Era teknologi yang serba digital dan berkembang sangat sangat cepat saat ini tidak dapat terlepas dari peran hardware-hardware elektronik seperti komputer yang menjadi sangat pesat perkembanganya seiring dengan berkembangnya teknologi semikonduktor yang makin “padat” dan makin kecil. Meskipun teknologi ini cukup berkembang pesat, namun ada beberapa tantangan yang dihadapi dalam pengembangan teknologi ini, antara lain pembuangan kalor yang berlebih saat operasional dan distribusi panas yang tidak merata pada sistem. Daya disipasi dari mikrochip pada tahun 2020 ini diproyeksikan mencapai maksimum 360 Watt. Namun, industri elektronik saat ini masih kesulitan untuk menghilangkan kalor diatas 300 Watt/cm2 sehingga mempertahankan suhu dibawah 85C. Jika terjadi overheat, maka peralatan tersebut akan mengalami mal fungsi atau bahkan rusak, seperti misalkan blue screen atau komputer mati secara tiba-tiba dapat diakibatkan oleh overheating ini.

Sistem pendinginan secara konvensional umumnya gagal untuk melakukan pendinginan yang tinggi seperti dijelaskan di atas, sehingga dibutuhkan mekanisme yang lebih inovatif dan high-performance. Teknologi pendinginan seperti phase-change cooling (liquid) dan microchannel-based forced convection merupakan contoh teknologi yang berpotensi untuk keperluan ini. Disisi lain, untuk kondisi yang ekstrim, bahkan fluida-fluida biasa tersebut tidak memiliki cukup karakteristik termal dan fluida seperti nano-fluid terkadang diperlukan.  Fluida ini memiliki konduktivitas termal yang relatif tinggi dan cukup konvektif.

METODE PENGIDINAN

Meskipun progress dalam teknologi elektronika cukup cepat, namun heat-removal pada sitem elektronik dengan teknologi terkini masih kurang dan menjadi tantangan desain tersendiri. Berikut adalah beberapa metode pendinginan yang biasa digunakan pada industri elektronik. Berdasarkan efektivitas heat transfernya, sistem pendinginan dibagi menjadi beberapa kategori sebagai berikut:

• Konveksi natural
• Konveksi paksa dengan udara
• konveksi paksa dengan liquid
• Evaporasi liquid

Berdasarkan heat flux removal rate nya, performa tertinggi ditunjukkan oleh liquid evaporation, disusul oleh konveksi paksa liquid dan kemudian udara. Namun pendinginan udara masih banyak digunakan pada CPU secara umum karena beberapa pertimbangan seperti biaya dan keamananya jika terjadi kebocoran liquid yang berbahaya jika kontak dengan CPU.

DESAIN SISTEM PENDINGIN MENGGUNAKAN CFD

Karena tingginya kompleksitas dan krusialnya desain sistem pendinginan elektronik, diperlukan analisis yang mendalam dan menyeluruh pada sistem pendingin ini. Salah satu metode yang cukup umum digunakan adalah menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD), metode ini sangat powerfull karena mampu memodelkan baik geometri secara menyeluruh dari sistem maupun input-input variabel seperti karakteristik termal material, heat-flux dan lain-lain, kemudian output yang diperoleh juga cukup luas, mulai dari distribusi temperatur, kecepatan aliran fluida, hingga perhitungan tegangan pada komponen-komponen tersebut jika dikombinasikan dengan metode finite element analysis (FEA).

Simulasi di atas dibuat menggunakan software openFOAM. Dapat dilihat dari hasil simulasi di atas bahwa kehadiran komponen-komponen elektronika di dalam box akan menghalangi atau mungkin mempercepat aliran yang akan mengubah karakteristik konveksinya, kemudian sumber kalor dari masing-masing komponen juga mempengaruhi distribusi temperatur secara keseluruhan. Menggunakan metode CFD ini, kita dapat dengan mudah memindah-mindah lokasi komponen sampai ditemukan konfigurasi yang optimal, baik dari sudut pandang fungsionalnya sebagai rangkaian elektronik dan manajemen kalornya.

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang CFD, klik di sini.

By Caesar Wiratama

aeroengineering.co.id merupakan jasa layanan dibawah CV MARKOM dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA. Pelajari selengkapnya di sini.

DESAIN VENTILASI UDARA PADA TEMPAT PARKIR INDOOR

Pada era pembangunan yang berkembang pesat saat ini, pembangunan bangunan-bangunan besar seperti hotel, mall, perkantoran dan industri semakin banyak. Dalam pembangunan fasilitas-fasilitas tesebut, tentunya ada banyak sekali hal yang harus dipertimbangkan untuk kenyamanan dan tentusaja keselamatan dari pengguna. Dalam artikel ini, akan disoroti secara khusus desain dari tempat parkir indoor yang merupakan salah satu lokasi yang cukup riskan bagi penggunanya, baik karena akumulasi gas emisi kendaraan bermotor yang parkir pada tempat tersebut maupun bahaya saat terjadi kebakaran mengingat setiap kendaraan yang terparkir menyimpan bahan bakar.

