= . cp . (Tout-Tin)

= 0,0446 kg/s . 2292 J/kg.°C. (36,2-33) °C = 326,81 W

Page 60: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

50

Fluks kalor konstan, :

= -

= -

= 17346,80 W/m2

Temperatur dinding dalam, Tw(x) :

Ti,w(x) = To,w(x) - - -

-

= 61,8 °C +

- -

-

= 61,40 °C

Temperatur fluida, Tm(x) :

Tm(x) = Tin + -

x

= 33 °C + -

× 1 m

= 35,67°C

Koefisien perpindahan kalor, h(x) :

h(x) = -

= -

= 674,22 W/m2°C

Mencari nilai Bilangan Nusselt :

Nu = = = 12,98

c. Validasi perhitungan bilangan Nusselt rata-rata.

Validasi menggunakan persamaan Shah (Bejan, 2004) untuk Re 632,01 yaitu:

Nu = 1,953 untuk

= 632,01× 158,5 × (0,005 m / 1 m) = 500,86

Page 61: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

51

Nu = 1,953 = 15,51

% Error = × 100

= × 100 = 16,31 %

4.2.2.2 Contoh perhitungan untuk data pengujian fluida nano Al2O3/EG 0,2% w/v

untuk Re 633,71 pada posisi x/D = 200.

Berikut adalah data yang akan digunakan:

Temperatur fluida masuk circular tube, Tin : 32,6 °C

Temperatur fluida keluar circular tube, Tout : 36,1 °C

Temperatur bulk : 34,4 °C

Panjang circular tube pengujian, L : 1,2 m

Temperatur dinding luar pada posisi x, Tw,o : 59,7 °C

Debit fluida, : 2,39 LPM

: 0,0000398 m3/s

: 0,01884 m2

Nilai untuk 0,2% w/v : 0,00050

Sifat fluida dasar didapat dari interpolasi data referensi (ASHRAE, 2009)

pada Tbulk = 34,4 °C

EG bf = 1119,7 kg/m3

cpbf = 2290,07 J/kg.°C

kbf = 0,2597 W/m.°C

µbf = 0,01792 kg/m.s

Al2O3 p = 4000 kg/m3

cp = 765 J/kg.°C

k = 40 W/m.°C

a. Sifat-sifat fluida

nf = -

Page 62: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

52

= -

= 1121,14 kg/m3

Viskositas fluida, µ

µeff =

= = 0,01793 kg/m.s

Kalor spesifik fluida, cp

cp,nf = -

=

-

= 2289,8 J/kg.°C

Konduktifitas termal fluida, k

Konduktifitas termal didapat dari perhitungan pengujian.

k Al2O3/EG 0,2% = 0,2630 W/m.°C

b. Perhitungan transfer kalor

Laju aliran massa, :

= 1121,14 kg/m3 × 0,0000398 m3/s = 0,0446 kg/s

Laju perpindahan kalor, q :

= . cp . (Tout-Tin)

= 0,0446 kg/s . 2289,8 J/kg.°C . (36,1-32,6) °C = 353,39 W

Fluks kalor konstan, :

= -

= -

= 18757,39 W/m2

Page 63: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

53

Temperatur dinding dalam, Tw(x) :

Ti,w(x) = To,w(x) - - -

-

= 59,7 °C -

- -

-

= 59,28 °C

Temperatur fluida, Tm(x) :

Tm(x) = Tin + -

x

= 32,6 °C + -

× 1 m

= 35,52°C

Koefisien perpindahan kalor, h(x) :

h(x) = -

= -

= 789,48 W/m2°C

Mencari nilai Bilangan Nusselt :

Nu = = = 15,01

4.2.2.3 Contoh perhitungan untuk data pengujian fluida nano Al2O3/EG 0,5% w/v

untuk Re 635,05 pada posisi x/D = 200.

