KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA HEAT SINK

KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA HEAT SINK
DENGAN MENGGUNAKAN JET SINTETIK ALIRAN SILANG DENGAN
VARIASI GELOMBANG SINUSOIDAL DAN SEGIEMPAT
Penulis
Pembimbing
: Aldy Andika ([email protected])
: Harinaldi
([email protected])
Departemen Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Indonesia,
Kampus UI-Depok, Jawa Barat, 16424, Indonesia
ABSTRAK
Seiring dengan cepatnya kemajuan teknologi dalam industri elektronik, muncul banyak produk baru
yang semakin kecil. Kondisi ini menimbulkan tantangan baru, yaitu kebutuhan akan sistem
pendinginan berdimensi kecil dan hemat energi namun memiliki efisiensi termal yang tinggi, dimana
jet sintetik dengan input massa nol dan output momentum tidak nol hadir sebagai sistem pendingin
yang menjanjikan. Penelitian ini membahas karakteristik perpindahan panas oleh jet sintetik bertipe
aliran silang dan dilakukan dalam dua tahap, yaitu tahap komputasi dan eksperimental. Tahap
eksperimental dilakukan menggunakan function generator untuk menggerakkan membran dua buah
membran dengan mengirimkan variasi fungsi sinusoidal dan segiempat dengan frekuensi osilasi sin
80 Hz – square 80 Hz, sin 80 Hz – square 120 Hz, sin 80 Hz – square 160 Hz, sin 120 Hz – square
80 Hz, sin 120 Hz – square 120 Hz, sin 120 Hz – square 160 Hz, sin 160 Hz – square 80 Hz, sin 160
Hz – square 120 Hz, sin 160 Hz – square 160 Hz untuk melihat karakteristik perpindahan panas
konvektif pada heat sink. Tahap komputasi dilakukan menggunakan software CFD Fluent dengan
model turbulensi k-ω SST dengan tipe meshing Tet/Hybrid Tgrid untuk melihat distribusi aliran dari jet
sintetik aliran silang. Hasil penelitian menunjukkan pengaruh gelombang dan frekuensi getaran
membran terhadap laju perpindahan panas yang didapat pada jet sinjetik bertipe aliran silang,
dengan penurunan terbesar dicapai oleh variasi gelombang sin 120 Hz – square 80 Hz.
Kata kunci Cross-Flow Synthetic Jet, CFD Fluent, Convective Heat Transfer Rate, Function
Generator, k-ω SST turbulence model
sistem pendinginan konvensional yang masih
PENDAHULUAN
Pada zaman modern ini, perkembangan
menggunakan fan/blower yang memanfaatkan
teknologi mengalami kemajuan yang semakin
konveksi pakasa dengan udara sebagai fluida
pesat, khususnya dalam industri elektronik.
kerjanya. Sampai saat ini perangkat elektronik
Seiring waktu, perkembangan dalam
industri
skala menengah sampai besar kebanyakan
elektronik menuntut efisiensi bentuk dan kinerja
masih menggunakan metode ini pada aplikasi
produk
sistem pendinginannya baik untuk sirkulasi
yang
semakin
tinggi.
Kecanggihan
teknologi yang terus berkembang harus tentunya
udara
menyeluruh
harus didukung oleh perangkat hardware di
pendinginan lokal.
atau
peningkatan
laju
dalamnya. Pemasok daya yang ada seperti
Synthetic jet merupakan suatu karakter
baterai masih berkapasitas terbatas. Seiring
aliran fluida dimana rangkaian cincin vortex
dengan
terbentuk
tantangan
efisiensi
energi,
maka
oleh
getaran
membran/diafragma
diperlukan suatu sistem baru yang mampu
pada suatu cavity sehingga mengakibatkan
menunjang hal tersebut. Salah satu yang
gerakan keluar-masuknya fluida melalui celah
dikembangkan
sistem
sempit/orifis (Smith & Glezer, 1998). Jet sintetik
pendinginan elektronik. Metode pendinginan
secara visual dapat digambarkan seperti pada
yang masih umum digunakan saat ini adalah
gambar 1.
