Cara kerja pipa kalor ialah ketika cairan dalam pipa menguap, maka cairan menyerap kalor laten penguapan [20]. Perbedaan tekanan antara evaporator dan kondenser menyebabkan uap mengalir melewati daerah adiabatik menuju kondenser yang mempunyai suhu lebih rendah. Di sini uap mengalami pelepasan kalor laten penguapan, dan mengkondensi membentuk fase cair. Kemudian sumbu mengembalikan cairan tersebut menuju evaporator menggunakan prinsip kapilaritas hingga siklus terbentuk terus menerus dengan sendirinya. Pipa kalor terdiri atas tiga bagian utama seperti pada Gambar. 9.2. Evaporator (peng-uap; vapor=uap) yang berada pada salah satu ujungnya menyerap kalor dan menguapkan cairan; kemudian kondenser (peng- embun) yang terletak pada ujung lainnya mengembunkan uap dan melepaskan kalor;
dan terakhir bagian adiabatik yang terletak di antara keduanya. Adiabatik adalah keadaan yang tidak ada (atau sangat kecil, dapat diabaikan) perpindahan kalor ke atau dari lingkungan sekitarnya.
Gambar 9.2 Skema cara kerja pipa kalor
174 9.2.1 Pengaruh Tegangan Permukaan
Semua fluida pada dasarnya mempunyai tegangan permukaan. Tegangan permukaan merupakan gaya yang diakibatkan oleh suatu benda yang bekerja pada permukaan zat cair sepanjang permukaan yang menyentuh benda tersebut. Gaya yang berkerja ditentukan oleh gaya kohesi dan adhesi. Kohesi adalah kecenderungan molekul cairan untuk tetap bersatu, sementara adhesi adalah kecenderungan molekul zat cair untuk mengikat diri dengan molekul padat.
Cairan dikatakan mampu membasahi permukaan padatan ketika gaya adhesif lebih besar daripada gaya kohesif atau disebut juga sebagai gejala cairan pembasah (wetting liquid). Seperti pada Gambar 9.3, sudut kontak fluida kurang dari 90o terhadap permukaan sentuh. Ketika gaya kohesif lebih dominan daripada gaya adhesif, cairan disebut fluida cairan non-pembasah (non-wetting liquid), dengan sudut kontak lebih besar dari 90o.
Øls
Øls
Wetting Liquid Øls > 90o
Non-Wetting Liquid Øls < 90o
Gambar 9.3 Daya pembasahan (wettability cairan)[22]
Dari Gambar 9.3 besarnya tegangan permukaan dapat diukur dengan radius kelengkungan. Nisbah antara energi pada tekanan permukaan dan radius kelengkungan sebanding dengan beda tekanan, ΔP, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 9.4.
P
2σ
σ σ P
1R
Gambar 9.4 Beda tekanan sepanjang permukaan fluida
175
Ketika dalam keadaan setimbang (tidak ada lagi pergerakan) tekanan permukaan sekeliling kelengkungan fluida dirumuskan sebagai yang harus sama dengan gaya total yang diterima permukaan sentuh atau disebut sebagai beda tekanan pada permukaan sentuh, dengan atau .
(9.1) Analisis lain mengenai tegangan permukaan adalah hubungannya dengan suhu. Tegangan permukaan berkurang ketika suhunya bertambah [23]. Percobaan Jasper mengenai hubungan antara tekanan permukaan dan suhu mentabulasikan lebih dari 200 jenis zat cair dan menghasilkan rumus:
(9.2)
dengan adalah suhu pereduksi, dan nilainya , , B=235,8 m/Nm, b = 0,625, .
Pada perancangan pipa kalor, tingginya nilai tegangan permukaan dibutuhkan untuk melawan gaya gravitasi pada orientasi pipa kalor di mana aliran fase cairnya berada saat berlawanan arah dengan gaya gravitasi; selain itu tegangan permukaan mampu meningkatkan daya kapilaritas. Selain tegangan permukaan tinggi, diperlukan daya pembasahan fluida terhadap sumbu. Artinya sudut kontak harus nol, atau setidaknya sangat kecil. Meskipun dengan penambahan zat aditif yang dapat meningkatkan kinerja pipa kalor, misalnya dengan penambahan sejumlah kecil alkohol rantai panjang pada fluida kerja pipa kalor [24], praktik semacam ini tidak dianjurkan umumnya karena zat aditif akan cenderung tertinggal ketika fluida berubah fase.
9.2.2 Pengaruh Kapilaritas
Kapilaritas adalah kemampuan menahan perbedaan tekanan antarcairan dengan gas atau uap dalam sebuah struktur berongga [25]. Kapilaritas berperan dalam perpindahan kalor pada pipa kalor dengan membuat sebuah mekanisme otomatis mensirkulasikan fluida yang ada di dalam pipa kalor. Besarnya perbedaan tekanan di evaporator dengan kondenser yang dapat dipertahankan menyebabkan tekanan kapilaritas dapat berlangsung berkesinambungan. Pada pipa kalor, ketika daya kapilaritas bertanggung jawab terhadap sirkulasi fluida, maka pemilihan fluida kerja berdasarkan sifat pembasahan dan non-pembasahan perlu dipertimbangkan.
