FLUIDA NANO ZRO 2 SEBAGAI FLUIDA PENDINGIN PADA PERMUKAAN PEMANAS PELAT VERTIKAL: STUDI EKSPERIMENTAL
V. Indriati Sri Wardhani Pusat Sains dan Teknologi Nuklir Terapan – Bandung Jl. Tamansari no. 71 Bandung 40132 Email : vero@batan.go.id
Diterima editor 22 September 2014 Disetujui untuk publikasi 14 Oktober 2014

## ABSTRAK
FLUIDA  NANO  ZrO 2 SEBAGAI  PENDINGIN    UNTUK  PERMUKAAN  PEMANAS  PELAT VERTIKAL:  STUDI  EKSPERIMENTAL . Salah  satu  usaha  untuk  menaikkan  efektivitas  pendinginan suatu  sistem  adalah  dengan  mencoba  mengganti  fluida  kerjanya,  yaitu  dengan  menggunakan  fluida  nano. Fluida nano ini merupakan  campuran  antara air dengan partikel  nano yang  berukuran 10 -7 -10 - 㸷 m. Karena fluida  nano  ini  merupakan  campuran  air  dan  partikel  nano,  maka  diharapkan  campuran  tersebut  dapat homogen menjadi larutan yang serba sama sifatnya. Dalam keadaan yang homogen dan serba sama tersebut seharusnya fluida  nano  yang  digunakan  sebagai  fluida  pendingin  dapat  memindahkan  energi  dalam  bentuk panas  yang  lebih  besar.  Dalam  penelitian  ini  digunakan  fluida  nano  yang  dibuat  dari  campuran  air  dengan partikel  nano  ZrO 2 dengan  konsentrasi  1  gram/liter.  Penelitian  dimulai  dengan  membuat  suatu  sistem peralatan  eksperimen  yang  terdiri  dari  pemanas  berbentuk  datar  sebagai  sumber  panas  dengan fluida  nano sebagai  pendingin dialirkan  ke  permukaan  pemanas.  Karena  adanya  perbedaan  temperatur  antara  pemanas dan  fluida  pendingin  tersebut,  terjadilah  proses  perpindahan  energi  dalam  bentuk  panas.  Efektivitas  proses perpindahan energi ini akan dipengaruhi oleh bahan dan sifat termohidrolika fluida pendinginnya. Data yang diperoleh  dari  hasil  eksperimen  ini  dipergunakan  untuk  menghitung  koefisien  perpindahan  panas  konveksi (h).  Dari  hasil  perhitungan  diperoleh    koefisien  perpindahan  panas  fluida  nano  lebih  besar  1.08  kali dibandingkan dengan koefisien perpindahan panas air, hal ini menunjukkan bahwa fluida nano lebih efektif dipergunakan sebagai fluida pendingin dibandingkan air.
Kata kunci: Termohidrolik, fluida nano, pendingin,  koefisien perpindahan panas konveksi.

## ABSTRACT
NANO  FLUID  ZrO 2 TO  COOL  THE  SURFACE  OF  THE  VERTICAL  PLATE  HEATER: EXPERIMENTAL STUDY . One  attempt to increase the effectiveness of the cooling process  is by replacing the coolant itself, for example  by replacing water with  nano fluid. The nano fluid is a homogenous mixture of water  with nano particles of 10 -7 -10 -9 m in diameter. . This homogeneous solution is expected to improve the  capability  of  the  coolant  for    transferring  heat  energy.  The  study  is  done  by  creating  an    experimental equipment consisting of a flat shaped heater as the heat source and   nano fluid ZrO 2 as  coolant supplied to the heater to remove heat from its surface. Because of the temperature difference between the heater and the coolant, the heat energy generated in the heater will be transferred by the coolant. . The effectiveness of this energy  transfer  process  are    influenced  by    the  nature  of  the  material  and  the  coolant  fluid  thermal hydraulics characteristic. Data obtained from this experimental  study are used to calculate the convection heat transfer coefficient (h) of the nano fluid ZrO 2 . The result confirms  that heat transfer coefficient of nano fluid ZrO 2 is  1.08  higher than the heat transfer coefficient of the water.   This indicates that nano fluid ZrO 2 is more effective than water for heat transfer.
Keywords : Thermohidrolik, nano fluid, coolant, convection heat transfer coefficient.

