Rangkuman (1): Critical Heat Flux (CHF)

6 09 2010

Batas atas dari fluks kalor pada proses perpindahan kalor pendidihan yang tercapai setelah penguapan cairan yang terjadi di sekitar dinding yang dipanaskan berakhir disebut fluks kalor kritis (critical heat flux, CHF). Terbentuknya CHF terjadi ketika cairan sudah tidak mampu lagi membasahi permukaan yang dipanaskan (heated surface). Ketiadaan kontak antara cairan dengan permukaan yang dipanaskan menyebabkan terjadinya pergeseran rejim didih, dari rejim didih inti langsung menjadi rejim didih film tanpa terbentuknya proses pada rejim didih tansisi, dimana hasilnya akan menghasilkan penurunan yang sangat drastis pada koefisien perpindahan kalornya. Mekanisme perpindahaan rejim didih inti ke rejim didih film yang terjadi secara mendadak pada suatu system yang diberikan masukan energy secara konstan (heat control) akan mengarah pada kenaikan secara tiba-tiba temperature dinding yang terjadi berlebihan dan dapat menyebabkan kerusakan struktur material dari benda panas, proses ini dikenal dengan istilah burn-out (gosong). Berdasarkan uraian tersebut patut difikirkan, bahwa persoalan CHF merupakan hal yang sangat esensial terkait dengan keselamatan pengoperasian suatu system yang melibatkan pembangkitan kalor yang tinggi.

Proses pendidihan memang sudah sejak lama dipelajari, dipopulerkan oleh Nukiyama pada tahun 1934. Eksperimennya dilakukan pada kasus didih kolam (pool boiling). Didih kolam adalah proses di mana suatu benda panas direndam ke dalam suatu cairan (dalam hal ini, air) yang volumenya lebih besar dari benda panas dan dalam kondisi diam. Gerak relatif dari uap yang dihasilkan dan cairan disekitar dekat permukaan pemanasan terutama disebabkan oleh efek daya apung uap itu sendiri. Namun demikian, sebagian besar cairan pada dasarnya tetap diam. Sebenarnya, sejarah penelitian pada proses pendidihan dapat ditelusuri kembali sejak awal abad ke delapan belas, dimana pengamatan dari film uap dalam proses pendidihan cairan pada permukaan yang dipanaskan telah dilakukan oleh Leiden tahun 1756. Kemdudian, studi ekstensif mengenai pengaruh dari perbedaan termperatur yang sangat besar antara temperatur permukaan yang dipanaskan dan cairan,, pertama kali dilakukan oleh Nukiyama. Namun demikian, eksperimen yang dilakukan oleh Farber dan Scorah (1948) kemudian memberikan gambaran lengkap dari tingkat perpindahan kalor pada kasus didih kolam sebagai suatu fungsi delta T. Selanjutnya Farber dan Scorah menerapkan hukum Newton tentang pendinginan,dimana koefisien perpindahan panas, h, digunakan untuk menandai rentang proses pendidihan yang terjadi pada kasus didih kolam, dimana kurva didihnya (boiling curve) dapat dilihat pada Gambar 1 (http://wins.engr.wisc.edu)

Gbr.1 Interpretasi fisik kurva didih pada kasus didih kolam (Farber)

