Website : http://journal.univpancasila.ac.id/index.php/asiimetrik/ Email    : asiimetrik@univpancasila.ac.id

## ANALISIS KINERJA PIPA KALOR LURUS MENGGUNAKAN SUMBU KAPILER SCREEN MESH 300 DENGAN MEMVARIASIKAN FILLING RASIO
Performance Analysis of Straight Heat Pipe Using Screen Mesh 300 Capillary Wick by Varying Filling Ratios
Iwan Setyawan * , Sandy Reynaldy Riawan, Sri Poernomo Sari dan Ridwan Jurusan Teknik Mesin, Universitas Gunadarma, Jalan Margonda Raya No. 100, Depok 16424, Indonesia

## Informasi artikel
Diterima: 25/05/2020 Direvisi  : 02/06/2020 Disetujui: 24/06/2020

## Abstrak
Pipa kalor merupakan salah satu jenis pendingin yang memanfaatkan sistem dua fase yang memiliki kemampuan memindahkan kalor yang cukup tinggi. Perangkat ini tidak mengkonsumsi  energi  mekanik  dan  kinerja  termal  tergantung  pada  struktur  sumbu. Tujuan penelitian ini adalah untuk membuat pipa kalor lurus tembaga dengan sumbu kapiler  Screen  Mesh  300  sebanyak  6  layer.    Pada  penelitian  ini  dilakukan  pengujian dengan  memvariasikan  filling  rasio,  FR 40%,60%  dan  80%.  Pengambilan  data  diambil menggunakan data  aquisition Labjack  U6  Pro. Termokopel ditempatkan  di  beberapa titik  kemudian  diolah  dengan  sistem  labview.  Dari  hasil  penelitian,  didapatkan temperatur steady evaporator tertinggi dengan Filling Rasio 40% pada beban kalor 10W sampai 175W.  Untuk FR 80% menghasilkan temperatur evaporator yang paling rendah pada beban kalor 10W hingga 100W.  Untuk beban kalor yang lebih tinggi 175W hingga 275W, FR 60% menghasikan temperature evaporator terendah diantara FR 40% dan FR 80%. Selanjutnya, tahanan termal pada FR 80% menghasilkan nilai terbesar untuk semua beban kalor. Sedangkan FR 60% menghasilkan tahanan termal yang hampir sama dengan dengan FR 80% untuk beban kalor 25W hingga 275W. Namun demikian pada beban kalor 10W, FR  60%  menghasilkan tahanan termal yang lebih rendah  diantara  FR40% dan  FR 80%.  Dengan  demikian,  dari  hasil  temperatur  dan  tahanan  termal  untuk  pipa  kalor dengan range beban kalor yang yang lebih luas,  FR 60% menghasilkan kinerja terbaik dibandingkan FR 80% dan FR 40%.
Kata Kunci: filling rasio, kinerja, pipa kalor, screen mesh.

## Abstract
The heat pipe is a type of cooling that utilizes a two-phase system that has the ability to  move  the  heat  quite  high.  This  device  does  not  consume  mechanical  energy  and thermal performance depends on the wick structure. The purpose of this study was to create 6 layers of straight copper heat pipe with a Screen Mesh 300 capillary wick. In this study, testing by varying the filling ratio, FR 40%, 60% and 80%. Retrieval of data taken using Labjack U6 Pro data aquisition. Thermocouples are placed at several points and then processed by the LabView system. From the results of the study, the highest evaporator temperature was obtained with  FR 40% at heat loads of 10W to 175W. For FR 80% produces the lowest evaporator temperature at heat loads of 10W to 100W. For higher  heat  loads  175W  to  275W,  FR  60%  yields  the  lowest  evaporator  temperature between FR 40% and FR 80%. Furthermore, thermal resistance at FR 80% produces the greatest value for all heat loads. Whereas FR 60% produces thermal resistance which is almost the same as FR 80% for heat loads from 25W to 275W. However, at a 10W heat load, FR 60% produces lower thermal resistance between FR40% and FR 80%. Thus, from the results of temperature and thermal resistance for heat pipes with a wider range of heat loads, FR 60% produces the best performance compared to FR 80% and FR 40%.
Keywords: filling ratio, performance, heat pipe, screen mesh.
* Penulis Korespondensi. Handphone: 0853 8158 4323 email : iwan_s@staff.gunadarma.ac.id

