Proceeding National Symposium on Thermofluids VIII 2016 Yogyakarta, 10 November 2016

Transkripsi

1 Studi Eksperimental Pengaruh Frekuensi Tetesan Terhadap Efektivitas Pendinginan Pada Multiple Droplet (Experimental Studies On The Effect Of The Frequency Drops To Cooling Effectiveness On Multiple Droplets) Dannys Arif Kusuma, Indro Pranoto, Windy Hermawan Mitrakusuma, Deendarlianto, dan Samsul Kamal Departemen Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada, Jl. Grafika No. 2 Yogyakarta, dannys.arif.k@mail.ugm.ac.id Abstract Mutliple droplets are drop of water which continuously dropped on a surface by certain time difference. The phenomenon of collision between droplets and a solid surface can be found in a variety of applications, one of them is a cooling process. The cooling process is carried out with a number of water droplets and by spraying or commonly known as spray cooling. When droplet impingement on the surface, the droplet will spread (spreading) and collecting back (recoil). In this study, the effect of frequency drops against cooling effectiveness and temperature decrease rate will be observed. Visualization process is used to find maximum spreading which is the factor of coooling effectiveness. The observation is performed by using a variable drops to 100 and 120 drops/minute. The surface is used Stainless Steel with the temperature 100 and 110 o C. Image processing techniques are used to extract the data sequentially from the images that successfully taken by using high-speed camera. The test results show that the variation frequency drops will affect the cooling effectiveness and the temperature decrease rate. That the higher frequency drops, the cooling effectiveness and temperature decrease rate will be increasead. Keywords Droplets, Frequency Drops, Cooling Effectiveness, Spreading Ratio 1. Pendahuluan Dinamika tumbukan air (droplet) pada suatu permukaan datar merupakan sebuah fenomena yang saat ini sedang dikembangkan oleh para peneliti untuk berbagai pemanfaatan. Fenomena tumbukan antara tetesan (droplet) dengan permukaan padat dapat dijumpai pada berbagai aplikasi, salah satunya adalah sebagai proses pendinginan. Proses pendinginan dilakukan dengan sejumlah tetesan air dan dengan penyemprotan atau biasa dikenal sebagai spray cooling. Spray cooling digunakan untuk mendinginkan suatu permukaan panas. Biasanya digunakan untuk mendinginkan permukaan panas pada proses reaksi inti nuklir, pembentukan material, quenching, blade turbine dan peralatan elektronik. Metode spray cooling terbukti dapat membuang heat flux yang tinggi sekaligus mengkontrol laju pendinginan yang diinginkan. Laju perpindahan kalor yang tinggi merupakan suatu keuntungan karena dapat mengurangi ukuran, biaya dan kompleksitas peralatan penukar kalor. Metode pool boiling (mencelupkan pada kolam cairan) dan jet impingement (cairan kontinu ditembakkan pada kecepatan tinggi) tidak memiliki kemampuan dalam menjamin keseragaman dan kontrol pendinginan yang baik terutama pada paduan logam yang mempunyai bentuk komplek [1]. Interaksi droplet dengan permukaan padat yang dipanaskan, akan terjadi beberapa fenomena yaitu menyebar (spreading), melambung (rebound) dan menyiprat (splashing). Hal ini bisa terjadi karena peningkatan suhu sangat mempengaruhi tegangan permukaan di setiap bahan. Sehingga perilaku droplet di setiap spesimen uji yang berbeda memiliki fenomena yang berbeda beda [3]. Bernadin dkk. (1997) melakukan pendekatan yang lebih sederhana dengan meneliti tumbukan sebuah droplet pada permukaan padat yang dipanaskan, dimana dari