Peningkatan Transfer Panas dan Aliran Nanofluida TiO2-Air di Tabung Beriris Spiral vs Tabung Halus
Abstrak
Studi ini secara eksperimental menyelidiki performa aliran dan transfer panas nanofluida TiO₂-air dengan berbagai fraksi massa nanopartikel dalam tabung stainless-steel beriris spiral dan halus dalam rentang Reynolds yang luas. Stabilitas dievaluasi menggunakan metode transmittansi baru dengan spektrofotometer ultraviolet, yang mengungkapkan dispersi optimal pada 6 wt% dispersan dan pH 8. Hasil menunjukkan bahwa tabung beriris spiral memberikan peningkatan transfer panas yang superior (hingga 257,9 % dibandingkan tabung halus) sambil hanya mengakibatkan kerugian gesekan yang modest. Aliran turbulen dalam tabung beriris menghasilkan rasio peningkatan termal terhadap gesekan yang terbesar. Indeks performa komprehensif, ξ, mencapai puncak pada Re ≈ 2300 untuk tabung beriris, sementara terus naik seiring Re untuk tabung halus. Temuan ini memberikan panduan yang jelas untuk memilih geometri tabung dan kondisi operasi dalam exchanger panas berbasis nanofluida.
Latar Belakang
Nanofluida—suspensi nanopartikel dalam fluida dasar—menawarkan kemampuan transfer panas yang luar biasa, memungkinkan kemajuan dalam sistem termal surya, desalinasi, dan pendingin elektronik. Meskipun banyak studi telah memeriksa tabung halus atau berkerucut, perbandingan komprehensif antara geometri tabung beriris spiral dan halus masih jarang. Karya ini mengembangkan kesenjangan tersebut dengan menggabungkan pengukuran eksperimental dengan teknik penilaian stabilitas baru dan metrik performa holistik.
Metode
Persiapan Nanofluida dan Penilaian Stabilitas
Nanopartikel TiO₂ (20–100 nm) disperdi dalam air deionis melalui metode dua tahap: getaran mekanis 30 menit diikuti ultrasonikasi 40 menit. Dispersan 6 wt% (PAA) dan pH 8 digunakan untuk semua sampel. Stabilitas dievaluasi melalui uji endapan konvensional dan metode transmittansi kuantitatif; yang terakhir menunjukkan bahwa sampel dengan 0,1, 0,3, dan 0,5 wt% TiO₂ mempertahankan stabilitas yang baik selama 72 jam.
Setup Eksperimental
Rig uji terdiri dari tabung stainless-steel panjang 1,2 m (diameter setara 0,01 m) dengan bagian pengukuran sentral 1 m. Tabung dipanaskan oleh supply daya DC; 10 termokopel T mengukur suhu dinding, sementara sondes K menangkap suhu fluida masuk dan keluar. Penurunan tekan direkam dengan transmeter tekanan diferensial. Laju alir dikontrol oleh pompa presisi.
Persamaan Kunci
- Masukan panas: Q₀ = U I
- Beban panas fluida: Q_f = c_p ṁ (T_out – T_in)
- Kalor spesifik dan densitas efektif dihitung melalui aturan campuran (persamaan 3 & 10).
- Bilangan Reynolds: Re = ρ u d_e / μ_f
- Koefisien konveksi: h_f = Q_f / (π d_e l (T_iw – T_f))
- Bilangan Nusselt: Nu = h_f d_e / λ_f
- Faktor gesekan: f = 2 d_e / (ρ u²) (Δp/Δl)
- Indeks performa komprehensif: ξ = (Nu/Nu_bf) / (f/f_bf)^{1/3}
Hasil dan Pembahasan
Validasi Sistem
Perbandingan dengan literatur untuk air mengonfirmasi bahwa bilangan Nusselt dan faktor gesekan cocok dengan data yang dipublikasikan dalam ±3,5 % di seluruh regime laminar dan turbulen, memvalidasi rig eksperimental.
Performa Tabung Halus
Peningkatan muatan TiO₂ meningkatkan bilangan Nusselt sebesar 11,2 % (0,5 wt%) hingga 16,1 % (0,5 wt%) dalam aliran turbulen. Faktor gesekan naik modest (≤ 8 % dalam laminar, ≤ 3 % dalam turbulen). Konduktivitas termal meningkat 0,17–1,6 % sementara viskositas naik 2,5–13,6 %, dengan yang pertama mendominasi transfer panas dalam aliran laminar dan yang terakhir menjadi lebih signifikan pada bilangan Reynolds yang lebih tinggi.
Performa Tabung Beriris Spiral
Geometri beriris memperlengkap manfaat TiO₂: bilangan Nusselt meningkat hingga 42,8 % (0,5 wt%) dalam aliran turbulen, melebihi tabung halus sebesar 240–260 %. Faktor gesekan naik lebih terlihat (≈ 20 % laminar, ≈ 10 % turbulen) karena struktur screw, namun indeks performa neto ξ mencapai puncak pada Re ≈ 2300, di mana peningkatan transfer panas melebihi beban gesekan.
Evaluasi Komprehensif
Metrik ξ mengungkapkan bahwa tabung beriris spiral memberikan performa tertinggi di dekat transisi laminar-turbulen, sementara tabung halus mendapatkan manfaat dari bilangan Reynolds yang semakin tinggi. Wawasan ini memberikan informasi untuk pemilihan tabung optimal dan kondisi operasi untuk exchanger panas nanofluida.
Kesimpulan
- Nanofluida TiO₂-air stabil dicapai dengan 6 wt% dispersan dan pH 8; pengukuran transmittansi mengonfirmasi kualitas dispersi.
- Dalam tabung beriris spiral, aliran turbulen menghasilkan peningkatan transfer panas yang terbesar dengan peningkatan gesekan yang relatif lebih rendah.
- Tabung beriris memberikan peningkatan transfer panas melebihi 250 % dibandingkan tabung halus untuk muatan TiO₂ 0,5 wt%.
- Performa komprehensif optimal dalam tabung beriris terjadi pada Re ≈ 2300; untuk tabung halus, performa terus meningkat dengan bilangan Reynolds yang lebih tinggi.