## 1. PENDAHULUAN
Hampir  seluruh  produk  teknologi  yang menghasilkan  fluks  kalor  pada  proses operasionalnya,  dilengkapi  dengan  sistem manajemen  termal.  Produk  ini  misalnya device  elektronik,  BTS,  sistem  pembangkit listrik  ataupun  teknologi  baterai  lithium (Putra  dan  Septiadi,  2014).  Salah  satu  cara mengatur  termal  adalah  penggunaan  pipa kalor, dimana jenis ini merupakan salah satu jenis  pendingin  yang  memanfaatkan  sistem dua  fase  yang  memiliki  kemampuan memindahkan  kalor  yang  cukup  tinggi. Pendinginan dua fase terbukti menjadi solusi termal  yang  sangat  efektif  untuk  system pendinginan dibandingkan dengan cairan satu fase (Setyawan, 2018).
Pipa  kalor  adalah  perangkat  pemindah kalor yang memiliki kemampuan pemindahan kalor  yang  tinggi. Perangkat  ini  tidak mengkonsumsi  energi  mekanik  dan  kinerja termal  tergantung  pada  struktur  sumbu, fluida kerja dan fluks panas yang diterapkan. Fenomena  perubahan  fasa  fluida  kerja memainkan  dampak  besar  pada  kinerja termalnya.  Bagian  evaporator  pada  pipa kalor  digunakan  untuk  menyerap  kalor. Penyerapan kalor mengakibatkan perubahan fase dari fluida kerja menjadi uap (Putra et al., 2016; Ramachandran et al., 2014). Pada pipa kalor berisi fluida kerja yang berfungsi sebagai  fluida  penghantar  kalor  dari  ujung sisi  panas  (evaporator)  ke  ujung  yang  lain yaitu  pendingin  (kondensor).  Secara  umum, pipa  kalor  diproduksi  menggunakan  bahan logam  yang  kaku  karena  keuntungan  dari pembuatan sederhana, konduksi panas tinggi dan kinerja kerja yang baik. Jenis bahan yang digunakan  untuk  membuat  pipa  tersebut biasanya  terbuat  dari  aluminium,  tembaga, dan  tembaga  berlapis  nikel.  Pada  bagian dalam  dinding  pipa  kalor  tersebut  berisi sumbu  kapiler  ( wick ) berupa sintered powder,  screen  mesh atau groove yang berfungsi  sebagai  jalur  fluida  dan  pompa kapiler  dari  cairan.  Mereka  sering  disebut sebagai  "superkonduktor"  kalor  karena mereka  memiliki  kapasitas  dan  kecepatan perpindahan  kalor  yang  luar  biasa  dengan hampir tidak ada kehilangan kalor (Huang et al., 2020; Zohuri, 2016).
Pipa kalor terdiri dari tiga bagian yaitu evaporator adiabatik dan kondensor. Evaporator berada pada salah satu ujungnya dimana  panas  diserap  dan  cairan  diuapkan. Kemudian  bagian  adiabatik,  dan  kondensor yang  terletak  pada  ujung  lainnya  dimana kalor  dilepaskan.  Sumbu  kapiler  digunakan
untuk  jalur  cairan  dari  kondensor  menuju evaporator.  Cairan    bergerak  atas  prinsip kerja  kapiler.  Setelah  fluida  menguap  di bagian  evaporator,  maka  uap  tersebut mengalir menuju bagian kondensor. Selanjutnya  mengalami  penurunan  suhu  di kondensor  sehingga  uap  merubah  menjadi cairan. Selanjutnya cairan atau kondensat ini akan  mengalir  kembali  ke  sisi  panas (evaporator)  dan    prosesnya  akan  berulang secara  terus  menuerus  (Bumataria  et  al., 2019; Setyawan, 2018).

