HANTARAN KALOR KONDUKSI, KONVEKSI, RADIASI, DAN PENGARUH KALOR TERHADAP BENDA
Disusun untuk memenuhi tugas Mata Kuliah: Termoregulasi
Dosen Pengampu: Dr. Daru Wahyuningsih, S.Si., M.Pd.
Disusun oleh:
Leilani Devina Nastiti (K4520037)
Kelas A
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN IPA
FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA 2021
TINJAUAN TENTANG KONDUKSI PANAS, KONVEKSI PANAS, RADIASI TERMAL DAN PERUBAHAN FASA PERPINDAHAN PANAS
NANOFLUIDA DALAM MEDIA BERPORI: DASAR-DASAR DAN APLIKASI
A. LATAR BELAKANG
Peningkatan perpindahan panas adalah topik yang selalu ada untuk berbagai aplikasi termal, seperti alat pengubah panas, pendingin elektronik, reservoir panas, kolektor surya, pendingin reaktor nuklir, dan lain-lain. Sebagai jenis khusus dari bahan perpindahan panas yang ideal, logam berpori dengan konduktivitas termal padatan yang tinggi dapat sangat meningkatkan kinerja termal dari peralatan perpindahan panas. Gambar 1 (a) menunjukkan struktur sebenarnya dari busa logam dengan banyak ligamen dan pori-pori logam (Xu et al., 2015), yang dapat memberikan area perpindahan panas yang besar antara fase padat dan fase fluida ketika fluida mengalir melalui struktur berpori. Nanofluida, mengandung cairan dasar dan banyak partikel nano dari konduktivitas termal yang tinggi, juga bermanfaat untuk meningkatkan perpindahan panas konveksi kinerja sebagai fluida kerja yang sangat efisien. Gambar 1 (b) menunjukkan mikrograf dari nanofluida dengan banyak nanopartikel Fe3O4 (Yu et al., 2010).
Dengan penambahan nanopartikel, fisik sifat nanofluida berubah, yang membuat nanofluida bermanfaat dalam perpindahan panas. Banyak penelitian teoretis dan eksperimental telah dilakukan pada karakteristik aliran dan perpindahan panas nanofluida, yang sebagian besar menunjukkan bahwa nanofluida mampu meningkatkan perpindahan panas konveksi. Logam berpori dapat menjadi digunakan sebagai sirip pemanjang khusus untuk permukaan perpindahan panas, dan nanofluida dapat secara efektif mempromosikan konduktivitas termal efektif dari cairan dasar. Dengan demikian, keduanya dapat digabungkan menjadi satu untuk meningkatkan perpindahan panas. Sebagai bahan fungsional khusus, kombinasi nanofluida dan media berpori memiliki aplikasi potensial dalam peningkatan perpindahan panas (Xu et al., 2015a).
B. TUJUAN
Makalah ini bertujuan untuk memberikan tinjauan komprehensif untuk karakteristik aliran, dan perpindahan panas untuk cairan biasa dalam logam berpori, nanofluida dalam saluran tanpa logam berpori dan yang dengan logam berpori. Kinerja permanen hambatan aliran, konduksi panas, konveksi panas, radiasi termal dan proses perubahan fase untuk nanofluida dan saluran media berpori diringkas. Kasus nanofluida yang mengalir melalui logam berpori, menunjukkan potensi besar dalam perpindahan panas peningkatan, menerima banyak perhatian peneliti baru-baru ini. Dengan demikian, kemajuan penelitian terbaru untuk nanofluida dalam saluran media berpori juga telah dilaporkan dan dianalisis secara komprehensif.
C. ISI PEMBAHASAN
Busa seluler yang terbuat dari logam memiliki banyak fitur unik, seperti konduktivitas termal yang tinggi, porositas tinggi, kepadatan rendah, kekuatan mekanik yang baik, dan sebagainya. Dengan demikian, logam busa yang sangat konduktif dianggap sebagai bahan perpindahan panas yang ideal dan menerima banyak perhatian penelitian di dua dekade terakhir. Aliran dan kinerja termal dari suatu fluida melalui logam berpori
adalah penting untuk aplikasi yang sesuai dari bahan multi-fungsi ini dalam rekayasa termal.
