Design Themosyphon Dan Heat Pipe

5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 1/20

Design Thermosyphon dan Heat Pipe untuk Penghematan

Energy pada Pengkondisian Udara

Sigit Julius Setyawan

0806454960

Departemen Teknik Mesin

Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Depok 2012



1. Pendahuluan

Heat pipe merupakan sebuah alat heat exchanger dengan kemampuan transfer panas yang

sangat baik. Pertama kali heat pipe dikenalkan oleh Gaugler [1] pada tahun 1942 dan terus

berkembang hingga saat ini. Sedangkan thermosyphon juga merupakan heat exchanger hampir

sama dengan heat pipe, perbedaanya adalah pada metoda kembalinya kondensat ke

evaporator.

(sumber : david reay , peter kew heat pipe theory,design and application fifth edition

Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier. 2006)

Thermosyphon merupakan sebuah heat exchanger, umumnya berupa tabung (container) yang

berisikan working fluid didalamnya. Pada sisi bawah tabung (evaporative side) dipanaskan sehingga

menyebabkan working fluid ini menguap dan bergerak kesisi atas tabung karena perbedaan densitas

antara uap dan liquid hingga kesisi condensasi, pada sisi kondensasi uap kembali terkondensasi menjadi

liquid dan bergerak kebawah karena gaya grafitasi.

Pada proses ini terjadi perpindahan panas yang cukup besar (panas laten) namun dapat

beroperasi pada perbedaan temperature yang kecil pada evaporator dan condenser. Perbedaan yang

mendasar antara heat pipe dan thermosyphon adalah pada wick .wick ini terbuat dari banyak layer

berupa kawat kasa yang halus pada sisi dalam permukaan pipa yang berperan sebagai kapilar danmemungkinkan kondensat bergerak ke evaporator dengan menggunakan gaya kapilaritas.





Pada heat pipe pemposisian dan orientasi tabung tidak lah mempengaruhi kinerja sedangkan

pada thermosyphon evaporator harus berada pada sisi bawah.

keuntungan aplikasi heat pipe atau thermosyphon pada pengkondisian udara ini adalah panas

dalam jumlah yang besar dapat dipindahkan melalui area yang cukup kecil atau alat yang kecil dengan

jarak tertentu tanpa adanya tenaga atau energy tambahan [2]. Sehingga dapat menghemat penggunaan

energy pada pengkondisian udara. Keuntungan lain dari penggunaan heat pipe atau thermosyphon

adalah dapat berperan sebagai dehumidifier [3]apabila digunakan pada daerah beriklim tropis yang

cendrung lembab.



2. Design thermosyphon dan heat pipe



•Geometry of thermosyphon

•operating temperatur

Designparameter

•compatibility with workingfluid

•compatibility withenvironment

•thermal conductivity

Selecting case

material•Merit number

•min-max operatingtemperatur

•temperatur and

•saturation pressure

Selectingworking fluid

selecting wick type, size andmaterial

capability of providingcapiparity head

capability with working fluid

design assembly finish



2.1 Design parameter



Dimensi :

Diameter dalam : 0.59 inch

Diameter luar : 0.67 inch

Tebal : 0.04 inch

Panjang : 19.61 inch

Temperature operational : 200 C - 350 C



2.2 Selecting Case Material

Fungsi dari casing adalah untuk mengisolasi working fluid dengan lingkungan luar, casing

harus mampu menahan tekanan yang ada didalamnya dan juga dapat mengalirkan panas

dengan baik.

Beberapa faktor yang perlu diperhatikan dalam pemilihan casing adalah

1. compatibility with working fluid

2. kekuatan

3. konduktifitas termal

4. kemudahan pembuatan

5. porosity

berikut adalah table kompatibilitas antara casing dengan working fluid





Berikut adalah table konduktifitas thermal dari beberapa material untuk heat pipe atau thermosyphon :



Berdasarkan kompatibilitas dari berbagai macam material casing dan juga nilai

konduktifitas thermal maka dipilih tembaga sebagai casing thermosyphon. Tembaga

dipilih karena mempunyai nilai konduktifitas thermal yang paling baik ,compatible

dengan berbagai macam working fluid, proses pengerjaan mudah (machining).



2.3 Selecting Working fluid

Dalam pemilihan working fluida untuk heat pipe dan thermosyphon yang perlu

diperhatikan adalah operating condition dan juga thermopysical dari properties working

fluid pada temperature working condition.

Working fluid yang dapat dipertimbangkan adalah sebagai berikut :

1. pentane

2.

acetone

3. methanol

4. R 123

5. R11

6. R22

7. R-134a



Berikut ini adalah table properties dari berbagai refrigerant

1. table properties dari refrigerant R11

(table saturated properties dari R-11)



2. table properties refrigerant R 134 a

Table saturated properties dari R-134 a



3. table saturated properties R22

Table saturated properties dari R-22



4. table saturated properties refrigerant R 1 2 3

Berdasarkan properties dari berbagai refrigerant di pilih R 11 sebagai working

fluid, karena R 11 ini menguap pada tekanan atmosfer di suhu 24, sehingga

memudahkan pembuatan dari thermosyphon.Namun sekarang R-11 sudah tidak ada lagi

dipasaran sehingga sebagai alternative dipilih refrigerant R-123 dimana tekanan saturasi

untuk suhu 25 – 35 o C berkisar 0.98 – 1.3 bar. Jika refrigran ini sulit ditemukan maka

alternative lain adalah refrigerant R134A . untuk operating temperature 25 0C-350C

tekanan saturasi berkisar dari 6.6 bar sampai 8.8 bar.



