1 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Proses pendinginan

BAB I
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Proses pendinginan merupakan hal yang sangat penting dalam dunia
industri. Proses pendinginan yang baik akan membuat proses dalam industri
berjalan lebih efisien. Dengan demikian, biaya dalam proses produksi menjadi
murah. Proses pendinginan dapat kita temui dalam proses pendinginan di reaktor
nuklir serta proses pembuatan logam terutama baja dengan proses casting dan
berbagai proses lainnya.
Dinamika tumbukan air (Droplet) merupakan sebuah fenomena yang saat
ini dikembangkan oleh para peneliti untuk berbagai fungsi. Droplet memiliki
berbagai peran dalam dunia industry, Salah satunya adalah sebagai proses
pendinginan. Proses pendinginan dilakukan dengan sejumlah tetesan air dan
dengan penyemprotan. Proses pendinginan dikenal sebagai spray cooling. Spray
cooling digunakan untuk mendinginkan suatu permukaan panas. Salah satu
penggunaannya adalah dalam pendingingan reaksi inti reaktor, pembuatan
material logam terutama baja serta peralatan elektronik. Seain itu, fenomena
droplet dapat ditemukan untuk proses pemadaman api, pengecatan, pelumasan dan
berbagai penggunaan lainnya baik dalam dunia industri maupun kehidupan sehari
hari.
Dalam fenomena droplet, hal yang menjadi perhatian adalah peristiwa saat
droplet mengenai permukaan padat yang dipanaskan. Struktur dan dinamika yang
terjadi saat peristiwa tersebut menjadi hal yang mendasar dalam fenomena
droplet. Pada saat droplet menyentuh permukaan padat yang dipanaskan, maka
secara umum yang terjadi adalah kondisi droplet yang menyebar (spread), pecah
berhamburan (splash) ataupun melambung kembali (bounce).
Dalam proses pembuatan baja,proses pendinginan yang sangat cepat
diperlukan untuk menghasilkan struktur mikro martensit (αi). Dimana baja akan
dipanaskan hingga suhu 950oC dengan struktur martensit (γ), kemudian baja akan
1
didinginkan secara mendadak. Lalu baja akan dipanaskan kembali hingga
mencapai suhu 100 – 600oC untuk mengurangi sifat getas pada baja. Proses
pendinginan yang dilakukan dalam proses ini disebut pula quenching. Semakin
singkat waktu yang diperlukan untuk proses pendinginan, maka baja yang akan
dihasilkan akan semakin baik. Artinya, semakin besar flux kalornya (q), maka
baja yang dihasilkan akan semakin keras dan getas. Proses pendinginan yang
digunakan secara umum dalam dunia industry baja adalah dengan cara
mencelupkan baja panas kedalam air atau minyak dengan suhu 25 – 30oC. Proses
pendinginan ini dikenal dengan istilah Konveksi Paksa.
Kelemahan dalam konveksi paksa adalah timbulnya lapisan film akibat
proses pendidihan. Adanya lapisan film ini membuat proses perpindahan panas
menjadi terhambat. Dengan kata lain flux kalor yang berpindah menjadi
berkurang akibat adanya lapisan film ini. Dalam penelitiannya, Araki dan
Moriyama (1981) menjelaskan bahwa proses pendinginan menggunakan tetesan
air dapat mengatasi permasalahan tersebut. Dengan metode penyemprotan, maka
flux perpindahan panas yang dihasilkan dapat lebih besar dibandingkan dengan
proses konveksi paksa. Dengan demikian, proses pendinginan dapat dilakukan
dengan lebih cepat. Sehingga baja yang dihasilkan dapat lebih keras dan getas
dengan biaya pendinginan yang lebih efisien.
Dalam proses penelitian pendinginan dengan metode penyemprotan atau
spray sangat sulit dipelajari secara sistematik. Maka beberapa peneliti
menggunakan pendekatan sederhana dengan menggunakan tetesan tunggal yang
menumbuk permukaan panas. Deendarianto,dkk (2008) mengatakan bahwa
dengan mempelajari karakteristik yang terjadi saat tetesan menumbuk permukaan
panas, maka dapat memprediksi apa yang terjadi pada semprotan (spray).
Dalam mempelajari fenomena tetesan air, maka proses pendinginan tidak
hanya terganung pada karakteristik dari cairan, tetapi juga kondisi permukaan
panasnya. Perbedaan material permukaan panas dan perlakuan terhadap material
akan mempengaruhi karakteristik droplet ketika menyentuh permukaan panas.
