Studi Eksperimental Pengaruh Bilangan Weber Terhadap Dinamika Tumbukan Single Droplet Pada Permukaan Aluminum Temperatur Tinggi

Proceeding National Symposium on Thermofluids VIII 2016 Yogyakarta, 10 November 2016

Studi Eksperimental Pengaruh Bilangan Weber Terhadap Dinamika Tumbukan Single Droplet Pada Permukaan Aluminum Temperatur Tinggi (Experimental Study on the Effects of Weber Number on the Dynamic Behavior of Single Droplet Impacting into Hot Aluminum Surface) Wilson Susanto 1, Windy Hermawan Mitrakusuma 2, Suhanan 3, Deendarlianto 3 , Akmal Irfan Majid3, Samsul Kamal3 1

Pusat Studi Energi, Universitas Gadjah Mada, Sekip Blok K1.A, Bulaksumur, Yogyakarta-Indonesia 2 Mahasiswa S3 Teknik Mesin, Departemen Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada, Jalan Grafika 2 Yogyakarta 55281, Indonesia. 3 Departemen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Jalan Grafika 2 Yogyakarta 55281, Indonesia. ABSTRACT

The effects of Weber number on the dynamic behaviour of single droplet impacting into hot aluminum surface have been studied in the present work. This study was aimed to investigate the effects of temperature and Weber number on the spreading factors and recoil of the drops. In the present study, a single droplet with diameter of 2.8 mm was injected from a particular nozzle into a hot aluminium surface with a specific wettability. The Weber numbers obtained in this experiment were 30.1; 52.6; and 82.7. The surface temperatures were kept at above the Leidenfrost temperatures, ranging from 1600C to 2400C with the interval of 200C. The dynamic behaviours of each single droplet were recorded by using a high speed camera with frame rate of 1200 fps. As a result, Weber number contributed significantly to the droplet spreading factor. As the Weber number increased, the spreading factor also increased. Moreover, the high recoil was obtained from the cases of low Weber number. The increase of surface temperatures, the increase of recoil timing. Keywords: droplet, spray cooling, Temperatur Leidenfrost , recoil, spreading, spreading factor. 1. Pendahuluan Material dengan karakteristik khusus diperlukan dalam industri. Aluminum terkenal sebagai material yang kuat namun ringan sehingga banyak diperlukan dalam perindustrian. Untuk mendapatkan logam dengan sifat tertentu diperlukan heat treatment yang berbeda-beda. Logam yang didinginkan akan membentuk beberapa jenis struktur mikro bergantung pada bagaimana cara mendinginkannya. Salah satu proses pendinginan yaitu spray cooling. Spray cooling digunakan untuk mendinginkan permukaan panas pada proses reaksi inti nuklir, pembentukan material quenching, dan peralatan elektronik. Butiran air (droplet) dalam ukuran kecil ditembakkan langsung dan menumbuk permukaan panas sehingga mengalami pertukaran kalor. Dinamika tumbukan droplet dengan permukaan panas Aluminum telah diteliti

Departemen Teknik Mesin dan Industri FT UGM

juga sebelumnya [1]. Untuk mengukur diameter droplet yang akan diuji menggunakan rumus diameter actual [2]:

Dengan : Dt = diameter aktual Dh = diameter horizontal Dv = diameter vertical Penelitian mengenai Leidenfrost sudah pernah dilakukan oleh Bernardin [3] dan pengaruh bilangan Weber terhadap dinamika tumbukan droplet pada permukaan Aluminum yang dipanaskan telah dilakukan oleh Bernadin dkk [3]. Droplet memiliki diameter awal 3 mm. Kecepatan tumbukan 0,7; 1,21; 2,34 m/s sehingga diperoleh bilangan Weber 20, 60, dan

ISBN : 978-602-73461-4-7 173


220. Diperoleh hasil bilangan Weber memiliki pengaruh yang besar terhadap karakteristik spreading dan keutuhan droplet. Kenaikan bilangan Weber akan menurunkan spreading time dan meningkatkan instabilitas liquid untuk mengalami perpecahan pada saat recoil [4]. Fenomena-fenomena inilah yang menjadi latar belakang penelitian ini.

