bab iii metode penelitian -...
TRANSCRIPT
27 Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
BAB III
METODE PENELITIAN
Penelitian ini menggunakan metode studi literatur dan eksperimen.
Nanopartikel yang digunakan adalah Zirkonium Dioksida (ZrO2) disuspensikan
kedalam fluida dasar campuran air dan Ethylene glycol. Karakterisasi yang digunakan
untuk nanopartikel adalah X-Ray Diffractometer (XRD) dan Surface Area. Sedangkan
karakterisasi yang digunakan untuk nanofluida adalah potensial zeta, viskositas dan
Critical Heat Flux (CHF). Nanofluida (Air-EG)-ZrO2 akan diaplikasikan pada
rangkaian alat radiator dengan variasi konsentrasi dengan tujuan menguji efektivitas
nanofluida (Air-EG)-ZrO2 yang digunakan sebagai fluida kerja menggantikan fluida
konvensional.
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Fisika Bahan, Pusat Sains dan Teknologi
Terapan (PSTNT), BATAN, yang beralamat di Jalan Tamansari No. 71, Coblong, Lb.
Siliwangi, Bandung, Jawa Barat 40132. Penelitian ini dilakukan sejak 9 Januari-30
Juni 2017.
3.2. Desain Penelitian
Dalam melaksanakan penelitian, diagram alir penelitian yang sistematis dan
tepat diperlukan agar tujuan dari sebuah penelitian dapat tercapai. Diagram alir
penelitian yang menjelaskan tahapan-tahapan kegiatan penelitian dapat dilihat pada
Gambar 3.1.
28
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
Gambar 3.1. Diagram Penelitian
29
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
3.3. Alat dan Bahan
Pada penelitian ini dibutuhkan berbagai macam peralatan dan bahan yang
menunjang tercapainya tujuan. Mulai dari proses pembuatan nanofluida, karakterisasi
hingga pengujian. Adapun peralatan dan bahan yang digunakan dalam proses
penelitian ini adalah
3.3.1. Alat
Peralatan yang digunakan secara umum diantaranya sebagai berikut,
1) Neraca digital
2) Ultrasonic bath
3) Kertas timbang
4) Botol kaca ukuran 150 ml
5) PH meter
6) Gelas ukur
3.3.2. Bahan
Pada penelitian ini nanopartikel yang digunakan adalah Zirconium Dioxide
(ZrO2) yang telah disintesis oleh peneliti sebelumnya menggunakan metode sol gel.
Untuk mengetahui struktur kristalit dan ukuran kristalit dari partikel ZrO2 maka
dilakukan karakterisasi menggunakan X-Ray Diffarction (XRD) dan surface
area.Hasil karakterisasi XRD dari serbuk ZrO2 yang ditunjukkan pada Gambar 3.2
yang diperoleh dari peneliti sebelumnya, yang kemudian dianalisis menggunakan
data JCPDS 37-1484.
Gambar 3.2 menunjukkan pola difraksi sinar-X dari sampel ZrO2.
Berdasarkan data diperoleh kesesuaian antara kurva yang dihasilkan dengan data
JCPDS file no 88-2390 yang terdapat pada Lampiran A, profil XRD menunjukkan
beberapa puncak pada sudut 2θ yaitu 24,14500, 28,2550
0, 35,3650
0, 35,812
0, 55
0 dan
600 yang mengindikasikan keberadaan kristal ZrO2 berstuktur monoklinik. Nilai hkl
dari sudut-sudut tersebut adalah (1 1 0), (1 1 1), (0 2 0), (1 0 2), (3 1 0), dan (3 0 2).
30
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
Gambar 3.2. Kurva X-Ray Diffraction Nanopartikel ZrO2
Berdasarkan analisis XRD menggunakan software Match menunjukkan bahwa
sistesis ZrO2 telah terbentuk secara sempurna. Dari salah satu puncak tertinggi ZrO2
dari data peak list pada XRD dapat diketahui ukuran kristal yang terbentuk. Tabel 4.1
menunjukkan besar ukuran kristal ZrO2. Berdasarkan persamaan 4.1 yang
menjelaskan persamaan Full Widht at Half Maximum (FWHM), maka ukuran kristalit
ZrO2 dapat diketahui menggunakan persamaan 4.2.