Kejadian kebakaran pada tempat parkir indoor telah berulang kali terjadi dan menjadi perhatian khusus pada saat proses desainya. Ketika api menyala, sistem ventilasi udara dari dalam ruangan harus mengeluarkan dengan baik asap dan gas dari ruang parkir, serta memastikan berlangsungnya proses evakuasi dari orang-orang yang ada di dalam bangunan tersebut tanpa kendala, kemudian juga mengurangi temperatur dan menjaga visibilitas dalam ruangan tersebut untuk mempermudah tugas pemadam kebakaran. Untuk mencegah terjadinya keracunan, diperlukan juga analisis untuk menghilangkan “deadzone” atau daerah dengan kecepatan yang sangat rendah sehingga berpotensi mengumpulnya gas-gas beracun pada daerah tersebut.

Selain pada kondisi yang ekstrim seperti kebakaran yang telah dijelaskan di atas, terdapatnya kendaraan-kendaraan yang dinyalakan saat parkir atau keluar masuk ruang parkir juga akan mengemisikan gas-gas yang cukup berbahaya jika terakumulasi pada ruang yang tertutup. Gas-gas yang berbahaya tersebut pada umumnya atara lain karbon moniksida (CO), nitrogen oksida (NOx dan sulfur oksida (SOx). 

Konsentrasi dari CO akan menghasilkan ancaman tertinggi, mengakibatkan efek samping yang sangat berbahaya bahkan hingga kematian. Gas ini tidak memiliki warna namun dapat dengan sangat cepat meracuni manusia sebelum menyadari ada indikasi gejala keracunan. Keracunan CO adalah kejadian keracunan udara yang paling umum dan sangatlah fatal. Jika desain ventilasi udara pada ruang tersebut tidak mencukupi, keracunan bahkan kematian dapat mungkin terjadi.

Berikut adalah konsentrasi CO pada udara berdasarkan berbagai data standar internasional:

• 200 ppm: batas terpapar maksimum 15 menit (sumber: NIOSH)
• 50 ppm: Batas maksimum pekerja terpapar selama depalan jam (sumber: OSHA)
• 50 ppm: Rekomendasi aktivasi ventilasi mekanik pada tempat parkir indoor (sumber: UMC)
• 35 ppm: Rekomendasi <35ppm untuk udara sekitar selama satu jam (sumber EPA)
• 35 ppm: Maksimum konsentrasi untuk pekerja selama delapan jam (Sumber NIOSH)
• 25 ppm: maksimum konsentrasi untuk pekerja selama delapa jam (sumber ACGIH)
• 25 ppm: Rekomendasi aktivasi ventilasi mekanik pada ruang parkir indoor (sumber IMC)
• 9 ppm: Rekomendasi konsentrasi udara sekitar selama lebih dari delapan jam (sumber EPA)

ASHARAE menyoroti emisi CO adalah salah satu yang paling menjadi fokus pada desain sebuah tempat parkir. Untuk tempat parkir indoor, ANSI/ASHRAE Standard 62, “ventilation for acceptable indoor air quality”, merekomendasikan 9 ppm maksimum selama delapan jam dan 100-200 ppm untuk jangka waktu yang singkat. Pada umumnya kontrol dari gas-gas ini adalah menggunakan supply udara luar, exhaust fan, blower serta ducting.

Berdasarkan paparan di atas, sebagai desainer ruang parkir, kita harus mempertimbangkan juga ventilasi yang baik untuk keselamatan dari penggunanya. Namun, desain dari tempat parkir terkadang harus menyesuaikan ruangan yang ada sehingga kita tidak dapat dengan mudah kita analisis berdasarkan pengalaman yang sebelumnya karena data-data yang mungkin berbeda. Kemudian kita harus mensiasati desain ruangan yang ada dengan solusi yang paling aman namun harus tetap memperhatikan budget  dari instalasi exhaust, ducting, fan dan lain-lain.

Untuk melakukan hal tersebut, kini telah berkembang suatu metode yang sangat powerfull untuk menganalisis suatu ruangan dengan model dan konfigurasi seperti apapun menggunakan metode komputasi dengan komputer, yang dikenal juga dengan istilah Computational Fluid Dynamics (CFD). Metode ini telah banyak digunakan oleh para engineer untuk berbagai keperluan analisis fluida, termasuk juga HVAC dan tentunya desain ventilasi ruang parkir ini. Metode ini cukup terkenal karena kapabilitasnya yang tidak hanya mampu memprediksi aliran udara, namun dapat juga menghitung kecepatan udara, temperatur, bahkan hingga konsentrasi gas-gas tertentu pada setiap titik secara 3-dimensi.

Berikut adalah contoh analisis instalasi blower pada ruang parkir sederhana:

Simulasi di atas dibuat menggunakan software OpenFOAM CFD. Berdasarkan hasil simulasi di atas, kita dapat memprediksi daerah mana saja yang memiiki kecepatan angin yang tinggi, deaerah “deadzone”, serta meramalkan konsentrasi dari gas-gas yang ada di dalam ruangan tersebut, terlebih lagi kita dapat dengan sangat mudah memindah-mindahkan lokasi blower, exhaust, ducting dan lain-lain dengan bantuan komputer dan memprediksi hasil dari perubahan konfigurasi tersebut. Menggunakan metode CFD, kita mampu memahami permasalahan desain yang kita hadapi secara lebih mendalam.

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang CFD, klik di sini.

By Caesar Wiratama

aeroengineering.co.id merupakan jasa layanan dibawah PT Markom Teknologi Engineering dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA. Pelajari selengkapnya di sini.