Choi (Choi, 1995) pertama kali bernama 'nanofluid' untuk fluida komposit dengan nanopartikel dan cairan dasar. Penambahan nanopartikel ke dalam cairan dasar jelas mempengaruhi viskositas, densitas, panas spesifik, dan konduktivitas termal fluida, yang memiliki efek langsung pada aliran dan karakteristik transpor panas nanofluida. Dengan demikian, nanofluida adalah media perpindahan panas potensial untuk aplikasi termal. Pada bagian ini, konduktivitas termal, gesekan aliran, termoforesis, konveksi, dan radiasi ditinjau secara komprehensif.
1. Konduksi Panas
Konduksi panas dari massa yang tertanam dalam logam berpori sangat penting untuk memahami dasar mekanisme perpindahan panas di dalam media berpori. Konduktivitas termal efektif (juga dikenal sebagai konduktivitas termal keseluruhan) adalah parameter makro penting yang secara kuantitatif menggambarkan panas yang dilakukan oleh media berpori. Maxwell (Maxwell, 1954) memberikan model teoritis untuk memperkirakan konduktivitas termal efektif dari komposit dengan bahan yang berbeda, yaitu kasus untuk logam berpori yang sangat konduktif jenuh dengan cairan biasa atau nanofluida. konduktivitas termal efektif dari media berpori tergantung pada banyak faktor, seperti struktur media berpori, materi, porositas, dan sebagainya. Logam berpori memiliki keunikan pori-pori sel terbuka dalam ruang 3D, dan konektivitas bingkai logam memainkan peran penting pada kinerja perpindahan panas yang luar biasa dari busa logam.
Konduktivitas nanopartikel yang tinggi adalah alasan langsung untuk meningkatkan termal kinerja nanofluida. Sebuah studi eksperimental dilakukan untuk konduktivitas termal empat nanofluida oleh (Lee et al., 1999). Hasilnya menunjukkan bahwa keempat nanofluida menunjukkan panas yang lebih tinggi kemampuan transfer dari cairan dasar tanpa nanopartikel, dan konduktivitas termal
meningkat hampir linier dengan peningkatan fraksi volume nanopartikel. Mekanisme dasar dari nanofluida untuk mempromosikan konduktivitas termal yang efektif dibahas oleh (Li dan Xuan, 2002). Ditemukan bahwa gerakan mikro nanopartikel adalah faktor utama untuk meningkatkan konduktivitas termal dari nanofluida. Untuk suspensi yang mengandung cairan dasar yang sama, kenaikan suhu konduktivitas sangat tergantung pada luas permukaan spesifik; untuk suspensi yang mengandung nanopartikel dari jenis yang sama, konduktivitas termal suspensi menurun dengan peningkatan dalam konduktivitas termal fluida dasar. Eksperimen hasil menunjukkan bahwa fraksi volume, sifat partikel dan ukuran nanopartikel dalam fluida merupakan faktor penting yang mempengaruhi konduktivitas termal. Kinerja konduksi panas dari dua nanofluida (oksida tembaga/air dan alumina/air) diselidiki secara eksperimental dengan metode osilasi suhu oleh (Das et al., 2003) dan terbukti bahwa termal nanofluida konduktivitas dapat ditingkatkan dengan penurunan ukuran partikel. 2. Konveksi Panas
Dispersi termal merupakan aspek yang sangat penting untuk aliran dan perpindahan panas dalam bahan berpori. Ketika fluida mengalir melalui media berpori, fluktuasi kecepatan dan suhu dalam skala pori, pencampuran cairan, dan aliran sekunder melalui bagian yang berliku-liku di sekitar padatan fase dapat meningkatkan perpindahan panas konveksi yang sesuai.
