Sudarmadji (2014) Perpindahan Panas dan Pressure Drop Fluida Nano Al2O3-Air pada Proses Pendinginan Aliran Laminar dalam Pipa. Doctor thesis, Universitas Brawijaya.
Abstract
Dengan perkembangan teknologi perpindahan panas yang semakin pesat, akibat dari semakin kecilnya suatu produk teknologi (miniaturization) dengan kemampuan yang sangat tinggi menyebabkan fluks kalor yang dibangkitkan meningkat tajam. Fluks kalor yang meningkat tajam menyebabkan peningkatan temperatur yang sangat cepat, sehingga peralatan tidak dapat berfungsi dengan baik. Maka pendinginan menjadi sangat penting untuk menjaga komponen bekerja dengan optimal. Pada konveksi paksa perpindahan panas terjadi pada fluida yang bergerak menuju dinding padat pada yang dinyatakan dengan koefisien perpindahan panas. Peningkatan perpindahan panas yang lazim dilakukan adalah dengan menambah luas permukaan konveksi yaitu menggunakan sirip-sirip dan peningkatan laju aliran fluida. Hal tersebut sudah tidak relevan lagi karena memerlukan ruang yang besar dan boros energy. Dengan penambahan partikel padat ukuran nanometer kedalam fluida murni (fluida nano) diharapkan dapat memperbaiki laju perpindahan panas konveksi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui perbedaan peningkatan koefisien perpindahan panas dan rugi tekanan pada proses pendinginan dan pemanasan, juga mendapatkan model matematis perpindahan panas dan faktor gesekan pada proses pendinginan. Penelitian ini dilakukan secara eksperimental sungguhan ( true experimental research ) menggunakan alat penukar kalor pipa ganda aliran berlawanan arah terdiri dari pipa bagian dalam dari bahan dari kuningan diameter dalam 4,9 mm panjang 1,25 m, pipa luar dari bahan dari stainless steel diameter 38,5 mm tebal 1,5 mm. Fluida nano yang digunakan adalah partikel Al 2 O 3 -air, dengan tiga prosentase volume partikel masing-masing adalah: 0,15%; 0,25% dan 0,5%. Temperatur fluida panas (fluida nano) pada sisi masuk pipa bagian dalam dan pipa bagian luar (annulus) dibuat konstan yaitu: 40 o C dan 23 o C untuk proses pendinginan dan 23 o C dan 40 o C untuk proses pemanasan. Aliran fluida nano diatur pada daerah aliran laminar, sedangkan aliran fluida pada annulus dibuat konstan. Pengukuran temperatur pada kondisi steady , menggunakan thermocouple data logger TC-08 USB 8 channel dengan empat buah thermocouple type K dipasang pada daerah sisi masuk dan keluar aliran fluida dan empat buah dipasang pada dinding pipa. Sedangkan pengukuran menggunakan pressure drop menggunakan wet-wet differential pressure transducer Brand Omega model PX 409-005DWU5V. Untuk menjamin semua data pada daerah aliran berkembang penuh ( fully developed flow ) dipasang calming section panjang 60 cm dan untuk menjaga agar fluida dalam pipa terisi penuh pada sisi keluar dipasang raiser setinggi 1 m. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa peningkatan koefisien perpindahan panas fluida nano dan rugi tekanan antara proses pendinginan berbeda dengan proses pemanasan. Koefisien perpindahan panas pada proses pendinginan lebih tinggi dari proses pemanasan. Peningkatan koefisien perpindahan panas sebanding dengan peningkatan prosentase volume partikel dan laju aliran fluida. Didapatkan persamaan baru untuk perpindahan panas pada proses pendinginan pada prosentase volume 0,15%; 0,25% dan 0,5% yaitu, ?? ?? =0,75 ?? 0,846 ?? −2,28 ? 0,03 dengan penyimpangan maksimum berkisar antara -16,4% sampai +16,5%. Rasio peningkatan koefisien perpindahan panas tertinggi sebesar 45,2% pada prosentase volume 0,25% untuk proses pendinginan, dan untuk proses pemanasan peningkatan perpindahan panas fluida nano relatip sama dengan perpindahan panas air murni. Sedangkan hasil penelitian untuk rugi tekanan (pressure drop) menunjukkan bahwa, terdapat perbedaan rugi tekanan antara proses pendinginan dengan proses pemanasan, pressure drop pada proses pendinginan lebih tinggi dibandingkan dengan proses pemanasan. Pada prosentase volume partikel 0,5% pressure drop fluida nano pada proses pendinginan sekitar 2,5 kali pressure drop fluida murni. Sedangkan, rugi tekanan proses pendinginan pada prosentase volume partikel 0,15% dan 0,25% fluida nano relatip sama dengan rugi tekanan air murni, tetapi untuk prosentase volume 0,5% persamaan rugi tekanan air murni tidak dapat digunakan untuk menghitung rugi tekanan fluida nano. Dengan menggunakan kurva fitting dan kwadrat terkecil didapatkan persamaan faktor gesekan baru untuk proses pendinginan yaitu ? ?? =2,27 ?? −1,69 ? −1,75 dengan penyimpangan maksimum berkisar antara -13,64 % sampai + 9,98 %. Sedangkan faktor gesekan fluida nano pada proses pemanasan relatip sama dengan faktor gesekan air murni.