## Gambar 1 Pipa Kalor
Prinsip  fisika  tekanan,  termodinamika dan  fluida  menjadi  dasar  kerja  pipa  kalor dimana  pada  tekanan tertentu,  cairan  akan menguap sementara uap akan mencair pada temperatur  tertentu  (temperatur  jenuh), sehingga akan terjadi pengaturan tekanan di dalam  pipa  kalor,  pipa yang  akan  mengatur temperatur kerja dan terjadi perubahan fase dari cair ke uap dan uap ke cair (lihat gambar 1). Pada temperatur tertentu, jumlah energi panas  yang  diserap  ketika  cairan  menguap akan sama dengan jumlah energi panas yang dilepaskan ketika uap berkondensasi (Wahyu, 2016).
Persamaan  yang  digunakan  untuk menghitung filling rasio dan tahanan termal pada pipa kalor, adalah sebagai berikut:
1. Filling Rasio Filling Rasio  adalah  rasio  pengisisan fluida  kerja  di  dalam  pipa  kalor  yang diekspresikan  sebagai  rasio  antara  fluida kerja  dengan  volume  evaporator  (Faghri,
2014). 𝐹𝑅 = $%&' $()*+ (1)
Dimana, Vliq = Volume liquid yang dimasukan (ml); Vevap = Volume evaporator (ml).
2. Tahanan Termal Secara umum tahanan termal  (Thermal Resistance)  dapat  menggunakan  persamaan berikut ini (Huang et al., 2020).
Rth = ,-. ,0 1 (2)
Dimana  Rth  =  Tahanan  Termal  ( o C/w);  Te  = Temperatur Evaporator ( o C); Tc = Temperatur  Condensor  ( o C);  Q  =  Heat  Load (Watt) Persamaan  ini  digunakan  mencari tahanan termal  yang merupakan salah satu ukuran  kinerja  pipa  kalor.  Dimana  pada penelitian  ini  akan  menginvestigasi  kinerja sebuah  pipa  kalor  lurus yang  dibuat  dengan menggunakan sumbu kapiler screen mesh .

## 2. METODOLOGI

## Pembuatan Pipa Kalor Lurus
Konsep  rancangan  pipa  kalor  lurus diterapkan  seperti  pipa  kalor  lurus  pada umumnya.  Pipa  kalor  ini  terdiri  dari  pipa tembaga  yang  memiliki  diameter  25,4  mm dengan tebal pipa 1 mm serta panjang 1500 mm  sebagai  kontainer  dan  sumbu  kapiler menggunakan  enam  lapis  screen  mesh  no 300. Screen mesh yang digunakan adalah no 300 dengan ukuran pori 44 micron. Pada  pembuatan  kontatiner  dilakukan dengan  pemotongan  pipa  tembaga  1  inch dengan  panjang 1.5  m menggunakan tubing cutter .  Pada  container  ini  terdapat  tiga bagian  yaitu  evaporator,  adiabatic  dan kondensor  dengan  ukuran  500  mm  masing- masing  bagian  seperti  terlihat  pada  gambar 2.    Pada  bagian  atas  container  diberi  jalur khusus  untuk  pengukuran  tekanan  internal dan  sebagai  jalur  untuk  melakukan pemakuman  pada  sistem  seperti  terlihat pada gambar 3.
Pada bagian kondensor terdapat komponen  pendingin  yaitu  water  jacket. Terdapat pula sebuah inlet dan sebuah outlet yang berfungsi untuk keluar masuknya fluida pendingin.  Fluida  pendingin  yang  digunakan adalah  air  dengan  temperatur  ruangan. Suplai  air  berasal  dari  penampungan  air berupa reservoir.
Keterangan: A : Pressure gauge compound B : On-off valve C : Valve untuk pengisian fluida kerja fluida D : Nipple digunakan untuk jalur vakum
Gambar 3 Detail Pressure Gauge dan Jalur