176
Meskipun pada teorinya fluida non-pembasahan dapat digunakan pada semua jenis pipa kalor, pipa kalor dengan fluida kerja dengan non-pembasahan mempunyai kapilaritas lebih baik.
Kapilaritas mengakibatkan bertambahnya ketinggian fluida pada cairan pembasah ketika pipa kaca yang dicelupkan ke dalam cairan seperti yang diilustrasikan pada Gambar 9.5, dan penurunan ketinggian dapat dilihat jika pipa dimasukan ke dalam cairan non-pembasah. Dengan demikian, gejala kapilaritas pipa tersebut dapat dianalogikan sebagai media berpori (porous media) pada struktur sumbu pipa kalor.
Wetting Liquid
r
h
h r
Non-Wetting Liquid
Gambar 9.5 Kapilaritas pada pipa dengan cairan pembasah dan cairan non- pembasah
Tekanan pada permukaan cairan yang berada di luar pipa sama dengan tekanan yang berada di dalam pipa meskipun ketinggiannya berbeda. Tekanan tersebut dapat disamakan sebagai tekanan atmosfer Pa. Cairan yang berada pada puncak pipa mempunyai tekanan Pl yang lebih tinggi daripada cairan yang berada pada dasar pipa, berdasarkan tekanan hidrostatik, sehingga
(9.3)
Tekanan hidrostatis di dalam pipa sebanding dengan komponen tegangan permukaan fluida pada jarak radius pipa r dengan sudut kontaknya , sehingga
(9.4)
Persamaan 9.4 merupakan tekanan kapilaritas maksimum pada pipa. Jika dihubungkan dengan tegangan permukaan fluida pada ketinggian pipa, h dirumuskan sebagai
177
(9.5)
Bahasan di atas menunjukkan bahwa penurunan tekanan hidrostatis dapat digantikan dengan kenaikan takanan kapilaritas. Tekanan kapilaritas juga dapat digunakan untuk menggantikan penurunan tekanan akibat tekanan dinamik ketika cairan melewati sumbu. Contohnya ketika sumbu berpori horizontal dicelupkan ke dalam fluida cair dan ujung yang lain dipanaskan, maka cairan akan mengalir menuju bagian yang dipanaskan.
Tabel 9.1 menunjukkan daya kapilaritas yang sangat nyata terjadi pada pipa pembuluh yang dicelupkan pada air yang dibandingkan dengan merkuri.
Tabel 9.1 Perbedaan kapilaritas fluida
Fluida Jari-jari pipa (m) Tekanan kapilaritas (N/m2)
Ketinggian pipa (m)
Air 0,00508
0,0000508
28,7 2870
0,0293 0,293
Merkuri 0,00508
0,0000508
-168 -16,8
-0,0126 -0,126
Prosedur untuk merancang pipa kalor diuraikan pada Gambar. 9.6. Seperti halnya proses desain, banyak keputusan yang harus dilakukan dan saling terkait.
Sebagai contoh, pemilihan sumbu dan fluida kerja agar kapilaritas dapat bekerja.
Jika desain kemudian membuktikan ketidakmampuan fluida untuk menghantarkan kalor maka perlu dpertimbangkan kembali pilihan material-material penyusun pipa kalor.
178
Parameter perancangan heatpipe : - Geometri
- Temperatur Operasi - Heat flux
- Orientasi
Memilih material komponen : - Kecocokan dengan fluida - Kecocokan dengan lingkungan
Memilih fluida kerja : - Berdasarkan Merit Number
- Temperatur kerja Maksimum dan minimum
Memilih tipe wick, ukuran dan meterial - Mampu memenuhi kapilaritas head yang dibutuhkan
- Material yang cocok untuk jenis fluida dan casing
Menghitung batasan operasi - Batas kerja wick
- Batas Enrtraintment - Batas Pendidihan - Batas Sonic - Batas Viscous
QMAX > Q?
Mengevaluasi hambatan panas : Th-Tf = f(Q)
Kinerja Mencukupi ?
Selesai
Gambar 9.6 Prosedur perancangan pipa kalor
Sejumlah besar metode untuk mengukur tegangan permukaan dan kapilaritas cairan dijelaskan dalam buku ajar umumnya [27,28]. Pengukuran tegangan permukaan dan kapilaritas yang akan dilakukan ialah pada kombinasi
179
ukuran permukaan gaya pipa kapiler, Pengukuran yang paling sederhana adalah kenaikan h dalam pipa/pipa kapiler pada Gambar 9.5, yaitu
(9.6)
Dalam desain pipa kalor, perlu juga diketahui jari-jari efektif pori r, karena jari-jari efektif adalah salah satu parameter yang digunakan untuk menggambarkan kenaikan tekanan sebagai penggerak cairan [29,30]. Memang tidak mudah memperkirakan jari-jari efektif seperti pada wick sintered powder karena besarnya jari-jari tidak seragam.