Berikut adalah data yang akan digunakan:

Temperatur fluida masuk circular tube, Tin : 32,3 °C

Temperatur fluida keluar circular tube, Tout : 36,0 °C

Temperatur bulk : 34,2 °C

Panjang circular tube pengujian, L : 1,2 m

Temperatur dinding luar pada posisi x, Tw,o : 58,7 °C

Debit fluida, : 2,39 LPM

: 0,0000398 m3/s

Page 64: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

54

: 0,01884 m2

Nilai untuk 0,5% w/v : 0,00125

Sifat fluida dasar didapat dari interpolasi data referensi (ASHRAE, 2009)

pada Tbulk = 34,2 °C

EG bf = 1119,8 kg/m3

cpbf = 2289,5 J/kg.°C

kbf = 0,2597 W/m.°C

µbf = 0,01787 kg/m.s

Al2O3 p = 4000 kg/m3

cp = 765 J/kg.°C

k = 40 W/m.°C

c. Sifat-sifat fluida

Densitas fluida,

nf = -

= -

= 1123,4 kg/m3

Viskositas fluida, µ

µeff =

= = 0,01792 kg/m.s

Kalor spesifik fluida, cp

cp,nf = -

= -

= 2284,3 J/kg.°C

Konduktifitas termal fluida, k

Konduktifitas termal didapat dari perhitungan pengujian.

k Al2O3/EG 0,5% w/v = 0,2677W/m.°C

Page 65: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

55

d. Perhitungan transfer kalor

Laju aliran massa, :

= 1123,4 kg/m3 × 0,0000398 m3/s = 0,0447 kg/s

Laju perpindahan kalor, q :

= . cp . (Tout-Tin)

= 0,0447 kg/s . 2284,3 J/kg.°C . (36,0-32,3) °C = 377,48 W

Fluks kalor konstan, :

= -

= -

= 20036,09 W/m2

Temperatur dinding dalam, Tw(x) :

Ti,w(x) = To,w(x) - - -

-

= 58,7°C -

= 58,26°C

Temperatur fluida, Tm(x) :

Tm(x) = Tin + -

x

= 32,3 °C + -

× 1 m

= 35,38 °C

Koefisien perpindahan kalor, h(x) :

h(x) = -

= -

= 875,73 W/m2°C

Page 66: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

56

Mencari nilai Bilangan Nusselt :

Nu = = = 16,36

4.2.2.4 Contoh perhitungan untuk data pengujian fluida nano Al2O3/EG 1% w/v

untuk Re 637,27 pada posisi x/D = 200.

Berikut adalah data yang akan digunakan:

Temperatur fluida masuk circular tube, Tin : 32,0 °C

Temperatur fluida keluar circular tube, Tout : 35,9 °C

Temperatur bulk : 33,9 °C

Panjang circular tube pengujian, L : 1,2 m

Temperatur dinding luar pada posisi x, Tw,o : 58,6 °C

Debit fluida, : 2,39 LPM

: 0,0000398 m3/s

: 0,01884 m2

Nilai untuk 1% w/v : 0,00250

Sifat fluida dasar didapat dari interpolasi data referensi (ASHRAE, 2009)

pada Tbulk = 33,9 °C

EG bf = 1120 kg/m3

cpbf = 2287,6 J/kg.°C

kbf = 0,2596 W/m.°C

µbf = 0,01781 kg/m.s

Al2O3 p = 4000 kg/m3

cp = 765 J/kg.°C

k = 40 W/m.°C

a. Sifat-sifat fluida

nf = -

= -

= 1127,2 kg/m3

Page 67: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

57

Viskositas fluida, µ

µeff =

= = 0,01793 kg/m.s

Kalor spesifik fluida, cp

cp,nf = -

= -

= 2276,2 J/kg.°C

Konduktifitas termal fluida, k

Konduktifitas termal didapat dari perhitungan pengujian.

k Al2O3/EG 1% w/v= 0,2748 W/m.°C

b. Perhitungan transfer kalor

Laju aliran massa, :

= 1127,2 kg/m3 × 0,0000398 m3/s = 0,0448 kg/s

Laju perpindahan kalor, q :

= . cp . (Tout-Tin)

= 0,0448 kg/s . 2276,2 J/kg.°C . (35,9-32,0) °C = 395,01 W

Fluks kalor konstan, :

= -

= -

= 20966,65 W/m2

Temperatur dinding dalam, Tw(x) :

Ti,w(x) = To,w(x) - - -

-

Page 68: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

58

= 58,6 °C -

= 58,17 °C

Temperatur fluida, Tm(x) :

Tm(x) = Tin + -

x

= 32,0 °C + -

× 1 m

= 35,23 °C

Koefisien perpindahan kalor, h(x) :

h(x) = -

= = 913,74 W/m2°C

Mencari nilai Bilangan Nusselt :

Nu = = = 16,63

Dengan menggunakan langkah perhitungan yang sama maka akan didapatkan

nilai perhitungan untuk posisi axial x/D = 0 sampai dengan x/D = 200. Nilai

Bliangan Nusselt hasil perhitungan pada posisi axial x/D = 200 untuk setiap

bilangan Reynolds dengan toleransi 10% dapat dilihat pada tabel 4.12 sampai

dengan 4.15 berikut.