Kemudian pada tahun 1951, Kutateladze menawarkan analogi terkait peningkatan temperature yang tinggi dan terjadi secara tiba-tiba disebabkan oleh perubahan geometri permukaan diantara dua-fasa. Kutateladze adalah orang pertama yang membuat hubungan empirik fenomena tersebut sebagai analogi gas yang disemprotkan pada pelat poros yang dipanaskan dan kemudian di atasnya didingkan oleh air. Selama laju aliran volumetrik gas tertentu (superficial velocity), cairan sudah tidak lagi bersentuhan dengan permukaan yang dipanaskan dan gas membentuk suatu penghalang lanjutan. Kutateladze menyimpulkan hal ini dengan melakukan pengukuran kenaikan hambatan listrik antara pelat dan air sebagai suatu fungsi kenaikan laju aliran gas. Sehingga, CHF pada didih kolam dapat dianggap sebagai titik dimana proses pendidihan bergerak mulai dari rejim didih inti kemudian melalui rejim didih transisi dan berkahir pada rejim didih film, dimana pada proses rejim didih film terus meneruk memisahkan uap panas dan cairan. Jadi, secara umum bolehlah dikatakan bahwa kondisi CHF adalah kondisi dimana uap yang dihasilkan dari rejim didih inti telah menjadi begitu besarnya dan menghambat cairan untuk mencapai dan melakukan pembasahan ulang (rewetting) permukaan yang dipanaskan. Seperti yang disampaikan di atas, jika temperature tidak terkendali, maka dari CHF akan langsung meloncat pada kasus burn-out, tanpa melalui rejim didih transisi. Meskipun demikian, burn-out dapat terjadi melalui proses perubahan rejim didih secara teratur (temperature control).

Batasan pasokan cairan pada permukaan yang dipanaskan dapat menyebabkan berbagai mekanisme uang tergantung juga pada geometri dan kondisi termohidrolikanya mengikuti perpindahan kalor pendidihan yang berlangsung. Terkait kasus didih kolam dan untuk didih aliran (flow boiling) dengan kuantitas laju aliran rendah, pasokan cairan tertahan oleh proses hidrolika yang berbatasan dengan dinding dipanaskan (heated wall). Sementara, pada kasus didih aliran, baik untuk kasus aliran rendah (low flow) dan aliran yang tinggi (high flow), kondisi terjadinya CHF bukan merupakan fenomena local, akan tetapi prosesnya terjadi diakibatkan oleh aliran transisi dan entalpi non-lokal. Mekanisme CHF pada kasus didih aliran secara umum diklasifikasikan kedalam dua tipe, tipe dryout dan tipe DNB (departure of nucleate boiling). Mekanisme utama yang terjadi pada kasus aliran dengan kualitas tinggi dan aliran anular (annular flow) adalah tipe dryout berdasarkan karakteristik film cairan (liquid film) tertahan pada dinding dipanaskan. Dryout disebabkan oleh gangguan pada lapisan cairan (liquid-layer) sebagai akibat instabilitas gelombang permukaan antar cairan atau lapisan cairan di pada dinding dipanasakan. Sedangkan, pada kasus didih pra-jenuh (subcooled boiling) atau pendidhan aliran kualitas rendah, mekanisme CHF yang terjadi adalah DNB. Meskipun demikian, ada beberpa hal yang masih menjadi pertanyaan terkait mekanisme CHF yang timbul berdasarkan tipe DNB. Padahal, untuk tipe dryout telah memiliki model mekanisme yang bisa diterima dan difahami dengan baik. Mekanisme CHF, tipe DNB sendiri telah disampaikan melalui 2 model. Model-model tersebut adalah : (1). Model gesekan gelembung di dekat dinding (near wall bubble crowding model) yang disampaikan oleh J. Weismen dan B.S. Pei[1] yang menjelaskan, bahwa saat terjadinya CHF gelembung-gelembung uap  mengelompok menjadi selimut uap (vapor blanket) yang mencegah inti cairan (liquid core) untuk mendinginkan dinding dipanaskan. Hal tersebut diasumsikan bahwa pertukaran turbulen (turbulent interchange) di tepi luar dari lapisan gelembung telah membatasi mekanisme. Model yg kedua (2). Model dryout sub-lapisan cairan (liquid sublayer dryput model), yang dituliskan oleh C.H. Lee dan I, Mudawar [2], Y. Katto [3] dan G.P. Celata, M.Cumo, A. Mariani[4]. Mereka menjelaskan bahwa selama pendidihan yang terjadi secara penuh (fully developed boiling), selimut uap yang terbentuk di sekitar dinding yang dipanaskan disebabkan oleh penggabungan dari gelembung-gelembung yang kecil, yang pada saat yang bersamaan adanya sub-lapisan cairan yang tipis di bawah selimut uap. CHF dipostulasikan terjadi ketika laju penguapan pada sub-lapisan melampaui laju aliran cairan yang memasuki sub-lapisan dari daerah inti.