2.4 selecting wick type, size and material

Wick adalah sebuah kapiler yang berfungsi untuk mengalirkan kondensat dari condenser ke evaporator

dengan menggunakan gaya kapilaritas. Secara umum wick di bagi menjadi 2 jenis, yaitu homogeneus

wick dan arterial wick. Homogeneus wick dapat berupa mesh twilt atau felt, sedangkan arterial biasanya

berupa gabungan dari mesh, twilt atau felt yang dibentuk secara khusus melingkar pada sisi heat pipe.Homogeneus wick lebih mudah dibuat namun jika dibandingkan dengan arterial daya kapilaritasnya

lebih kecil [1].

Macam-macam arterial wick





Dalam pemilih

Pada pemilihan wick untuk heat pipe ini dipilih homogeneus wick sebagai wick dari heat pipe

karena proses pembuatan mudah walaupun kinerjanya jauh lebih baik arterial wick.

Dalam pemilihan homogeneus wick yang perlu diperhatikan adalah :

1. compatibility with working fluid

2. kemampuan capillarity pumping pressure

Table compatibilitas wick dengan berbagai macam working fluid.

Sumber :

[20] Lidbury, J.A. A helium heat pipe. Nimrod Design Group Report NDG-72-11, Rutherford



Laboratory, England, 1972

[21] Groll, M. Wärmerohre als Baudemente in der Wärme-und Kältetechnik. Brennst-Waerme-kraft., Vol. 25, No. 1, 1973 (German).

[22] Marto, P.J. and Mosteller, W.L. Effect of nucleate boiling on the operation of lowtemperature heat pipes. ASME Paper 69-HT-24

[23] Phillips, E.C. Low temperature heat pipe research program. NASA CR-66792, 1970.

[24] Keser, D. Experimental determination of properties of saturated sintered wicks. 1stInternational Heat Pipe Conference, Stuttgart, 1973.

[25] Moritz, K. and Pruschek, R. Limits of energy transport in heat pipes. Chem. Ing.Technik., Vol. 41, No. 1, 2, 1969 (German).

[26] Vinz, P. and Busse, C.A. Axial heat transfer limits of cylindrical sodium heat pipesbetween 25W/cm2 and 15_5kW/cm2. 1st International Heat Pipe Conference, Paper

berdasarkan data dari capabilitas wick dengan working fluid. Maka wick yang paling cocok untuk

working fluida jenis R-11, R123, R-134a dan R22 adalah nickel foam .karena R-11, R123, R134a

dan R22 merupakan refrigerant dengan dengan unsur pembentuk chloro dan methan.

Setelah jenis wick terpilih berdasarkan compatibility dengan working fluid, kemudian dilakukan

perhitungan luas area dari wick dengan syarat agar daya pumping capillarity dapat membawa

kondensat ke evaporator.untuk mengalirkan kondensat dari condenser ke evaporator maka

kapilarity pumping pressure minimum adalah sebesar dari total pressure drop dalam heat pipe.

Berdasarkan data dari nickel foam jenis ampornik 220.5 diketahui pore radius (re) = 0.023 mm

Dan permeabilitas (K) = 3.8 x 10-9 m2

( sumber : Phillips, E.C. and Hinderman, J.D. Determination of properties of capillary media useful in heat pipe

design. ASME Paper 69-HT-18, 1969 )



Besar pumping capillarity pressure :

ΔPc = 2 σ cos Ø / rp

ΔPc = 2 x 2,18 x 10-2 N/m cos 0 / 0.023 x 10-3 m

ΔPc = 1895.6 N/m2

besar gravitational pressure

ΔPg = ρl g h sin Ø

Untuk design dengan orientasi vertical dimana condenser berada dibawah

ΔPg = ρl g l x sin 900

ΔPg = 1470 x 9,81 x 5 x 10-2 x 1 ( R-123 at 25 o C)

ΔPg = 721 N/m2

Untuk design dengan orientasi horizontal maka gravitational pressure dapat diabaikan

ΔPg = ρl g l x sin 00

ΔPg = 0

Besar pressure drop untuk mengalirkan liquid dari condenser ke evaporator

ΔPl = Цl q l / ρl L Aw K

Dimana

Цl = liquid viscosity

Q = heat flux minimum

l = panjang heat pipe

ρl = masa jenis liquid

L = laten heat liquid

K = permeability

Aw = luas area Wick



Diketahui properties dari R 123 pada temperature 25 o C sebagai berikut :

Цl = 0.521 cP = 521 x 10-6 Kg/ms = 521 x 10-6 Ns/m2

ρl = 1460 kg/m3

L = 1155 kJ/kg

K = 3.8 x 10-9 m2

Q = 10 watt

l= 50 cm



Besar pressure drop untuk mengalirkan liquid dari condenser ke evaporator

ΔPl = Цl q l / ρl L Aw K

ΔPl = (521 x 10-6 Ns/m2) (10) (0.5) / (1460 kg/m3 ) (1155 kJ/kg)( Aw )( 3.8 x 10-9 m2)

ΔPl = 0.406 / Aw N/m2

Minimum pumping capillarity pressure untuk design orientasi horizontal

ΔPc = ΔPg + ΔPl

1895 N/m2 = 0 N/m2+ 0.406 / Aw N/m2

1895 N/m2 = 0.406 / Aw N/m2

Aw = 2.142 x 10-4 m2

Aw = 2.1 cm2

Aw =Ah –Av

2.1 cm2 = 3,14 x (0.85 cm )2 – 3,14 R2

3.14 R2 = 0.16865

R = 0.23 cm

Sehingga tebal wick adalah Rh – Rv = 0.85cm – 0.23cm =0.62 cm

Dengan jenis wick homogeneus wick nickel foam



Gambar design heat pipe



Gambar experimental set-up

Design Themosyphon Dan Heat Pipe

Documents

Transcript of Design Themosyphon Dan Heat Pipe