adalah
dalam
hal
Karakteristik Perpindahan ..., Aldy Andika, FT UI, 2013
Tingkat kebisingan yang jauh lebih
rendah
Efisiensi (termodinamik) yang lebih baik,
kebutuhan daya hanya setengahnya atau kurang
Memiliki form factor yang jauh lebih baik
sehingga bersifat “design-friendly”
Reliability (tahan uji) intrinsik yang lebih
tinggi
Problem fouling yang lebih rendah,
Gambar 1 Prinsip Kerja Jet Sintetik
komponen
Prinsip dasar kerja dari synthetic jet adalah
Miniaturisasi
terdiri
diafragma,
atas
bisa
rongga/cavity
berupa
piston,
berisi
dilindungi
dari
produk
lebih
mudah
dibanding fan
Memiliki
output momentum tidak nol. Suatu aktuator jet
sintetik
dapat
ambient
memanfaatkan input massa netto nol dari fluida
yang ada di sekitarnya namun menghasilkan
bergerak
kemungkinan
peredaman
kebisingan yang lebih simple
membran
piezoelektrik, maupun elektromagnetik, yang
Namun jet sintetik juga tak lepas dari
menggerakkan udara di dalamnya, di mana
kekurangan, terutama pada model impinging.
fluida udara keluar melalui cavity dalam bentuk
Kelemahan utamanya terletak pada mudahnya
rangkaian vortex dengan intensitas turbulensi
fluida udara yang mengandung kalor dari fase
yang
laju
discharge/blowing terhisap kembali pada fase
perpindahan kalor dan akan menghasilkan efek
suction. Hal ini akan mengakibatkan efek sekam
pendinginan pada media yang dituju.
yakni efek dimana panas akan terakumulasi
tinggi
sehingga
mempercepat
Synthetic jet terus dikembangkan karena
memiliki
keuntungan
dibanding
sistem
dalam cavity jet sintetik (Tesar, 2005). Hal inilah
yang mendorong penelitian jet sintetik diarahkan
pendinginan konvensional seperti fan. Pada
kepada
model
sistem fan kebutuhan suplai udara dipenuhi
mengurangi dampak dari efek sekam tersebut.
cross-flow
dengan
harapan
dengan mengalirkan fluida udara dari satu
tempat ke tempat lainnya. Sistem synthetic jet
METODE
menawarkan keuntungan utama yaitu hanya
Pada penelitian ini dibutuhkan aktuator jet
menggunakan udara yang sama yang terus
sintetik untuk melakukan percobaan sehingga
diputar oleh sistemnya (Sharma, 2007). Selain
dirancanglah
itu mengacu pada besarnya panas yang dibuang
dimana diharapkan rancangan prototype jet
terhadap besarnya volume aliran maka fan
sintetik
dinilai kurang efisien (Mahalingam dkk, 2006).
menghasilkan aliran jet sintetik yang memiliki
Keuntungan
pendinginan
heat transfer coefficient yang baik. Rancangan
menggunakan synthetic jet dibanding fan untuk
prototype jet sintetik yang dibuat & dipakai
performa heat transfer yang sama, antara lain
dalam eksperimen digambarkan dalam gambar
(Lasance & Aarts, 2008):
2
lain
dari
sistem
sebuah
yang
prototype
telah
Karakteristik Perpindahan ..., Aldy Andika, FT UI, 2013
jet
dirancang
sintetik
mampu
dipertahankan pada suhu isothermal 60
o
C.
Dinding batas di kedua sisi aktuator diasumsikan
memiliki tekanan statik konstan dengan tekanan
1 atm.
Detail lain dari kondisi komputasi
dituliskan pada tabel 1.
Gambar 2 Model synthetic jet dengan titik
pengambilan data
Penelitian
ini
telah
dilakukan
dengan
melakukan tahapan komputasional dan tahapan
Tabel Kondisi komputasi
eksperimental untuk mendapatkan karakteristik
pendinginan pada
sink menggunakan
heat
sintetik jet.
Setelah itu gerakan diafragma dimodelkan
dengan user defined function (UDF).
Pada
permodelan ini akan terlihat beberapa daerah
A. Tahap komputasional
Tahap komputasional pada penelitian ini
dilakukan agar mendapatkan gambaran aliran
dan pola bidang termal pada aliran impinging jet
sintetik. Hal ini dilakukan dengan menggunakan
software CFD. Model komputasional ini di desain
terlebih
dahulu
dilakukan
sebelumnya
dan
dengan
meshing
kemudian
menggunakan
software Gambit seperti pada gambar 3
aliran turbulen, sementara aliran lain tetap pada
kondisi laminar yang diindikasikan dengan nilai
Reynolds
yang
rendah.
