PENGARUH PANJANG KONDENSOR TERHADAP KINERJA TERMAL THERMOSYPHON

## Fina Andika Frida Astuti dan Arif Rochman Fachrudin
Teknik Mesin Politeknik Negeri Malang
Email: fina.andika@gmail.com;  arfachrudin@gmail.com

## ABSTRACT
Cooling is an important activity in maintaining a large temperature of a component, both  mechanical  components  and  electronic  components.  Component  temperature which is maintained from overheating will avoid damage. The cooling process is carried out  by  moving  the  heat  produced  by  a  component  through  a  heat  exchanger.  One effective heat exchanger is Thermosyphon. This tool is able to move a number of heat through a very small surface area. Thermosyphon is a pipe that contains a working fluid, consisting  of  three  parts,  namely  the  evaporator  section,  the  adiabatic  section  and  the condenser  section.  The  evaporator  has  the  function  of  absorbing  heat  from  the  heat source and heat is released in the condenser. The process of heat absorption and release of  heat  is  carried  out  by  the  working  fluid  in  the  pipe,  when  the  fluid  is  in  the  heated evaporator it will evaporate towards the condenser the heat is released. The fluid which is finally from the condenser returns to the evaporator.
This  study  aims  to  determine  the  thermal  performance  of  the  thermosyphon  as  a heat  exchanger  with  condenser  length  variations.  Thermosyphon  is  designed  with  a condenser length variation of 44 cm,  66 cm, 88 cm, 110 cm and 132 cm running with variation temperature.
The  results  showed  that,  the  highest  thermal  resistance  at  the  shortest  condenser length at 40 0 C (14 0 C / W) and the lowest at the longest condenser length at 120 0 C (1 0 C / W).  At  all  temperatures,  all  variations  in  the  length  of  the  condenser  will  increase  the output power and heat  flux. At the same condenser length, the higher the temperature, the  greater  the  heat  flux  and  output  power.  The  process  of  this  experiment  is  most effective at the length of the condenser 1.25 (132 cm) from the length of the evaporator length,  because  after  that  the  value  of  thermal  resistance  and  output  power  will experience a permanent tendency.
Keyword : thermosyphon,kondensor,heat exchanger

## 1. PENDAHULUAN
Pendinginan  merupakan  kegiatan  penting  dalam  mempertahankan  besar temperatur  suatu  komponen,  baik  komponen  mekanik  maupun  komponen  elektronik. Temperatur  komponen  yang  terjaga  dari  panas  berlebih  ( over  heating )  akan  terhindar dari kerusakan dan terhindar dari penurunan performa dari suatu komponen.
Berbagai  macam  alat  pendinginan  banyak  dijumpai,  ada  yang  memanfaatkan energi  dari  luar  maupun  yang  tidak  memanfaatkan  energi  dari  luar.  Dengan memanfaatkan  energi  dari  luar  tentunya  akan  Pmembutuhkan  tambahan  energi  yang tentunya membutuhkan tambahan biaya. Salah satu contohnya adalah  berupa sirip dari aluminium dan diatasnya diberi kipas. Pendinginan ini membutuhkan energi listrik untu memutar  kipas  dan  biasa  digunakan  bila  bila  panas  yang  diserap  dan  dibuang  adalah relative kecil. Untuk pendinginan dengan kapasitas panas yang tinggi , pendinginan ini mempunyai kekurangan, diantaranya adalah pendinginan ini membutuhkan ruang yang besar untuk  heat  sink  dan suara  yang bising serta usia dari kipas  yang sangat  terbatas. Pendinginan  yang  lain  berupa  pendinginan  dengan  sirkulasi  fluida  pendingin menggunakan  pompa.pendinginan  ini  tentunya  membutuhkan  energi  listrik  untuk memutar pompa dan membutuhkan ruang yang besar.
Salah  satu  alat  pendingin  tanpa  memerlukan  energi  dari  luar  dalam  kerjanya adalah thermosyphon . Thermosyphon merupakan   alat penukar panas yang berupa pipa, terdiri  dari  3  bagian  utama  yaitu  :  bagian  evaporator,  bagian  adiabatik  dan  bagian kondensor.  Fungsi  bagian  evaporator  adalah  menerima  dan  menyerap  panas  untuk  di bawa  kebagian  kondensor,  Bagian  kondensor  adalah  bagian  dari Thermosyphon yang berfungsi melepas panas ke lingkungan setelah menerima panas dari evaporator melalui fluida  kerja  yang  diisikan  di  pipa Thermosyphon. Bagian  yang  ketiga  adalah  bagian adiabatic, terletak diantara evaporator dan kondensor sebagai bagian yang memisahkan bagian  evaporator  dan  kondensor.  Bagian  ini  terisolasi  bagian  luar  sehingga  tidak  ada pertukaran  temperatur  dengan  lingkungan.  Kedalan  thermosyphonm  diisikan  fluida kerja diisikan yang berfungsi untuk membawa panas dari evaporator setelah mengalami penguapann dari evaporator menuju bagian ke kondensor.
Cara  kerja  alat  penukar  kalor  thermosyphon  ini  adalah  kalor  yang  diterima  dan diserap  oleh  bagian  evaporator,  didalam  evaporator  terdapat  fluida  dengan  titik  didih tertentu. Setelah mencapai titik didih fluida kerja, fluida menguap dengan tekanan yang
kuat  menuju  ke  bagian  kondensor  melalui  inti  tengah  melalui  bagian  adiabatik  yang terisolasi  dari  lingkungan.  Setelah  sampai  di  kondensor  panas  dilepaskan  dengan bantuan sirip sirip yang terdapat pada kondensor. Fluida yang berupa uap terkondensasi menjadi  cair  kembali  setelah  panasnya  dilepaskan  kelingkungan.  Fluida  kerja  yang berupa  cair  kembali  lagi  menuju  bagian  evaporator  melalui  dinding  dalan thermosyphon . Di evaporator mendapat panas lagi dan menguap lagi. Siklus ini berulah secaa terus menerus seperti yang ditunjukkan gambar 1.

