STUDI MENGENAI PENGARUH WETTABILITY (DERAJAT KEBASAHAN) PADA DAERAH FLUKS KALOR KRITIS SELAMA PROSES SPRAY COOLING

WINDY HERMAWAN M, Prof. Ir. Samsul Kamal, M.Sc., Ph.D.; Dr. Deendarlianto, S.T., M.Eng.

2018 | Disertasi | S3 ILMU TEKNIK MESIN

Kajian mengenai fenomena tumbukan droplet pada permukaan telah dilakukan dengan mengamati pengaruh derajat kebasahan (wettability) terhadap fluks kalor kritis (critical heat flux, CHF), dalam hal ini diwakili oleh densitas daya, pada proses spray cooling. Hal lain yang telah dilakukan adalah kajian literatur mengenai fenomena droplet spray cooling untuk mendapatkan "state of the art" yang lebih akurat mengenai topik ini. Kajian meliputi juga eksperimen terhadap pendinginan menggunakan tetesan tunggal (single droplet) dan tetesan banyak atau multi-droplet (multiple droplets) pada permukaan padat yang dipanaskan. Penelitian dilaksanakan dengan mengamati dinamika droplet akibat perubahan derajat kebasahan, yaitu dengan berbagai perubahan sudut kontak fluida pada permukaan, serta perubahan frekuensi tetesan droplet. Perubahan sudut kontak diperoleh dengan pelapisan menggunakan TiO2 dan penyinaran ultra violet. Pengamatan visual, menggunakan kamera berkecepatan tinggi, dilakukan untuk melihat dinamika tetesan tunggal maupun multi-droplet saat menumbuk. Dengan bilangan Weber yang digunakan berkisar 30, 50 dan 80, serta frekuensi droplet 80 100 dan 120 droplet per menit, dan temperatur permukaan 100 °C hingga 240 °C dengan kenaikan 20K, diperoleh data fundamental berupa visualisasi dan mekanisme fenomena pendinginan multi-droplet. Hasil pengamatan menunjukkan antara lain bahwa jumlah droplet yang dijatuhkan akan meningkatkan laju perpindahan kalor di permukaan panas. Pendidihan nukleat akan terjadi setelah beberapa saat droplet mengenai permukaan, dan disebut sebagai waktu tunggu (waiting period). Waktu tunggu dapat diobservasi dengan memperhatikan gelembung yang terjadi di permukaan droplet. Pada tumbukan droplet tunggal, spesimen dengan wettability tinggi, atau hidropilik, mempunyai waktu tunggu yang kecil. Pengaruh wettabilitty terhadap mekanisme tumbukan droplet tunggal menunjukkan bahwa pada semua We yang digunakan, sebaran droplet pada stainless steel yang dilapisi TiO2 dan dikenai ultraviolet (UVW), selalu lebih besar dibandingkan dengan stainless steel yang dilapisi TiO2 tanpa dikenai ultraviolet (UVN) ataupun stainless steel tanpa pelapisan (NSS), sedangkan sebaran droplet pada NSS selalu yang paling kecil. Hal ini menunjukkan bahwa sudut kontak statis yang besar (wettability kecil), cenderung hidrophobik, menyebabkan sebaran droplet di permukaan lebih kecil dibandingkan dengan material yang mempunyai sudut kontak statis lebih kecil (wettability besar) cenderung hidropilik. Tanpa memperhatikan jenis material dan temperatur permukaan saat pengujian, korelasi antara sebaran maksimum droplet sebagai fungsi dari bilangan We dapat dinyatakan sebagai Beta=0.74 x We^0.39. Pada droplet tunggal, waktu penguapan pada UVW lebih cepat dibandingkan pada UVN dan NSS, hal ini menunjukkan bahwa wettability yang besar akan meningkatkan laju perpindahan kalor. Temperatur kritis pada pendinginan multi-droplet, dilakukan dengan menentukan densitas daya, yang menyatakan besarnya daya perpindahan kalor per satuan masa spesimen, dan diperoleh bahwa temperatur kritis pada multi-droplet menumbuk permukaan berkisar antara 180 oC hingga 214 oC. Wettability memegang peranan penting pula dalam proses perpindahan kalor. Semakin baik derajat kebasahan (mendekati hidropilik) maka laju perpindahan kalor pun semakin besar. Demikian juga dalam kasus multi-droplet, semakin baik derajat kebasahan, semakin besar densitas daya yang dihasilkan. Frekuensi tetesan droplet sangat berpengaruh terhadap laju perpindahan kalor. Semakin besar frekuensi, semakin besar pula laju perpindahan kalor saat permukaan ditetesi, dan semakin besar densitas daya yang dihasilkan, serta semakin besar temperatur kritisnya.

The study of droplet collision phenomena on the surface has been done by observing the effect of wettability on the critical heat flux (CHF), in this case represented by the power density in the spray cooling process, which includes, the literature review of the droplet spray cooling phenomena to obtain more accurate 'state of the art' on this topic and experimental studies on cooling using single droplets and multiple droplets on heated solid surfaces. The study was conducted by observing the dynamics of droplet due to the change of wettability, with various changes of fluid contact angle on the surface, and different droplet frequency. The change in contact angle is obtained by coating using TiO2 and ultra violet irradiation. Visual observation, using a high-speed camera, is done to see the dynamics of single droplets and multiple droplets when impacted onto hot surface. With the Weber numbers used in the range of 30, 50 and 80, and droplet frequencies 80 100 and 120 droplets per minute, the fundamental data and visualization of multiple droplets cooling mechanism are obtained. The observation results show that the amount of droplets dropped will increase the rate of heat transfer on the hot surface. Nucleate boiling will occur after a few seconds of droplet impacting over the surface, and is called the waiting period. The waiting time can be observed by noticing the bubbles that occur on the droplet surface. In the case of single droplet collision, the specimens with high wettability, or hydrophilic, have a small waiting period. The effect of wettability on single droplet collision mechanisms shows that for all We used, the droplet distribution of stainless steel coated by TiO2 and treated by ultraviolet (UVW), is always greater than that of stainless steel coated by TiO2 (UVN) or non-coated stainless steel (NSS). The droplet distribution in NSS is always the smallest. This shows that large static contact angles (small wettability) tend to be hydrophobic, causing less droplet spreading than materials with smaller static contact angles (wettability large), which tend to be hydrophilic. Regardless of material type and surface temperatures during experiment, the correlation between the maximum droplet spreading as a function of the We can be expressed as Beta=0.74 x We^0.39. For a single droplet, evaporation time on UVW is faster than in UVN and NSS, indicating that large wettability increases the rate of heat transfer. The critical temperature in multiple droplet impact is carried out by determining the power density, which denotes the amount of heat transferer per unit of specimen mass. It is found that the critical temperature at multiple droplets impacted a surface, ranges from 180 °C to 214 °C. Wettability plays an important role in the process of heat transfer. The better the wettability (close to hydrophilic) then the rate of heat transfer is greater. Likewise in the case of multiple droplets, the better the wettability, the greater the density of power generated. Droplet frequency is very significant on the rate of heat transfer. The greater the frequency, the greater the rate of heat transfer when the surface is impacted by droplets, and the greater the power density generated, and the greater the critical temperature.

Kata Kunci : droplet, wettability, power density, hot solid surface