√ (4.1)
(4.2)
Tabel 3.1.
Ukuran kristal ZrO2.
W (2) FWHM (rad) 2 (m) d (nm)
0,4681 0,0096 28,17 1,5405 14,69
31
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
Untuk mendukung ukuran kristalit ZrO2 dari karakterisasi XRD, maka
dilakukan karakterisasi luas permukaan partikel menggunakan alat Instrument
Quanthachrome NovaWin versi 11.03. Berdasarkan karakterisasi luas permukaan
partikel ZrO2 ditunjukan bahwa surface area dari ZrO2 adalah 66,463 m2/g. Hasil
tersebut merupakan luas permukaan partikel dalam 1 gram yang terukur. Diketahui
massa jenis dari ZrO2 adalah sebesar 6,52 g/cm3. Dari data luas permukaan maka
dapat diketahui ukuran kristal dari partikel ZrO2 menggunakan persamaan (2.6), yaitu
13,80 nm. Hasil tersebut mendekati ukuran kristal yang dianalisis dari puncak
tertinggi pada XRD, yaitu 14,69 nm. Pengukuran tersebut menunjukkan bahwa
ukuran partikel ZrO2 yang digunakan telah masuk kedalam skala nanometer sehingga
ZrO2 yang digunakan dapat dikategorikan sebagai nanopartikel.
Tabel 3.2.
Perbandingan ukuran kristal ZrO2 menggunakan XRD dan surface area.
Analisis Ukuran partikel (nm)
X-Ray Diffraction 13,80
Surface Area Meter 14,69
Fluida dasar yang digunakan merupakan campuran antara air distilasi atau
aquades dan ethylene glycol dengan perbandingan 50:50 (% vol). Penggunaan
aquades bertujuan agar tidak terjadi pertukaran ion-ion dalam nanofluida sehingga
nanofluida lebih stabil dan pH nanofluida tidak berubah.
3.4. Prosedur
3.4.1 Preparasi Nanofluida (Air-EG)-ZrO2
Tahap pertama yang dilakukan dalam preparasi sampel adalah menyiapkan
semua peralatan yang akan digunakan dan memastikannya dalam keadaan bersih.
Gambar 3.3 memperlihatkan empat variasi berat nanopartikel ZrO2 yaitu 0,05 gram,
0,1 gram, 0,3 gram, dan 0,5 gram. Kemudian nanopartikel yang telah ditimbang
dilarutkan dalam 100 ml fluida dasar berupa 50 ml air distilasi dan 50 ml ethylene
32
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
glycol. Pelarutan langsung dilakukan didalam botol kaca untuk mencegah
berkurangnya konsentrasi nanopartikel dan tercampurnya dengan partikel lain.
Gambar 3.3. Penimbangan berat nanopartikel ZrO2, a) 0,05 g, b) 0,1 g, c) 0,3 g,
dan d) 0,5 g.
Setelah nanopartikel ZrO2 dicampurkan kedalam fluida dasar (Air-Ethylene
Glycol), nanofluida dimasukkan kedalam ultrasonic bath selama 60 menit agar
nanopartikel tersuspensi merata dalam fluida dasar dan tidak terjadi penggumpalan
didalam fluida. Ultrasonifikasi atau proses ultrasonik merupakan penggetaran
nanofluida menggunakan gelombang ultra sound untuk memecah agreasi sehingga
nanofluida terdispersi dengan baik. Alat yang digunakan dalam proses ini adalah
ultrasonic bath yang terdapat dalam Laboratorium Fisika Bahan, PSTNT, BATAN
Bandung. Sistem koloid cenderung akan mengalami aglomerasi atau pengendapat,
oleh karena itu proses ultrasonik dilakukan sebelum pengamatan dan sesaat sebelum
pengujian. Mekanismenya adalah memasukan botol kaca berisi nanofluida kedalam
ultrasonic bath yang berisi air sampai botol terendam sebagian, kemudian alat
ultrasonic bath dioperasikan selama 60 menit. Proses ultrasonik dapat dilihat pada
Gambar 3.4.
33
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
Gambar 3.4. Proses ultrasonik nanofluida (Air-EG)-ZrO2 selama 60 menit.
