Stabilitas dan Konveksi Alami Nanofluida TiO₂–Air dalam Enclosure Berputar: Temuan Eksperimental
Abstrak
Studi ini menguji stabilitas dan kinerja perpindahan panas konveksi alami nanofluida TiO₂–air dalam enclosure persegi yang diputar pada sudut –45°, 0°, 45°, dan 90°. Stabilitas dioptimalkan dengan penambahan 6 wt% dispersan pada pH 8, yang menghasilkan transmitansi terendah dan dispersi terbaik. Eksperimen memvariasi beban nanopartikel (0,1–0,5 wt %) dan daya pemanasan (1–20 W). Orientasi 0° menghasilkan bilangan Nusselt tertinggi, diikuti oleh 45° dan 90°, sementara –45° menghasilkan yang terendah. Perpindahan panas meningkat seiring beban partikel dan daya, meskipun peningkatan relatif menurun pada daya lebih tinggi karena efek viskositas.
Latar Belakang
Nanofluida menawarkan konduktivitas termal yang unggul, menjadikannya menarik untuk aplikasi perpindahan panas, terutama konveksi alami. Banyak studi numerikal telah mengeksplorasi sistem Al₂O₃–air, CuO–air, dan TiO₂–air, namun data eksperimental tentang enclosure yang diputar masih terbatas. Penelitian ini mengisi kesenjangan tersebut dengan menyediakan bukti empiris tentang bagaimana rotasi mempengaruhi konveksi dalam nanofluida TiO₂–air.
Metode
Persiapan dan Penilaian Stabilitas
Nanopartikel TiO₂ (≈10 nm, morfologi datar) disperdi dalam air deionisasi menggunakan proses dua tahap: pengadukan mekanis (30 menit) diikuti oleh sonikasi 40 menit. Pemberian dispersan (6 wt %) dan penyesuaian pH ke 8 menghasilkan suspensi paling stabil, dikonfirmasi oleh sedimen minimal setelah 72 jam dan transmitansi minimum τ ≈ 0,2. Distribusi ukuran partikel diverifikasi oleh SEM, TEM, dan XRD, dengan ukuran kristalit 6–9 nm yang dihasilkan Scherrer.
Alat Eksperimen
Tiga enclosure persegi panjang (W × H: 10×20 cm, 5×20 cm, 20×20 cm) dibuat dari tembaga, dengan dinding kiri dipanaskan (lembar silicone) dan dinding kanan ditinju (kolam air). Enam termokopel mengukur suhu dinding, dan kehilangan panas diukur oleh debitmeter. Pengaturan memungkinkan rotasi enclosure relatif terhadap gravitasi untuk menilai empat sudut: –45°, 0°, 45°, 90°.
Pengolahan Data
Persamaan kunci:
- Masukan panas: Q = VI
- Daya bersih: Q_net = Q – Q_loss
- Suhu rata-rata sisi panas: T_h* = (T₁+…+T₆)/6
- Suhu efektif sisi panas: T_h = T_h* – Q_net·δ/(A·λ_w)
- Koefisien konveksi: h = Q_net/[A(T_h–T_C)]
- Bilang Nusselt: Nu = h·W/λ_f
Analisis ketidakpastian menghasilkan 5,65 % untuk h dan 6,34 % untuk Nu, mengonfirmasi keandalan eksperimen.
Hasil dan Pembahasan
Validasi
Bilang Nusselt yang diukur untuk air murni cocok dengan literatur dengan kesalahan <9 % pada ras aspek A = 1:2, 1:4, 1:1, mengonfirmasi akurasi sistem.
Ras Aspek A = 1:2
Nu meningkat seiring sudut rotasi hingga 0°, kemudian menurun pada 45° dan 90°. Kasus –45° menunjukkan Nu terendah karena aliran terapung yang terbatas. Beban partikel dari 0,1 ke 0,5 wt % meningkatkan Nu hingga 29 % pada 1 W, tetapi keuntungan relatif menurun pada 20 W karena viskositas yang meningkat. Peningkatan daya pemanasan dari 1 ke 20 W memperbesar Nu hingga 581 % (0,5 wt %, 0°).
Ras Aspek A = 1:4
Tren serupa dengan A = 1:2, tetapi nilai Nu absolut lebih rendah. Rasio peningkatan untuk 0,5 wt % pada 0° bervariasi dari 6,5 % (1 W) hingga 20,7 % (5 W). Keuntungan perpindahan panas dari 1 ke 20 W mencapai 242–702 %.
Perbandingan Ras Aspek
Nu naik seiring peningkatan ras aspek: A = 1:1 > A = 1:2 > A = 1:4. Nanofluida 0,5 wt % mencapai Nu hingga 701 % lebih tinggi dari air dalam konfigurasi terbaik (A = 1:1, 0°, 20 W). Peningkatan dari 0,1 ke 0,3 wt % lebih signifikan daripada dari 0,3 ke 0,5 wt %, mencerminkan keseimbangan antara konduktivitas dan viskositas.
Kesimpulan
- Stabilitas memaksimumkan dengan 6 wt % dispersan pada pH 8.
- Sudut rotasi 0° memberikan Nu tertinggi; –45° yang terendah.
- Ras aspek yang lebih tinggi secara signifikan meningkatkan perpindahan panas (peningkatan hingga 224 %).
- Nu meningkat seiring beban partikel, tetapi manfaat relatif menurun pada daya tinggi.
- Nu secara keseluruhan dapat ditingkatkan hingga 701 % relatif terhadap air murni.