## Gambar 1. Proses Kerja Thermosyphon
Beberapa  penelitian  tentang  thermosyphon  telah  banyak  dilakukan  dengan memvariasi  fluida,  dinding  dimensi  kemiringan,  perlakuan  putaran  dsb.  .  A.  K. Mozumder,  dkk  (2010)  dalam  penelitiannya  memvariasi  volume  fluida  pada thermosyphon  dan  mengambil  kesimpulan  bahwa  prosentase  volume  fluida  pada kondensor berpengaruh terhadap performansi thermosyphon, yaitu kenaikan prosentase volume  fluida  mengakibatkan  kinerja  thermal  akan  naik.  Masaru  (2001)  dalam penelitiannya  berkesimpulan  bahwa  sudut  kemiringan  memberi  pengaruh  terhadap kinerja termal thermosyphon. Pada beberapa penelitian sebelumya belum ada informasi bagaimana  fenomena pada  thermosyphon  dengan berbagai  dimensi  dan  dengan variasi bagian kondensor.
Penelitian  penelitian  yang  telah  dilakukan  sebelumnya,  belum  memberikan keterangan  bahwa  bagaimana  pengaruh  panjang  kondensor  terhadap  kinerja  termal
thermosyphon .  Berdasarkan  hal  tersebut,  penelitian  ini  dilakukan  dengan  tujuan mendapatkan  informasi  pengaruh  panjang  evaporator  terhadap  performansin  termal thermosyphon.

## 2.  TINJAUAN PUSTAKA
Thermosyphon adalah  alat  penukar  kalor  dengan  dimensi  yang  relatif  kecil  kecil tetapi  dapat  bekerja  memindahkan  kalor  yang  besar  dari  suatu  tempat  ketempat  lain dengan memanfaatkan panas laten dari fluida kerja yang bekerja didalamnya, sehingga thermosiphon  mempunyai  konduktifitas  panas  yang  tinggi.  Dilihat  cara  kerja  dan prosesnya,  Thermosyphon  hampir  sama  dengan heat  pipe tetapi  dinding  termosyphon tanpa struktur kapiler (wick) (Sabharwall P, 2009).
Ada  beberapa  hal  yang  mempengaruhi  performansi  termal thermosyphon diantaranya adalah fluida kerja, , bahan pipa, dan dimensi thermosyphon thermosyphon. Hal pokok dari kinerja termal thermosyphon ditentukan dari beda temperatur evaporator dan kondensor (end to end ΔT), tahanan termal, kapasitas perpindahan kalor (fluk kalor) dan daya output. Tahanan termal (Rth) pipa kalor dihitung dengan persamaan 1.(Hopkin et al., 1999) :
................(1)
Semakin  tinggi  nilai    tahanan  termal  maka  kinerja  thermosyphon    semakin  jelek dan  juga  sebaliknya.  Pada  kondisi  ideal  kalor  yang  dibuang  harus  sama  dengan  kalor yang diterima, karena pada kondisi stedi kalor yang dibutuhkan untuk penguapan fluida kerja  di  evaporator  akan  sama  dengan  kalor  yang  dilepaskan  pada  saat  proses kondensasi  uap  di  daerah  kondensor.  Kalor  yang  dilepas    kondensor  dapat  dihitung sebagai berikut : Qout = η. At. h. (Tw – Tu ). Fluks kalor merupakan kalor yang keluar (Qout)  persatuan  luas.  Koefesien  perpindahan  kalor  konveksi  (h)  diperoleh  dengan penurunan rumus empiris:
Qout = η. At. h. (Tw – Tu)                ................(2)
Angka Nusselt diperoleh dari :
Nud =  0,023 Re0,8 Pr n(Holman 1994:252)                ................(3)