## Vacuum

## Skematik Pengujian
Skematik  pengujian  ditunjukkan  pada gambar  4.  Daya  yang  dimasukkan  ke heater diatur  oleh voltage  regulator AC.  Besarnya arus  diukur  dengan clamp meter.  Kemudian coolant  dari  reservoir  disrkulasikan  pada kondenser  dengan  menggunakan  pompa celup.
Coolant dikondisikan pada temperature ruangan. Sedangkan laju aliran massa coolant diukur  oleh  rotameter. Pengukuran temperatur  bagian yang penting pada alat eksperimen ini, menggunakan data aquisisi.
Keterangan:
1. Laptop 2. DAQ 3. AC voltage Regulator 4. Pompa Celup 5. Sistem Pengukur tekanan internal 6. Flow meter 7. Watt meter Gambar 4 Skematik Pengujian
Pengambilan data temperatur pipa kalor pengujian  dilakukan  pada  3  bagian  utama yaitu  Evaporator,Adiabatik  dan  Kondenser. Pengukuran dibagi menjadi 14 titik, dimana 6 titik  pengukuran  pada  evaporator,  1  titik pada  bagian  adiabatic,  4  titik  pada kondensor, dan 1 titik pada inlet dan 1 titik pada  outlet  serta  1  titik  untuk  linkungan sekitar. Untuk mencegah kebocoran kalor ke linkungan,  maka  alat  eksperimen  diisolasi menggunakan Rockwool . Pada pengujian ini, menggunakan  fluida  kerja  aquades  dengan variasi filling rasio 40%,60% dan 80%. Adapun beban kalor yang diberikan pada evaporator, divariasikan  pada  10W,  25W,  50W,  100W, 175W  dan  275W.    Pada  bagian  Kondensor dialiri air coolan dengan suhu berkisar 28 o C - 30 o C dengan debit aliran 150 ml/menit.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## Temperatur Evaporator
Pada  gambar  5,  terlihat  pada  grafik bahwa  ketika  beban  kalor  diberikan, temperatur  fluida  kerja  meningkat  dengan cepat  kemudian  keadaan  steady  tercapai. Hal  tersebut  terjadi  karena  pada  saat penyerapan kalor di evaporator, fluida kerja berubah fase menjadi uap.  Selanjutnya uap bergerak  menuju  kondenser  kemudian mengalami kondensasi pada Kondensor.

## Gambar 5 Temperature evaporator terhadap
waktu FR 40%
Pada  grafik  terlihat  bahwa  kenaikan temperature  pada  bagian  evaporator  ketika startup , memiliki gradien kenaikan temperatur  yang  berbeda.    Semakin  besar beban  kalor  yang  diaplikasikan,  semakin besar  pula  gradien  kenaikan  temperatur. Selain  itu  untuk  mencapai  nilai  temperatur steady ,  terlihat  bahwa  makin  besar  beban kalor,  keadaan  steady  semakin  cepat tercapai.  Pada grafik terlihat, untuk FR 40%,
evaporator    pipa  kalor  mencapai  kondisi temperatur steady tercepat pada beban kalor 275W.  Untuk  beban  kalor  terkecil  10W, kondisi steady bahkan belum tercapai. Hal ini terjadi  karena  semakin  besar  beban  kalor, maka  penguapan  semakin  cepat  kemudian segera  mengaktifkan  siklus  kerja  dari  pipa kalor.

## Distribusi Temperatur Pipa Kalor
Distribusi temperatur dengan pembacaan  dinding  luar  pipa  kalor  di berbagai titik pada evaporator, adiabatik dan kondenser.  Distribusi  temperatur  pada bagian tersebut merepresentasikan temperature  dan  pergerakan fluida  kerja  di pada  pipa  kalor.    Pada  gambar  6,  grafik terlihat  profil  temperatur  dinding  pada evaporator  bergerak  menuju  kondenser semakin  menurun.  Hal  ini  terjadi  karena kalor  dilepaskan  pada  bagian  kondensor. Pada  grafik tersebut terlihat  semakin besar beban    kalor  yang    diberikan  ke  bagian evaporator,  maka  perbedaan  temperatur sepanjang  pipa  kalor semakin  besar. Hal  ini terjadi  karena  perbedaan  laju  penguapan fluida  kerja  di  evaporator  semakin  besar dibandingkan  dengan  laju  kondensasi  fluida kerja  di  kondensor.  Akibat  perbedaan  laju penguapan  dan  kondensasi  menyebabkan temperatur  di  bagian  evaporator  terus meningkat karena fluida kerja di evaporator semakin berkurang.
Gambar 6 Distribusi Temperature FR 40%
Gelembung  uap  dapat  terbentuk disekitar  dinding  bagian  dalam  evaporator saat critical  heat  flux. Gelembung  uap mengurangi  kontak  antara fluida  kerja yang berupa  cairan  dengan  dinding  evaporator. Akibatnya  semakin  banyak  gelembung  uap yang  menempel  pada  dinding  bagian  dalam evaporator, semakin
mengurangi
perpindahan kalor dari dinding evaporator ke
fluida kerja karena konduktivitas termal uap lebih rendah dari cairan.  Selanjutnya, dilihat dari  temperature  kondensor,  tidak  jauh berbeda  dengan  temperature  evaporator. Hal  ini  terjadi  karena  debit  aliran  cairan pendingin  yang  relatif  kecil  sehingga temperatur kondensor juga meningkat.

