Pengaruh Variasi Frekuensi Ultrasonik Terhadap Peningkatan Perpindahan Panas Pool Boiling pada Permukaan Tembaga Halus dan Microchannel dengan Microcavity

Muhammad Rifky Fajar Nugraha, Dr. Eng. Ir. Adhika Widyaparaga, S.T., M. Biomed. E.; Dr. Ir. I Made Miasa, S.T., M.Sc.

2026 | Skripsi | TEKNIK MESIN

Peningkatan kebutuhan pelepasan kalor pada sistem termal berfluks kalor tinggi mendorong pengembangan teknologi perpindahan panas dua fasa, khususnya pada proses pool boiling. Penelitian ini secara eksperimental mengkaji pengaruh variasi frekuensi ultrasonik terhadap karakteristik perpindahan panas pool boiling pada permukaan tembaga smooth dan microchannel-microcavity. Pengujian dilakukan menggunakan aquades pada tekanan atmosfer dengan variasi permukaan  halus dan microchannel-microcavity dengan jarak antar alur 0,5 mm dan 1 mm serta kedalaman microcavity 0,3 mm. Variasi frekuensi ultrasonik yang digunakan adalah 0, 20, 30, dan 40 kHz, sedangkan parameter yang dianalisis meliputi karakteristik boiling curve, heat flux, dan heat transfer coefficient (HTC). Kondisi 0 kHz digunakan sebagai kondisi pembanding tanpa pemberian getaran ultrasonik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa permukaan microchannel-microcavity memberikan karakteristik perpindahan panas yang lebih baik dibandingkan permukaan smooth, terutama pada jarak antar alur 0,5 mm. Pada kondisi 0 kHz, permukaan 0,5 mm menghasilkan heat flux maksimum sebesar 955,54 kW/m^2 pada excess temperature 10,94 C, sedangkan permukaan 1 mm menghasilkan 939,13 kW/m^2 pada 18,51 C dan permukaan smooth menghasilkan 967,39 kW/m^2 pada 21,30 C. Meskipun permukaan smooth menghasilkan heat flux maksimum yang lebih tinggi, nilai tersebut dicapai pada excess temperature yang lebih besar. Berdasarkan posisi kurva pendidihan, permukaan 0,5 mm menunjukkan karakteristik perpindahan panas terbaik. Pada permukaan 0,5 mm, nilai HTC maksimum berturut-turut sebesar 87,33; 79,51; 79,08; dan 78,04 kW/m^2.K pada frekuensi 0, 20, 30, dan 40 kHz. Sementara itu, pada permukaan 1 mm, nilai HTC maksimum sebesar 50,75; 52,19; 52,73; dan 51,57 kW/m^2.K pada frekuensi yang sama. Hasil tersebut menunjukkan bahwa pengaruh frekuensi ultrasonik tidak bersifat monoton dan bergantung pada karakteristik permukaan. Pada permukaan 0.5 mm, kondisi tanpa ultrasonik menghasilkan HTC tertinggi, sedangkan pada permukaan 1 mm nilai HTC tertinggi diperoleh pada frekuensi 30 kHz, yaitu sebesar 52,73 kW/m^2.K. Secara keseluruhan, permukaan 0,5 mm menghasilkan HTC maksimum lebih tinggi dibandingkan permukaan smooth pada kondisi 0 kHz. Hasil penelitian menunjukkan bahwa modifikasi permukaan microchannel-microcavity mampu meningkatkan performa pool boiling, sedangkan pemberian frekuensi ultrasonik belum menghasilkan peningkatan perpindahan panas yang konsisten pada seluruh konfigurasi permukaan. Perbedaan respons tersebut menunjukkan bahwa efektivitas agitasi ultrasonik dipengaruhi oleh interaksi antara frekuensi yang diberikan dan karakteristik mikrostruktur permukaan.

The increasing demand for heat dissipation in high-heat-flux thermal systems encourages the development of two-phase heat transfer technologies, particularly in pool boiling processes. This study experimentally investigates the effect of ultrasonic frequency variation on the heat transfer characteristics of pool boiling on smooth copper and microchannel-microcavity surfaces. The experiments were conducted using distilled water under atmospheric pressure with smooth and microchannel-microcavity surfaces having channel spacings of 0,5 mm and 1 mm and a microcavity depth of 0.3 mm. The ultrasonic frequencies used were 0, 20, 30, and 40 kHz, while the analyzed parameters included the characteristics of the boiling curve, heat flux, and heat transfer coefficient (HTC). The 0 kHz condition was used as a reference condition without ultrasonic vibration. The results show that the microchannel-microcavity surfaces provide better heat transfer characteristics than the smooth surface, particularly at a channel spacing of 0,5 mm. At 0 kHz, the 0.5 mm surface produces a maximum heat flux of 955.54 kW/m^2 at an excess temperature of 10.94 C, while the 1 mm surface produces 939.13 kW/m^2 at 18.51 C and the smooth surface produces 967.39 kW/m^2 at 21.30 C. Although the smooth surface produces a higher maximum heat flux, this value is achieved at a higher excess temperature. Based on the position of the boiling curves, the 0.5 mm surface demonstrates the best heat transfer characteristics. For the 0,5 mm surface, the maximum HTC values are 87.33, 79.51, 79.08, and 78.04 kW/m^2.K at frequencies of 0, 20, 30, and 40 kHz, respectively. Meanwhile, for the 1 mm surface, the maximum HTC values are 50.75, 52.19, 52.73, and 51.57 kW/m^2.K at the same frequencies. These results indicate that the effect of ultrasonic frequency is non-monotonic and depends on the surface characteristics. For the 0,5 mm surface, the condition without ultrasonic vibration produces the highest HTC, whereas for the 1 mm surface, the highest HTC is obtained at a frequency of 30 kHz, with a value of 52.73 kW/m^2.K. Overall, the 0,5 mm surface produces a higher maximum HTC than the smooth surface under the 0 kHz condition. The results show that microchannel-microcavity surface modification can improve pool boiling performance, while the application of ultrasonic frequency does not produce a consistent enhancement in heat transfer across all surface configurations. This difference in response indicates that the effectiveness of ultrasonic actuation is influenced by the interaction between the applied frequency and the characteristics of the surface microstructure

Kata Kunci : pool boiling, microchannel-microcavity, frekuensi ultrasonik, heat flux, heat transfer coefficient.