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

(1)

Proceeding

National Symposium on Thermofluids VIII 2016 Yogyakarta, 10 November 2016

Departemen Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN : 978-602-73461-4-7

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 Majid

3

, Samsul Kamal

3

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 160

0

C to 240

0

C with the interval of 20

0

C. 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

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

(2)

Proceeding

Departemen Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN : 978-602-73461-4-7

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. Letak posisi thermocouple

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 3. Perhitungan diameter droplet dengan metode visualisasi

(3)

Proceeding

Departemen Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN : 978-602-73461-4-7

Ketinggian Jatuh (h) mm Bilangan Weber

40 30,1

70 52,6

110 82,7

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:

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

temperatur.

(1)

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)

temperatur.

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.

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.

(4)

Proceeding

Departemen Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN : 978-602-73461-4-7

temperatur.

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.

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

1600C

1800_C

(5)

Proceeding

Departemen Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN : 978-602-73461-4-7

2200C

2400C

Gambar 9. Hubungan pengaruh bilangan Weber terhadap ketinggian Recoil pada permukaan

Aluminum 1600C

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.

Aluminum 1800C

Aluminum 2000C

Aluminum 2200C

(6)

Proceeding

Departemen Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN : 978-602-73461-4-7

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. Semakin tinggi temperatur maka proses

spreading dan recoil droplet pada Aluminum

akan berlangsung semakin cepat.

3. Semakin tinggi nilai bilangan Weber maka akan meningkatkan instabilitas liquid untuk mengalami perpecahan (splash).

4. 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