PH nanofluida (Air-EG)-ZrO2 diukur menggunakan Vibro Viscometer pada setiap
variasi konsentrasi. Tabel 3.3 menunjukkan pengukuran pH nanofluida (Air-EG)-
ZrO2. PH nanofluida (Air-EG)-ZrO2 dikondisikan pada pH netral yaitu 7,7-7,8.
Sehingga nanofluida (Air-EG)-ZrO2 dapat diaplikasikan sebagai fluida kerja pada
sistem heat transfer radiator.
Tabel 3.3. Nilai pH Nanofluida (Air-EG)-ZrO2.
Konsentrasi (% vol) pH
0,05 7,8
0,1 7,727
0,3 7,740
0,5 7,741
PH merupakan salah satu karakteristik penting untuk nanofluida karena akan
mempengaruhi kestabilan dari fluida. Banyak penelitian tentang nanofluida yang
tidak memperhatikan pH nanofluida. Seperti penelitian eksperimental tentang heat
transfer radiator mobil menggunakan nanofluida air-ZnO (Ali, dkk., 2015) dan
34
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
penelitian tentang heat transfer radiator mobil menggunakan nanopartikel CuO
dengan fluida dasar berupa gabungan antara air dan ethylene glycol (Heris, dkk.,
2014). Pada penelitian yang dilakukan oleh Syarif (2014), nanofluida yang memiliki
pH netral (pH diantara 5 dan 8) merupakan nanofluida yang tidak stabil. Sedangkan
nanofluida yang memiliki derajat keasaman yang tergolong pH asam dan pH basa
merupakan nanofluida yang stabil. Akan tetapi nanofluida yang memiliki pH asam
atau basa tidak bisa diaplikasikan pada sistem radiator karena akan menyebabkan
korosi dan kebocoran pada radiator.
3.4.2 Karakterisasi Nanofluida (Air-EG)-ZrO2
Karaktersisasi dilakukan untuk mengetahui sifat-sifat dari nanofluida.
Dilakukan berbagai karakterisasi untuk mendapatkan data yang saling melengkapi.
3.4.2.1. Stabilitas Nanofluida (Air-EG)-ZrO2
Nanofluida akan mengalami sedimentasi dalam kurun waktu tertentu
tergantung pada tingkat kestabilan dari nanofluida tersebut. Stabilitas nanofluida
(Air-EG)-ZrO2 dapat diamati secara visual selama 18 hari. Setiap hari nanofluida
(Air-EG)-ZrO2 didokumentasi melalui gambar menggunakan kamera digital pada
semua variasi konsentrasi untuk melihat perubahan sedimentasi nanofluida secara
visual. Kemudian, berdasarkan gambar perubahan nanofluida yang mengalami
sedimentasi pada hari ke-6 dan hari ke-18 dapat dibandingkan. Dari kedua gambar
tersebut dapat menunjukkan perubahan ketinggian permukaan nanopartikel pada
nanofluida berkurang dari ketinggian awal yang disebabkan karena proses
sedimentasi.
3.4.2.2.Viskositas Nanofluida (Air-EG)-ZrO2
Viskositas merupakan indikator tingkat kekentalan suatu koloid. Pengukuran
viskositas nanofluida sangat dipengaruhi oleh konsentrasi nanopartikel dalam fluida.
Alat yang digunakan untuk mengukur viskositas adalah SV series Sine-Wave Vibro
Viscometer seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.5. Sebelum melakukan
pengukuran viskositas, nanofluida (Air-EG)-ZrO2 dipanaskan menggunakan hot plate
sampai suhu yang diinginkan lalu sampel nanofluia (Air-EG)-ZrO2 dimasukan dalam
wadah sebanyak 45 ml. Kemudian tekan tombol ‘run’ pada visible display
35
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
viskometer dan akan menunjukkan nilai viskositas pada setiap perubahan suhu. Lalu
mencatat setiap nilai viskositas pada setiap perubahan suhu 1oC.
Gambar 3.5. Alat untuk mengukur viskositas nanofluida (Air-EG)-ZrO2, a) sensor,
dan b) visible display.