2. Metodologi Penelitian 2.1. Metode Pengumpulan Data Spesimen yang diamati adalah permukaan Aluminum datar yang dinaikkan temperaturnya, seperi telah dilakukan sebelumnya [5]. Untuk menaikkan temperatur permukaan Aluminum menggunakan heater elektrik dengan Adruino sebagai penangkap sinyal dari thermocouple. Untuk mengukur temperatur pada permukaan spesimen digunakan 3 buah thermocouple sebagai pengukur temperatur permukaan dengan rangkaian yang ditunjukan oleh Gambar 1. Rangkaian alat untuk pengambilan data ditunjukan pada Gambar 2. Parameter-parameter yang dilakukan pada eksperimen adalah: 1. Temperatur penelitian yang akan diteliti adalah temperatur diatas Leidenfrost yaitu 1600C, 1800C, 2000C, 2200C, dan 2400C. Sehingga diharapkan munculnya lapisan uap air yang membatasi antara permukaan dan droplet [6]. 2. Ketinggian droplet dengan permukaan spesimen permukaan dibuat bervariasi dengan nilai 40, 70, dan 110 mm. 3. Kekasaran benda uji diasumsikan tidak mengalami perubahan sejak dilakukan pengecekan pertama kali. Setelah segala persiapan telah siap maka fenomena droplet nantinya direkam menggunakan kamera 1200 fps, seperti halnya pada penelitian yang pernah dilakukan [7].

Gambar 1. Skema Alat Uji Keterangan: 1. Water tank 2. Control valve 3. Reflektor 4. Lampu LED (light emiting diode) 5. Droplet injector 6. Droplet counter 7. Thermocouple 8. Heater atau pemanas spesimen 9. Sumber listrik AC 10. Kamera 11. Elektronis berbasis Arduino 12. Komputer 13. Solenoid Valve 14. Spesimen

2.2. Metode Image Processing Metode untuk menganalisis data dengan metode visualisasi dan menggunakan aplikasi MATLAB. Dengan mengubah nilai threshold pada MATLAB maka dapat memunculkan countur image sehingga fenomena pada droplet mudah untuk diamati. Data-data hasil image contour akan ditunjukan dalam bentuk angka dan akan disajikan dalam bentuk grafik.

3. Hasil dan Pembahasan Pada penelitian ini nilai diameter horizontal dan vertikal didapatkan dengan aplikasi MATLAB yang dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 1. Letak posisi thermocouple

Gambar 3. Perhitungan diameter droplet dengan metode visualisasi


ISBN : 978-602-73461-4-7 174

Proceeding National Symposium on Thermofluids VIII 2016 Yogyakarta, 10 November 2016 Dari analisis yang dilakukan pada Gambar 3 di atas didapat bahwa diameter droplet yang diamati adalah 2,8 mm. Dengan mengatur ketinggian jatuh droplet maka dapat dihitung nilai bilangan Weber [9] pada masing-masing ketinggian dengan rumus: (1)

Tabel 2. Visualisasi Droplet pada permukaan Aluminum berbilangan Weber 52,6 dengan variasi temperatur.

Dengan: We = bilangan Weber ρl = massa jenis cairan (kg/m3) Vl = kecepatan cairan saat mengenai permukaan (m/s) Dl = diameter awal cairan (m) σl = tegangan permukaan cairan (N/m) Tabel 1. Visualisasi Droplet pada permukaan Aluminum berbilangan Weber 30,1 dengan variasi temperatur.

Hasil visualisasi pada Tabel 2 menunjukkan tumbukan droplet terhadap permukaan aluminum pada bilangan weber 52,6. Terlihat fenomena spreading semakin cepat pada temperatur yang lebih tinggi. Pada temperatur 2400C muncul fenomena splash. Adapun hasil dari perhitungan bilangan Weber yang didapat melalui Persamaan (1), dapat dilihat pada Tabel 3. Terlihat bahwa semakin tinggi posisi nozzle dari permukaan panas, maka akan mengakibatkan lebih tingginya nilai bilangan Weber. Tabel 1. Hasil Perhitungan Bilangan Weber Ketinggian Jatuh (h) mm

Hasil dari studi visualisasi mengenai perilaku single droplet sebagai fungsi waktu dapat terlihat dalam Tabel 1 untuk Weber number 30,1. Terlihat bahwa droplet akan lebih cepat spreading pada temperatur yang semakin tinggi.


40

Bilangan Weber 30,1

70

52,6

110

82,7

ISBN : 978-602-73461-4-7 175


Tabel 4. Visualisasi Droplet pada permukaan Aluminum berbilangan Weber 82,7 dengan variasi temperatur.