## 3. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui  hubungan  antara  panjang  kondensor terhadap  kerja  termal  yang  dihasilkan  thermosyphon,  sehingga  untuk  mendapatkan variasi  parameter  –  parameter  tersebut  di  atas  dilakukan  dengan  jalan  memvariasi panjang kondensor dan memvariasi temperatur yang diterima oleh evaporator .Langkah penelitian ini bisa dilihat pada gambar 2.
Gambar 2. Alur Penelitian
Langkah langkah Pengambilan Data
Pengambilan  data  dilakukan  dengan  5  variasi  panjang  kondensor  yakni  sebesar  44  cm
,66 cm,88  cm,110  cm  dan  132 cm.  Temperatur diberikan adalah 40° C, 60° C, 80° C, 100° C dan 120° C.
Langkah  pertama  dalam  penelitian  ini  adalah  menggunakan  variasi  panjang kondensor  44  cm.  Selanjutnya  mengisi  fluida  kerja  air    dalam  thermosyphon  sesuai bagan  pada  gambar  3.  Langkah  ketiga,  menghidupkan  power  heater  dan  mengatur kedudukan  auto  travo,  sehingga  diperoleh  temperatur  40°C.  Data  temperatur  yang diambil  adalah  pada  bagian,  evaporator  (Te),  kondensor  (Tk1,  Tk2,  Tk3),  serta temperatur  ruangan/udara  (Tu).  Pengambilan  data  setelah  kondisi  kerja  thermosyphon tetap,  yaitu  kurang  lebih  30  menit  setelah  thermosyphon  beroperasi.  Pengukuran dilakukan  3  kali  dan  setiap  temperatur  diambil  datanya  10  data  dengan  jeda pengambilan data 5 menit, sehingga setiap temperatur memeperoleh 30 data.
Untuk setiap panjang kondensor berbeda, diberikan 5 variasi temperatur dan untuk panjang  kondensor    selanjutnya  langkah  langkah  tersebut  diulang  dari  awal  seperti sebelumnya. Hasil penelitian ini digambarkan dalam suatu grafik.
Tabel 1. Spesifikasi Thermosyphon
SPESIFIKASI KET Panjang keseluruhan (cm) 40 Panjang kondensor (cm) divariasi Panjang adiabatik (cm) 16,8 Panjang Evaporator (cm) 8,8 Diameter Pipa (cm) 9,52 Tebal Pipa (cm) 0,5 Fluida Air Jumlah heat sink 8 Ukuran diameter sirip 38 Bahan Pipa Tembaga
Perhitungan daya input adalah perkalian tegangan dan arus yang diterima oleh pemanas (heater), yaitu bisa dihitung dengan persamaan 4 :
Q in = V  x I                                  ................(4)
Variabel bebas yang digunakan adalah  :
1. Variasi panjang kondensor (44 cm ,66 cm,88 cm,110 cm dan 132 cm)
2. Variasi Temperatur dari 400C, 600C, 800C, 1000C, 800C sampai 1200C
Sedangkan variabel terikatnya adalah :
1. End to end ΔT [0C],
2. Tahanan termal,
3. Fluks Kalor dan
4. Daya Output.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
1.  Hubungan Panjang Kondensor  dengan end to end.
Gambar 4 Hubungan Panjang Kondensor dengan end to end.
Berdasarkan  gambar  4  menunjukkan  dengan  variasi  temperatur  (end  to  end ) dibagian evaporator serta kondensor pada semua kondisi dengan kondisi semua panjang kondensor  pada  temperatur  rendah      harga  end  to  end nya  cukup  tinggi,  dan temperatur meningkat maka harga end to end semakin kecil.  Pada panjang kondensor terpendek  (44  cm)  pada  kondisi  disemua  temperatur  mempunyai  harga  end  to  end terbesar  (25 0 C)  Sebaliknya  semakin  kecenderungan  tetap  ketika  kondensor  panjang ditambah (132) pada suhu 40 0 C. Ini berlaku untuk temperatur yang lainnya
Pengaruh  kenaikan  temperatur  ini  menyebabkan  meningkatnya  temperatur evaporator,dan  kenaikan  ini  relatif  lebih  kecil  dibanding  dengan  kenaikan  yang  terjadi di  kondensor.    Dengan  bertambahnya  panjang  kondensor  maka,  mekanisme perpindahan  panas  yang  di  bawa  oleh  fluida  kerja  dari  evaporator  ke  kondensor  akan semakin    besar  semakin  efektif,  sehingga  mempunyai  efisiensi  thermalnya  semakin besar.
0 5 10 15 20 25 30 44 66 88 110 132 En d To E n d ( 0 C) Panjang Kondensor 40 C 60 C 80 C
100 C 120 C