Berdasarkan pengukuran yang telah dilakukan, maka akan diperoleh data
viskositas nanofluida pada suhu 25oC yang dilakukan untuk setiap variasi konsentrasi
nanofluida (Air-EG)-ZrO2 yang akan dikarakterisasi. Data viskositas terhadap
konsentrasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2 yang telah dikarakterisasi kemudian diplot
pada grafik menggunakan software Origin 8. Dari grafik tersebut dapat dilihat
kecenderungan viskositas nanofluida (Air-EG)-ZrO2 akan meningkat setiap kenaikan
konsentrasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2 karena bertambahnya kerapatan dalam
nanofluida.
3.4.2.3.Potensial Zeta Nanofluida (Air-EG)-ZrO2
Karakterisasi potensial zeta berfungsi untuk mengetahui kestabilan dari
suspensi nanofluida. Alat yang digunakan adalah Malvern Zetasizer Nano. Prinsip
kerja pengukuran potensial zeta adalah mengukur ion-ion pada permukaan partikel.
Nanofluida yang stabil akan memiliki nilai potensial zeta ±30 mV. Partikel yang
36
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
memiliki nilai potensial zeta lebih besar dari 30 mV dan lebih kecil dari -30 mV akan
memiliki gaya untuk mencegah terjadinya aglomerasi pada partikel.
Gambar 3.6. Zetasizer nano dari Malvern.
Gambar 3.6 memperlihatkan alat zetasizer nano dan cuvvet. Mekanisme
karakterisasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2 adalah sebagai berikut, pertama
mengaktifkan komputer yang telah tersambung ke sistem zetasizer nano, lalu buka
software potensial zeta. Selanjutnya, mengaktifkan instrumen zetasizer nano dan
tunggu selama 30 menit untuk menstabilkan laser pada zetasizer. Menyiapkan cuvvet
sebagai tempat untuk menyimpan sampel nanofluida. Lalu, memasukan sampel
nanofluida (Air-EG)-ZrO2 ke dalam cuvvet sebanyak ± 375 L dan usahakan agar
tidak ada gelembung dalam cuvvet karena akan mengganggu proses pengukuran
muatan dalam fluida. Membuka tutup zetasizer sensor dengan cara menekan tombol
metalik yang terdapat dibagian atas zetasizer. Memasukan cuvvet kedalam instrument
zetasizer dan menutup kembali penutup pada zetasizer sensor. Lalu, mengaktifkan
software potensial zeta sesuai dengan petunjuk yang terdapat pada user manual.
37
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
Ketika selesai, zetasizer akan berbunyi dan hasil potensial zeta nanofluida (Air-EG)-
ZrO2 ditampilkan pada display software zetasizer.
Hasil pengukuran menggunakan zetasizer didapatkan tiga nilai zeta potensial
(Z1, Z2, dan Z3) untuk setiap sampel nanofluida. Kemudian dihitung rata-rata dari tiga
nilai potensial zeta tersebut ( . Hal yang sama dilakukan pada semua konsentrasi
nanofluida (Air-EG)-ZrO2 0,05% vol, 0,1% vol, 0,3% vol dan 0,5% vol. Data
potensial zeta terhadap variasi konsentrasi nanofluida dianalisis menggunakan grafik
pada software Origin 8. Dari grafik tersebut dapat dilihat kecenderungan potensial
zeta nanofluida (Air-EG)-ZrO2 akan meningkat setiap kenaikan konsentrasi
nanofluida (Air-EG)-ZrO2.
3.4.2.4. Crtitical Heat Flux Nanofluida (Air-EG)-ZrO2
. Banyak metode yang bisa digunakan untuk mengukur CHF salah satunya
dengan cara mengalirkan arus listrik pada kawat yang dimasukan kedalam nanofluida
yang dipanaskan. Mekanisme pengukuran CHF menggunakan nanofluida diawali
dengan mempersiapkan nanofluida yang akan dipanaskan diatasn hot plate sampai
mencapai titik didih. Kemudian kawat Cu dialirkan arus listrik yang berasal dari
power supply sehingga terbentuk gelembung-gelembung pada bagian permukaan
kawat. Seiring dengan bertambahnya arus listrik yang diberikan, maka akan terjadi
perbedaan suhu diantara kawat dengan nanofluida, dan terus meningkat sampai
keadaan permukaan kawat terselubungi oleh gelembung-gelembung yang
menyebabkan nanofluida tidak bisa mendekati dan membasahi permukaan luar
kawat. Sehingga mengakibatkan terjadinya titik fluks kritis panas atau CHF yang
ditandai dengan putusnya kawat. Arus listrik yang diberikan pada kawat Cu dan
tegangan yang dihasilkan dari power supply dapat diukur menggunakan multimeter
seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.7. Panjang dan diameter kawat Cu diukur
menggunakan jangka sorong dan mikrometer sekrup.