English Abstract
The rapid technological development of heat transfer as a result by smaller size products (miniaturization) with high heat fluxes have sharply increased high heat flux which cause increases in temperature, can lead to malfunction or even severely damage equipment. So, cooling is vitally important for efficient operation and to keep the components working optimally. The forced convection heat transfer occurs on moving fluid towards to the solid walls, and heat transfer rate is expressed by the heat transfer coefficient. Improved heat transfer is commonly done by adding to the surface areas of convection through the fins and thus increasing fluid flow rates. But, it not efficient requiring large spaces and is wasteful of energy. The addition of nanometer-sized solid particles into the pure fluid (nanofluid) improves the rate of convection heat transfer. The aim of this research was to investigate the effects of the cooling and the heating process in both forced convective heat transfer and pressure drop of nanofluids using alumina-water nanofluids under a laminar flow regime. The test section was a 1.25 m long with a 4.9 mm inner diameter tube and 38.5 mm outer diameter tube of a counter flow double- pipe heat exchanger. The nanolfluid used in this studied was Al 2 O 3 with pure water as the base fluid, and there were three particle volume concentrations, namely 0.15%; 0.25% and 0.5%, respectively. The temperatures of the inlet side of the nanofluid of inner pipe and of outer pipe were constant, i.e, 40 o C and 23 o C for the cooling process, and 23 o C and 40 o C for the heating process. The nanofluid flow regime was laminar and the cooling fluid at the annulus was made constant. Temperature measurement at steady state were taken using a thermocouple data logger USB TC-08 with 8 channels, four K-type thermocouples were mounted at the inlet and outlet fluid flow and four mounted on the walls of the tubes. While, pressure drop were ontained by measurements using the model 409-005DWU5V Brand Omega PX wet-wet differential pressure transducer. To ensure that all data concering the fully developed flow region (fully developed flow) was collected, a calming section was installed a 60 cm long, and to keep the nanofluid wihin the pipe, a raiser 1 m high was mounted at the outlet. The results of this study, showed that heat transfer coefficient and friction factor of nanofluids in the cooling process differed from those of the heating process. Enhancement of the coefficient convective heat transfer increased with increasing Reynolds number and mass flow rates. The new equations of Nusselt number obtained in the cooling process at particle volume concentrations of 0.15%, 0.25% and 0.5%, was ?? ?? =0,75 ?? 0,846 ?? −2,28 ? 0,03 with a maximum deviation within the range of -16.4% to + 16.5%. The maximum ratio enhancement of the nanofluid heat transfer in the cooling process was 45.2% at a particle volume concentration of 0.25%, while for the heating process nanofluid heat transfer was same as that for pure water. The study of pressure drop showed that the addition of nanaparticles to the base fluid increased pressure drop and the value of pressure drop increased with the rise in nanoparticle volume concentrations. Furthermore, the pressure drop in the cooling process was higher than that of the heating process. In addition the traditional equation for calculating pressure drop in the cooling processes failed to accurately estimate the pressure drop at higher particle volume concentrations, i.e. 0.5%, but at lower particle volume concentrations, i.e. 0.15% and 0.25% there was good agreement with the traditional equation. Accordingly, this study developed new empirical equations for calculating friction factors in laminar flows in cooling processes at higher volume concentrations (0.5%). Using curve fitting and least- square method of the experimental friction factor data at 0.5%, under the cooling process given as, ? ?? =2,27 ?? −1,69 ? −1,75 the maximum deviation ranged from -13,64% to +9,98%. The nanofluid friction factors in the heating process were the same as those for pure water.
| Item Type: | Thesis (Doctor) |
|---|---|
| Identification Number: | DES/621.402 2/SUD/p/061407746 |
| Subjects: | 600 Technology (Applied sciences) > 621 Applied physics > 621.4 Prime movers and heat engineering |
| Divisions: | S2/S3 > Doktor Teknik Mesin, Fakultas Teknik |
| Depositing User: | Endro Setyobudi |
| Date Deposited: | 16 Dec 2014 09:38 |
| Last Modified: | 16 Dec 2014 09:38 |
| URI: | http://repository.ub.ac.id/id/eprint/161050 |
Actions (login required)
 |
View Item |