## 2.  Hubungan Panjang Kondensor terhadap tahanan Termal
Gambar 5 Hubungan panjang kondensor  terhadap tahanan Termal Pada  gambar  5,  hubungan  antara  panjang  kondensor  dengan  tahanan  thermal terlihat  bahwa  perbedaan  panjang  kondensor  pada  temperatur  yang  sama  akan menyebabkan  tahanan  thermal  turun.  Hal  ini  terlihat  panjang  kondensor  setengah  dari panjang  evaporator  yaitu  44  cm  dengan  temperatur  60 0 C  mempunyai  tahanan  thermal 11 0 C/W  kemudian  semakin  turun  pada  panjang  fluida  semakin  panjang  yaitu  dengan nilai tahanan thermal 5 0 C/W
Melihat  fenomena  diatas  disebabkan  semakin  panjang  kondensor,  proses mekanisme  fluida  semakin  pendek  untuk  mengembalikan  fluida  dari  kondensor  ke evaporator,  sehingga  perpindahan  panas  berjalan  semakin  efektif.  Selain  itu  panjang kondensor,  proses  perpindahan    panas  yang  dibawa  fluida  yang  bekerja  untuk memindahkan  panas  semakin  besar  sehingga  thanan  thermalnya  cenderung  akan semakin kecil.
Penelitian  dari  Mozumder  dkk  menunjukkan  hal  sama  dalam  penelitiannya yaitu  dalam  penelitian  itu  menunjukkan  kecendurungan  bahwa  semakin  besar  panjang kondensor  pada  evaporator  maka  tahanan  thermal  akan  semakin  turun.    Dibandingkan dengan penilitian ini, penelitian terdahulu menggunakan thermosyphon dengan dimensi lebih  kecil,fluida  kerja    berbeda  dan  range  temperatur  uji  masih  dibawah  80 0 C.  Untuk penelitian  ini  range  temperatur  sampai  120 0 C,  dimensi  lebih  besar  dan  menggunakan fluida kerja yang lain.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 44 66 88 110 132 Tah an an Ter mal ( 0 C /W) Panjang Kondensor 40 C 60 C 80 C
100 C 120 C
3. Hubungan Panjang Kondensor  dengan Daya    Output (Qout) :
Gambar 6. Hubungan Panjang Kondensor  dengan Daya Output (Qout) Gambar 6.  menunjukkan bahwa perbedaan panjang kondensor  dengan temperatur yang sama akan meningkatkan daya output. Pada temperatur 120 0 C pada panjang kondensor 44 cm diperoleh daya output 22 W sedang pada panjang 132 cm diperoleh daya output 25  W.  Hal  ini  disebabkan  dengan  mekanisme  peerpindahan  [anas  yang  smakin  besar dengan panjang kondensor lebih panjang sehingga daya perpindahan semakin besar 4.  Hubungan Temperatur dengan Fluks Kalor.
0 5 10 15 20 25 30 44 66 88 110 132 D ay a O u tp u t ( W) Panjang Kondensor (mm) 40 C 60 C 80 C 100 C 120 C 0 5 10 15 20 25 44 66 88 110 132 Fl u ks Kal o r ( W/Cm 2 ) Panjang Kondensor 40 C 60 C 80 C
100 C 120 C
Pada  gambar  7  menunjukkan  pada  semua  variasi  panjang  kondensor,  fluks  kalor meningkat  dengan  dengan  semakin  besar  temperatur.  Hal  ini  ditunjukkan  bahwa  pada panjang kondensor  88 cm pada temperatur 60 0 C mempunyai fluks kalor 12,5 W/cm 2 , sedangkan  pada  temperatur  120 0 C  mempunyai  fluks  kalor  22  W/Cm 2 .  Gambar  diatas juga  menunjukkan  bahwa  semakin  besar  panjang  kondensor  semakin  besar  fluk  kalor. Pada  temperatur  yang  sama,  fluks  kalor  terbesar  pada  pada  panjang  kondensor  yang terpanjang dan nilai fluks kalor  menurun pada panjang kondensor yang semakin kecil. Hal  ini  disebabkan  oleh  proses  perpindahan  panas  yang  lebih  banyak  terjadi  pada kondensor yang semakin panjang.Hal ini menyebabkan fluks kalor  semakin besar.

