PENGEMBANGAN INTERFEROMETER DIFERENSIAL UNTUK PENGUKURAN KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI BEBAS LOKAL DAN KALIBRASI DENGAN PELAT VERTIKAL NON ISOTERMAL
T 621. 402 2 SIH
ABSTRAK Penelitian yang dilaporkan dalam tesis ini merupakan suatu tahapan dari program penelitian dalam perpindahan panas dari susunan sirip yang secara berkelanjutan dilakukan di Laboratorium Proses Termal, Departemen Teknik Mesin, ITB. Untuk mengkomplementasikan teknik kalorimetrik yang sejauh ini telah diterapkan untuk meneliti karakteristik disipasi panas dari susunan sirip miniatur, program tersebut memasuki tahapan dimana diperlukan penerapan teknik interferometrik untuk meneliti permasalahan yang masih dihadapi dalam menentukan mana dari banyak parameter geometrik disipasi panas yang dapat dipandang dominan untuk generalisasi data eksperimental disipasi panas. Tujuan penelitian yang menyangkut tesis ini adalah (a) pengembangan suatu interferometer dan (b) pengkalibrasian instrumen tersebut. Cakupan pengembangan intereferometer ini meliputi: pemilihan tipe interferometer, sintesa dari tipe yang dipilih, analisa (untuk pemilihan perspesifikasian dan keterhubungan semua komponen untuk membentuk satu keseluruhan), realisasi (pemesanan dan pengadaan atau fabrikasi komponen-komponen dan perakitan) serta evaluasi keberfungsian instrumen yang dihasilkan. Selanjutnya komponen-komponen tersebut dipesan sesuai dengan spesifikasi yang telah ditetapkan dan dibeli dari berbagai pemasok baik dari Amerika Serikat, Cina, Rusia, maupun Indonesia. Beberapa komponen didesain dan difabrikasi di Indonesia seperti meja interferometer, rumah kondensor dan lain-lain, dan sebuah komponen yang dibeli diperbaiki karena cacat saat diterima. Semua komponen tersebut kemudian dirakit menjadi sebuah interferometer diferensial yang kemudian berhasil dioperasikan sebagai suatu instrumen untuk pengukuran interferometrik kuantitatif. Maksud dari pengembangan interferometer adalah, antara lain, untuk mememungkinkan
direalisasikan dengan meregangkan foil nilvar (tebal 0,001 in.) diantara 2 penjepit dan memanaskannya dengan mengalirkan arus listrik searah. Susunan ini memerlukan pemakaian arus yang besar dalam rentang 6-15 A untuk menghasilkan koefisien-koefisien konveksi bebas lokal yang dapat diukur secara interferometrik. Untuk dapat melakukan pengukuran arus besar tersebut, sebuah shunt (0,01 ohm hambatan), selain sebuah resistor variabel, diikutsertakan dalam rangkaian DC dari foil vertikal tersebut. Lingkungan sekitar foil yang dipanaskan dilindungi dari gangguan yang timbul dari gerakan-gerakan disekitar seksi pengujian interferometer dengan memasang sebuah songkok, yang terbuka pada bagian atas dan pada tempat-tempat dimana berkas cahaya interferometer harus dilalukan. Temperatur lokal permukaan foil pada berbagai jarak dari leading edge foil diukur dengan sebuah termometer non-kontak infra merah, yang telah dikalibrasi dengan termokopel tipe T (tembaga-konstantan) dalam rentang 29232°C. Berbeda dari asumsi kondisi batas fluks seragam pada suatu permukaan foil tipis yang dipanaskan dengan menggunakan arus listrik yang semula dianggap berlaku, dalam penelitian ini telah ditemukan bahwa kondisi sebenarnya yang dicapai pada permukaan foil adalah kondisi temperatur non isotermal yang bervariasi dengan jarak setempat dari leading edge menurut kaidah pangkat (power law). Dari tujuh pengujian dengan arus yang berbeda dalam rentang arus dari 6 hingga 15 A yang melintasi foil, hanya satu yang memperlihatkan perilaku fluks seragam. Pola pergeseran frinji interferometer antara foil yang dipanaskan dengan foil yang tidak dipanaskan pada arus tersebut diukur dan digunakan untuk mengevaluasi koefisienkoefisien perpindahan panas lokal pada berbagai jarak dari leading edge. Koefisienkoefisien ini kemudian dibandingkan dengan hasil-hasil prediksi teoritis dari Sparrow dan Gregg untuk konveksi bebas non isotermal dari sebuah pelat vertikal, dalam bentuk
pengoperasian sebagai suatu instrumen untuk pengukuran kuantitatif dari koefisien konveksi bebas lokal. Investigasi sekarang ini juga menemukan bahwa kondisi permukaan pada sebuah foil tipis yang dipanaskan dengan listrik adalah dari jenis power law non isotermal, Tw T,=Bxb, dimana kondisi fluks seragam merupakan sebuah kasus khusus dengan nilai b lama dengan 0,20. Rentang b yang diperoleh dari eksperimen ini adalah dari 0,147 sampai 0,197. Dari hasil dan pengalaman yang diperoleh dalam penelitian ini, rekomendasi untuk membangun lebih banyak fleksibelitas ke dalam pengoperasian interferometer telah dapat dirumuskan agar instrumen tersebut dapat digunakan untuk mengukur koefisien konveksi bebas lokal dari susunan sirip berukuran miniatur,