## PENDAHULUAN
Di  Indonesia,  kegiatan  yang  berkaitan  dengan  penerapan  fenomena  nuklir  telah  lama  dirintis oleh BATAN dengan berbagai kegiatan litbangnya. Kegiatan ini dimulai dengan dibangunnya reaktor- reaktor penelitian beserta fasilitas laboratorium penunjangnya seperti Reaktor Atom Bandung, Reaktor Kartini Yogyakarta dan Reaktor Serbaguna Serpong. Dengan fasilitas yang tersedia tersebut, kegiatan BATAN telah lama diarahkan pada sasaran penguasaan teknologi nuklir pada umumnya dan persiapan pembangunan  PLTN  di  Indonesia  khususnya.  Kebijakan  energi  nasional  yang  mengarah  pada pemanfaatan  energi  baru  seperti  energi  nuklir,  sudah  tentu  juga  mencakup  usaha-usaha  dalam peningkatan  keselamatan  operasi  reaktor  dan  optimalisasi  dalam  perancangan  peralatan keselamatannya seperti sistem pendingin reaktor nuklir.
Oleh karena itu usaha pengembangan peralatan proses terutama untuk pendinginan sistem akan menjadi  bagian  pula  dari  usaha  menunjang  kebijakan  energi  tersebut.  Salah  satu  usaha  untuk meningkatkan  pendinginan  suatu  sistem  adalah  dengan  cara  mengganti  fluida  pendinginnya  dengan fluida  nano . Telah  dibuat  fluida  nano  ZrO 2 oleh  BATAN  Bandung  dari  bahan-bahan  alami  yang rencananya akan digunakan sebagai fluida pendingin reaktor. Oleh karena itu perlu dilakukan kegiatan penelitian tentang sifat-sifat termohidrolika fluida nano ZrO 2 sebagai fluida pendingin pada permukaan pemanas  berbentuk  pelat. Fluida  nano  yang  dibuat  dari  campuran  air  dengan  partikel  nano  ZrO 2 ini merupakan campuran yang homogen[1]. Dengan sifat yang homogen tersebut diharapkan fluida nano sebagai fluida pendingin dapat memindahkan energi dalam bentuk panas lebih banyak. Telah banyak fluida nano yang digunakan untuk memperbaiki efektivitas pendinginan suatu sistem seperti radiator, penukar  kalor  bahkan  sistem  pembangkit  daya[2,3]. Diharapkan  hasil  kegiatan  penelitian  ini  dapat menambah  pertimbangan  bagi  para  peneliti  dalam  rangka  mencari  alternatif  bahan  fluida  pendingin sistem yang lebih efektif.
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  bahwa  pendingi  fluida  nano  ZrO 2 mempunyai  kemampuan  pendinginan  yang  lebih  baik    dibandingkan  dengan  fluida  pendingin konvensional (air) dengan melihat besarnya koefisien perpindahan panas konveksi (h). Oleh karena itu perlu  dilakukan  penelitian  untuk  melihat  karakteristik  tersebut  melalui  eksperimen  agar  dapat dibuktikan unjuk kerja pendinginan fluida nano tersebut.