Berdasarkan data tersebut, CHF nanofluida dapat dihitung menggunakan
persamaan 2.7. Hasil pengukuran CHF pada konsentrasi berbeda kemudian dibuat
grafik menggunakan software Origin 8. Dari grafik tersebut dapat dilihat
38
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
kecenderungan CHF nanofluida (Air-EG)-ZrO2 akan meningkat setiap kenaikan
konsentrasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2. Hal tersebut disebabkan keberadaan
nanopartikel yang menempel dipermukaan kawat akan memperbesar luas permukaan
dan meningkatkan wetabilitas sehingga memperbesar perpindahan panas dari kawat
ke nanofluida.
Gambar 3.7. Multimeter pada pengukuran Critical Heat Flux (CHF).
3.4.3. Pengujian Heat Transfer Nanofluida (Air-EG)-ZrO2 Pada Radiator
Nanofluida memiliki potensi untuk diaplikasikan pada berbagai bidang salah
satunya adalah sistem pendingin pada radiator. Skema sistem heat transfer radiator
yang digunakan pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3.8.
39
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
Gambar 3.8. Skema sistem heat transfer pada radiator.
Pada penelitian ini panas mesin yang merupakan hasil dari proses pembakaran
udara dan bahan bakar diganti dengan heater electric. Panas dari heater electric
diteruskan ke fluida kerja secara konveksi yang mengakibatkan fluida kerja menjadi
panas. Lalu fluida kerja yang panas ini disirkulasikan menggunakan pompa ke
radiator untuk didinginkan. Fluida kerja masuk ke radiator melalui upper hose lalu ke
upper tank. Selanjutnya melalui lower tank melalui tube/ pipa kapiler pada radiator.
Kemudian keluar melalui hose sebagai fluida kerja yang telah didinginkan. Fluida
kerja tersebut kembali disirkulasikan ke heater untuk menyerap panas seperti yang
telah diuraikan diatas.
Proses pembuangan panas pada fluida kerja terjadi pada bagian core radiator.
Fluida kerja yang memiliki suhu tinggi akan mengalir pada tube. Panas pada fluida
akan berpindah ke permukaan luar tube secara konduksi, lalu diteruskan ke kisi-kisi
40
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
radiator secara konduksi. Panas dari kisi-kisi radiator dipindahkan ke lingkungan
secara konveksi. Gambar 3.9 merupakan tampilan prototype heat transfer pada
radiator pada penelitian ini.
Gambar 3.9. Alat pengujian heat transfer radiator.
Data yang akan diamati saat pengujian adalah temperatur fluida yang masuk ke
radiator (Tin), temperatur fluida yang keluar radiator (Tout), temperatur dinding
radiator (Tw) dan laju alir fluida (u) untuk setiap fluida kerja. Proses pengujian
diawali dengan menyiapkan prototype heat transfer radiator dan fluida kerja yang
akan digunakan dalam pengujian. Dalam penelitian ini fluida kerja yang digunakan
adalah air dan nanofluida (Air-EG)-ZrO2 dengan konsentrasi 0,05-0,5% vol.