iv
ABSTRACT
Work reported in this thesis constituted one activity of a continuing research program on heat transfer from fin arrays conducted at the Thermal Process Laboratory of the Mechanical Engineering Department. To complement the calorimetric technique hitherto applied to investigate the characteristics of heat dissipation from miniature fin arrays the program reached a stage where it needed to embark on the application of interferometric techniques to investigate outstanding issues in determining which of the many fin array geometric parameters were to be considered dominant for generalizing of the heat dissipation experimental data. The project objectives of concern to this the sis were (a) to develop an interferometer, and (b) to calibra te that instrument. The scope of the developm ent of the interferometer included: selection of the type, synthesis of the type selected, analysis (i.e. selection, specification and interconnection of components to form a w hole), realization (order and purchase or fab ricate components and assemble) and evaluatio n of the functioning of the resulting instrum ent. The components were ordered to specifica tion and purchased from various suppliers in the U.S.A., China, and Russia as well as in I ndonesia. Some components were designed and f abricated in Bandung, such as the interferome ter table, condenser mounting barrel etc. and one purchased component was repaired because it was received defective. All components wer e then assembled into a differential interfer ometer which then was suceessfully operated a s an instrument for quantitative interferomet ric measurements. The purpose of developing t he interferometer was, among others, to enabl e quantitative measurements of free convectio n heat transfer. Therefore a test set-up conf iguration with available theoretically predic ted results had to be devised to ascertain va lidity and accuracy of quantitative measureme nts using the interferometer. In the present
DC circuit containing the vertical foil. The immediate environment for the heated foil was protected from disturbances arising from movements in the surroundings of the interferometer test section by provision of an enclosure, which was open at the top and at places where beams of light of the interferometer had to get through. Local foil surface temperature at various distances from the foil leading edge was measured with an infrared non contact thermometer, which was calibrated with type T (copper—constantan) thermocouple in the range 29 - 232 °C. Contrary to earlier assumptions of uniform flux at the surface of an electrically heated thin foil, it was found that actual conditions at the foil surface was of a non isothermal temperature which varies according to a power law of the local distance from the leading edge. From seven tests with currents ranging from 6 to 15 A passing through the foil, only one case exhibited the uniform surface flux behavior. Interferometric fringe pattern shifts between the non heated and heated foil at a given current were measured and used to evaluate the local heat transfer coefficients at various distances from the leading edge. These coefficients were then compared to the theoretically predicted results of Sparrow and Gregg for non isothermal free convection from a vertical plate, in the form of a plot of the local Nusselt number, Nux, versus the local Grashof number, Grx, covering the range 103 < Grx < 108 for the seven tests conducted. The exponent of the non isothermal power law temperature distribution along the foil surface was evaluated by plotting the measured local excess temperature, Tw - T., versus the local distance from the leading edge, x, and subsequently, used to plot theoretical result. The experimental results were found to be in excellent agreement with their corresponding theoretical results. It was then concluded that the differential interferometer had successfully performed as an instrument for quantitative measurements