Tabel 4.15. Bilangan Nusselt EG pada setiap x/D

X (cm) X/D Bilangan Nusselt

Re 630±10 Re 570±10 Re 520±10 Re 460±10 Re 400±10 Re 350±10 20 40 20,07 18,71 17,77 16,50 15,50 13,34 40 80 16,77 15,41 14,78 13,57 12,82 10,97 60 120 15,37 14,00 13,26 12,14 11,36 9,63 80 160 13,65 12,40 11,82 10,88 10,17 8,74 100 200 12,98 11,95 11,47 10,43 9,90 8,47

Page 69: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

59

Tabel 4.16. Bilangan Nusselt fluida nano Al2O3/EG 0,2% w/v pada setiap x/D

X(cm) X/D Bilangan Nusselt

Re 630±10 Re 570±10 Re 520±10 Re 460±10 Re 400±10 Re 350±10 20 40 21,72 22,13 19,68 17,47 16,92 14,69 40 80 18,37 18,32 18,44 15,94 14,55 12,55 60 120 16,74 16,56 15,84 14,80 12,67 11,43 80 160 15,98 15,45 14,02 12,68 11,56 10,08 100 200 15,01 14,45 13,27 12,27 11,44 9,51

Tabel 4.17. Bilangan Nusselt fluida nano Al2O3/EG 0,5% w/v pada setiap x/D

X (cm) X/D Bilangan Nusselt

Re 630±10 Re 570±10 Re 520±10 Re 460±10 Re 400±10 Re 350±10 20 40 22,99 21,95 20,88 19,48 18,13 14,82 40 80 19,23 18,16 19,06 17,37 15,75 13,36 60 120 18,04 17,20 16,26 15,58 13,37 11,56 80 160 16,73 15,12 14,69 13,24 12,03 10,14 100 200 16,36 14,88 14,14 12,78 12,15 9,94

Tabel 4.18. Bilangan Nusselt fluida nano Al2O3/EG 1% w/v pada setiap x/D

X (cm) X/D Bilangan Nusselt

Re 630±10 Re 570±10 Re 520±10 Re 460±10 Re 400±10 Re 350±10 20 40 23,98 26,78 23,50 21,43 20,65 16,65 40 80 20,50 22,51 20,28 17,51 16,90 15,35 60 120 20,37 19,02 18,43 15,94 15,64 12,77 80 160 17,12 16,89 15,92 13,67 13,39 11,02 100 200 16,63 15,52 15,46 13,91 13,62 10,78

Page 70: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

60

4.3 Analisa Data

4.3.1 Analisa konduktifitas termal

Pada penelitian ini, fluida dasar yang digunakan adalah ehylene glycol.

Dengan adanya penambahan partikel nano pada fluida dasar, maka akan terjadi

perubahan nilai konduktifitas termal yang akan mempengaruhi kemampuan

transfer kalor dari fluida kerja tersebut. Untuk itu diperlukan pengujian nilai

konduktifitas termal sebelum melakukan pengujian perpindahan kalor fluida nano

Al2O3/EG. Setelah hasil pengujian untuk fluida dasar didapatkan, maka perlu

dilakukan uji validasi nilai konduktifitas termal dari perhitungan dengan nilai

konduktifitas termal dari referensi yang ada. Perbandingan antara data penelitian

dari fluida dasar dengan data referensi dapat dilihat pada gambar 4.1 dengan nilai

error bar sebesar 2%.

Gambar 4.1. Grafik perbandingan antara k referensi dengan k eksperimen dari EG

Nilai konduktifitas termal rata-rata EG hasil perhitungan sebesar 0,2669

W/m.oC sedangkan nilai konduktifitas termal referensi sebesar 0,2600 W/m.oC.