Parameter
yang
digunakan pada simulasi ini adalah pengaturan
model, sifat fluida dan nilai kondisi batas.
Pada saat awal (t=0), posisi diafragma
berada pada bagian bawah cavity.
Gerakan
diafragma diasumsikan sama dengan gerakan
piston
di
dalam
diekspresikan
sebuah
sebagai
silinder,
fungsi
dimana
gelombang
sinusoidal di bawah ini.
dimana A merupakan kecepatan maksimum
Gambar 3 Gambaran daerah komputasi jet
yang terbentuk akibat gerakan diafragma di
dalam cavity dan t adalah waktu eksperimen.
sintetik
Serta fungsi gelombang square
Model
komputasi
ini
digunakan
untuk
menganalisis daerah aliran termal pada jet
sintetik
dengan
menggunakan
model
matematika k-ω SST (Shear Stress Transport).
B. Tahap Eksperimental
Pada
Tahap
daerah
kerja,
udara
diasumsikan
eksperimen
ini
dilakukan
untuk
Suhu
mendapatkan data temperatur sebuah heatsink
lingkungan diasumsikan 30 oC dan suhu bagian
yang didinginkan menggunakan jet sintetik.
isothermal dan juga incompressible.
bawah
dari
dinding
yang
dipanaskan,
Karakteristik Perpindahan ..., Aldy Andika, FT UI, 2013
Sistem eksperimen yang dibuat pada penelitian
ANALISA
Pada tahap eksperimen, pengambilan data
ini dapat dijabarkan pada gambar 4
dilakukan dengan mencatat nilai berubahan
temperatur yang terjadi di keempat buah titik uji
pada heat sink akibat proses pendinginan oleh
cross-flow synthetic jet actuator. Eksperimen
dilakukan
pada
ruang
tertutup
dengan
temperatur ambience diupayakan sekitar 27
hingga 30 derajat celcius. Titik uji terdiri atas 4
daerah yang ditempelkan termokopel, yakni titik
1 dan 2 dibagian dasar heat sink, dan titik 3 dan
4 di bagian siripnya. Kedua titik termokopel yang
berada pada level sama pun dibedakan jarak
Gambar 4 Experimental Set-up
peletakannya terhadap lubang orifis, yakni titik 1
Pengambilan
data
dengan
dan 3 berada paling jauh dari orifis sedangkan
mengukur suhu pada heat sink di enam titik
titik 2 dan 4 berada tepat di depan celah
dengan menggunakan digital multimeter dengan
tersebut. Hal ini dianggap cukup mewakili untuk
akurasi pengukuran
dilakukan
0.1
o
C.
Sebelum
dapat
menggambarkan
karakteristik
dilakukan eksperimen, dilakukan pengaturan
perpindahan panas pada heat sink
suhu pada heat sink. Sumber panas pada heat
sintetik aliran silang (cross-flow synthetic jet).
sink didapatkan dengan menempatkan heater
Sebanyak
9
jenis
variasi
akibat jet
gelombang
mat pada bagian bawah heat sink dengan suhu
diberikan pada membran piezoelektrik pada
60 oC yang diatur menggunakan thermostat dan
aktuator
pengukuran dilakukan pada suhu lingkungan 27
didapatkanlah
o
Kemudian dilakukan pengaturan bentuk
dibedakan pada letak termokopel dan jenis
gelombang sinusoidal untuk membran atas dan
variasi gelombangnya. Pada bagian ini analisis
square untuk membran bawah
yang dipakai
data akan dikelompokkan menjadi 4, yakni
pada eksperimen ini, serta pengaturan frekuensi
analisis grafik berdasarkan pada titik termokopel,
gelombang dengan variasi gelombang 80 Hz,
titik 1, titik 2, titik 3 dan titik 4.
C.
120 Hz dan 160 Hz
jet
sintetik
36
tersebut,
kumpulan
sehingga
data,
yang
menggunakan function
generator. Setelah semua pengaturan dilakukan,
maka
dilakukan
pengambilan
data
dengan
meletakkan thermocouple di satu titik pada heat
sink yang kemudian dibaca menggunakan digital
multimeter.
