STUDI EKSPERIMEN PERPINDAHAN KALOR POOL BOILING DENGAN VARIASI SUDUT ORIENTASI DAN PENGARUH DINAMIKA BUBBLE TERHADAP HEAT TRANSFER COEFFICIENT

Ardito Ghulam Nugraha, Ir.Indro Pranoto, S.T., M.Eng., Ph.D., IPM., ASEAN Eng.

2025 | Skripsi | TEKNIK MESIN

Perkembangan teknologi termal dalam sistem pendinginan, khususnya pada perangkat elektronik dan pembangkit energi, menuntut efisiensi perpindahan kalor yang tinggi. Salah satu metode yang efektif untuk meningkatkan efisiensi perpindahan kalor adalah pool boiling, terutama dalam rezim nucleate boiling yang mampu mencapai laju perpindahan kalor yang signifikan. Penggunaan material metal foam dalam fenomena pool boiling menawarkan keunggulan berupa luas permukaan efektif yang besar, struktur pori tiga dimensi, serta kemampuan mendistribusikan gelembung secara merata. Namun, performa perpindahan kalor juga dipengaruhi oleh sudut orientasi permukaan pemanas yang dapat mengubah arah gaya buoyancy dan perilaku dinamika gelembung selama proses boiling berlangsung. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh sudut orientasi dan perbandingan perbedaan permukaan metal foam terhadap dinamika bubble dan heat transfer coefficient (HTC) pada fenomena pool boiling.

Metode penelitian dilakukan secara eksperimental dengan memvariasikan sudut orientasi permukaan, yaitu pada teta = 0°, 30°, dan 60° dan heat rate divariasikan dari 50 W sampai 90 W, dengan kenaikan setiap 10 W. Spesimen yang digunakan adalah material metal foam dengan porositas 40% (AMF PM4) dan dibandingkan dengan penelitian sebelumnya yang menggunakan material metal foam dengan porositas 30% (AMF PM5). Sistem uji terdiri dari boiling chamber, cartridge heater, immersion heater, dan sistem akuisisi data menggunakan thermocouple tipe-K yang terhubung dengan OMEGALOG. Fluida kerja yang digunakan adalah Shell S3-X, dan pengukuran dilakukan pada kondisi tekanan atmosferik dan temperatur saturasi. Parameter yang diamati meliputi temperatur permukaan, heat flux, serta frekuensi dan ukuran gelembung yang terbentuk. HTC dihitung menggunakan pendekatan steady-state berdasarkan perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida kerja.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa sudut orientasi memiliki dampak yang signifikan terhadap koefisien perpindahan kalor dan dinamika bubble. Studi ini menunjukkan bahwa semakin meningkatnya sudut orientasi (teta), mengakibatkan pengurangan daerah sebaran dan pertumbuhan bubble. Nilai heat flux (q") berpengaruh terhadap koefisien perpindahan kalor, di mana peningkatan q" dan teta menyebabkan penurunan koefisien perpindahan kalor pool boiling . Nilai h yang didapatkan memiliki performa terbaik terjadi pada sudut teta = 0° dengan nilai teta sebesar 0,840 kW/m²·K untuk AMF PM4, pada teta = 30° dan  60° nilainya turun menjadi 0,752 kW/m²·K dan 0,694 kW/m²·K. Sementara itu, untuk AMF PM5 dengan performa terbaik pada teta = 0°, memiliki nilai h sebesar 1,103 kW/m²·K, sedangkan pada teta = 30° dan  60° nilainya turun menjadi 0,922 kW/m²·K dan 0,871 kW/m²·K. Pengaruh nilai HTC yang dipengaruhi oleh dinamika bubble yang berupa diameter bubble, gaya bouyancy, frekuensi pelepasan bubble, luas permukaan internal, dan nucleation sites.

The advancement of thermal technology in cooling systems, particularly in electronic devices and power generation, demands high heat transfer efficiency. One effective method to enhance heat transfer performance is pool boiling, especially in the nucleate boiling regime, which can achieve significant heat transfer rates. The use of metal foam material in pool boiling phenomena offers advantages such as a large effective surface area, three-dimensional porous structure, and the ability to evenly distribute bubble formation. However, heat transfer performance is also influenced by the orientation angle of the heating surface, which can alter the direction of buoyancy forces and affect bubble dynamics during the boiling process. This study aims to investigate the effect of orientation angle and the variation of metal foam surface characteristics on bubble dynamics and heat transfer coefficient (HTC) in pool boiling phenomena.

The research method was carried out experimentally by varying the surface orientation angles at theta = 0°, 30°, and 60°, and the heat rate was adjusted from 50 W to 90 W, with an increment of 10 W at each step. The test specimens were made of metal foam material with 40% porosity (AMF PM4), and the results were compared to previous research using metal foam with 30% porosity (AMF PM5). The experimental setup consisted of a boiling chamber, cartridge heater, immersion heater, and a data acquisition system using type-K thermocouples connected to OMEGALOG. The working fluid used was Shell S3-X, and measurements were conducted under atmospheric pressure and saturation temperature. The observed parameters included surface temperature, heat flux, as well as the frequency and size of bubble formation. The heat transfer coefficient (HTC) was calculated using a steady-state approach, based on the temperature difference between the heating surface and the working fluid.

The results of the study show that orientation angle has a significant impact on heat transfer coefficient and bubble dynamics. This study indicates that an increase in orientation angle (theta) leads to a reduction in the bubble distribution area and bubble growth. The heat flux value (q") affects the heat transfer coefficient, where an increase in both q" and theta causes a decrease in the pool boiling heat transfer coefficient. The best performance of the average heat transfer coefficient (h) was achieved at theta = 0°, with a value of 0.840 kW/m²·K for AMF PM4. At theta = 30° and 60°, the values decreased to 0.752 kW/m²·K and 0.694 kW/m²·K, respectively. Meanwhile, for AMF PM5, the best performance also occurred at theta = 0°, with a h value of 1.103 kW/m²·K, while at theta = 30° and 60°, the values dropped to 0.922 kW/m²·K and 0.871 kW/m²·K, respectively. The variation in HTC is influenced by bubble dynamics, which include bubble diameter, buoyancy force, bubble release frequency, internal surface area, and nucleation sites.

Kata Kunci : Pool boiling, sudut orientasi, koefisien perpindahan kalor, dinamika bubble, metal foam