## TINJAUAN PUSTAKA
Pada dua buah benda yang mempunyai perbedaaan temperatur akan terjadi perpindahan energi dalam  bentuk  panas  dari  daerah  yang  mempunyai  temperatur  lebih  tinggi  ke  daerah  yang temperaturnya  lebih  rendah,  yang  biasa  disebut  proses  perpindahan  panas.  Demikian  pula  proses perpindahan panas dari suatu sumber pemanas yang berupa pelat yang didinginkan oleh  suatu fluida kerja seperti air atau fluida lain seperti fuida nano, maka akan terjadi proses perpindahan panas secara konduksi  maupun  konveksi [4,5].  Perpindahan  panas  konduksi  adalah  proses  perpindahan  panas melalui perambatan yang terjadi dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur lebih  rendah  di  dalam  suatu  medium  padat,  cair  atau  gas  atau  antar  medium  berlainan  yang bersinggungan  secara  langsung.  Jika  perambatan  panas  tersebut  disertai  dengan  gerakan  massa  atau gerakan partikel zat perantaranya maka perpindahan panas tersebut dikenal dengan perpindahan panas konveksi. Perpindahan panas konveksi ini banyak digunakan dalam analisis perpindahan panas antara permukaan padat dengan fluida yang berada disekelilingnya, mekanisme perpindahan panas konveksi tersebut  dapat  terjadi  secara  alamiah  maupun  secara  paksa. Jika  permukaan  pemanas  mengalirkan panas  maka  fluida  di  dekat  permukaan  mula-mula  akan  terpanaskan  secara  konduksi  sehingga kerapatannya akan berkurang. Akibatnya rapat massa fluida yang terpanaskan menjadi lebih kecil dari
pada fluida yang tidak terpanaskan (dingin), maka fluida yang terpanaskan akan bergerak ke atas dan fluida  yang  dingin  akan  bergerak  ke  bawah.  Mekanisme  perpindahan  panas  seperti  ini  dikatakan sebagai  perpindahan  panas  konveksi  alamiah,  sedangkan  perpindahan  panas  yang  gerakan  fluidanya diperoleh  dari  alat-alat  seperti  pompa,  kompresor,  kipas  dan  lainnya  maka  merupakan  perpindahan panas konveksi paksa[6].
Besarnya  perpindahan  panas  konveksi  juga  ditentukan  oleh  besarnya  koefisien  perpindahan panas h yang tergantung  dari  dimensi  dan  kondisi  aliran,  Kondisi  aliran  untuk  konveksi  paksa ditentukan dari bilangan Reynold  ( R e ) yang dituliskan pada persamaan (1) [7]:
(1)
dengan : ȡ =  massa jenis (kg/m 3 ) u m =  kecepatan aliran (m/s) L   =  panjang pelat (m) µ   =  viskositas dinamik (kg/m.s)
Bilangan  Reynold  digunakan  sebagai  kriteria  untuk  menunjukkan  apakah  aliran  dalam  pelat  itu laminar  atau  turbulen.    Kondisi  aliran  pelat  datar  yang  mempunyai  bilangan  Reynold  ( R e )  <  5x10 5 adalah aliran laminar. Koefisien perpindahan panas konveksi ( h ) merupakan parameter yang diperoleh berdasarkan eksperimen yang  nilainya bergantung kepada semua variabel yang mempengaruhi proses konveksi seperti geometri permukaan, sifat aliran fluida, properti fluida dan kecepatan fluida [8].
Untuk perpindahan panas konveksi paksa pada plat datar vertikal dengan aliran fluida laminar digunakan Bilangan Nusselt Solusi Blasius dengan persamaan (2) [9]:
3 1 2 1 Pr 664 , 0 eL L u R N (2)
Bilangan Prandl (Pr) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (3).
k C p P Pr (3)
Solusi Blasius hanya berlaku untuk suatu kasus perpindahan panas yang mempunyai:
x Lapisan batas laminer
x Bilangan Prandl ( Pr 
x Sifat fluida dievaluasi pada suhu film ( T f )
Untuk  menghitung  koefisien  perpindahan  panas  konveksi  dapat  dilakukan  dengan  persamaan bilangan Nusselt yang dapat dituliskan seperti persamaan (4)[10] :
k L h N L uL
(4)
dengan,
h  : koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2 o C) k  : konduktivitas panas (W/m o C) C p : panas jenis (kJ/kg o C)

## METODOLOGI
Metode  yang  digunakan  di  dalam  penelitian  ini  adalah eksperimen  yang  didahului  dengan perancangan  sistem  eksperimen  dan  pembuatan  alat  eksperimen. Untuk  mencapai  akhir  sasaran penelitian ini, maka penelitian dilakukan dengan tahapan sebagai berikut :
P U L u R m L e

## Perancangan Alat Uji
Perancangan  dimulai  dengan  penentuan  bentuk,  bahan  dan  volume  kolam  proses  berdasarkan daya  pemanas  yang  akan  digunakan.  Daya  maksimum  pemanas  dipilih  500  watt agar  tidak  terlalu panas sehingga tidak terjadi perpindahan panas dua fasa dan daya diatur melalui perangkat pengatur daya. Untuk membuang panasnya digunakan penukar panas cair–udara dan udara digunakan sebagai fluida pendingin yang digerakkan oleh kipas seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