Penyimpangan rata-rata nilai konduktifitas termal aktual dari perhitungan dengan

nilai konduktifitas termal dari referensi sebesar 2,7%. Persentase ketidaksesuaian

nilai perhitungan dengan data referensi memiliki trend yang sama dengan

referensi dari Duangthongsuk dan Wongwises (2010) yaitu sebesar 2,5%.

Sedangkan untuk pengujian dan perhitungan menggunakan fluida nano,

perhitungan divalidasi dengan menggunakan korelasi-korelasi empirik untuk nilai

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

36 38 40 42 44

Kond

uk,

fitas

Ter

mal

(W/m

.0C)

Temperatur rata-rata (0C)

k referensi (ASHRAE)

k perhitungan

Page 71: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

61

konduktifitas termal yang ada. Hasil pengujian nilai konduktifitas termal

dibandingkan dengan persamaan Yu dan Choi, Hamilton-Crosser, serta Wasp

Model. Perbandingan data perhitungan penelitian dengan korelasi-korelasi

empirik dapat dilihat pada gambar 4.2. dengan nilai error bar sebesar 5%. Nilai

konduktifitas termal fluida nano Pada gambar 4.2 membandingkan nilai

konduktifitas termal dari fluida nano Al2O3/EG dengan variasi konsentrasi 0,2%,

0,5%, dan 1% w/v dengan nilai dari persamaan untuk Yu dan Choi, Hamilton-

Crosser, serta Wasp model untuk konsentrasi yang sama.

Gambar 4.2. Grafik hubungan k dari perhitungan dengan korelasi empirik.

Dari gambar 4.2 ketidaksesuaian nilai konduktifitas termal fluida nano

perhitungan dengan korelasi Yu dan Choi untuk konsentrasi 0,2% , 0,5%, dan 1%

berturut-turut adalah sebesar 1,11%, 2,48% dan 4,92%. Hamilton-Crosser untuk

konsentrasi 0,2%, 0,5%, dan 1% berturut-turut adalah sebesar 1,16%, 2,60% dan

5,03%. Sedangkan dengan Wasp Model untuk konsentrasi 0,2% adalah sebesar

1,16%, untuk konsentrasi 0,5% sebesar 2,60% dan untuk konsentrasi 1% sebesar

5,03%. Penyimpangan nilai konduktifitas termal dari data perhitungan

dibandingkan dengan korelasi Yu dan Choi, Hamilton-Crosser, serta Wasp Model

dibawah 5%. Trend yang sama juga terjadi pada penelitian Liu dan Yu (2010)

sehingga data nilai konduktifitas termal dari fluida nano yang digunakan adalah

valid.

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Kond

uk,

fita

Term

al (W

/m.0

C)

Persen w/v

Perhitungan

Yu dan Choi

Hamilton-Crosser

Wasp

Page 72: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

62

Pada perhitungan untuk mendapatkan nilai konduktifitas termal dari fluida

nano, didapatkan data sebesar 0,2630 W/m.°C untuk Al2O3/EG 0,2% w/v,

0,2602W/m.°C dari validasi dengan menggunakan korelasi dari Yu dan Choi,

0,2600 W/m.°C dari validasi dengan menggunakan persamaan Hamilton-Crosser

dan Wasp Model. Sedangkan nilai konduktifitas termal hasil perhitungan untuk

fluida nano Al2O3/EG 0,5% w/v 0,2677 W/m0°C, 0,2613 W/m.°C dari validasi

dengan menggunakan korelasi dari Yu dan Choi, 0,2609 W/m.°C dari validasi

dengan menggunakan persamaan Hamilton-Crosser dan Wasp Model. Nilai

konduktifitas termal hasil perhitungan untuk fluida nano Al2O3/EG 1% w/v

0,2748 W/m.°C, 0,2619 W/m.°C dari validasi dengan menggunakan korelasi dari

Yu dan Choi, 0,2616 W/m.°C dari validasi dengan menggunakan persamaan

Hamilton-Crosser dan Wasp Model. Dari gambar 4.2. terlihat bahwa nilai

konduktifitas termal fluida nano hasil perhitungan meningkat signifikan seiring

dengan meningkatnya penambahan konsentrasi partikel dibandingkan dengan nilai

konduktifitas termal korelasi. Dari hasil menunjukkan bahwa penambahan partikel

nano kedalam fluida dasar dapat mempengaruhi nilai konduktifitas termal dari

fluida kerja. Peningkatan nilai konduktifitas termal tertinggi sebesar 5,81% untuk

variasi konsentrasi 1,0% w/v.