Pengukuran dilakukan secara kontinu pada temperatur inlet nanofluida pada radiator
yang dijaga tetap yaitu 60oC Nanofluida dimasukkan kedalam water bath yang
kemudian dipanaskan menggunakan heater electric. Nanofluida yang telah
41
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
dipanaskan lalu di pompa kedalam radiator dengan laju aliran fluida tertentu,
bersaman dengan itu kipas radiator akan menyala untuk membantu proses
pendinginan. Kemudian nanofluida akan keluar dari radiator dan kembali ke water
bath. Proses pengambilan data dilakukan dengan mengamati perubahan suhu pada
suhu inlet, suhu outlet, dan suhu pada dinding radiator. Data tersebut akan direkam
menggunakan thermocouple yang telah terintegrasi dengan data logger thermometer
sehingga data yang dihasilkan akan terekam setiap detik pada personal computer
(PC) dalam bentuk tabel. Sedangkan laju aliran fluida diukur menggunakan sensor
flow meter yang diintegrasikan dengan arduino uno. Peralatan prototype heat transfer
radiator dan spesifikasi alat yang digunakan pada penelitian ini ditunjukan pada Tabel
3.1
Tabel 3.4. Peralatan prototype heat transfer radiator.
No. Alat Spesifikasi
1. Radiator 150 cc
2. Fan (120 x 120 x 38 ) mm
3. Selang 3 inci
4. Heat electric -
5. Pompa Amara SP 1200 A
6. Termokopel Jenis-K
7. Arduino Arduino Uno
8. Data logger Data logger thermometer 4 Port
3.5. Analisis Data
Analisis data dilakukan untuk menjelaskan hasil penelitian yang telah dilakukan
berdasarkan rumusan masalah. Pada penelitian ini dilakukan karakterisasi stablititas
nanofluida dan karakterisasi sifat termal nanofluida. Karakterisasi yang dilakukan
diantaranya pengamatan visual stabilitas nanofluida, pengukuran viskositas, potensial
zeta, dan Critical Heat Flux (CHF), serta dilakukan karakterisasi menggunakan alat
heat transfer radiator.
42
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
3.5.1. Pengaruh Konsentrasi Nanofluida (Air-EG)-ZrO2 Terhadap Karakteristik
Nanofluida
Untuk mengetahui pengaruh konsentrasi terhadap karakteristik nanofluida (Air-
EG)-ZrO2 maka dilakukan karakterisasi stabilitas, viskositas, potensial zeta, dan
Critical Heat Flux (CHF) dari nanofluida (Air-EG)-ZrO2. Variasi konsentrasi
nanofluida, yaitu 0,05% vol, 0,1% vol, 0,3% vol, dan 0,5% vol. Karakteristik
stabilitas nanofluida (Air-EG)-ZrO2 dilakukan dengan cara mendokumentasikan
keadaan nanofluida (Air-EG)-ZrO2 secara visual menggunakan kamera digital setiap
harinya. Kemudian, berdasarkan dokumentasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2 pada hari
ke-6 dan ke-18 dapat dilihat kecenderungan perubahan ketinggian permukaan
nanopartikel pada nanofluida berkurang dari ketinggian awal yang disebabkan karena
proses sedimentasi. Kecenderungan terjadinya sedimentasi nanofluida dipengaruhi
oleh konsentrasi nanofluida yang semakin besar Berdasarkan gambar keadaan
nanofluida (Air-EG)-ZrO2, dapat dilihat perubahan ketinggian permukaan
nanopartikel dalam fluida dasar akan berbeda tergantung konsentrasi yang dimiliki
nanofluida.
Selain stabilitas nanofluida, viskositas juga merupakan salah satu karakteristik
penting yang dimiliki nanofluida. Pengukuran viskositas nanofluida sangat
dipengaruhi oleh konsentrasi nanopartikel dalam fluida. Alat yang digunakan untuk
mengukur viskositas adalah SV series Sine-Wave Vibro Viscometer. Berdasarkan
pengukuran yang telah dilakukan, maka diperoleh data viskositas nanofluida pada
suhu 25oC yang dilakukan pada setiap variasi konsentrasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2
yang dikarakterisasi. Data viskositas terhadap konsentrasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2
yang telah dikarakterisasi kemudian diplot pada grafik menggunakan software Origin
8. Dari grafik tersebut dapat dilihat kecenderungan viskositas nanofluida (Air-EG)-
ZrO2 akan meningkat setiap kenaikan konsentrasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2 karena
bertambahnya kerapatan dalam nanofluida.