## Pembuatan Alat Uji
Pembuatan  alat  uji  dimulai  dengan  fabrikasi  kolam  proses  yang  berbentuk  kotak  berukuran (14,5x14,5x25) cm 3 , pemanas dengan ukuran (12x 8) cm 2 yang diletakkan di tengah-tengah salah satu dinding  kolam.  Setelah  seluruh  komponen  selesai  dibuat  atau  tersedia  kemudian  dilanjutkan  dengan merangkai komponen-komponen eksperimen tersebut menjadi suatu sistem proses perpindahan panas sesuai rancangan. Proses pembuatan sistem dan sistem proses perpindahan panas secara keseluruhan dapat dilihat pada  Gambar 2.
Gambar 1. Blok diagram eksperimen
Termokopel Pemanas Penukar panas Udara masuk Udara keluar Pompa Meter Make up
(V. Indriati Sri Wardhani)

## Gambar 2. Peralatan eksperimen

## Eksperimen
Uji coba (pengujian) dimulai dengan pemasangan termokopel dalam kolam proses di lima titik dekat pemanas. Kemudian fluida kerja (air atau fluida nano ZrO 2 ) dimasukkan  ke dalam kolam proses, dilanjutkan  dengan  menjalankan  pompa  supaya  fluida  kerja  dapat  bersirkulasi  di  rangkaian  primer, sedangkan di rangkaian sekunder  penukar  kalor  dioperasikan  dengan  menjalankan  kipasnya.  Setelah semua beroperasi pemanas dijalankan pada daya tertentu dan dilakukan pengukuran temperatur fluida kerja di beberapa titik di dekat pemanas, hasilnya terlihat pada Tabel 1. Eksperimen pertama dilakukan dengan fluida kerja air kemudian eksperimen yang kedua dilakukan dengan menggunakan fluida nano ZrO 2 dengan konsentrasi 1 gram/liter yang dialirkan melewati pemanas berbentuk pelat datar dengan daya 500 watt. Selanjutnya dicatat penunjukan temperatur pada lima titik  termokopel dengan urutan 1 s/d  5  dengan  jarak  antar  termokopel  1  cm,  data  pengukuran  temperatur  hasil  eksperimen  yang diperoleh  dapat  dipergunakan  untuk  membandingkan  efektivitas  pendinginan  suatu  sistem  dengan fluida air dan fluida nano ZrO 2 .
Tabel 1. Data temperatur fluida kerja
Jarak (m) Temperatur fluida nano ( o C) Temperatur air ( o C) 0.001 31.57 34.2 0.01 31.217 33.2 0.02 30.919 32.4 0.03 30.826 32.0 0.04 30.757 31.8