hasil penelitian tersebut diperoleh karakteristik perpindahan kalor pada droplet tunggal yang kemudian digunakan untuk memprediksi karakteristik perpindahan kalor secara menyeluruh pada proses spraying [2]. Pasandideh dkk. (2001) membuat model analitis yang memperkirakan efektivitas pendinginan. Didapatkan bahwa efektivitas pendinginan meningkat seiring dengan meningkatnya bilangan Weber (We), tetapi pada bilangan Weber tinggi, efektivitas pendinginan tidak tergantung pada kecepatan dan ukuran droplet, melainkan bergantung pada bilangan Prandtl (Pr) [4]. Penelitian mengenai dinamika single droplet yang menumbuk permukaan padat sudah banyak dilakukan sebelumnya namun penelitian mengenai fenomena multiple droplet yang menumbuk permukaan padat masih sedikit. Pada penelitian ini peneliti berusaha untuk mempelajari pepindahan kalor

2 dan visualisasi dari fenomena spreading dan recoil multiple droplet ketika menumbuk permukaan datar Stainless Steel pada temperatur permukaan 100 dan 110 o C. Dari penelitian ini, akan dibandingkan pengaruh dari frekuensi tetes yang berbeda terhadap cooling effectiveness dan laju penurunan temperatur yang dihasilkan oleh multiple droplet. 2. Metode Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 2.1. Pemanasan spesimen digunakan heater, pemanasan dilakukan hingga temperatur permukana mencapai 100 dan 110 o C. Temperatur permukaan diukur menggunakan termokopel. Droplet dijatuhkan ke permukaan yang dipanaskan dengan menggunakan jarum injector. Ukuran droplet dijaga konstan pada 2,75 mm. Pada frekuensi tetesan diatur dengan control valve dan pembacaan dengan drop counter. Mengatur frekuensi tetesan pada 100 dan 120 tetes/menit. Agar massa total droplet yang menumbuk sama maka penetesan dilakukan sebanyak 20 kali. Pada frekuensi 100 tetes/menit penetesan dilakukan selama 12 detik dan frekuensi 120 tetes/menit penetesan dilakukan selama 10 detik agar tetesan yang dihasilkan sebanyak 20 tetes. Ketinggian jatuh droplet antara permukaan yang dipanaskan dengan jarum injector pada 70 mm sehingga menghasilkan bilangan Weber sebesar 52,6. Pengambilan diameter droplet ditunjukkan pada Gambar 2.2. β = Spreading ratio D = Diameter awal dari droplet d = Diameter daerah pembasahan Gambar 2.2 Pengukuran Diameter Spreading (1) Laju penurunan temperatur permukaan dapat diketahui dengan cara melihat perubahan temperatur permukaan selama ditumbuk oleh droplet. Laju penurunan temperatur permukaan dapat dihitung dengan cara : T S1 = Temperatur permukaan awal ( o C) T S2 = Temperatur permukaan selanjutnya ( o C) t 1 = Waktu awal (s) t 2 = Waktu selanjutnya (s) (2) Efektivitas pendinginan pada droplet menggunakan perbandingan antara perpindahan kalor yang terjadi dengan perpindahan kalor maksimum antara droplet dan permukaan. Efektifitas pendinginan (ε) merupakan pengukuran kuantitatif yang tak berdimensi yang dapat digunakan untuk mengukur pengaruh dari ukuran droplet, kecepatan dan physical properties pada perpindahan kalor yang terjadi saat tumbukan droplet. Untuk mencari nilai efektifitas pendinginan pada droplet dapat digunakan persamaan berikut ini [4]: Gambar 2.1 Skema Rangkaian dari Multiple Droplets Generator Dinamika tumbukan droplet diamati dengan menggunakan high speed video camera dengan kecepatan pengambilan gambarnya 1200 frame per detik. Teknik image processing digunakan untuk mengambil data dari gambar yang berhasil diambil dengan menggunakan high-speed camera. Berdasarkan hasil teknik image processing dan pembacaan termokopel yang didapatkan, dilakukan analisis terhadap dinamika sebaran droplet, rasio