Setelah
itu
digital
multimeter
dihubungkan dengan komputer dan kemudian
pengambilan data dimulai. Pengambilan data
pada eksperimen ini dilakukan selama 1 jam
dengan interval data per 1 detik.
Penurunan temperatur terbesar pada titik 1
tercatat mencapai 15,6 derajat celcius yakni
Karakteristik Perpindahan ..., Aldy Andika, FT UI, 2013
terjadi pada variasi frekuensi gelombang sin 120
Hz – square 80 Hz, namun hingga waktu 60
menit variasi frekuensi ini mengalami kenaikan
kembali sehingga nilai penurunan temperatur
totalnya hanya sebesar 12,7 derajat, lebih kecil
dari variasi frekuensi gelombang sin 80 Hz square 120 Hz yang mencapai nilai penurunan
temperatur total sebesar 14,2 derajat celsius.
Hasil data pengukuran temperatur yang
didapatkan pada titik 3 dituliskan ke dalam
bentuk grafik. Pada titik 3 ini nilai penurunan
temperatur tertinggi juga dicapai pada variasi
frekuensi sin 120 Hz – square 80 Hz dengan
nilai penurunan temperatur sebesar 12,9 derajat
celsius. Sedangkan nilai penurunan temperatur
Pada titik 2 nilai penurunan temperatur
terbesar ternyata juga dicapai oleh variasi
frekuensi sin 120 Hz – square 80 Hz dengan
terbesar dalam 60 menit dicapai pada varias
frekuensi sin 80 Hz – square 120 Hz yaitu
sebesar 12, 5 derajat.
nilai penurunan temperatur sebesar 16,3 derajat
celsius dari 57,4 derajat hingga ke 41,1 derajat,
namun mengalami sedikit kenaikan temperatur
kembali setelah 20 menit hingga kembali ke nilai
43,8 derajat celsius pada menit ke 60 atau naik
sekitar 2,7 derajat.
Titik 2 mengalami penurunan temperatur
yang relatif lebih besar dari titik 1, padahal letak
keduanya sama-sama berada langsung pada
dasar heat sink. Hal ini kiranya diakibatkan oleh
letak titik 2 yang lebih dekat terhadap orifis
dibanding titik 1, sehingga dapat dikatakan juga
bahwa titik 2 beada di daerah dengan intensitas
turbulensi lebih tinggi dari pada titik 1, sehingga
mengakibatkan
timbulnya
nilai
koefisien
perpindahan panas yang lebih tinggi dibanding
titik 1.
Titik 4 mengalami penurunan temperatur
akibat jet sintetik aliran silang seperti yang
tercatat dalam bentuk grafik pada gambar 4.4.
Nilai penurunan temperatur terbesar pada titik 4
ternyata juga dicapai pada variasi frekuensi sin
120 Hz – square 80 Hz yaitu mengalami
penurunan sebesar 19,3 derajat celsius, dan
nilai penurunan terbesar selama 60 menit
dicapai pada variasi frekuensi sin 80 Hz –
square
120
Hz
dengan
nilai
temperatur sebesar 17,3 derajat.
Karakteristik Perpindahan ..., Aldy Andika, FT UI, 2013
penurunan
tersebut semua ujung gelombang bertemu di
satu titik.
Pada tahap komputasional awal penelitian
ini
dilakukan
komputasional
simulasi
3
dengan
dimensi.
Namun
model
hal
ini
dilakukan sebatas untuk membuktikan bahwa
tidak adanya perbedaan pola aliran yang berarti
pada model 3 dimensi sehingga aliran dapat
dianalisa
Dari grafik heat transfer coefficient terlihat
bahwa nilai koefisien perpindahan panas naik
secara
ekstrem
di
rentang
waktu
awal
sebagai
meringankan
aliran
beban
2
iterasi
dimensi
komputer
untuk
dan
mempersingkat waktu simulasi. Hal ini seperti
yang ditunjukkan gambar
pengoperasian jet sintetik, kemudian setelah
mencapai suatu nilai tertentu pada sekitar menit
ke 15-25, nilai koefisien perpindahan panasnya
menunjukan karakter stabil pada sekitar nilai
tersebut. Hal ini terjadi pada hampir seluruh
variasi
frekuensi
Square,
kecuali
gelombang
pada
Sinusoidal
variasi
–
frekuensi
gelombang Sinusoidal 160 Hz – Square 80 Hz
yang mengalami sedikit kenaikan, serta pada
variasi frekuensi gelombang Sinusoidal 120 Hz –
Square
80
Hz
yang
Gambar 5 Simulasi 3D
menunjukkan
kecenderungan menurun.