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  eksperimen  dan  perhitungan  yang  diperoleh  berupa  data-data  fluida  kerja  nano    dengan daya pemanas (Q)= 500 watt, laju aliran pendingin( m )=18,5 kg/s, viskositas (µ)=1,14 x 10 -3 kg/ms, PDVVDMHQLVȡ NJP 3 , kecepatan aliran fluida sejajar pelat=0,019 m/s, sedangkan untuk air daya pemanas (Q)= 500 watt, laju aliran pendingin( m )=18,75 kg/s, viskositas (µ)=2,19 x 10 -4 kg/ms, massa MHQLVȡ  NJP 3 , kecepatan aliran fluida sejajar pelat=0,002 m/s. Di samping itu diperoleh juga data temperatur fluida kerja sebagai fungsi dari jarak dinding pemanas baik untuk air maupun fluida nano.  Untuk  mengetahui    kondisi  aliran  fluida  perlu  dilakukan  perhitungan  bilangan  Reynold,  hasil perhitungan  bilangan  Reynold  untuk  fluida  nano  dan  air  dapat  dilihat  pada  Tabel  2.  Dari  hasil perhitungan menunjukkan bahwa kondisi aliran dalam eksperimen di sini adalah laminar.
Tabel 2. Hasil perhitungan bilangan Reynold Jarak (m) Bilangan Reynold fuida nano Bilangan Reynold Air 0.001 171,9 858,5 0.01 343,85 1716,9 0.02 515,79 2575,3 0.03 687,72 3433,8 0.04 589,65 4292,2
Untuk menunjukkan bahwa fluida nano mampu berfungsi sebagai fluida pendingin yang lebih baik dibandingkan dengan air, maka dari data temperatur hasil ekperimen yang diperoleh dibuat kurva hubungan antara temperatur  fluida  kerja dengan jarak  dari  dinding  pemanas,  baik  untuk  air  maupun fluida nano. Kurva distribusi temperatur sebagai fungsi jarak pemanas untuk fluida pendingin nano dan air dapat dilihat pada Gambar 3 dan Gambar 4.
Gambar 3. Kurva distribusi temperatur fluida nano dan air sebagai fungsi jarak pemanas hasil eksperimen
Dari Gambar 3 di atas terlihat  bahwa kurva fluida nano mempunyai gradien yang lebih kecil dibandingkan dengan kurva air. Hal ini berarti bahwa beda temperatur fluida nano lebih kecil daripada air,  sehingga  fluida  nano  mempunyai  koefisien  perpindahan  panas  yang  lebih  besar  dan  mampu membuang panas yang lebih banyak dibandingkan dengan fluida air.
Gambar 4. Kurva distribusi temperatur fluida nano dan air sebagai fungsi jarak pemanas hasil simulasi
Di  samping  eksperimen,  penelitian  juga  dilakukan  dengan  simulasi  menggunakan  program Computational  Fuid  Dynamics . Seperti  halnya  dengan  kurva  distribusi  temperatur  hasil  eksperimen, pada  Gambar  4  terlihat  bahwa  kurva  distribusi  temperatur  fluida  kerja  hasil  simulasi  menunjukkan kecenderungan  yang  sama  yaitu  gradien  kurva  distribusi  temperatur  fluida  nano  lebih  kecil dibandingkan  dengan  gradien  kurva  distribusi  temperatur  air,  hal  ini  berati  bahwa  koefisien perpindahan panas nano lebih besar daripada air.
Gambar 5. Perbandingan Kurva distribusi temperatur fluida nano dan air sebagai fungsi jarak pemanas hasil simulasi dan eksperimen
Dari perbandingan hasil eksperimen dan hasil simulasi yang ditunjukkan pada Gambar 5 terlihat bahwa beda temperatur hasil simulasi untuk air lebih kecil dibandingkan hasil eksperimennya karena dalam simulasi banyak digunakan asumsi-asumsi yang ideal seperti panas yang dikeluarkan pemanas merata,  padahal  dalam  keadaan  sebenarnya  tidak  merata.  Ini  akan  menyebabkan  terjadi  perbedaan antara  hasil  simulasi  dengan  keadaan  sebenarnya,  yaitu  hasil  eksperime . Dari  data  hasil  eksperimen dapat  dihitung  juga  besarnya  parameter  koefisien  perpindahan  konveksi  h  yang nilainya  tergantung pada  viskositas  fluida,  kecepatan  fluida,  perbedaan  temperatur  permukaan  benda  dengan  fluida, kapasitas panas fluida, rapat massa fluida dan bentuk permukaan kontak.  Hasil perhitungan koefisien perpindahan panas konveksi dapat dilihat pada Tabel 3 berikut :
Tabel 3. Koefisien perpindahan panas (h) fluida kerja
Jarak (m) Nano h (W/m 2o C) Air h (W/m 2o C) 0.001 37.76 35.4 0.01 18.88 17.7 0.02 12.59 11.08 0.03 9.44 8.55 0.04 7.55 7.08
Hasil  perhitungan  koefisien  perpidahan  panas  juga  menunjukkan  bahwa  besarnya  koefisien perpindahan  panas  nano  lebih  besar  daripada  air  meskipun  perbedaannya  tidak  terlalu  besar,  hal  ini disebabkan kemungkinan karena adanya campuran  partikel  ZrO 2 dan air yang tidak homogen akibat pembuatan  yang  tidak  benar  atau  sempurna,  sehingga  terjadi  pengendapan.  Supaya  efektivitas pendinginan  fluida  nano  ZrO 2 jauh  lebih  baik  dari  air  perlu  penambahan  konsentrasi  partikel  ZrO 2 , sehingga  kerapatannya  menjadi  lebih  tinggi  dan  lebih  mudah  untuk  memindahkan  panas.karena konduksinya akan lebih baik.