## Pengaruh Filling Ratio
Pada  Gambar  7,  merupakan  grafik temperature  evaporator  steady  pipa  kalor dengan variasi filling rasio, FR 40%, 60% dan 80%.    Beban  kalor  yang  diterapkan, divariasikan  pada  10W,  25W,  50W,  100W, 175W dan 275W. Pada grafik untuk semua variasi  FR,  terlihat  bahwa  dengan  naiknya beban  kalor,  naik  pula  temperature evaporator. Pada grafik menunjukkan bahwa untuk  beban  kalor  10W  sampai  100W, temperatur  evaporator  semakin  turun dengan  naiknya  FR.  Kemudian  dapat  dilihat bahwa  FR  40%  menghasilkan  temperatur kerja evaporator tertinggi pada beban kalor 10W  sampai  175W.  Namun  demikian,  ketika beban  kalor  dinaikkan  ke  175W,  terlihat bahwa  temperatur  evaporator  80%  lebih tinggi  dari  pada  FR  60%. Selanjutnya  ketika beban  kalor  dinaikkan  lagi  ke  275W, temperatur  evaporator  untuk  FR  80% melampaui  temperatur  evaporator  FR  60% dan FR 40%.
Gambar 7 Temperatur Evaporator Versus Waktu
Penomena  ini  bisa  dijelaskan,  bahwa kinerja terbaik untuk FR 40% dan 60% terjadi pada beban kalor 100W hingga 175W. Kinerja ini diindikasikan dengan temperatur evaporator  yang  hampir  sama  walaupun beban  kalor  dinaikkan  dari  100W  ke  175W. Adapun untuk FR 80%, temperatur evaporator    tetap  konsisten  meningkat
dengan  naiknya  beban  kalor.    Dari  grafik dapat dilihat bahwa FR yang optimal adalah FR 60%. Dimana pada FR 60%, menghasilkan uap  yang  paling  banyak,  sehingga  sirlkulasi fluida  kerja  pipa  kalor  berlangsung  dengan baik.

## Analisis Hambatan Termal Pipa Kalor Pada Berbagai Filling Rasio
Gambar  8,  merupakan  grafik  tahanan termal pipa kalor dengan variasi filling rasio 40%, 60% dan 80% dengan variasi beban kalor 10W,  25W,  50W,  100W,  175W  dan  275W. Grafik  menunjukkan  tahanan  termal  pipa kalor  semakin  rendah  seiring  dengan bertambahnya  beban  kalor.  Hasil  ini  sesuai dengan kecenderungan khas heat pipe yaitu tahanan termal menurun mengikuti kenaikan beban  kalor  yang  diaplikasikan  pada evaporator.  Hal  ini  disebabkan  oleh keuntungan  penggunaan  air  dimana  nilai merit meningkat pada beban kalor yang lebih tinggi (Setyawan et al., 2019).
Gambar 8. Tahan an Termal Pipa Kalor Pada  pembebanan  rendah,  jumlah  uap yang  ditransport  dari  evaporator  ke kondenser  sedikit.  Pada  beban  kalor  yang lebih besar, jumlah uap yang ditransport ke kondenser    semakin  besar.  Pada  grafik terlihat bahwa FR 40% menghasilkan tahanan termal yang terbesar diantara FR 60% dan FR 80%. Pada beban kalor 25W, 50W,100W dan 175W, tahanan termal terendah terjadi pada FR  80%.  Namun  demikian  FR  60% menghasilkan  tahanan  termal  yang  juga hampir  sama  dengan  dengan  FR  80%  untuk beban  beban  kalor  25W  hingga  275W. Sedangkan untuk beban rendah 10W, FR 60% menghasilkan  tahanan  termal  yang  paling rendah.

