Perpustakaan Digital ITB

Salah satu alternatif solusi dalam menghadapi krisis energi yaitu dengan pemanfaatan penyimpanan energi termal (Thermal Energy Storage, TES). Beberapa studi referensi menyatakan bahwa penambahan dopan nanopartikel baik magnetik maupun non magnetik pada Phase Change Material (PCM) dapat meningkatkan laju transfer kalor sehingga dapat mengurangi waktu transisi fase pada penyimpanan kalor laten TES. Penggunaan dopan magnetik dan medan magnet untuk mengontrol proses transisi fase PCM merupakan faktor penting untuk mengoptimalkan kinerja material sebagai penyimpanan kalor laten TES, namun sejauh ini belum ada studi referensi yang melaporkan. Studi eksperimen yang dilakukan saat ini mempelajari pengaruh penambahan dopan magnetik dan medan magnet eksternal pada proses lepasan kalor atau solidifikasi PCM asam lemak berbasis asam laurat (lauric acid, LA) atau yang dikenal sebagai kompositmagnetik LA. Selain itu, dalam studi ini juga mempelajari konduktivitas termal dan viskositas dalam kaitannya dengan lepasan kalor. Dua jenis dopan yang digunakan yaitu Fe3O4 dan CoFe2O4, masing-masing memiliki tiga nilai konsentrasi (2 wt.%, 5 wt.%, dan 10 wt.%),sedangkan variasi nilai medan magnet diperoleh dari susunan magnet permanen. Besar medan magnet (H) yang digunakan pada studi solidifikasi sebesar 67-74 mT (H1), 117-142 mT (H2), dan 175-215 mT (H3). Untuk studi konduktivitas termal/viskositas, variasi medan magnet yang digunakan sebesar 54- 71 mT (H1) dan 90-118 mT (H2). Parameter waktu solidifikasi yang ditentukan terdiri dari waktu pembekuan (tf) yang menandakan waktu dimulainya proses pelepasan kalor oleh pertumbuhan inti kristal, waktu infleksi (ti) yang menunjukkan waktu akhir proses pelepasan kalor atau transisi fase cair ke padat, dan waktu kristalisasi total (tc) yang nilainya diperoleh dari selisih antara ti dan tf. Dibandingkan dengan LA murni, penambahan dopan serta penerapan medan magnet secara umum menghasilkan penurunan tf, ti, dan tc. Penurunan waktu maksimum tc sebesar 42% dan 33% masing-masing untuk komposit-magnetik LA/Fe3O4 dan komposit-magnetik LA/CoFe2O4, dan nilai ini diperoleh pada konsentrasi dopan 5 wt.% untuk komposit-magnetik LA/Fe3O4 dan 10 wt.% untuk komposit-magnetik LA/CoFe2O4, dan keduanya diperoleh pada medan magnet tertinggi. Parameter solidifikasi tersebut kemudian dikorelasikan dengan data konduktivitas termal cairan. Konduktivitas termal yang tinggi dapat mengurangi jeda waktu interaksi sistem dengan lingkungan sehingga mempengaruhi laju transisi fase yang lebih cepat. Konduktivitas termal cairan diukur pada temperatur rata-rata 55 °C di atas titik leleh dari LA, sedangkan konduktivitas termal padatan diukur pada temperatur ruang di 25 °C. Pada kondisi tanpa medan magnet, penambahan dopan menghasilkan nilai konduktivitas termal komposit-magnetik LA fase cair atau padat yang lebih besar dibandingkan LA. Nilai konduktivitas termal komposit-magnetik LA pada kedua fase meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi dopan. Dalam hal ini, konduktivitas termal fase cair dari komposit-magnetik LA/CoFe2O4 lebih tinggi dibandingkan komposit-magnetik LA/Fe3O4. Aplikasi medan magnet pada komposit-magnetik LA fase cair menghasilkan tren peningkatan konduktivitas termal yang tidak monoton. Semakin bertambahnya intensitas medan magnet, konduktivitas meningkat sampai medan kritis (critical magnetic field, CMF) dan nilainya akan turun pada medan diatas CMF. Nilai CMF bergantung pada konsentrasi dan jenis dopan. Untuk konsentrasi dopan 2 dan 5 wt.