sebaran droplet dan laju penurunan temperatur permukaan. Spreading ratio (β), merupkan perbandingan antara diameter awal droplet dengan diameter pembasahan droplet ketika spreading (menjalar). (3) ε = Efektifitas pendinginan q = Heat flux permukaan padat (W/m 2 ) A = Luas permukaan yang dibasahi (m 2 ) c p = Kalor spesifik droplet (J/kg.K) m = Massa droplet (kg) ΔT = Perbedaan suhu permukaan padat dengan droplet ( o C) Total perpindahan kalor yang terjadi adalah perpindahan kalor dari permukaan ke droplet selama waktu droplet spreading hingga maximum spread dapat diperkirakan sebagai berikut:

3 q c = Kalor total saat maximum spreading (J) A max = Luas area saat maximum spreading (m 2 ) tc = Waktu yang diperlukan untuk mencapi maximum spreading (ms) Heat flux yang terjadi dijelaskan dalam persamaan berikut: kf = konduktivitas termal droplet (W/m.K) (4) (5) Tebal lapisan batas termal (δ T) dapat diperoleh dari persamaan untuk perpindahan panas selama axisymmetric stagnation point flow [6] : (6) Tebal lapisan batas kecepatan (δ u) dapat diperoleh dari persamaan untuk perpindahan panas selama axisymmetric stagnation point flow [5]: (7) Subtitusi persamaan (6) ke persamaan (7) maka didapatkan persamaan : (8) Subtitusi persamaan (8) ke persamaan (5) maka didapatkan persamaan (9) Kombinasi dari persamaan (9), persamaan (4) dan persamaan (3) maka didapatkan persamaan efektivitas pendinginan : (10) (11) (12) β max = Maximum spreading ratio Re = Bilangan Reynold Pr = Bilangan Prandtl μ = Viskositas (kg/m.s) Nilai bilangan Reynold dan bilangan Prandtl dapat dicari masing - masing : v = Kecepatan jatuh droplet ρ = Massa jenis dropet (kg/m 3 ) Kecepatan jatuh droplet dapat dihitung dengan persamaan energi mekanik. Droplet pada ketinggian tertentu akan memiliki energi potensial maksimum sebesar : g = Gravitasi bumi (9,875 m/s 2 ) h = Tinggi jatuh droplet (0,07 m) (13) (14) (15) Ketika droplet tersebut menumbuk pada permukaan datar, energi potensial berubah menjadi energi kinetik. Energi kinetik maksimum terjadi sesaat sebelum droplet menyentuh permukaan sebesar : (16) Dari Ep maksimum = Ek maksimum sehingga persamaan tersebut menjadi : (17) Sehingga kecepatan droplet ketika menumbuk dapat dihitung dengan persamaan (18) 3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Perhitungan Spreading Ratio Pengamatan spreading saat tumbukan droplet dilakukan karena merupakan salah faktor penting dalam perhitungan efektivitas pendinginan. Spreading ratio dicari dengan membagi diameter pembasahan droplet dengan diameter awal droplet. Pengambilan diameter pembasahan dilakukan pada tetes ketiga agar dampak dari frekuensi dapat teramati. Pada frekuensi 100 tetes/menit dan temperatur permukaan 110 o C

4 belum memberikan dampak karena pada tetes kedua telah mencapai kesetimbangannya jauh sebelum tetes ketiga jatuh. Sedangkan pada frekuensi 120 tetes/menit dan temperatur permukan pada 100 dan 110 o C telah terjadi tumbukan antara tetes ketiga dengan sisa tetes kedua yang belum mencapai kesetimbangannya. Hal ini terjadi karena pada frekuensi 120 tetes/menit jeda waktu penetesan lebih cepat dibandingkan dengan frekuensi sebelumnya yaitu pada 100 tetes/menit. Sehingga tetes ketiga menumbuk sisa tetes kedua yang masih terdapat sisa-sisa gaya yang terjadi sebelumnya. Hasil pengukuran dari spreading ratio diambil angka maksimal dan ditunjukkan pada Tabel 3.1. Tabel 3.1 Hasil Perhitungan Spreading Ratio Frekuensi tetesan (tetes/menit) Temperatur Permukaan ( o C) Maximum Spreading Ratio 100 4, , , ,21 Gambar 3. 