Perbedaan ini terletak pada kondisi air ketika menyentuh permukaan panas.
Semakin besar kemampuan air membasahi permukaan panas maka semakin besar
2
kemampuan air untuk memindahkan panas dari permukaan panas. Kemampuan
ini disebut sebagai derajat kebebasan (wettability). Derajat kebasahan dapat
diukur dari seberapa besar air menyebar dipermukaan panas yang diukur dengan
sudut kontak. Sudut kontak adalah sudut yang dibentuk antara tetesan air dan
permukaan panas. Semakin besar sudut kontak, maka semakin besar kemampuan
air dalam memindahkan panas dari permukaan.
Pada Grafik yang dibuat oleh Nukiyama, terdapat sebuah titik yang disebut
sebagai titik fluks kalor kritis (Critical Heat Flux, CHF). Diketahui bahwa pada
titik CHF ini terjadi perpindahan kalor paling besar diantara titik titik suhu
lainnya. Dengan kata lain, daerah CHF memiliki nilai perpindahan kalor yang
maksimum. Semenov,dkk (2011) dan Kandlikar (2001) pernah mengamati proses
pendinginan di daerah ini.
Berdasarkan penelitian penelitian yang dilakukan mengenai spray cooling,
diperlukan pengembangan penelitian berikutnya untuk memperkaya referensi
mengenai fenomena spray cooling. Maka, dilakukan penelitian mengenai
fenomena dinamika tumbukan tetesan air di daerah critical heat flux.
1.2.
Rumusan Masalah
Dalam penelitian mengenai spray cooling, peneliti mengalami kesulitan
karena fenomena spray cooling memiliki kompleksitas dalam perpindahan kalor.
Maka dilakukan pendekatan menggunakan tetesan air dengan frekuensi tertentu
pada lapisan logam panas. Dengan pendekatan ini akan didapatkan mengenai
gambaran yang terjadi pada spray cooling.
Pada titik CHF dimana terjadi perpindahan kalor maksimum, maka sistem
pendingin yang paling efisien dapat dilakukan pada daerah ini. Oleh karena itu,
penelitian ini akan mengkaji bagaimana fenomena saat tetesan air dengan
frekuensi tetesan dan nilai ketinggian tertentu pada titik CHF saat dijatuhkan di
plat panas.
3
1.3.
Asumsi dan Batasan Masalah
Penelitian ini akan difokuskan pada visualisasi yang terjadi pada fenomena
tetesan air yang mengenai lapisan panas pada daerah CHF. Pengambilan data
dilakukan pada suhu 100oC – 140oC dengan interval 10oC. Frekuensi tetesan air
divariasikan pada frekuensi 80 ,100 dan 120 tetesan permenit. Tetesan air akan
dijatuhkan pada ketinggian 40 mm, 70 mm dan 140 mm. Logam yang digunakan
adalah Tembaga (Cu), Aluminium (Al), Steinless Stell (NSS), Steinless Stell
dengan lapisan TiO2 (UVN), dan Steinless Stell dengan lapisan TiO2 yang
dipancari dengan sinar UV (UVW).
Tetesan air yang digunakan adalah distilled water dengan asumsi memiliki
sifat yang sama dengan H2O. Penelitian ini mengabaikan pengaruh aliran udara
sekeliling droplet.
1.4.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Mengamati visualisasi tetesan air pada logam panas didaerah CHF.
2. Mengamati pengaruh temperatur, frekuensi dan bilangan Weber
terhadap fenomena tetesan air pada logam panas di daerah CHF
3. Mengamati pengaruh temperatur, frekuensi dan bilangan Weber
terhadap fenomena tetesan air pada logam panas di Daerah CHF
1.5.
Manfaat Penelitian
Hasil dari penelitian mengenai spray cooling ini diharapkan dapat
memberikan kontribusi terhadap kemajuan teknologi pendinginan baik dalam
perkembangan ilmu pengetahuan maupun dalam dunia industri. Hasil visual
tetesan air pada logam panas yang didapatkan dari penelitian ini dapat digunakan
sebagai acuan untuk penelitian selanjutnya sehingga perkembangan ilmu
pendinginan menggunakan spray cooling dapat terus berkembang secara
4
berkesinambungan. Selain itu, dalam industri, data yang didapat dalam penelitian
ini dapat digunakan sebagai dasar pengembangan sistem pendinginan dengan
spray cooling.
5