%, CMF dari komposit-magnetik LA/Fe3O4 terjadi pada medan H1 dan untuk komposit-magnetik LA/CoFe2O4, CMF terjadi pada medan kurang dari H1. Pada konsentrasi dopan 10 wt.%, CMF untuk komposit-magnetik LA/Fe3O4 dan komposit-magnetik LA/CoFe2O4 terjadi pada medan diatas H2. Pada penelitian ini diperoleh rasio konduktivitas termal maksimum terhadap LA sebesar 122% dan 120% masingmasing untuk komposit-magnetik LA/Fe3O4 dan komposit-magnetik CoFe2O4, dan kedua nilai tersebut diperoleh pada konsentrasi dan medan magnet maksimum. Viskositas merupakan parameter yang secara tidak langsung berpengaruh terhadap nilai konduktivitas termal. Pada medan magnet nol, penambahan dopan pada LA menghasilkan peningkatan viskositas dan nilainya semakin meningkat dengan bertambahnya konsentrasi dopan. Selain itu, juga dievaluasi pengaruh temperatur pada viskositas komposit-magnetik LA dan hasil yang diperoleh menunjukkan nilai viskositas turun dengan semakin meningkatnya temperatur. Dalam hal ini, viskositas dari komposit-magnetik LA/CoFe2O4 lebih besar dibandingkan komposit-magnetik LA/Fe3O4 pada semua nilai konsentrasi dan temperatur yang sama. Sama halnya dengan konduktivitas termal, pengaruh medan magnet pada viskositas menunjukkan peningkatan yang tidak monoton. Nilai viskositas meningkat sampai medan optimum dan nilainya bergantung pada konsentrasi serta jenis dopan. Untuk komposit-magnetik LA/Fe3O4, nilai viskositas untuk semua kosentrasi dopan turun terhadap medan magnet dan nilainya lebih kecil dibanding LA. Untuk komposit-magnetik LA/CoFe2O4 pada konsentrasi 2 dan 5 wt.%, nilai viskositas turun dengan meningkatnya medan magnet, sedangkan pada konsentrasi 10 wt.% viskositas naik di medan H1 kemudian turun di medan H2. Efektivitas dopan nanopartikel magnetik dan medan magnet pada proses lepasan kalor komposit-magnetik LA berkaitan erat dengan konduktivitas termal dan viskositas, serta bergantung pada konsentrasi dan jenis dopan. Pada kondisi tanpa medan magnet, ukuran partikel CoFe2O4 yang lebih besar dibandingkan Fe3O4 bertanggung jawab pada viskositas komposit-magnetik LA/CoFe2O4 yang lebih tinggi dan menyebabkan konduktivitas termal dari komposit-magnetik LA/CoFe2O4 yang lebih tinggi dibandingkan komposit-magnetik LA/Fe3O4. Setelah medan magnet diterapkan pada sampel, partikel yang termagnetisasi dapat membentuk struktur seperti rantai karena interaksi dipolar yang kuat. Struktur seperti rantai yang sejajar sepanjang arah medan magnet memberikan kondisi yang menguntungkan untuk transfer kalor, yang bertanggung jawab atas peningkatan konduktivitas termal dan viskositas. Jumlah dan kepadatan struktur rantai meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi dopan. Kekuatan rantai ditentukan oleh magnetisasi saturasi dopan dan medan magnet. Semakin tinggi magnetisasi saturasi dopan maka kekuatan rantai semakin tinggi. Medan magnet untuk mencapai kondisi saturasi ini mungkin menjadi penghalang pembentukan rantai, dan hal ini berkaitan erat dengan viskositas suspensi, karena viskositas yang lebih tinggi menghambat pembentukan rantai. Pada medan magnet tinggi, rantai saling berdekatan dan lebih tebal di pusat medan yang akan menghasilkan kondisi zippering sebelum struktur anisotropik. Kondisi ini akan menurunkan laju perpindahan panas dari komposit-magnetik LA yang ditunjukkan dengan menurunnya konduktivitas termal dan viskositas.