KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA HEAT SINK DENGAN MENGGUNAKAN JET SINTETIK ALIRAN SILANG DENGAN VARIASI GELOMBANG SINUSOIDAL DAN SEGIEMPAT

Transkripsi

1 KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA HEAT SINK DENGAN MENGGUNAKAN JET SINTETIK ALIRAN SILANG DENGAN VARIASI GELOMBANG SINUSOIDAL DAN SEGIEMPAT Penulis : Aldy Andika (aldy.andika91@ui.ac.id) Pembimbing : Harinaldi (harinald@eng.ui.ac.id) 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 PENDAHULUAN Pada zaman modern ini, perkembangan teknologi mengalami kemajuan yang semakin pesat, khususnya dalam industri elektronik. Seiring waktu, perkembangan dalam industri elektronik menuntut efisiensi bentuk dan kinerja produk yang semakin tinggi. Kecanggihan teknologi yang terus berkembang harus tentunya harus didukung oleh perangkat hardware di dalamnya. Pemasok daya yang ada seperti baterai masih berkapasitas terbatas. Seiring dengan tantangan efisiensi energi, maka diperlukan suatu sistem baru yang mampu menunjang hal tersebut. Salah satu yang dikembangkan adalah dalam hal sistem pendinginan elektronik. Metode pendinginan yang masih umum digunakan saat ini adalah sistem pendinginan konvensional yang masih menggunakan fan/blower yang memanfaatkan konveksi pakasa dengan udara sebagai fluida kerjanya. Sampai saat ini perangkat elektronik skala menengah sampai besar kebanyakan masih menggunakan metode ini pada aplikasi sistem pendinginannya baik untuk sirkulasi udara menyeluruh atau peningkatan laju pendinginan lokal. Synthetic jet merupakan suatu karakter aliran fluida dimana rangkaian cincin vortex terbentuk oleh getaran membran/diafragma pada suatu cavity sehingga mengakibatkan gerakan keluar-masuknya fluida melalui celah sempit/orifis (Smith & Glezer, 1998). Jet sintetik secara visual dapat digambarkan seperti pada gambar 1.

2 Gambar 1 Prinsip Kerja Jet Sintetik Prinsip dasar kerja dari synthetic jet adalah memanfaatkan input massa netto nol dari fluida yang ada di sekitarnya namun menghasilkan output momentum tidak nol. Suatu aktuator jet sintetik terdiri atas rongga/cavity berisi diafragma, bisa berupa piston, membran piezoelektrik, maupun elektromagnetik, yang menggerakkan udara di dalamnya, di mana fluida udara keluar melalui cavity dalam bentuk rangkaian vortex dengan intensitas turbulensi yang tinggi sehingga mempercepat laju perpindahan kalor dan akan menghasilkan efek pendinginan pada media yang dituju. Synthetic jet terus dikembangkan karena memiliki keuntungan dibanding sistem pendinginan konvensional seperti fan. Pada sistem fan kebutuhan suplai udara dipenuhi dengan mengalirkan fluida udara dari satu tempat ke tempat lainnya. Sistem synthetic jet menawarkan keuntungan utama yaitu hanya menggunakan udara yang sama yang terus diputar oleh sistemnya (Sharma, 2007). Selain itu mengacu pada besarnya panas yang dibuang terhadap besarnya volume aliran maka fan dinilai kurang efisien (Mahalingam dkk, 2006). Keuntungan lain dari sistem pendinginan menggunakan synthetic jet dibanding fan untuk performa heat transfer yang sama, antara lain (Lasance & Aarts, 2008): 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, komponen bergerak dapat dilindungi dari ambient Miniaturisasi produk lebih mudah dibanding fan Memiliki kemungkinan peredaman kebisingan yang lebih simple Namun jet sintetik juga tak lepas dari kekurangan, terutama pada model impinging. Kelemahan utamanya terletak pada mudahnya fluida udara yang mengandung kalor dari fase discharge/blowing terhisap kembali pada fase suction. Hal ini akan mengakibatkan efek sekam yakni efek dimana panas akan terakumulasi dalam cavity jet sintetik (Tesar, 2005). Hal inilah yang mendorong penelitian jet sintetik diarahkan kepada model cross-flow dengan harapan mengurangi dampak dari efek sekam tersebut. METODE Pada penelitian ini dibutuhkan aktuator jet sintetik untuk melakukan percobaan sehingga dirancanglah sebuah prototype jet sintetik dimana diharapkan rancangan prototype jet sintetik yang telah dirancang mampu menghasilkan aliran jet sintetik yang memiliki heat transfer coefficient yang baik. Rancangan prototype jet sintetik yang dibuat & dipakai dalam eksperimen digambarkan dalam gambar 2

3 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 eksperimental untuk mendapatkan karakteristik pendinginan pada heat sink menggunakan sintetik jet. 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 sebelumnya dan kemudian dilakukan meshing dengan menggunakan software Gambit seperti pada gambar 3 Tabel Kondisi komputasi Setelah itu gerakan diafragma dimodelkan dengan user defined function (UDF). Pada permodelan ini akan terlihat beberapa daerah 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 sebuah silinder, dimana diekspresikan sebagai fungsi gelombang sinusoidal di bawah ini. Gambar 3 Gambaran daerah komputasi jet sintetik Model komputasi ini digunakan untuk menganalisis daerah aliran termal pada jet sintetik dengan menggunakan model matematika k-ω SST (Shear Stress Transport). Pada daerah kerja, udara diasumsikan isothermal dan juga incompressible. Suhu lingkungan diasumsikan 30 o C dan suhu bagian bawah dari dinding yang dipanaskan, dimana A merupakan kecepatan maksimum yang terbentuk akibat gerakan diafragma di dalam cavity dan t adalah waktu eksperimen. Serta fungsi gelombang square B. Tahap Eksperimental Tahap eksperimen ini dilakukan untuk mendapatkan data temperatur sebuah heatsink yang didinginkan menggunakan jet sintetik.

