RANCANG BANGUN ALAT UJI KONDUKTIVITAS TERMAL SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: FAMA AQIFTIAR FALAH NIM. I 1413012 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit 2016 to user
LEMBAR PENUGASAN ii
LEMBAR PENGESAHAN iii
RANCANG BANGUN ALAT UJI KONDUKTIVITAS TERMAL Fama Aqiftiar Falah I 1413012 Mahasiswa Program Sarjana Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret, Surakarta +62812 2759 965, ABSTRAK Penelitian ini menyajikan perancangan dan pembuatan alat uji konduktivitas termal menggunakan teknik perpindahan panas steady-state dengan kemampuan menguji material pada temperatur tinggi. Desain alat uji ini merupakan pengembangan dari standar ASTM D5470 di mana meter-bar dengan luas penampang yang sama digunakan untuk memperhitungkan suhu permukaan dan heat transfer yang melalui sampel selama pengujian. Terdapat dua meter-bar yang digunakan dalam pengujian, di mana pada setiap meter-bar diletakkan 3 thermocouple. Alat uji ini menggunakan heater dengan daya 1.000 Watt, dan pendingin air untuk menjaga agar pengujian pada keadaan steady-state. Pada saat pengujian diaplikasikan penekanan pada spesimen sebesar 3,4 MPa pada luas penampang meter-bar 113,09 mm 2 dan pemakaian thermal grease untuk meminimalkan tahanan kontak termal. Untuk mengetahui performa alat uji ini, dilakukan validasi dengan membandingkan hasil antara alat uji yang dibuat dengan alat uji konduktivitas termal THB 500 LINSEIS. Hasil validasi menunjukkan nilai konduktivitas termal dari material stainless steel dan bronze yaitu 15,28 Wm -1 K -1 dan 38,01 Wm -1 K -1 dengan selisih dari alat uji THB 500 LINSEIS sebesar -2,55% dan 2,49%. Untuk suhu tinggi alat ini mampu mencapai suhu pengujian 400 C untuk menguji stainless steel dengan hasil 19,21 Wm -1 K -1 selisih 7,93% dari literatur. Kata Kunci: Konduktivitas termal, steady-state, perpindahan panas satu dimensi, temperatur tinggi iv
DESIGN AND CONSTRUCTION OF THERMAL CONDUCTIVITY APPARATUS Fama Aqiftiar Falah I 1413012 Student of Bachelor Degree Program in Mechanical Engineering Sebelas Maret University, Surakarta +62812 2759 965 ABSTRACT This research presented the design and construction of a thermal conductivity apparatus through steady-state heat transfer technique, which is able to test materials in a high temperature. The design of the apparatus was a development of the standard ASTM 5470 in which the meter-bar with the same cross-sectional area was used to calculate the surface temperature and heat passing through the samples during the testing. Two pieces of meter bar were employed in the test, and each of them was equipped with 3 thermocouples. This apparatus used the heater with the power of 1,000 Watts, and water cooler to maintain the testing in a steady-state. During the testing the pressure was applied on specimen as much as 3.4 MPa on the meter-bar s cross-sectional area of 113.09 mm 2, and thermal grease was used to minimize thermal contact resistance. To investigate the performance of the designed apparatus, validation was done by comparing it the thermal conductivity device of THB 500 LINSEIS. The result of validation shows that the thermal conductivity values of the stainless steel and bronze materials were 15.28 Wm -1 K -1 and 38.01 Wm -1 K -1 respectively with the differences of -2.55% and 2.49% respectively against the latter. For high temperature, the designed and developed apparatus was able to tolerate the testing temperature up to 400 C to test stainless steel material with the value of 19.21 Wm -1 K -1 and the difference of 7.93% against those found in the literatures. Keywords: Thermal conductivity, steady-state, one-dimension heat transfer, high temperature v
