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
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
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.)
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
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
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
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.
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
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
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
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
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.
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.
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.
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
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
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
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.
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
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
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.
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)
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
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).
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
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
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
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:
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)
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).
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)
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.
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.
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)
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)
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)
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
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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
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 ( )
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
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
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
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
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.
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
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
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:
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.
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
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
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
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
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
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 = -
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
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
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
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
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
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) - - -
-
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
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
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
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
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.
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
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
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
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%
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)
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.
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.