4 Sistem eksperimen yang dibuat pada penelitian ini dapat dijabarkan pada gambar 4 Gambar 4 Experimental Set-up Pengambilan data dilakukan dengan mengukur suhu pada heat sink di enam titik dengan menggunakan digital multimeter dengan akurasi pengukuran 0.1 o C. Sebelum dilakukan eksperimen, dilakukan pengaturan suhu pada heat sink. Sumber panas pada heat sink didapatkan dengan menempatkan heater mat pada bagian bawah heat sink dengan suhu 60 o C yang diatur menggunakan thermostat dan pengukuran dilakukan pada suhu lingkungan 27 o C. Kemudian dilakukan pengaturan bentuk gelombang sinusoidal untuk membran atas dan square untuk membran bawah yang dipakai pada eksperimen ini, serta pengaturan frekuensi gelombang dengan variasi gelombang 80 Hz, 120 Hz dan 160 Hz 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. ANALISA Pada tahap eksperimen, pengambilan data 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 peletakannya terhadap lubang orifis, yakni titik 1 dan 3 berada paling jauh dari orifis sedangkan titik 2 dan 4 berada tepat di depan celah tersebut. Hal ini dianggap cukup mewakili untuk dapat menggambarkan karakteristik perpindahan panas pada heat sink akibat jet sintetik aliran silang (cross-flow synthetic jet). Sebanyak 9 jenis variasi gelombang diberikan pada membran piezoelektrik pada aktuator jet sintetik tersebut, sehingga didapatkanlah 36 kumpulan data, yang dibedakan pada letak termokopel dan jenis variasi gelombangnya. Pada bagian ini analisis data akan dikelompokkan menjadi 4, yakni analisis grafik berdasarkan pada titik termokopel, titik 1, titik 2, titik 3 dan titik 4. Penurunan temperatur terbesar pada titik 1 tercatat mencapai 15,6 derajat celcius yakni

5 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. Pada titik 2 nilai penurunan temperatur terbesar ternyata juga dicapai oleh variasi frekuensi sin 120 Hz square 80 Hz dengan 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. 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 terbesar dalam 60 menit dicapai pada varias frekuensi sin 80 Hz square 120 Hz yaitu sebesar 12, 5 derajat. 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 penurunan temperatur sebesar 17,3 derajat.

6 Dari grafik heat transfer coefficient terlihat bahwa nilai koefisien perpindahan panas naik secara ekstrem di rentang waktu awal 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 gelombang Sinusoidal Square, kecuali pada 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 menunjukkan kecenderungan menurun. Nilai heat transfer coefficient terbesar pada penelitian ini dicapai oleh variasi frekuensi gelombang Sinusoidal 120 Hz Square 80 Hz pada menit ke 15 yakni sebesar 396,7 W/m 2 K. Pada tahap komputasional dilakukan simulasi atas desain prototype 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 80 Hz, 120 Hz, dan 160 Hz, dimana pada waktu tersebut semua ujung gelombang bertemu di satu titik. Pada tahap komputasional awal penelitian ini dilakukan simulasi dengan model komputasional 3 dimensi. Namun hal ini dilakukan sebatas untuk membuktikan bahwa tidak adanya perbedaan pola aliran yang berarti pada model 3 dimensi sehingga aliran dapat dianalisa sebagai aliran 2 dimensi untuk meringankan beban iterasi komputer dan mempersingkat waktu simulasi. Hal ini seperti yang ditunjukkan gambar Gambar 5 Simulasi 3D Dari hasil simulasi 3D ini diputuskan untuk selanjutnya melakukan simulasi 2D karena dianggap sudah cukup untuk menggambarkan aliran karakteristik perpindahan panas pada heat sink. Gambar 5 Kontur Temperatur

7 Pada variasi sinyal Sinusoidal 80 Hz Square 120 Hz serta Sinusoidal 120 Hz Square 80 Hz di tabel 4.4, berdasarkan hasil simulasi dapat dilihat untuk kontur temperatur, pendinginan secara ekstrim ke bagian atas heat sink mulai terjadi pada periode 0,25 T. Tampak juga bahwa temperatur dari mulai periode ini hingga periode 0,75 T memperlihatkan pergerakan pendinginan dari actuator sythetic jet kepada heat sink. Pada 1 periode penuh terlihat penurunan temperatur pada heat sink mulai menyebar ke seluruh bagian heat sink secara signifikan. KESIMPULAN Penelitian mengenai efek pendinginan serta karakteristik aliran dengan menggunakan crossflow synthetic jet actuator yang telah dilakukan dan berhasil menunjukkan karakteristik 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. DAFTAR REFERENSI Lasance, C.J.M., & Aarts, R.M. (2008). Synthetic jet cooling parti: Overview of heat transfer and acoustics. Paper presented at the 24 th IEEE SEMI-THERM Symposium. Mahalingam, R., Heffington, S., Lee, J., & Schwickert, M. (2006). Newisys server processor cooling augmentation using synthetic jet ejectors. IEEE, pp Sharma, R.N. (2007, December). Some insights into synthetic jet actuation from analytical modelling. Paper presented at the 16 th Auatralasian Fluid Mechanics Conference. Tesar, V., Chuan, H.H., & Zimmerman, W.B. (2005). No-moving-part hybrid-synthetic jet actuator. SNA-4850, pp Tuakia, Firman. (2008). Dasar - Dasar CFD menggunakan FLUENT. Bandung: Informatika.