## 4. SIMPULAN
Dari  penelitian  pipa  kalor  dengan berbagai  variasi  filling  rasio  FR,  diperoleh beberapa  kesimpulan,  yaitu  untuk  beban kalor 10W hingga 100W, FR 80% memberikan kinerja  yang  lebih  baik.  Untuk  beban  kalor yang lebih tinggi 175W hingga 275W, FR 60% menghasikan  kinerja  yang  paling  baik dibandingkan,  FR  80%  dan  FR  40%  yang diindikasikan dengan
temperature evaporator yang lebih rendah.
Demikian pula tahanan  termal  pada FR 60%  menghasilkan  tahanan  termal  yang hampir  sama  dengan  dengan  FR  80%  untuk beban    kalor  25W  hingga  275W.  Namun demikian  pada  beban  kalor  10W,  FR  60% menghasilkan  tahanan  termal  yang  lebih rendah  diantara  FR40%  dan  FR 80%.  Dengan demikian, dari hasil temperatur dan tahanan termal untuk pipa kalor dengan range beban kalor  yang  yang  lebih  luas,  FR  60% menghasilkan  kinerja  terbaik  dibandingkan FR 80% dan FR 40%.

## DAFTAR PUSTAKA
Bumataria, R.K., Chavda, N.K. and Panchal, H.,  2019.  Current  research  aspects  in mono  and  hybrid  nanofluid  based  heat pipe
technologies. Heliyon , 5 (5),
p.e01627. Faghri,  A.,  2014.  Heat  pipes:  review, opportunities  and  challenges. Frontiers in Heat Pipes (FHP) , 5 (1). Huang, J., Zhou, W., Xiang, J., Liu, C., Gao, Y.,  Li,  S.  and  Ling,  W.,  2020. Development of novel flexible heat pipe with  multistage  design  inspired  by structure  of  human  spine. Applied Thermal Engineering , p.115392.
Putra,  N.,  Setyawan,  I.  and  Raditya,  D., 2016.  Experimental  investigation  on contact angle of sintered copper powder wick. In Applied Mechanics and Materials (Vol. 819, pp. 575-579). Trans Tech Publications Ltd. Putra, N. and Septiadi, W.N., 2014. Teknologi Pipa  Kalor  Teori,  Desain,  dan  Aplikasi.
Jakata: UI-Press.
Ramachandran,  R.,  Ganesan,  K.,  Rajkumar,
M.R., Asirvatham, L.G. and Wongwises,
S.,  2016.  Comparative  study  of  the effect  of  hybrid  nanoparticle  on  the thermal  performance  of  cylindrical screen  mesh  heat  pipe. International Communications  in  Heat  and  Mass Transfer , 76 , pp.294-300.
Setyawan,  I.,  Putra,  N.,  Hakim,  I.I.  and Irwansyah,  R.,  2019.  Development  of hybrid  loop  heat  pipe  using  pump assistance  for  cooling  application  on high  heat  flux  device. Journal  of Mechanical Science and Technology , 33 (8), pp.3685-3694.
Setyawan,  I.,  2018.  Pengembangan Hybrid Loop  Heat  Pipe Untuk  Aplikasi Pendinginan Device Berfluks  Kalor Tinggi.  Disertasi.  Fakultas  Teknik Universitas Indonesia,  Depok.
Setyawan, I., Putra, N. and Hakim, I.I., 2018. Experimental  investigation  of  the operating  characteristics  of  a  hybrid loop heat pipe using pump assistance. Applied Thermal Engineering , 130 , pp.10-16. Wahyu, D., 2016. Experimental study of heat pipe  for  solar  collector  heater. Jurnal Teknik Mesin , 6 (1), pp.06-14.
Zohuri,  B.,  2016. Heat  pipe  design  and technology:  Modern  applications  for practical thermal management . Springer.