analisapengaruh variasi laju aliran pendingin dan

AnalisaPengaruh Variasi Laju Aliran Pendingin dan Pembebanan Daya Terhadap Fenomena Dry Out pada Hybrid Loop Heat Pipe

Andhika Pratama Akbar, Nandy Putra, IwanSetyawan

Departement of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Indonesia

UI Depok, 16425, Indonesia Applied Heat Transfer Research Group, Universitas Indonesia

Email: [email protected]

Abstrak Terdapat tiga macam pipa kalor yang ada saat ini, diantaranya ada pipa kalor konvensional, pipa kalor datar dan pipa kalor melingkar[1]. Pipa kalor melingkar memiliki sistem yang berbeda dari pipa kalor lainnya. Pipa kalor melingkar memiliki pendsitribusian jalur fluida yang terpisah yaitu liquid line dan vapour line[2]. Pada pipa kalor sering kita temukan fenomena dry out yang mana kalor yang masuk terlalu besar. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk meningkatkan kinerja heat pipe dengan menambahkan pompa diafragma dan menambahkan sedikit daya pada heat pipe serta dengan menambahkan variasi pada pendinginan dan pembebanan input dayanya [3].Beberapa variasi telah dilakukan untuk mencegah terjadinya dry out, diantaranya dalah dengan dilakukannya pemvariasian mass flow rate pendingin dan pembebanan input power. Variasi mass flow rate pendingin yang dilakukan adalah 100 ml/min, 150 ml/min, dan 400 ml/min[4]. Dan variasi pembebanan input power dilakukan pada 45 W, 55 W, dan 65 W. Percobaan ini dilakukan dengan fluida kerja aquadest, filling ratio70% dan temperatur set point nyala pompa pada 80oC. Dari pengujian ini didapatkan hasil yang berbeda-beda dengan distribusi temperatur yang berbeda, start-up boling point yang berbeda, serta terjadinya peristiwa dry out pada beberapa variasi percobaan[5-9].

Analysis of The Effect of Cooling Mass Flow Rate Variations and Charging Input Power To The Dry Out Phenomenon In Hybrid Loop Heat Pipe

Abstract

There are three kinds of heat pipe, there are straight heat pipe, vapor chamber, and loop heat pipe[1]. Loop heat pipe has a different system than the others. Loop heat pipe have two line to distribute the working fluid inside the heat pipe, there are Liquid line and vapour line[2]. There was a phenomenon in a heat pipe that made the vapour can’t turn back into liquid because the heat was too high to absorpted. This phenomenon was called Dry-Out. To anticipate it, we used a diaphragm pump to make the condensation faster. The purpose of doing this experiment is to know the HLHP performance with some variations of cooling and the charging input power[3]. Some variations have been taken to prevent the dry out. Variations of the mass flow rate condensate that have taken are 100 ml/min, 150 ml/min, and 400 ml/min[4]. It also used for the variations of the charging input power. Variations have been taken are 45 W, 55 W, and 65 W. The experiment was carried out with distilled water working fluid, filling ratio70% and the pump temperature set point at 80 ° C. The results of these tests showed different action with different temperature distribution, different start-up boiling point, and also some dry out phenomenons in some variations of the experiment[5-9].

Keywords : Hybrid Loop Heat Pipe, Mass Flow Rate, Charging Input Power, Dry-Out

Analisa Pengaruh ..., Andhika Pratama Akbar, FT UI, 2016

1. PENDAHULUAN

Heat pipe adalah sebuah alat yang berfungsi sebagai penukar kalor yang

mengkombinasikan dua buah prinsip sebagai metode operasinya. Metode operasi yang

diterapkan yaitu phase transition dan thermal conductivity dalam mengatur secara tepat

perpindahan kalor diantara dua permukaan solid / solid interfaces ( contoh : pipa tembaga

). Dari sekian banyak tipe, ragam, dan jenisnya, heat pipe yang telah ada dan

dikembangkan , keseluruhan heat pipe tersebut bekerja atau fluida bergerak secara natural

tanpa ada tambahan daya dari luar yang mengakibatkan fluida dalam heat pipe dapat

berjalan atau mengalir. Maka dari itu heat pipe sering juga disebut sebagai passive

cooling[10].

Fenomena perubahan dua fase yang terjadi di dalam heat pipe seringkali berubah

menjadi uap akiba adanya berbagai macam faktor. Temperatur didalam sistem juga dapat

melebihi dari boiling temperature yang dialami oleh refrigerant sehingga liquid berubah

fase sepenuhnya menjadi uap. Peristiwa ini sering disebut sebagai dry out. Dry out

merupakan sebuah masalah dan kendala bagi heat pipe dan juga komponen-kompenen

yang di dinginkan. Akibat terjadinya dry out pada heat pipe ditakutkan kemingkinan

sudah tidak berjalan sesuai dengan fungsinya lagi[11].

Maka dari itu penulis mencoba melakukan penelitian yang diangkat dari maslaah dry

out pada heat pipe. Heat pipe yang dibuat adalah jenis single horizontal heat pipe yang

ditambahkan pompa yang berungsi untuk dapat mengalirkan fluida agar dapat berjalan

atau mengalir secara lebih cepat dibandingkan dengan heat pipe pada umumnya. Dengan

adanya sistem penggerak yang memompa fluida kerja maka diharapkan uap yang

dihasilkan dari evaporator dapat dikondensasikan dengan cepat oleh kondensor sehingga

masalah dry out dapat teratasi. Hal ini pastinya akan sangat membutuhkan energi

tambahan agar dapat menggerakan sistem pompa fluida heat pipe.Heat pipe semacam ini

sudah tidak dapat lagi dikatakan sebagai passive cooling, karena menggunakan daya

tamabahan dari pompa untuk menggerakan fluida agar dapat berjalan lebih cepat. Oleh

karena itu maka heat pipe macam ini disebut dengan active heat pipe[12].

Desain yang dibuat dalam penelitian kali ini adalah pipa kalor bekerja sebagai passive

cooling yang ketika heat masuk dan faktor lain tidak menyebabkan munculnya fenomena

dry out. Dan apabila terjadi dry out maka akan menjadi active heat pipe. Dengan demikian


heat pipe yang dirancang dapat bekerja dalam dua kondisi yang berbeda sehingga heat

pipe akan bekerja secara hybrid.

Tujuan dari dibuatnya pengujian ini adalah untuk meningkatkan kinerja heat pipe

dengan menambahkan pompa diafragma dan memberikan sedikit daya pada heat pipe dan

mengetahui kinerja hybrid loop heat pipe dengan melakukan variasi laju aliran pendingin

dan pembebanan daya[3].

2. TINJAUAN TEORITIS

Pipa kalor melingkar atau loop heat pipe adalah sebuah sistem penghantar kalor yang

terdiri dari evaporator dan kondenser. Evaporator berfungsi sebagai penyerap kalor,

sedangkan kondenser berfungsi sebagai pelepas kalor. Antara evaporator dan kondenser

dihubungkan oleh sebuah saluran fluida ysng memisahkan fluida kerja antara uap (vapor) dan

cairan (liquid). Saluran yang mengalirkan uap disebut dengan vapor line, sedangkan saluran

yang mengalirkan fluida kerja cair disebut dengan liquid line. Hal ini telah jelas diungkapkan

oleh Y.F. Maydanik dalam jurnalnya pada tahun 2005 yang berjudul “Loop Heat Pipes”. Loop

heat pipe merupakan alat pemindah kalor yang bekerja dalam siklus tertutup, yang dimana

terdapat sumbu berpori atau sumbu kapiler yang berfungsi sebagai sebuah pompa kapiler yang

menarik cairan untuk kembali ke evaporator[2].

Gambar a. Loop Heat Pipe

Sumbu kapiler sendiri berfungsi sebagai pompa pasif yang dapat meyerap dan

mensirkulasikan fluida kerja dari kondenser ke evaporator. Dalam proses termodinamika-nya


sirkulasi fluida kerja pada pipa kalor melingkar digambarkan dengan gambar

Gambar b. Siklus Termodinamika pada Loop Heat Pipe

Tahapan perpindahan kalor pada pipa kalor melingkar adalah dengan berawal dari bagian

dinding evaporator ( yang disini berarti simulator heat input ) sampai dengan dinding

kondenser yang melepaskan kalor. Langkah-langkah peristiwa yang terjadi adlah sebagai

berikut :

1. Pada dinding evaporator terjadilah peritiwa konduksi dari heater yang dililitakn pada

simulator heat input. Pada bagian ini konduktifitas thermal dari dinding mengambil

peranan penting dalam proses pengahntaran panas. Itulah kenapa hampir semua pipa

kalor terbuat dari tembaga karena alasan konduktifitas thermalnya.

2. Terjadi konveksi alami dari permukaan dinding evaporator terhadap fluida kerja. Pada

saat ini belum terjadi pendidihan fluida kerja dikarenakan proses konveksi terjadi

masih pada suhu yang belum terlalu tinggi dan belum terjadi pendidihan.

3. Pada titik ini mulai terjadi pendidihan dimana didalam heat pipe tepatnya pada

permukaan evaporator mulai terbentuk buih-buih atau gelembung udara karena proses

pendididhan. Ha ini terjadi karena adanya peningkatan temperatur dan tekanan yang

menyebabkan buih-buih tersebut terlepas ke bagian permukaan dari fluida kerja.

4. Pada titik ini tealh terjadi perpindahan kalor secara evaporasi. Dimana liquid telah

berubah fase menjadi uap atau vapour yang selanjutnya uap tersebut akan bergerak

menuju kondenser untuk melakukan porses kondensasi.


Pendinginan dalam sebuah sistem dari loop heat pipe sangat berpengaruh terhadap

hasil percobaan nya. Dalam hal ini, mass flow rate pendingin atau cepat laju pendinginan

yang terjadi di kondenser akan menpengaruhi seberpa besar kondenser dapat membuang kalor

yang tersimpan dari uap hasil evaporasi pada evaporator.

3. METODOLOGI PENELITIAN

Dasar Rancangan

Loop heat pipe memiliki beberapa bagian penting yaitu evaporator, adiabatic section,

dan kondenser. Ada dua kondisi adiabatik pada loop heat pipe yaitu, jalur adiabatik liquid dan

jalur adiabatik uap. Setiap komponennya memiliki peran penting dalam kinerjanya.

Evaporator berfungsi sebagai peneyerap kalor yang mngubah liquid menjadi uap atau yang

sering kita sebut dengan peritiwa vaporisasi. Kondenser berfungsi sebagai alat yang berfungsi

mengubah fase uap menjadi liquid dengan cara mengkondensasikan fluida kerja. Pada bagian

adiabatik liquid, terdapat sumbu kapiler yang berfungsi sebagai pemompa liquid agar

kondensat dapat bergerak menuju evaporator dan menjauhi kondenser[13-16]. Sumbu kapiler

ini yang disebut dengan wick[17].

Gambar c. Dasar Rancangan Loop Heat Pipe [18]

Sesuai yang telah dibuat dan ditunjukkan pada gambar diatas terdapat rancangan yang

telah dibuat dari hybrid loop heat pipe yang akan diujikan. Material yang digunakan adalah


tembaga (cupper) yang berfungsi sebagai pipa kalor serta dinding penghantar kalor secara

konduksi dari heat pepi jenis melingkar ini.

Pada jalur bypass ditambahkan sebuah pompa diafragma, dan pada jalur ini wick tidak

dipasangkan pada pipa kalor. Material yang digunakan tetap pipa tembaga dengan ukuran ¼

inci. Pipa kalor ini di desain sengaja dibuat terpotong sehingga inlet dan outlet dari pompa

diafragma terpasang pada kedua potongan pipa pada jalur bypass.inlet dan outlet lineuntuk

pompa diafragma dibuat sejajar sehingga dibutuhkan elbow pada kedua potongan di jalur

bypass tersebut. Elbow dipasang secara 900 tegak lurus dengan pipa tembaga. Pompa

diafragma dipasang berada diatas hybrid loop heat pipe karena keterbatasan dimensi yang

kecil

Gambar d. Insulasi HLHP dengan menggunakan PU box dan Glass wool

Insulasi atau penyegelan atau penutupan merupakan salah satu hal yang wajib

dilakukan untuk mengurangi heat loss pada hybrid loop heat pipe. Untuk melakukan uji coba

alat dan pengambilan data. Insulasi merupakan faktor penting dalam suatu sistem, yang

kondisinya tidak dapat dipengaruhi oleh kondisi lingkungan. Kondisi lingkungan yang

dihindari adalah temperatur ambient, yang mana panas yang masuk dapat berasal dari benda

elektronik, sinar matahari dan penguapan-penguapan lainnya. Selain itu tujuan utama dari

insulasi adalah untuk mengurangi heat loss yang terjadi dari sistem ke lingkungan, dan

menghindari perpindahan panas secara konveksi. Dengan insulasi kita dapat mengambil data

seakurat mungkin tanpa harus kekurangan informasi karena adanya heat loss.

Insulasi hybrid loop heat pipe dilakukan dengan menggunakan polyurethane yang

berbentuk box yang dibelah dua dan dalamnya dbentuk atau dikikis sesuai denganbentuk

hybrid loop heat pipe. Polyurethane dipilih sebagai insulator karena polyurethane mempunyai

sifat yang konduktifitas thermal nya sangat rendah. Nilai konduktifitas thermal dari

polyurethane adalah 0.02 W/mK. Selain dijadikan insulator karena sifat dari material ini


sangat kaku dan tidak mudah rusak, polyurthane juga dijadikan alat sebagai penopang atau

dudukan dari hybrid loop heat pipe sehingga tidak perlu lagi membuat dudukan yang lain agar

hybrid loop heat pipe dapat seimbang.

Instalasi Alat Uji

Pengujian alat uji hybrid loop heat pipe dengan menggunakan 14 buah termokopel

type K yang ditempatkan pada lubang – lubang yang telah dibuat di hybrid loop heat pipe,

diantaranya adalah pada simulator heat input pada evaporator, adiabatic section, kondenser

dan juga pada vapor line.

Experimental Setup.

Gambar e. Experimental Setup [18]

Keterangankomponen:

a. 1 unit Laptop untuk mengambil dan mengolah data

b. Chasis DAQ NI 9174

c. Modul NI 9213

d. Rotameter

e. Circulating Thermostatic Bath


f. Pompa Diafragma

g. Rangakaian kontrol

h. AC – DC Power Supply

i. Autonics Pressure Indicator

j. Autonics Temperature Indicator

k. AC – AC Regulator

VARIASI PENGUJIAN

Pada pengujian alat hybrid loop heat pipe ini bertujuan untuk mengetahui dan

menganalisis pengaruh jumlah mass flow rate pendingin terhadap fenomena dry out pada

hybrid loop heat pipe. Kita ingin mengetahui apakah dengan melakukan variasi mass flow rate

sangat berpengaruh atau tidak dalam proses pendinginan, serta apakah dapat mempengaruhi

fenomena dry out yang memungkinkan terjadi.

Variabel pengujian dan kelengkapan pengujiannya adalah sebagai berikut:

Parameter Set Point

Pembebanan Daya 45, 55, dan 65 Watt

Filling ratio 60% atau setara dengan 22 mL

Jenis Fluida untuk Filling ratio Aquadest

Laju Aliran Pendingin 100, 150. 400 mL/min

Jenis Fluida Untuk Pendingin Air

Temperatur pendingin 20oC

Set point temperature aktifasi pompa 80oC

4. . HASIL PENELITIAN

Pada pengujian ini dilakukan beberapa variasi pengujian untuk mengetahui pengaruh

dari variasi mass flow rate pendingin dan juga variasi dari heat input yang diberikan pada

hybrid loop heat pipe. Pada pengujian kali ini digunakan beberapa variasi pada mass flow

rate pendingin, diantaranya adalah pada 100 ml/min, 150 ml/min, dan 400 ml/min. Variasi

juga dilakukan pada pembebanan heat input yang berbeda-beda diantaranya adalah 45 W


(150 V), 55 W (165 V), dan juga 65 W (180 V). Dari percobaan ini didapatkan hasil yang

berbeda-beda. Dan tidak dari semua percobaan menimbulkan peristiwa dry out. Hal ini

diketahui dari grafik-grafik percobaan yang telah diujikan sebelumnya. Berikut adalah

grafik-grafik hasil uji coba yang telah dilakukan.

Gambar f. Distribusi Temperatur dengan Pembebanan Daya 45 W

Gambar g. Distribusi Temperatur dengan Pembebanan Daya 55 W


Gambar h. Distribusi Temperatur dengan Pembebanan Daya 65 W

Gambar i. Diagram R vs Q

Gambar diatas merupakan kurva distribusi temperatur dari percobaan yang tealh

dilakukan dengan pembebanan heat input yang sama yaitu 55 W dan 65 W. Kurva-kurva

diatas dilakukan dengan 3 kondisi yang berbeda dimana percobaan dilakukan dengan

beban pembebanan heat input yang sama tapi dengan mass flow rate pendingin yang

berbeda. Percobaan pertama dilakukan dengan 100 ml/min, percobaan kedua dilakukan

dengan 150 ml/min, dan percobaan ketiga dilakukan dengan 400 ml/min. Pada setiap

percobaannya set point tempeartur kondensatnya adalah sama yaitu pada 200C. pada


percobaan ini pompa aktif pada set point 800C. dari hasil yang tealh diujikan, didapatkan

perbedaan distribusi temperatur pada setiap bagian – bagian pada heat pipenya. Dan dari

pengujian tersebut didapatkan kesamaan pada setiap percobaannya dimana boiling pada

fuida memang benar terjadi. Hal ini diketahui dari kurva dimana suhu pada evaporator

terjadi overshoot start-up. Overshoot start-up membuktikan bahwa fluida memang benar-

benar mendidih[5].

Dari hasil diatas didapatkan beberapa percobaan yang terjadi dry out, percobaan

tersebut diantaranya adalah pada 100 ml/min – 45 W, 150 ml/min – 55 W, 100 ml/min 65

W,150 ml/min – 65 W. Hal ini diketahui dari gambar diatas dimana suhu pada kondneser

terus naik dan tidak mengalami penurunan. Hal ini membuktikan bahwa tidak ada kalor

yang terbuang di kondenser. Diagram R vs Q pun menunjukan hambatan yang berbeda

pada setiap percobaannya.

Dengan laju pendinginan yang terlalu rendah seperti pada 100 ml/min mengakibatkan

kondisi pendinginan yang kurang baik. Begitupun halnya dengan laju pendinginan yang

lebih tinggi juga kurang bagus karena kinerja HLHP menjadi cepat dingin dan dapat

mengakibatkan fluida didalamnya tidak dapat mendidih yang menyebabkan kinerja HLHP

menjadi kurang baik.

5. KESIMPULAN

Dari hasil pengujian variasi pembebanan kalor dan mass flow kondensat terhadap hybrid loop

heat pipe yang telah dilakukan , dapat disimpulkan beberapa hasil dari pengujian ini,

diantaranya adalah :

1. Dry Out terjadi karena pembebenan inpout power yang terlalu tinggi dengan laju

pendinginan yang rendah.

2. Laju pendinginan yang terlalu tinggi dan terlalu rendah tidak bagus dalam

mengabsorpsi suhu HLHP.

3. Pompa diafragma aktif berperan dalam menurunkan suhu HLHP.

4. Variasi pembebanan kalor dan variasi mass flow rate pendingin juga sangat

berpengaruh pada eksperimen kali ini.


DAFTAR PUSTAKA

[1] D. Reay, R. McGlen, and P. Kew, Heat pipes: Theory, design and applications: Butterworth-‐Heinemann, 2013.

[2] Y. F. Maydanik, "Loop heat pipes," Applied Thermal Engineering, vol. 25, pp. 635-‐657, 2005. [3] B. Ariantara, N. Putra, and R. A. Pamungkas, "Performance of Flat Plate Loop Heat Pipe for

Thermal Management of Lithium-‐Ion Battery in Electric Vehicle Application," World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering, vol. 9, pp. 1576-‐1580, 2015.

[4] J. M. Cimbala, J. S. Brenizer, A. P.-‐Y. Chuang, S. Hanna, C. T. Conroy, A. El-‐Ganayni, et al., "Study of a loop heat pipe using neutron radiography," Applied Radiation and Isotopes, vol. 61, pp. 701-‐705, 2004.

[5] B. Huang, H. Huang, and T. Liang, "System dynamics model and startup behavior of loop heat pipe," Applied Thermal Engineering, vol. 29, pp. 2999-‐3005, 2009.

[6] S. Lips, F. Lefèvre, and J. Bonjour, "Nucleate boiling in a flat grooved heat pipe," International Journal of Thermal Sciences, vol. 48, pp. 1273-‐1278, 2009.

[7] N. Putra, R. S. Ramadhan, and W. N. Septiadi, "Visualization of the boiling phenomenon inside a heat pipe using neutron radiography," Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 66, pp. 13-‐27, 2015.

[8] W. N. Septiadi and N. Putra, "Boiling Phenomenon of Tabulate Biomaterial Wick Heat Pipe," in Applied Mechanics and Materials, 2015, pp. 289-‐293.

[9] L. Zhang, E. Hihara, T. Saito, and J.-‐T. Oh, "Boiling heat transfer of a ternary refrigerant mixture inside a horizontal smooth tube," International journal of heat and mass transfer, vol. 40, pp. 2009-‐2017, 1997.

[10] K. S. Udell, "Heat transfer in porous media considering phase change and capillarity—the heat pipe effect," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 28, pp. 485-‐495, 1985.

[11] B. Xiao and A. Faghri, "A three-‐dimensional thermal-‐fluid analysis of flat heat pipes," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 51, pp. 3113-‐3126, 2008.

[12] D. Wang, Z. Liu, J. Shen, C. Jiang, B. Chen, J. Yang, et al., "Experimental study of the loop heat pipe with a flat disk-‐shaped evaporator," Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 57, pp. 157-‐164, 2014.

[13] G. Hwang, M. Kaviany, W. Anderson, and J. Zuo, "Modulated wick heat pipe," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 50, pp. 1420-‐1434, 2007.

[14] C. Jiang, W. Liu, H. Wang, D. Wang, J. Yang, J. Li, et al., "Experimental investigation of pump-‐assisted capillary phase change loop," Applied Thermal Engineering, vol. 71, pp. 581-‐588, 2014.

[15] A. Kaled, S. Dutour, V. Platel, and J. Lluc, "Experimental study of a Capillary Pumped Loop for cooling power electronics: Response to high amplitude heat load steps," Applied Thermal Engineering, vol. 89, pp. 169-‐179, 2015.

[16] F. Meunier, "Solid sorption heat powered cycles for cooling and heat pumping applications," Applied Thermal Engineering, vol. 18, pp. 715-‐729, 1998.

[17] N. Putra, W.N. Septiadi, 2014, “Teknologi Pipa Kalor”. Depok: Universitas Indonesia, Teknik Mesin.

[18] N. Putra, I.I. Hakim, I. Setyawan, M. Zayd., “Performance of Hybrid Loop Heat Pipe Using a Diaphragm Pump”., APCEAS-484., Osaka-Japan.


analisapengaruh variasi laju aliran pendingin dan

Documents