Pengaruh konsentrasi terhadap karakteristik nanofluida juga dapat dilihat dari
nilai potensial zeta yang dimiliki oleh nanofluida. Karakterisasi potensial zeta
berfungsi untuk mengetahui kestabilan dari suspensi nanofluida. Alat yang digunakan
43
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
adalah Malvern Zetasizer Nano. Hasil pengukuran menggunakan zetasizer didapatkan
tiga nilai zeta potensial (Z1, Z2, dan Z3) untuk setiap sampel nanofluida. Kemudian
dihitung rata-rata dari tiga nilai potensial zeta tersebut ( . Hal yang sama dilakukan
pada semua konsentrasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2 0,05% vol, 0,1% vol, 0,3% vol
dan 0,5% vol. Data potensial zeta terhadap variasi konsentrasi nanofluida dianalisis
menggunakan grafik pada software Origin 8. Dari grafik tersebut dapat dilihat
kecenderungan potensial zeta nanofluida (Air-EG)-ZrO2 akan meningkat setiap
kenaikan konsentrasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2.
Salah satu kelebihan yang dimiliki oleh nanofluida adalah sifat termal yang
lebih baik dibandingkan fluida dasarnya. Karakteristik nanofluida tersebut dapat
diketahui menggunakan karakterisasi Critical Heat Flux (CHF) nanofluida
Berdasarkan hasil perhitungan nilai CHF nanofluida menggunakan persamaan 2.7
pada konsentrasi berbeda kemudian dibuat grafik menggunakan software Origin 8.
Dari grafik tersebut dapat dilihat kecenderungan CHF nanofluida (Air-EG)-ZrO2 akan
meningkat setiap kenaikan konsentrasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2.
3.5.2. Pengaruh Konsentrasi Nanofluida (Air-EG)-ZrO2Terhadap Heat Transfer
Pada Radiator
Konsentrasi nanopartikel dalam fluida dasar merupakan salah satu parameter
yang mempengaruhi sifat termal nanofluida. Pengukuran heat transfer pada radiator
diawali dengan memasukkan nanofluida kedalam water bath yang kemudian
dipanaskan menggunakan heater electric. Nanofluida yang telah dipanaskan lalu di
pompa kedalam radiator dengan laju aliran fluida tertentu, bersaman dengan itu kipas
radiator akan menyala untuk membantu proses pendinginan. Kemudian nanofluida
akan keluar dari radiator dan kembali ke water bath. Proses pengambilan data
dilakukan dengan mengamati perubahan suhu pada suhu inlet, suhu outlet, dan suhu
pada dinding radiator. Data tersebut akan direkam menggunakan thermocouple yang
telah terintegrasi dengan data logger thermometer sehingga data yang dihasilkan
akan terekam setiap detik pada personal computer (PC) dalam bentuk tabel
Sedangkan laju aliran fluida diukur menggunakan sensor flow meter yang
diintegrasikan dengan arduino uno. Pengukuran tersebut dilakukan pada setiap variasi
44
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
konsentrasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2, yaitu 0,05% vol, 0,1% vol, 0,3% vol, dan
0,5% vol dengan laju aliran dan suhu inlet dijaga tetap yaitu pada 3,3 LPM dan 60oC..
Data yang akan diamati saat pengujian adalah temperatur fluida yang masuk ke
radiator (Tin), temperatur fluida yang keluar radiator (Tout), temperatur dinding
radiator (Tw) dan laju alir fluida (u) untuk setiap fluida kerja. Untuk mengetahui heat
transfer pada radiator, data tersebut dihitung menggunakan persamaan 2.8. Hasil dari
perhitungan kemudian dianalisis dalam bentuk grafik menggunakan software Origin
8. Berdasarkan grafik tersebut dapat dilihat kecenderungan dari pengaruh konsentrasi
nanofluida (Air-EG)-ZrO2 terhadap heat transfer yang berbentuk linear. Heat transfer
pada radiator akan meningkat seiring dengan bertambahnya konsentrasi nanofluida
(Air-EG)-ZrO2.