Gambar 4. Hubungan pengaruh bilangan Weber terhadap Spreading factor pada permukaan Aluminum 1600C

Tabel 4 menunjukkan hasil visualisasi tumbukan droplet terhadap permukaan aluminum pada bilangan weber 83,7 dengan variasi temperatur. Terlihat bahwa fenomena spreading semakin cepat pada temperatur yang lebih tinggi. Terdapat munculnya fenomena splash pada temperatur 2000C dan 2200C. Dengan software pengolah gambar yang digunakan yaitu MATLAB, maka data dapat disajikan dalam bentuk kuantitatif. Gambar 4-8 merupakan grafik yang menggambarkan hubungan bilangan Weber dan Spreading Factor pada Aluminum. Sedangkan Gambar 9-13 menunjukkan hubungan ketinggian recoil dengan bilangan Weber pada Aluminum.




ISBN : 978-602-73461-4-7 176



Gambar 10. Hubungan pengaruh bilangan Weber terhadap ketinggian Recoil pada permukaan Aluminum 1800C





Dari hasil analisis image processing yang dilakukan terlihat bahwa pada Gambar 4-9, bilangan Weber sangat berperan dalam fenomena spreading. Terlihat semakin besar nilai bilangan Weber maka spreading factor cenderung lebih besar. Sementara, pada Gambar 10-13 terlihat bahwa bilangan Weber juga memberi pengaruh signifikan terhadap fenomena recoil. Pada bilangan Weber 53,6 terlihat bahwa Recoil cenderung memiliki ketinggian tertinggi dibandingkan jenis data lainnya.



ISBN : 978-602-73461-4-7 177


4. Kesimpulan Dari penelitian ini, penulis dapat mengambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Semakin tinggi nilai bilangan Weber pada Aluminum maka dinamika spreading akan semakin besar, sehingga menghasilkan nilai spreading factor yang lebih besar. 2. 3. 4.

Semakin tinggi temperatur maka proses spreading dan recoil droplet pada Aluminum akan berlangsung semakin cepat. Semakin tinggi nilai bilangan Weber maka akan meningkatkan instabilitas liquid untuk mengalami perpecahan (splash). Ketinggian recoil seringnya dicapai oleh droplet dengan bilangan Weber 53,6 karena pada bilangan Weber 82,7 sering mengalami splash.

Daftar Pustaka [1] Chaves, Humberto, Artur M. K., and Frank O. 1999. “Dynamic Processes Occurring during the Spreading of Thin Liquid Films Produced by Drop Impact on Hot Walls.” International Journal of Heat and Fluid Flow 20(5): 470–76. [2] Šikalo, Š, and E. N. Ganić. 2006. “Phenomena of Droplet-Surface Interactions.” Experimental Thermal and Fluid Science 31(2): 97–110 [3]. Bernardin, John D., and Issam Mudawar. 2004. “A Leidenfrost Point Model for Impinging Droplets and Sprays.” Journal of Heat Transfer 126(2): 272. [4] Kandlikar “Contact Angle of Droplets During Spread and Recoil After Impinging on a Heated Surface” Proceedings of NHTC’01 35th National Heat Transfer Conference NHTC01-11672 [5] Gottfried, B.S., C.J. Lee, and K.J. Bell. 1966. “The Leidenfrost Phenomenon: Film Boiling of Liquid Droplets on a Flat Plate.” International Journal of Heat and Mass Transfer 9(11): 1167– 88. [6] Takehiro Ito, Yasuyuki Takata, Mousa M. M. Mousa “Studies on the Water Cooling of Hot Surfaces” JSME International Journal, Series II, Vol 35, No. 4, 1992. [7] Deendarlianto, Yasuyuki Takata “Effect of static contact angle on the droplet dynamics during the evaporation of a water droplet on the hot walls”, International Journal of Heat and Mass Transfer 71 (2014) 691–705. [8] Wilson Susanto, Windy Hermawan Mitrakusuma “Studi Eksperimental Pengaruh Bilangan Weber Terhadap Dinamika Tumbukan Single Droplet Pada Permukaan Aluminium dan Tembaga Temperatur Tinggi” Prosiding Seminar Nasional ReTII ISSN: 1907-5995 [9] Kandlikar, Satish G, Mark E Steinke, and Ashish Singh. 2001. “Effects of Weber Number and Surface Temperature on the Boiling and.” 35th National Heat Transfer Conference: 1–10.


ISBN : 978-602-73461-4-7 178

Studi Eksperimental Pengaruh Bilangan Weber Terhadap Dinamika Tumbukan Single Droplet Pada Permukaan Aluminum Temperatur Tinggi

Recommend Documents