4.3.2 Analisa transfer kalor

4.3.2.1 Validasi nilai perpidahan kalor

Sebelum melakukan pengujian karakteristik perpindahan kalor fluida nano

Al2O3/EG, harus dilakukan uji validitas nilai perpindahan kalor yang dapat dilihat

dari nilai bilangan Nusseltnya dengan korelasi empirik untuk perpindahan kalor

yang ada. Dari uji validitas dapat diketahui berapa persen penyimpangan nilai

perpindahan kalor dari fluida dasar dibandingkan dengan korelasi empirik yang

ada. Hasil perpindahan kalor dari fluida dasar akan dibandingkan dengan

persamaan dari Shah. Dari data yang telah didapatkan, maka akan dapat diketahui

nilai perpindahan kalor yang terjadi pada fluida nano. Perbandingan antara data

penelitian dari fluida dasar dengan korelasi empirik pada posisi axial dapat dilihat

pada gambar 4.3 berikut.

Page 73: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

63

Gambar 4.3. Grafik hubungan Nu dengan posisi axial untuk fluida dasar.

Pada gambar 4.3 terlihat bahwa nilai perpindahan kalor perhitungan

dibawah nilai prediksi dari korelasi Shah, hal ini dapat terjadi antara lain karena

perbedaan penggunaan ukuran circular tube seksi uji, rentang variasi bilangan

Reynolds serta kondisi dan konfigurasi seksi uji. Fenomena ini juga terjadi pada

Murshed et al (2008 dan 2011), serta Wen & Ding (2004). Namun pada penelitian

ini terdapat kesesuaian trend dari data penelitian dengan data persamaan Shah

Namun pada penelitian ini terdapat kesesuaian trend dari data penelitian dengan

data persamaan Shah. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa data yang

didapatkan dari penelitian ini sudah sesuai, dilihat dari kesamaan dengan trend

yang ada.

Dari data yang telah didapatkan, maka akan dapat diketahui nilai

perpindahan kalor yang terjadi pada fluida nano. Data hasil perhitungan akan

dibandingkan dengan nilai korelasi dari Shah. Untuk perbandingan antara data

perpindahan kalor dari data penelitian dengan hasil perhitungan korelasi empirik

yang ada pada variasi bilangan Reynolds dapat dilihat dari gambar 4.4 berikut.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 50 100 150 200 250

Nu

x/D

EG Murni pada Re 630EG Murni pada Re 570Korelasi Shah pada Re 630Korelasi Shah pada Re 570

Page 74: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

64

Gambar 4.4. Grafik hubungan Nu dengan Re untuk fluida dasar untuk x/D = 200.

Dari gambar 4.4, penyimpangan rata-rata nilai aktual Nu dari fluida dasar

dengan korelasi Shah sebesar 23,8% dibawah korelasi Shah. Hal ini sesuai dengan

gambar 4.4 yang menyebutkan bahwa terjadi overpredict dari korelasi Shah, yang

memiliki nilai Nu yang lebih tinggi dari nilai perhitungan. Namun trend yang

didapat dari data perhitungan sudah sesuai dengan korelasi dan dari penelitian Liu

dan Yu (2010) , Torii (2007) dan Murshed et al. (2008)

4.3.2.2 Pengaruh konsentrasi partikel nano terhadap karakteristik perpidahan kalor

fluida nano.

Pada pengujian karakteristik perpindahan kalor dari fluida nano Al2O3/EG

pada circular tube mendatar ini dilakukan dengan memvariasikan konsentrasi

partikel nano pada fluida nano sebesar 0,2%, 0,5%, dan 1% w/v. Pengaruh variasi

konsentrasi partikel nano dapat dilihat pada gambar 4.5 untuk posisi aksial x/D =

160 dan gambar 4.6 untuk posisi aksial x/D = 200. Karakteristik perpindahan

kalor dari fluida kerja ini dapat dilihat dari hubungan antara bilangan Nusselt

dengan konsentrasi partikel (w/v). Dari gambar 4.5 dan 4.6 menunjukkan bahwa

konsentrasi partikel mempengaruhi nilai bilangan Nusselt yang didapat. Dapat

dilihat bahwa bilangan Nusselt meningkat cukup signifikan dari fluida dasar ke

fluida nano seiring bertambahnya jumlah konsentrasi partikel nano.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

300 400 500 600 700

Nu

Re

EG MurniKorelasi Shah

Page 75: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

65

Gambar 4.5. Grafik hubungan Nu dengan konsentrasi partikel untuk x/D = 160.