1 Grafik Spreading Ratio Terhadap Temperatur Permukaan dengan Frekuensi 100 dan 120 tetes/menit Pada Gambar 3.1 kenaikkan maximum spreading ratio terhadap kenaikan temperatur permukaan terjadi secara stabil dari temperatur permukaan 100 o C hingga 110 o C. Terlihat pada frekuensi 120 tetes/menit, bahwa maximum spreading ratio bertambah seiring dengan bertambahnya temperatur permukaan yang sesuai dengan peristiwa penurunan tegangan permukaan air seiring dengan kenaikan temperatur, sehingga gaya yang menahan droplet untuk terjadi spreading semakin rendah dan membuat maximum spreading meningkat. Maximum spreading ratio mengalami peningkatan dengan meningkatnya temperatur permukaan, kecuali pada temperatur permukaan 110 o C dan frekuensi tetes 100 tetes/menit. Hal ini dapat disebabkan oleh beberapa faktor salah satunya lingkungan. Pengkondisian tangki penampung fluida dapat dilakukan untuk meminimalisir pengaruh lingkungan. Hasil dari percobaan di atas dengan bilangan frekuensi 100 dan 120 tetes/menit dan temperatur permukaan 100 dan 110 o C didapatkan bahwa frekuensi tetesan memberikan pengaruh terhadap perubahan maximum spreading ratio yang ditunjukkan oleh Gambar 3.1. Berdasarkan pada temperatur permukaan 100 dan 110 o C memberikan hasil bahwa maximum spreading ratio mengalami peningkatan disetiap peningkatan frekuensi tetesan. Bisa disimpulkan maximum spreading ratio dipengaruhi frekuensi tetesan, dimana seiring meningkatnya frekuensi tetesan, maximum spreading ratio juga mengalami peningkatan. 3.2 Perhitungan Laju Penurunan Temperatur Permukaan Tumbukan droplet dengan permukaan yang panas pastilah mengalami penurunan temperatur pada permukaannya. Hal ini terjadi karena terdapat beda temperatur antara droplet dan permukaan yang ditumbuk yang menyebabkan perpindahan kalor dari temperatur permukaan yang tinggi ke temperatur droplet yang lebih rendah. Selanjutnya akan dibahas hubungan antara variasi frekuensi tetesan dengan laju penurunan temperatur permukaan. Laju penurunan temperatur permukaan dapat diketahui dengan cara melihat perubahan temperatur permukaan selama ditumbuk oleh droplet. Persamaan (2) digunakan untuk menghitung laju penurunan temperatur permukaan disetiap perubahannya. Tabel 3.2 menunjukkan hasil perhitungan laju penurunan temperatur permukaan rata-rata. Tabel 3.2 Hasil Perhitungan Laju Penurunan Temperatur Permukaan Rata-Rata Frekuensi tetesan (tetes/menit) Temperatur Permukaan ( o C) Laju Penurunan Temperatur Permukaan Rata Rata ( o C/s) 100 0, , , ,205 Gambar 3. 2 Grafik Laju Penurunan Temperatur Permukaan Terhadap Temperatur Permukaan dengan Frekuensi 100 dan 120 tetes/menit

5 Pada Gambar 3.2 menunjukkan laju penurunan temperatur permukaan spesimen ketika ditetesi dengan dua puluh tetes droplet. Terlihat bahwa peningkatan frekuensi tetesan juga mengakibatkan peningkatan laju pernurunan temperatur permukaan. Hasil tertingi didapatkan pada frekuensi tetesan 120 tetes/menit dan temperatur 110 o C dengan laju penurunan sebesar 0,205 o C/s dan terendah pada frekuensi 100 tetes/menit dan temperatur 100 o C dengan laju penurunan sebesar 0,148. Berdasarkan hasil setiap penurunan temperatur permukaan bisa disimpulkan laju penurunan temperatur permukaan dipengaruhi frekuensi tetesan, dimana seiring meningkatnya frekuensi tetesan maka laju penurunan temperatur permukaan juga meningkat. 