Perpindahan panas konvektif dapat ditingkatkan secara signifikan oleh nanofluida dengan nanopartikel yang sangat konduktif.
3. Radiasi Termal
Media berpori banyak digunakan dalam aplikasi suhu tinggi, seperti ruang bakar, solar penerima dan reaksi kimia panas matahari (Bai, 2010; Kodama et al., 2003; Suter et al., 2014). Selama aplikasi ini, suhu maksimum media berpori dapat mencapai 1000 K atau lebih tinggi (Wang et al., 2014d). Karena suhu operasi yang sangat tinggi (>1000 K)
dalam aplikasi ini, perpindahan radiasi menyumbang sebagian besar dari total perpindahan panas. Pada dasarnya, aliran fluida di media berpori adalah sejenis media dispersi semi-transparan dengan selektivitas spektral (Wang et al., 2013b). Secara umum perpindahan panas radiasi oleh media berpori dalam ruang bakar, penerima surya dan solar reaktor kimia termal hampir tiga kali lipat lebih tinggi dari fase fluida dan transfer radiasi oleh gas dihilangkan dalam masalah ini (Chen et al., 2015; Wang et al., 2017c).
Nanofluida sangat potensial untuk meningkatkan kinerja aplikasi konversi foto, seperti desalinisasi air laut (Wang et al., 2016; Wang et al., 2017), fotovoltaik hibrida/kolektor termal (PV/T) (An et al., 2017; An et al., 2016), fotokatalisis (Huaxu et al., 2017), dan kolam surya (Mohd dan Ameer, 2014). Penyerapan radiasi matahari yang masuk adalah langkah awal selama aplikasi ini, yang merupakan salah satu salah satu faktor pembatas terpenting dari efisiensi konversi foto (Jing dan Song, 2017).
Rupanya, sifat optik nanofluida berbeda dari fluida dasar. Dengan bertujuan untuk mencocokkan aplikasi dan menentukan efektivitas nanofluida dalam konversi foto aplikasi, sifat optik nanofluida perlu diselidiki terlebih dahulu untuk menentukan efektivitas nanofluida (Wang et al., 2017a). Penerapan nanofluida dalam pengubah panas, heat sink, dan pipa panas akan menyebabkan masalah pengotoran. Khusus untuk aplikasi di mana perpindahan panas mendidih dan penguapan nanofluida terjadi, deposisi nanopartikel pada permukaan padat sangat jelas, misalnya sumbu dan dinding bagian dalam di ujung pipa panas yang menguap (Sarafraz et al., 2015). Untuk penukar panas dengan nanofluida, pengotoran nanopartikel dapat dihambat oleh getaran frekuensi rendah (Sarafraz dkk., 2017a).
D. KESIMPULAN
Meskipun busa logam memiliki kinerja termal yang sangat baik, kemampuan konduktif panas yang buruk dari sebagian besar cairan
perpindahan panas membatasi peningkatan perpindahan panas lebih lanjut dalam busa logam, yang kombinasi dari busa logam dan nanofluida dengan nanopartikel yang sangat konduktif adalah solusi yang menjanjikan. Pada bagian ini, karakteristik transportasi nanofluida yang mengalir melalui logam busa. Nanofluida dan media berpori menunjukkan fitur yang berbeda untuk: aplikasi rekayasa, termasuk mempromosikan konduksi panas, mengurangi gesekan drag, meningkatkan perpindahan panas mendidih, anti-pembekuan, meningkatkan laju perpindahan panas dalam proses penyimpanan termal, dan segera.
E. REFERENSI
Xu, H. J., Xing, Z. B., Wang, F. Q., & Cheng, Z. M. (2019). Review on Heat Conduction, Heat Convection, Thermal Radiation and Phase Change Heat Transfer of Nanofluids in Porous Media:
Fundamentals and Applications. Chemical Engineering