Gambar 4.6. Grafik hubungan Nu dengan konsentrasi partikel untuk x/D = 200.

Peningkatan nilai bilangan Nusselt dari fluida dasar ke fluida nano pada

posisi x/D = 200 dengan peningkatan tertinggi sebesar 37,62% untuk variasi 1,0%

w/v. Fenomena peningkatan nilai perpindahan kalor ini serupa dengan hasil

penelitian dari Anoop et al. (2009) dan Murshed et al. (2008). Peningkatan ini

terjadi karena adanya peningkatan nilai konduktifitas termal dari fluida kerja yang

dapat mempengaruhi perpindahan kalor dari fluida kerja tersebut.

0

5

10

15

20

25

30

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Nu

Konsentrasi Par,kel (w/v)

Re 630 Re 570 Re 520

Re 460 Re 400 Re 350

0

5

10

15

20

25

30

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Nu

Konsentrasi Par,kel (w/v)

Re 630 Re 570 Re 520

Re 460 Re 400 Re 350

Page 76: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

66

4.3.2.3 Pengaruh Bilangan Reynolds terhadap karakteristik perpidahan kalor

Pengujian karakteristik perpindahan kalor dari fluida kerja pada penelitian

ini dilakukan dengan memvariasikan aliran bilangan Reynolds di circular tube

serta konsentrasi partikel nano dalam fluida dasar. Pengaruh variasi bilangan

Reynolds aliran fluida di circular tube serta pengaruh variasi konsentrasi partikel

pada fluida kerja terhadap nilai koefisien perpindahan kalor dapat dilihat pada

gambar 4.7 untuk posisi aksial x/D = 160 dan gambar 4.8 untuk posisi aksial x/D

= 200. Sedangkan perngaruh dari variasi bilangan Reynolds aliran fluida di

circular tube serta pengaruh variasi konsentrasi partikel pada fluida kerja terhadap

nilai perpindahan kalor dapat dilihat pada gambar 4.8. Karakteristik perpindahan

kalor dari fluida kerja ini dapat dilihat dari hubungan antara koefisien perpindahan

kalor dengan bilangan Reynolds, sedangkan untuk perpindahan kalor dari fluida

kerja ini dapat dilihat dari hubungan antara bilangan Nusselt dengan bilangan

Reynolds.

Gambar 4.7. Grafik hubungan koefisien perpindahan kalor dengan

Re fluida kerja pada x/D = 160.

0

500

1000

1500

2000

300 400 500 600 700

h (W

/m20

C)

Re

EG Murni 0,20%

0,50% 1%

Page 77: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

67

Gambar 4.8. Grafik hubungan koefisien perpindahan kalor dengan

Re fluida kerja pada x/D = 200.

Gambar 4.7 dan 4.8 terlihat bahwa terdapat peningkatan yang cukup

signifikan dari nilai koefisien perpindahan kalor dari fluida kerja. Dari gambar

didapati bahwa nilai koefisien perpindahan kalor akan semakin meningkat seiring

dengan meningkatnya bilangan Reynolds dan konsentrasi partikel nano. Pada tiap

variasi nilai bilangan Reynolds, peningkatan nilai Nusselt tertinggi untuk x/D =

200 mencapai 45,52% dari nilai bilangan Reynolds 350 hingga 630 untuk variasi

konsentrasi partikel Al2O3 1,0% w/v.

Gambar 4.9. Grafik hubungan Nu dengan Re fluida kerja pada x/D = 200.

0 C)

Page 78: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

68

Dari gambar 4.9 juga terlihat bahwa peningkatan nilai Nu yang cukup

signifikan dibandingkan nilai Nu yang didapatkan untuk fluida dasarnya.