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis haturkan kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, taufik dan hidayah-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas akhir ini. Tugas Akhir merupakan salah satu syarat dalam mendapatkan gelar Sarjana Teknik (S.T) dan menyelesaikan kurikulum pendidikan Strata satu Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret. Selama menyelesaikan tugas sarjana ini penulis banyak memperoleh ilmu dan pengalaman yang dapat dijadikan bekal untuk masa depan. Dalam penyelesaian Tugas Akhir ini penulis banyak memperoleh bantuan, bimbingan, pengalaman dan pelajaran yang sangat berharga dari berbagai pihak, oleh karena pada kesempatan kali ini penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak dan Ibu tercinta serta saudara-saudaraku 2. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. selaku pembimbing pertama Tugas Akhir 3. Bapak Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T. selaku pembimbing kedua Tugas Akhir 4. Bapak dan Ibu dosen di program studi Teknik Mesin UNS. 5. Rekan-rekan Group riset Thermoelectric 6. Fatima Faykasita 7. Rekan rekan Laboratorium Perpindahan panas dan Laboratorium Nano Bioenergi 8. Rekan rekan Mahasiswa S1 Teknik Mesin Non Reguler Penulis menyadari keterbatasan dan kemampuan dalam penyusunan Laporan Skripsi ini. Oleh karena itu, saran dan kritik yang bersifat membangun sangat diharapkan demi sempurnanya Laporan ini. Namun demikian kami berharap semoga Laporan ini bermanfaat bagi perkembangan dunia pendidikan. Surakarta, 30 Maret 2016 vi Penulis
DAFTAR ISI JUDUL... i LEMBAR PENGESAHAN... Error! Bookmark not defined. ABSTRAK... iv KATA PENGANTAR... vi DAFTAR ISI... vii DAFTAR TABEL... ix DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR PERSAMAAN... xi DAFTAR NOTASI... xii DAFTAR LAMPIRAN... xiv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang Masalah... 1 1.2. Batasan Masalah... 2 1.3. Perumusan Masalah... 3 1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian... 3 1.5. Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5 2.1. Studi Awal... 5 2.2. Dasar Teori... 10 2.2.1. Perpindahan Panas Konduksi... 10 2.2.2. Konduktivitas Termal... 11 2.2.3. Tahanan Kontak Termal... 13 2.2.4. Standar Pengujian (ASTM D 5470-06)... 16 2.2.5. Uncertainty... 19 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 22 3.1. Garis Besar Penelitian... 22 3.2. Gambaran Umum Alat Uji... 22 3.2.1. Desain Alat Uji... 22 3.2.2. Heater... 24 3.2.3. Panel Box... 24 vii
3.2.4. Perangkat Akuisisi Data... 24 3.3. Spesimen Validasi... 25 3.4. Analisa Data... 25 3.5. Experimental Condition... 26 3.6. Diagram Alir Penelitian... 27 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN... 28 4.1. Validasi Awal... 28 4.1.1. Pengujian Stainless Steel... 29 4.1.2. Pengujian Commercial Bronze... 29 4.1.3. Rangkuman validasi awal... 30 4.2. Analisa Uncertainty... 30 4.3. Validasi Pada Suhu Tinggi... 31 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 36 5.1. Kesimpulan... 36 5.2. Saran... 36 DAFTAR PUSTAKA... 37 LAMPIRAN... 40 viii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Standar toleransi thermocouple (Holman, 2012)... 21 Tabel 3.1 Material yang digunakan untuk validasi... 25 Tabel 4.1 Hasil uji konduktivitas termal alat uji THB 500 LINSEIS... 28 Tabel 4.2 Hasil uji konduktivitas Stainless steel pada suhu 50 C... 29 Tabel 4.3 Hasil uji konduktivitas commercial bronze tebal pada suhu 50 C... 30 Tabel 4.4 Uncertainty pengujian konduktivitas termal... 31 ix