## 5. SIMPULAN DAN SARAN
5.1 SIMPULAN
1.   Panjang Kondensor pada semua temperatur, end to end
akan berpengaruh. End to  end tertinggi  pada  panjang  kondensor  terpendek  (44  cm)  yaitu  (25 0 C)  dan semakin  turun  pada  temperatur  120 0 C  pada  panjang  kondensor  110  cm.  Penambahan panjang  kondensor  setelah  110  cm    kurang  efektif  karena  mempunyai  kecenderungan nilai yang tetap.
2. Pada semua temperatur dan panjang kondensor yang berbeda , dari panjang 44 cm, 66 cm,88 cm, 110 cm, dan 132   mengakibatkan tahanan thermal akan menurun. Tahanan thermal tertinggi pada panjang kondensor terpendek pada tempeatur 40 0 C (14 0 C/W) dan terendah pada panjang kondensor terpanjang pada temperatur 120 0 C(1 0 C/W) 3.    Pada semua temperatur, semua variasi
panjang kondensor maka daya output dan fluks kalor akan semakin besar.  Pada panjang kondensor yang  sama, semakin meningkat temperatur, fluks kalor dan daya output juga meningkat.  Proses  pada  eksperimen  ini  paling  efektif  pada  panjang  kondensor  1,25 panjang  panjang  evaporator,  karena  setelahnya  nilai  tahanan  termal  akan  mengalami kecernderungan tetap.

## 5.2 SARAN
1.   Hendaknya dilakukan  penelitian dengan jenis fluida kerja yang lain
2.    Hendaknya dilakukan penelitian dengan variasi temperatur yang berbeda

## DAFTAR PUSTAKA
Dunn,  P.D.  and  D.A.  Ready,1994.Thermosyphon,  Fourth  edition,pergamon press,Elselvier Science Ltd
Holman,  JP.1986.  Heat  Transfer  Mc  Graw  Hill,  Ltd  jasjfi  (Penerjemagh).  1994.
Perpindahan Kalor. Edisi keempat. Erlangga Jakarta.
Hopkins,  R.,  Faghri,  A.,  Khrustalev,  D.,  Flat  Miniature  Thermosyphons  with  Micro Capillary Grooves, Journal of Heat Transfer, 121 ( 1999), 1, pp. 102-109
Suchana Akter Jahan et al. / Procedia Engineering 56 ( 2013 ) 82 – 87. 1. Introduction. Effect  of  inclination  angles  on  heat  transfer  characteristicsof  a  closed  loop pulsating thermosyphon (CLPHP)
Mozumder AK, A. F. et al, 2010. Journal of Mechanical Engineering, Vol. ME 41, No. 2,  December  2010  Transaction  of  the  Mech.  Eng.  Div.,  The  Institution  of Engineers, Bangladesh
Meena, P. et al., 2008, “Comparisons of Heat Transfer Performance of a Closed–looped Oscillating  Thermosyphon  and  Closed–looped  Oscillating  Thermosyphon  with Check  Valves  Heat  Exchangers”,  American  J.  of  Engineering  and  Applied Sciences 1, Vol. 1, pp. 7–11.
Meng–Chang  Tsaiet  al,  2007,  “Experimental  Study  of  a  Loop  Thermosyphon  Using Methanol  as  Working  Fluid”,  International  Thermosyphon  Conference  (14th IHPC), Florianópolis, Brazil, April 22–27, 2007.
Sathaye,N.D.2000.Incorporation  of  thermosyphon  Into  Engine  Air  Pre  Cooling,Master Thesis, B.E, University of Pune