Peningkatan tersebut memiliki trend yang sama dengan peningakatan nilai

koefisien perpindahan kalor pada gambar 4.7 dan gambar 4.8. Nilai Nu akan

semakin meningkat seiring dengan meningkatnya nilai bilangan Reynolds dan

konsentrasi partikel. Fenomena peningkatan nilai perpindahan kalor ini serupa

dengan hasil penelitian dari Anoop et al. (2009), Liu dan Yu (2011) serta Hwang

et al. (2009),

Bilangan Reynolds (Re) didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya

inersia dengan gaya kekentalan. Untuk harga Re tinggi, gaya inersia akan lebih

berpengaruh daripada gaya kekentalan, sedangkan untuk harga Re rendah, gaya

kekentalan lebih berpengaruh dari gaya inersia. Hal ini mempengaruhi tebalnya

lapis batas, karena gaya inersia akan menekan lapis batas, atau dengan kata lain

semakin besar Re semakin tipis lapis batas. Pada daerah dekat sisi masuk fluida,

gaya inersia lebih besar dibandingkan dengan sisi keluar, ini dipengaruhi oleh

besarnya kecepatan yang direpresentasikan dalam bentuk bilangan Reynolds.

Lapis batas yang tipis baik lapis batas kecepatan maupun termal akan

menghasilkan koefisien perpindahan kalor konveksi semakin tinggi, demikian

juga bilangan Nusselt yang dihasilkan juga semakin tinggi. Berkurangnya lapis

batas akan mengurangi jarak transfer kalor dari permukaan pipa ke aliran fluida

yang mengalir akibat gaya inersia yang dapat menyapu molekul dengan nilai kalor

yang tinggi pada lapis batas keluar dari lapis batas, sehingga pergerakan molekul

ini akan mempercepat tumbukan molekul fluida untuk melepas kalor dan

mempercepat proses laju transfer kalor. Semakin tinggi nilai bilangan Reynold,

maka laju aliran massa fluida akan semakin tinggi pula, sehingga kalor yang

berpindah dari seksi uji ke fluida akan semakin besar.

Konsentrasi partikel juga akan mempengaruhi besarnya nilai perpindahan

kalor dari fluida, dari penelitian, perpindahan kalor meningkat dari fluida dasar ke

fluida nano. Hal ini disebabkan adanya peningkatan nilai konduktifitas termal dari

fluida kerja karena penambahan partikel yang memiliki nilai konduktifitas termal

lebih tinggi dibandingkan dengan fluida dasarnya. Nilai konduktifitas termal

mengindikasikan seberapa cepat kalor akan dialirkan pada suatu material.

Page 79: STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA …/Studi-Eksperimental...STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR KONVEKSI FLUIDA NANO

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

69

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan analisis data dan pembahasan mengenai pengujian

karakteristik perpindahan kalor konveksi fluida nano Al2O3/Ethylene Glycol pada

circular tube di bawah kondisi fluks kalor konstan, dapat diambil beberapa

kesimpulan sebagai berikut:

1. Semakin besar konsentrasi partikel nano Al2O3 yang didispersikan ke dalam

fluida dasar EG maka semakin besar nilai konduktifitas termalnya. Nilai

konduktifitas termal fluida nano dengan variasi konsentrasi 0,2, 0,5 dan 1 %

w/v masing-masing adalah 0,2630, 0,2677 dan 0,2748 W/m.0C.

2. Penambahan partikel nano pada fluida kerja akan meningkatkan nilai

bilangan Nusselt lokal dan koefisien perpindahan kalor pada setiap titik

pengukuran. Peningkatan nilai bilangan Nusselt dari fluida dasar ke fluida

nano pada posisi x/D = 200 dengan peningkatan tertinggi sebesar 34,75%

untuk variasi 1,0% w/v. Sedangkan peningkatan nilai koefisien perpindahan

kalor fluida dasar ke fluida nano pada posisi x/D = 200 dengan peningkatan

tertinggi sebesar 45,52% untuk variasi 1,0% w/v.

3. Semakin besar laju aliran massa fluida kerja maka akan meningkatkan nilai

koefisien perpindahan kalor dan bilangan Nusselt.

5.2 Saran

Berdasarkan pengalaman yang diperoleh pada saat penelitian pengujian

karakteristik perpindahan kalor dari fluida nano Al2O3/EG pada circular tube di

bawah kondisi fluks kalor yang konstan, menyarankan untuk diadakan

pengembangan penelitian dengan modifikasi variasi bilangan Reynolds dengan

rentang yang lebih luas, variasi jenis fluida dasar yang digunakan, variasi

konsentrasi partikel yang digunakan, serta variasi jenis partikel nano yang

digunakan.