rancang bangun alat uji konduktivitas termal · mm2 dan pemakaian thermal grease untuk meminimalkan...

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

2016

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

ii

LEMBAR PENUGASAN


commit to user

iii

LEMBAR PENGESAHAN


commit to user

iv

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

mm2 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-1K-1 dan 38,01 Wm-1K-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-1K-1 selisih 7,93% dari literatur.

Kata Kunci: Konduktivitas termal, steady-state, perpindahan panas satu dimensi,

temperatur tinggi


commit to user

v

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 mm2, 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-1K-1

and 38.01 Wm-1K-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-1K-1 and the difference of 7.93% against

those found in the literatures.

Keywords: Thermal conductivity, steady-state, one-dimension heat transfer,

high temperature


commit to user

vi

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

Penulis


commit to user

vii

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


commit to user

viii

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


commit to user

ix

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


commit to user

x

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


commit to user

xi

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


commit to user

xii

DAFTAR NOTASI

Notasi laju perpindahan panas Fourier

A = Luas penampang m2

k = Konduktivitas termal Wm-1K-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

bersinggungan dengan spesimen

m

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

yang bersinggungan dengan spesimen

m

kref = Konduktivitas termal dari referensi Wm-1K-1

kuji = Konduktivitas termal hasil dari pengujian Wm-1K-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 = Temperatur permukaan cold meter bar yang


°C

TH = Temperatur permukaan hot meter bar yang


°C

wA = Uncertainty luas permukaan m2


commit to user

xiii

wk = Uncertainty konduktivitas termal Wm-1K-1

wqave = Uncertainty heat transfer W

wt = Uncertainty ketinggian spesimen m

wΔT = Uncertainty pengukuran suhu °C

θ = Impedansi termal Km2W-1


commit to user

xiv

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


commit to user

rancang bangun alat uji konduktivitas termal · mm2 dan pemakaian thermal grease untuk meminimalkan...

Documents