3.2 Perhitungan Efektivitas Pendinginan Hasil percobaan yang telah dilakukan kemudian akan dihitung efektivitas pendinginan. Efektivitas pendinginan adalah perbandingan perpindahan kalor yang terjadi dengan perpindahan kalor maksimum yang mungkin terjadi (ideal) antara droplet dan permukaan. Efektivitas pendinginan dapat dikatakan suatu pencapain pendinginan dibandingkan dengan target pendinginan yang ingin dicapai. Perhitungan efektivitas pendinginan pada frekuensi 100 dan 120 tetes/menit dengan massa total yang sama, diameter konstan dan banyak tetesan 20 tetes. Maka akan dicari juga hubungan temperatur permukaan dan frekuensi terhadap efektivitas pendinginan. Tabel 3.3 menunjukkan perhitungan efektivitas pendinginan. Tabel 3.3 Hasil Perhitungan Efektivitas Pendigninan f (tetes/ menit) T s ( o C) t c (ms) β max Re Pr ε ,2 4, ,9 1,92 0, ,2 3, ,3 1,74 0, , ,9 1,92 0, , ,3 1,74 0,497 Pada Gambar 3.3 menunjukkan bahwa efektivitas pendinginan dipengaruhi oleh frekuensi tetesan. Pada seluruh variasi temperatur permukaan efektivitas pendinginan tertinggi terjadi pada temperatur permukaan 110 o C dengan frekuensi 120 tetes/menit dan efektivitas pendinginan terendah terjadi pada temperatur permukaan 100 o C dengan frekuensi 100 tetes/menit. Pada variasi temperatur permukaan memberikan hasil bahwa efektivitas pendinginan mengalami peningkatan disetiap peningkatan frekuensi tetesan. Berdasarkan nilai efektivitas pendinginan pada temperatur permukaan 100 o C dan 110 o C bisa disimpulkan bahwa efektivitas pendinginan dipengaruhi frekuensi tetesan, dimana seiring meningkatnya frekuensi tetesan maka efektivitas pendinginan juga mengalami peningkatan. 4. Kesimpulan Dari eksperimen yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa: Nilai frekuensi tetesan memberikan pengaruh terhadap laju penurunan temperatur. Berdasarkan dari hasil penelitian bahwa seiring meningkatnya frekuensi tetesan, maka laju penurunan temperatur permukaan yang terjadi juga mengalami peningkatan. Laju penurunan temperatur permukaan tertinggi terjadi pada temperatur permukaan Stainless Steel 110 o C, frekuensi tetesan 120 tetes/menit dan memiliki nilai sebesar 0,205 o C/s. Nilai frekuensi tetesan memberikan pengaruh terhadap efektivitas pendinginan. Berdasarkan dari hasil penelitian bahwa nilai frekuensi tetesan yang semakin meningkat menyebabkan peningkatan efektivitas pendinginan. Efektivitas pendinginan memiliki kesesuaian dengan laju penurunan pada temperatur permukan 100 dan 110 o C, dimana seiring meningkatnya laju penurunan temperatur permukaan maka efektivitas pendinginan juga mengalami peningkatan. Efektivitas pendinginan tertinggi terjadi pada temperatur permukaan Stainless Steel 110 o C, frekuensi tetesan 120 tetes/menit dan memiliki nilai sebesar 0, Daftar Pustaka Gambar 3.3 Grafik Laju Efektivitas Pendinginan Terhadap Temperatur Permukaan dengan Frekuensi 100 dan 120 tetes/menit [1] Bernadin, J.D. dan Mudawar, I Film Boiling Heat Transfer Of Droplet Stream And Sprays. Internatioinal Journal of Heat and Mass Transfer, 40(11), pp [2] Bernadin, J.D., Stebbins, C.J. dan Mudawar, I Mapping Of Impact And Heat Transfer Regimes Of Water Drops Impinging On A Polished Surface. International Journal of Heat and Mass Transfer, 40(2), pp [3] Chandra, S. dan Avedisian, C.T., On The Collision Of A Droplet With A Solid Surface.

6 Proceedings Of The Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 431(1884), pp [4] Pasandideh-Fard, M., Aziz, S.D., dan Mostaghimi, J Cooling Effectiveness of A Water Drop Impinging On A Hot Surface. International Journal of Heat and Fluid Flow 22, pp [5] Pasandideh-Fard, M., Qiao, Y.M., Chandra, S., dan Mostaghimi, J., Capillary effects durung droplet impact on a solid surface. Physics of Fluids 8, pp [6] White, F.M, 1991; 2007, Viscous Fluid Flow, Second Edition McGraw Hill, New York, pp