## KESIMPULAN  DAN  SARAN
Dari  hasil  perhitungan  dan  perbandingan  dapat  disimpulkan  bahwa  efektivitivitas  fluida  nano ZrO 2 dengan    konsentrasi 1  gram/liter   sebagai  pendingin  permukaan  pemanas berbentuk  pelat datar lebih baik dari air jika  digunakan  sebagai fluida pendingin.  Hal ini telah dibuktikan  dari  hasil  kurva distribusi temperatur dan perhitungan parameter koefisien perpindahan panasnya, meskipun perbedaan tersebut tidak terlalu besar  disebabkan percampuran partikel ZrO 2 dalam fluida nano kurang homogen. Perbedaan  hasil  yang  terjadi  dalam  perbandingan  dengan  simulasi  disebabkan    sifat-sifat  fisis  aliran yang  tersedia  dalam  software  yang  digunakan  cenderung  mendekati  harga  yang  ideal  sehingga diperoleh hasil yang lebih tepat.
Untuk memperoleh efektivitas pendinginan yang lebih baik perlu dilakukan eksperimen dengan penambahan  konsentrasi  partikel    ZrO 2 supaya  kerapatannya  menjadi  lebih  tinggi, sehingga konduktivitasnya meningkat.

## UCAPAN  TERIMAKASIH
Penulis  mengucapkan  terimakasih  kepada  personil  kelompok  Fisika  Bahan  yang  telah  membuatkan fluidanano  untuk  kami  gunakan  dalam  penelitian  ini.  Dan  tidak  lupa  penulis  ucapkan  terimakasih  kepada bapak  Henky yang telah membantu pelaksanaan eksperimen  dan sumbang sarannya.
(V. Indriati Sri Wardhani)

## DAFTAR  PUSTAKA
1. Dani Gustaman Syarif, Djoko Hadi Prajitno. Characteristic of Water - ZrO 2 nanofluid made from solgel synthesized ZrO 2 nanoparticle utilizing local zircon. Journal of Material Science and Engineering. 2012; 2: 122-127 .
2. Xiang-Qi  Wang  and  Arun  S.  Mujumdar.  A review  on  nanofluids  par I:Theoritical    and numerical  investigation. Brazilian  Journal  of  Chemical      Engineering.  2008;.25(4): 613 – 630.
3. Mastaneh Hajipour, Asghar Molaei Dehkordi. Analysis of nanofluid heat transfer  in parallel platvertical channels partially filled with porous medium. International Journal of Thermal Sciences. 2012;55: 103- 113.
4. Theodore  L.  Bergman,  Adrenne  S.  Lavine,  Frank  P.  Incropera,  David  P.  Dewitt, Fundamentals  of  Heat and Mass Transfer 7th ed., by John wiley & sons Inc.; 2011, 3-8.
5. Bruce  R.  Munson,  Donald  F.  Young,  Theodore  H.  Okiishi. Fundamentals  of Fluid Mechanics 5th ed., by John wiley & sons Inc.; 2006, 320 – 321.
6. F. Kreith (editor). The CRC Handbook of Thermal Engineering, CRC Press; 2000.
7. J.P. Holman. Heat Transfer. tenth edition, Published by Mc. Graw-hill, a business unit of the Mc Graw-Hill Companies, Incorporation,1221 Copyright; 2010, 277-360.
8. Forced  convection:  laminar  flow  over  on  isothermal  plate.  Availabe  from:  http: www.efunda.com/ formulae/ heat_ transfer/convection_forced/isothermalplate_lamflow.cfm. Accessed  April 2013 .
9. Ari  Darmawan  Pasek. Materi  kuliah  MS 3245  perpindahan  panas  modul  2.Teknik mesin ITB; 2010.
10. S.E. Mahgoub. Forced convection heat transfer over a flat plate in a porous medium, Ain Shams Engineering Journal. 2013; 4: 605-613.
11. V.Indriati  Sri  Wardhani  dan  Henky  Poedjo  Rahardjo.  Analisis  proses termohidrolik   fluida nano  ZrO 2 untuk  pendingin  pemanas  pelat  dengan  program  CFD.  Prosiding  seminar UNPAD; 2013. 511-519.