Dari hasil simulasi 3D ini diputuskan untuk
Nilai heat transfer coefficient terbesar pada
selanjutnya melakukan simulasi 2D karena
penelitian ini dicapai oleh variasi frekuensi
dianggap sudah cukup untuk menggambarkan
gelombang Sinusoidal 120 Hz – Square 80 Hz
aliran karakteristik perpindahan panas pada heat
2
pada menit ke 15 yakni sebesar 396,7 W/m K.
Pada
simulasi
tahap
atas
komputasional
desain
prototype
sink.
dilakukan
cross-flow
synthetic jet actuator menggunakan software
CFD Fluent. Bagian ini membahas tentang
analisa
kontur
temperatur
dan
intensitas
turbulensi, serta vektor temperatur dari prototype
tersebut. Synthetic jet disimulasikan dalam
periode time-step sebesar 0,025 sekon yang
merupakan kelipatan perkalian terkecil dari
kombinasi variasi sinyal sinusoidal dan square
Gambar 5 Kontur Temperatur
80 Hz, 120 Hz, dan 160 Hz, dimana pada waktu
Karakteristik Perpindahan ..., Aldy Andika, FT UI, 2013
Pada variasi sinyal Sinusoidal 80 Hz –
DAFTAR REFERENSI
Square 120 Hz serta Sinusoidal 120 Hz –
Lasance, C.J.M., & Aarts, R.M. (2008). Synthetic
Square 80 Hz di tabel 4.4, berdasarkan hasil
jet cooling partI: Overview of heat transfer
simulasi dapat dilihat untuk kontur temperatur,
and acoustics. Paper presented at the 24th
pendinginan secara ekstrim ke bagian atas heat
IEEE SEMI-THERM Symposium.
sink mulai terjadi pada periode 0,25 T. Tampak
Mahalingam, R., Heffington, S., Lee, J., &
juga bahwa temperatur dari mulai periode ini
Schwickert,
hingga
processor
periode
0,75
T
memperlihatkan
pergerakan pendinginan dari actuator sythetic jet
M.
(2006).
cooling
Newisys
server
augmentation
using
synthetic jet ejectors. IEEE, pp. 705-709.
kepada heat sink. Pada 1 periode penuh terlihat
Sharma, R.N. (2007, December). Some insights
penurunan temperatur pada heat sink mulai
into synthetic jet actuation from analytical
menyebar ke seluruh bagian heat sink secara
modelling. Paper presented at the 16th
signifikan.
Auatralasian Fluid Mechanics Conference.
Tesar, V., Chuan, H.H., & Zimmerman, W.B.
(2005). No-moving-part hybrid-synthetic jet
KESIMPULAN
Penelitian mengenai efek pendinginan serta
karakteristik aliran dengan menggunakan cross-
actuator. SNA-4850, pp. 1-11.
Tuakia, Firman. (2008). Dasar - Dasar CFD
flow synthetic jet actuator yang telah dilakukan
menggunakan
dan
Informatika.
berhasil
menunjukkan
karakteristik
FLUENT.
perpindahan panas pada heat sink terhadap
variasi gelombang sinusoidal dan square pada
frekuensi 80Hz, 120Hz dan 160 Hz.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa efek
pendinginan dari gerakan suction dan discharge
membran
jet
sintetik
aliran
silang
dapat
mencapai nilai yang memuaskan dan dapat
mengurangi dampak negatif dari efek sekam.
Pada
hasil
eksperimental
terlihat
bahwa
pendinginan pada saat membran jet sintetik
digerakan
dengan
menggunakan
fungsi
sinusoidal 120 Hz – square 80 Hz mempunyai
efek pendinginan yang lebih baik dibandingkan
pada variasi gelombang seta frekuensi lainnya.
Hal ini ditandai dengan penurunan temperatur
yang lebih baik pada fungsi sinusoidal 120 Hz –
square 80 Hz
dimana variasi gelombang
tersebut dapat menurunkan suhu hingga 19,3
derajat celsius.
Karakteristik Perpindahan ..., Aldy Andika, FT UI, 2013
Bandung: