Gabriela Huminic, Angel Huminic Energy Conversion and Management Numerical study on heat transfer characteristics of thermosyphon heat pipes using nanofluids Gabriela Huminic, Angel Huminic

INVESTIGASI NUMERIK PERFORMA PANAS TERMOSIFON 3D DI BAWAH KONDISI 2 FASE ALIRAN DENGAN AIR DAN NANOPARTIKEL Ɣ-Fe2O3 (DENGAN KONSENTRASI 2% - 5.3%)

Pendahuluan Beberapa studi eksperimen performa thermosyphon menggunakan nanofluida diantaranya: Naphon et al: menggunakan Titanium-Ethanol dan titanium-air. Hasilnya efisiensi kerja thermosyphon dengan nanofluida meningkat 40% dibandingkan dengan refrigant R11 Yang & Liu: tekanan operasi stabil. Fluida kerja menggunakan air. Nanofluida stabil menggunakan nanopartikel silica. Thermosyphon berbentuk bujur sangkar (dari tembaga) ukuran 350 x 100 x 8 mm, vertikal. Studi dilakukan dengan koentrasi nanopartikel beragam (0.5, 1.0, & 2.0 wt.%) & dengan operasi suhu beragam (40, 55, dan 70OC). Hasil: koefisien transfer panas evaporasi dari nanofluida meningkat maksimal 17% pada operasi suhu 40OC

Pendahuluan Beberapa studi eksperimen performa thermosyphon menggunakan nanofluida diantaranya: Naphon et al: Fluida kerja menggunakan air, silver-air dengan konsentrasi 0.5 w/v%, dan NF campuran (silver-Oleic Acid). Thermosyphon terdiri dari bagian evaporasi, adiabatik, dan kondensasi. Ukuran 250 mm x 250 mm x 250 mm. Suhu operasi beragam (60, 70, & 80OC), laju aliran volumetrik beragam (1, 2 & 5 l/min), filling ratio beragam (30%, 50%, dan 80%), dan koensentrasi Oleic Acid pada NF campuran beragam (0, 0.5, 1.0, dan 1.5 w/v%). Hasil: Efisiensi termosifon dapat ditingkatkan 30% pada laju aliran 1 l/min, filling ratio 50%, dan suhu operasi 80OC

Pendahuluan Beberapa studi eksperimen performa thermosyphon menggunakan nanofluida diantaranya: Firouzfar et al: fluida kerja menggunakan methanol dan silver-methanol. Laju aliran 0.15 m/s, kelembaban relatif nominal 60%, filling ratio 50% dari volume evaporator. Hasil: hemat energi sekitar 8.8 – 31.5% untuk pendinginan, dan 81 -100% untuk pemanasan kembali. Leong et al: Fluida kerja menggunakan Al2O3-air, TiO2-air. Panjang dan diameter luar termosifon 1300 mm & 15 mm. Hasil: secara keseluruhan koefisien transfer panas termosifon dengan TiO2 sedikit lebih besar dari Al2O3-air, koefisien transfer panas dapat ditingkatkan 23% (untuk 4 vol.% TiO2 & 7 vol.% Al2O3) ketika laju udara panas meningkat dari 2.5 m/s hingga 4.75 m/s

Pendahuluan Beberapa studi eksperimen performa thermosyphon menggunakan nanofluida diantaranya: Lu et al: Fluida kerja menggunakan CuO-DIW dan CuO-air. Pipa evaporator terbuat dari tembaga dengan panjang 1750 mm dan diameter dalam 36 mm. Lu menginvestigasi efek laju pengisian (filling rate), konsentrasi nanopartikel, dan suhu operasi. Hasil: penambahan nanopartikel ke base fluid secara signifikan meningkatkan performa panas termosifon pada konsentrasi 1.2 wt.%, dan filling ratio 60% untuk peningkatan transfer panas maksimum. Shanbedi et al: menggunakan MWCNT-EDA-DI-air pada two-phase closed thermosyphon. Daya input 30 – 150 W, konsentrasi 0.2 – 1.5 %. Hasil: untuk EDA-MWCNT/DI-air dengan konsentrasi 1 wt.% dan daya input 90 W, efisiensi panas dapat ditingkatkan 93%

Pendahuluan Beberapa studi eksperimen performa thermosyphon menggunakan nanofluida diantaranya: Huminic: fluida kerja besi oksida-air dengan konsentrasi nanopartikel beragam (0%, 2%, dan 5.3%). Diameter dan panjang termosifon 15 mm dan 2000 mm. Investigasi efek sudut inklinasi, suhu operasi dan konsentrasi nanopartikel. Hasil: suhu operasi dan sudut inklinasi berpengaruh pada laju transfer panas TPCT, dan laju transfer pana sountuk semua konsentrasi lebih tinggi dari air murni.

Pendahuluan Beberapa studi eksperimen performa thermosyphon menggunakan nanofluida diantaranya: Yang & Liu: Menggunakan fluida kerja CuO-air. Investigasi tekanan operasi, konsentrasi massa nanopartikel, morfologi permukaan yang dipanasi. Hasil: Penambahan nanopartikel CuO meningkatkan laju aliran panas, rasio peningkatan CHF meningkat dengan meningkatnya tekanan dan konsentrasi nanopartikel ketika konsentrasi kurang dari 1.0 wt.%, konsentrasi nanopartikel dan waktu pendidihan mempengaruhi formologi permukaan setelah pendidihan.

Pendahuluan Beberapa studi teoretik performa thermosyphon menggunakan nanofluida diantaranya: Shafahi et al: Fluida kerja: air, Al2O3-air, CuO-air, TiO2-air. Menggunakan model 2D untuk mensimulasikan performa panas cylindrical heat pipe dan flat-shaped heat pipe. Konsentrasi nanopartikel beragam (1 % - 4% dari volume base fluid). Hasil numerik: konsentrasi nanopartikel meningkat menurunkan perbedaan suhu antara evaporator dan condenser dan resistansi panas. Asmaie et al: Fluida kerja: DIW, CuO-air. Studi CFD untuk performa panas nanolfuida dalam thermosyphon heat pipe. Investigasi efek fluida kerja, dan inlet flux panas pada performa termosifon. Hasil numeri: flux panas nanofluida 46% lebih tinggi dari air, dan konsentrasi meningkat suhu dinding menurun

Alat MENJAGA SUHU KONSTAN SKEMATIK SISTEM UNTUK MENGUKUR PERFORMA TPCT

Prosedur Kondisi: Suhu pemanasan air dijaga konstan Suhu operasi divariasikan antara 60OC dan 90OC Suhu pendinginan dijaga konstan pada20OC Level konsentrasi nanopartikel 0%, 2%, dan 5.3% 2 resisteansi panas pada evaporator, 1 pada bagian adiabatik, dan 2 pada kondenser Termosifon diisolasi dengan Polystyrene dengan tebal 10 mm Suhu inlet dan outlet dari evaporator dan kondenser, dan laju aliran pendinginan air diukur

Formulasi Simulasi CFD dari ANSYS CFX-12.0 ANSYS ini mengombinasikan CAD (modeling dan input), solusi mesh komplex, algoritma, dan post-processing Sistem komputer paralel, distribusi memori (cluster) terdiri dari 12 processor core dan 96 GB memory RAM Faktor yang mempengaruhi efisiensi panas simulasi CFD: Model geometri dan integrasi dalam domain fisis Grid dan pilihan skema komputasi numerik

Formulasi Step formulasi: Koefisien transfer panas Mulai dari koefisien evaporator, kondenser, resistansi panas, dan laju transfer panas Sifat termofisis Nanofluida Menggunakan model Hamilton Crosser, melibatkan faktor sperifitas Pengaturan Persamaan Diselesaikan dalam sistem koordinat kartesian untuk kondisi stabil (steady) Efek gravitasi dimasukkan Persamaan kontinuitas, momentum (Reynold Averaged Navier-Stokes), dan energi total