3.5.3. Pengaruh Laju Aliran Nanofluida (Air-EG)-ZrO2 Terhadap Heat Transfer
Pada Radiator
Laju aliran fluida merupakan salah satu parameter yang dapat mempengaruhi
heat transfer pada radiator. Untuk membuktikan hal tersebut maka dilakukan
pengujian pada empat variasi laju aliran fluida kerja, yaitu 1,32 LPM, 2,2 LPM, 2,64
LPM, dan 3,3 LPM dengan suhu inlet 60oC. Konsentrasi nanofluida (Air-EG)-ZrO2
yang digunakan pada pengujian heat transfer ini adalah 0,05% vol. Setelah
nanofluida (Air-EG)-ZrO2 disiapkan lalu nanofluida dimasukkan kedalam water bath
yang kemudian dipanaskan menggunakan heater electric. Sebelum nanofluida
dialirkan menuju radiator, laju aliran fluida diatur menggunakan valve sesuai dengan
laju aliran yang diinginkan. Nanofluida yang telah dipanaskan kemudian dipompa
menuju radiator dengan laju aliran fluida tertentu, bersaman dengan itu kipas radiator
akan menyala untuk membantu proses pendinginan. Kemudian nanofluida akan
keluar dari radiator dan kembali ke water bath. Data yang akan diamati saat pengujian
adalah temperatur fluida yang masuk ke radiator (Tin), temperatur fluida yang keluar
radiator (Tout), temperatur dinding radiator (Tw) dan laju alir fluida (u) untuk setiap
fluida kerja. Data tersebut akan direkam menggunakan thermocouple yang telah
terintegrasi dengan data logger thermometer sehingga data yang dihasilkan akan
terekam setiap detik pada personal computer (PC) dalam bentuk tabel. Sedangkan
45
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
laju aliran fluida diukur menggunakan sensor flow meter yang diintegrasikan dengan
arduino uno.
Untuk mengetahui pengaruh laju aliran fluida terhadap heat transfer pada
radiator, maka data yang telah didapat kemudian dihitung menggunakan persamaan
2.8. Hasil dari perhitungan lalu dianalisis dalam bentuk grafik menggunakan software
Origin 8. Berdasarkan grafik tersebut dapat dilihat kecenderungan dari pengaruh laju
aliran nanofluida (Air-EG)-ZrO2 terhadap heat transfer pada radiator yang berbentuk
linear. Heat transfer pada radiator akan meningkat seiring dengan bertambahnya laju
aliran nanofluida (Air-EG)-ZrO2.
Dalam rangka untuk melakukan pengujian terhadap alat penelitian yang
digunakan, pertama dibutuhkan validasi hasil dan pengecekan jenis aliran fluida pada
alat eksperimen heat transfer radiator dengan cara membandingkan bilangan tak
berdimensi dari hasil penelitian dengan teori menggunakan fluida kerja air. Secara
teori bilangan Nusselt dapat dihitung dari hubungan empirik pada aliran tubulen yang
diberikan oleh Gnielinski (dalam Heris, 2014) sebagai berikut,
Korelasi Gnielinski : (
) (
(
)
(
(3.2)
dengan Nu adalah bilangan Nusselt, Re adalah bilangan Reynolds, dan Pr adalah
bilangan Prandtl yang dapat dihitung menggunakan persamaan (2.15). Sedangkan
untuk menghitung bilangan Nusselt secara eksperimental menggunakan persamaan
(2.16). Dalam hubungan empirik Gnielinski, f adalah faktor konsentrasi yang
dihitung menggunakan persamaan yang diajukan oleh Filonenko (dalam Heris, 2014).
( (3.3)
Berdasarkan data yang diperoleh dari hasil perhitungan menggunakan
persamaan 3.1 dan 3.2, maka didapatkan hubungan antara bilangan Nu terhadap
bilangan Re dari hasil percobaan yang dibandingkan dengan korelasi Gnielinsky.
Kemudian hasil perhitungan dari bilangan Nu terhadap bilangan Re dibuat dalam
46
Anisa Fitri Mandagi, 2017 PENINGKATAN HEAT TRANSFER MENGGUNAKAN NANOFLUIDA (AIR-ETHYLENE GLYCOL)-ZIRCONIUM DIOXIDE UNTUK APLIKASI PADA RADIATOR Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu
bentuk grafik menggunakan software Origin 8. Berdasarkan grafik tersebut dapat
dilihat kecenderungan hubungan bilangan Nu terhadap Re yang dipengaruhi oleh laju
aliran nanofluida (Air-EG)-ZrO2.