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema pengujian konduktivitas termal dengan stepper-bar, (a, b) aluminium base plate, (c) four vertical steel road, (d) rubber feet, (e) Third plate, (f) mechanical transducer, (g) load cell (h) upper refrence bar, (i) lower refrence bar, (j) catridge heater, (k) heat sink (Thompson, et al., 2013)... 7 Gambar 2.2 Skema pengujian comparativ guard axial heat flow technique berdasarkan pada standar ASTM E 1225 (Jensen, et al., 2012)... 8 Gambar 2.3 Bagan yang menunjukkan arah aliran kalor... 10 Gambar 2.4 Volume unsuran untuk analisis konduksi kalor satu dimensi... 11 Gambar 2.5 Pengaruh konduktivitas termal zat padat terhadap suhu (Holman, 2010)... 13 Gambar 2.6 Ilustrasi tahanan kontak termal: (a) situasi fisis; (b) profil suhu 14 Gambar 2.7 Model kekasaran sambungan untuk analisis tahanan kontak termal... 16 Gambar 3.1 Skema Pengujian... 23 Gambar 3.2 Desain alat pengujian... 24 Gambar 3.3. Diagram Alir Penelitian... 27 Gambar 4.1 Hasil pengujian konduktivitas termal stainless steel pada rentang suhu 50 C sampai 400 C... 31 Gambar 4.2 Skema pengujian metode axial heat flow variasi penempatan thermocouple pada material; (a) penempatan material dari alat uji yang dibuat, (b) penempatan material dan penanaman thermocouple pada penelitian yang dilakukan Jensen, et al. (2012)... 32 Gambar 4.3 Perbandingan pengujian konduktivitas termal stainless steel dengan menggunakan thermal grease HC-131, Huskey 2000 dan tanpa thermal grease pada suhu 50 C... 34 x
DAFTAR PERSAMAAN Persamaan 2.1 Laju perpindahan panas berbanding gradien suhu normal... 10 Persamaan 2.2 Laju perpindahan panas... 10 Persamaan 2.3 Persamaan aliran panas satu dimensi pada keadaan tunak... 11 Persamaan 2.4 Thermal contact resistance (1)... 13 Persamaan 2.5 Thermal contact resistance (2)... 14 Persamaan 2.6 Aliran kalor melintasi sambungan (1)... 15 Persamaan 2.7 Aliran kalor melintasi sambungan (2)... 15 Persamaan 2.8 Koefisien kontak... 15 Persamaan 2.9 Laju perpindahan panas hot meter bar... 17 Persamaan 2.10 Laju perpindahan panas cold meter bar... 17 Persamaan 2.11 Laju perpindahan panas rata-rata... 17 Persamaan 2.12 Temperatur permukaan meter bar atas yang bersinggungan dengan spesimen... 18 Persamaan 2.13 Temperatur permukaan meter bar bawah yang bersinggungan dengan spesimen... 18 Persamaan 2.14 Impedansi termal... 19 Persamaan 2.15 Persamaan konduktivitas termal efektif... 19 Persamaan 2.16 Uncertainty konduktivitas termal... 20 Persamaan 2.17 Uncertainty luas... 21 xi
DAFTAR NOTASI Notasi laju perpindahan panas Fourier A = Luas penampang m 2 k = Konduktivitas termal Wm -1 K -1 Q = Laju perpindahan panas W ΔT = Gradien suhu ke arah perpindahan panas m Δx = Jarak perpindahan panas m Notasi persamaan konduktivitas termal ASTM D 5470-06 da = Jarak antara sensor suhu T1 dan T2 m dab = Jarak antara kedua sensor suhu pada hot meter bar m db = Jarak sensor suhu T2 dengan permukaan meter bar yang m bersinggungan dengan spesimen dc = Jarak antara sensor suhu T3 dan T4 m dcd = Jarak antara kedua sensor suhu pada cold meter bar m dd = Jarak dari sensor suhu T3 dengan permukaan meter bar m yang bersinggungan dengan spesimen kref = Konduktivitas termal dari referensi Wm -1 K -1 kuji = Konduktivitas termal hasil dari pengujian Wm -1 K -1 q12 = Laju perpindahan panas hot meter bar W q34 = Laju perpindahan panas cold meter bar W qave = Laju perpindahan panas rata-rata W T1 = Temperatur hot meter bar pada titik T1 C T2 = Temperatur hot meter bar pada titik T2 C T3 = Temperatur cold meter bar pada titik T3 C T4 = Temperatur cold meter bar pada titik T4 C TC TH = Temperatur permukaan cold meter bar yang C bersinggungan dengan spesimen = Temperatur permukaan hot meter bar yang C bersinggungan dengan spesimen wa = Uncertainty luas permukaan m 2 xii
wk = Uncertainty konduktivitas termal Wm -1 K -1 wqave = Uncertainty heat transfer W wt = Uncertainty ketinggian spesimen m wδt = Uncertainty pengukuran suhu C θ = Impedansi termal Km 2 W -1 xiii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Data hasil pengujian konduktivitas termal... 40 Lampiran 2. Perhitungan konduktivitas termal dari alat yang dibuat... 44 Lampiran 3. Perhitungan uncertainty konduktivitas termal... 49 Lampiran 4. Konduktivitas termal referensi... 55 xiv