Validasi Model Sebelum evaluasi karakteristik transfer panas termosifon dengan nanofluid, air murni digunakan sebagai fluida kerja untuk estimasi akurasi analisis numerik Hasil simulasi dibandingkan dengan eksperimen dan korelasi Kututaladze Koefisien transfer panas fit pada suhu operasi tinggi

Resolusi Grid ANSYS CFX menggunakan element-based finite volume method yang melibatkan diskritisasi domain spasial dengan menggunakan mesh Mesh digunakan untuk membentuk finite volume, Grid dibentuk menggunakan skema multi-block dengan elemen-elemen tetrahedal dan wedge terdekat dengan permukaan termosifon Dimensi Grid: Jumlah grid: 240,720 Jumlah elemen: 154,000

Syarat Batas Terdiri dari: Inlet: Melibatkan kecepatan aksial dan volume fraksi Outlet: Kondisi tekanan nol, P=0 Dinding: Melibatkan suhu Untuk interferensi permukaan domain dilibatkan flux interface conservative

Hasil dan Diskusi Distribusi suhu untuk air dan suspensi besi oksida: Suhu adiabatik dimonitori untuk validasi CFD Dari grafik CFD cocok dengan hasil eksperimen Distribusi suhu termosifon untuk konsentrasi nanopartikel yang berbeda

Hasil dan Diskusi Distribusi suhu untuk air dan suspensi besi oksida: Suhu adiabatik dimonitori untuk validasi CFD Dari grafik CFD cocok dengan hasil eksperimen Distribusi suhu termosifon untuk konsentrasi nanopartikel yang berbeda

Hasil dan Diskusi Performa transfer panas pendidihan suspensi besi oksida: Koefisien transfer panas evaporasi meningkat dengan meningkatnya konsentrasi nanopartikel Resistansi panas antara permukaan dan fluida kerja di evaporator meningkat CFD cocok dengan eksperimen Efek nanopartikel-nanopartikel besi oksida pada koefisien transfer panas evaporasi

Hasil dan Diskusi Rasio peningkatan koefisien transfer panas: Rasio meningkat dengan meningkatnya suhu operasi (suhu rendah) Rasio menurun pada suhu operasi tinggi Rasio peningkatan maksimum 2.44 untuk 2% besi oksida, dan 2.72 untuk 5.3% besi oksida Rasio peningkatan koefisien transfer panas di Evaporator

Hasil dan Diskusi Rasio peningkatan koefisien transfer panas: Koefisien transfer panas kondensasi untuk kedua fluida kerja meningkat pada suhu rendah dan menurun pada suhu tinggi CFD cocok dengan eksperimen Efek nanopartikel besi oksida pada koefisien transfer panas kondensasi

Hasil dan Diskusi Rasio peningkatan koefisien transfer panas: Rasio peningkatan maksimum 1.09 untuk 2% nanopartikel besi oksida dan 1.15 untuk 5.3 nanopartikel besi oksida Efek konsentrasi nanopartikel pada pada rasio peningkatan koefisien transfer panas di kondenser

Hasil dan Diskusi Perbandingan resistansi panas total termosifon dengan menggunakan nanofluida dan air. Dapat dilihat pada grafik bahwa penurunan konsentrasi nanopartikel menurunkan resistansi panas termosifon

Kesimpulan Berdasarkan hasil numerik: Penggunaan nanofluida (besi oksida+air) sebagai fluida kerja dapat meningkatkan performa panas termosifon Volume fraksi nanopartikel berefek besar pada reduksi suhu evaporator dan meningkatkan koefisien transfer panas Hasil numesik cocok dengan eksperimen Performa nanofluida di dalam termosifon dipengaruhi berbagai faktor, seperti: Tipe nanofluida Level konsentrasi nanopartikel yang ditambahkan Geometri heat pipe Kondisi kerja (suhu operasi atau flux panas)

Referensi Gabriela Huminic, Angel Huminic. Numerical study on heat transfer characteristics of thermosyphon heat pipes using nanofluids. Energy Conversion and Management 76 (2013) 393–399