Efek Geometri terhadap CHF

Seperti yang disampaikan di atas, bahwa mekanisme CHF sangat dipengaruhi oleh geometrid an kondis termohidrolikanya. Terkait efek geometri, misalnya pada kanal atau celah (channel, gap), efeknya terhadap CHF terjadi dengan berbagai ragam cara. Namun, sekali lagi untuk menjelaskan karakteristik CHF tidak hanya akan bergantung pada geometri namun tergantung pula pada parameter aliran dan sifat-sifat fisik fludianya. Beberapa efek geometri, dapat disampaikan sebagai berikut : (1). Bentuk tampang lintangnya (cross sectional shape), (2). Jarak celah/gap (channel clearance), (3). Panjang bagian dipanaskan (heated length), (4). Orientasi aliran (flow orientation).

(1). Efek bentuk tampang lintang

Diameter pembanding hidrolik (diameter equivalent hydraulics) pada bentuk celah non-sirkular seperti halnya celah anulus dan celah rectangular biasanya digunakan untuk perpindahan kalor fasa-tunggal (single-phase) pada konveksi paksa (force convection). Kasus force convection akan sangat bergantung pada kinerja dari pompa. Namun, efek perlambatan yang terjadi akibat sudut-sudut di dalam celah rektangular atau adanya dinding yang tidak mengalami pemanasan (unheated walls) harus diperhitungkan sehingga penggunaan pembanding diameter dijadikan suatu pendekatan saja. CHF pada geometri celah non-sirkular dengan dinding yang tidak terpanaskan  akan berbeda dengan kasus pada tube atau tabung yang tentunya disebabkan olehterbentuknya distribusi film cairan yang tidak seragam di sekeliling celah[4,5]. Celah dengan dinding yang tidak terpanaskan akan menyisakan film cairan yang tebal, sehingga bagian dari cairan tersebut akan menghambat pendinginan atau terjadinya ketidak efektifan pendinginan pada dinding yang dipanaskan. Kemudian, untuk celah yang memiliki fraksi dinding tidak terpanaskan yang besar menjadikan pembanding diameternya harus didefinsikan ulang menjadi empat kali dari luas area aliran dibagi dengan parameter pemanasan. Hal tersebut dapat disamakan seperti halnya kasus diameter pembanding dipanaskan (heated equivalent diameter). Efek dari bentuk tampang lintang terhadap CHF tergantung pada parameter-parameter aliran seperti fluks massa (mass flux) dan kualitas uap (vapor quality). Eksperimen[5] yang dilakukan oleh Kaichiro Mishima (professor ane nih), mengindikasikan bahwa efek geometri celah terhadap CHF pengaruhnya cukup kecil untuk kecepatan massa rendah dan menengah, namun pengaruhnya akan semakin besar untuk kecepatan massa yang tinggi.

(2). Jarak celah/gap

Karena ukuran gelembung tidak dikecilkan skalanya (scale down) sesuai dengan jarak celah, fraksi luas penampang yang terisi oleh dinding voidage di dalam celah yg kecil bisa jauh lebih besar dari celah berukuran besar. Voidage sendiri adalah volume void dalam suatu fluida dibagi dengan volume keseluruhannya (yaitu, volume total yang ditempati void dan cairan). Sebagai hasilnya, jarak celah mempengaruhi intensitas pencampuran yang terjadi secara turbulen diantara permukaan inti cairan dan film uap yang selanjutnya dapat merubah nilai CHF. Namun, efek jarak celah terhadap CHF pada aliran yang tinggi (cepat) ternyata lebih lemah dibandingkan jika terjadi pada aliran pra-jenuh. Hal tersebut memang telah difahami dengan baik, bahwa CHF pada aliran pra-jenuh di dalam tube/tabung yang sangat dipengaruhi oleh diameter celah ternyata lebih kecil dibandingkan oleh pembatasan diameter celah, hal ini disimpulkan oleh Narai dkk, dan Celata dkk. [6,7]. Keadaan dengan nilai tertentu dari kondisi termohidrolik, panjang bagian dipanaskan dan kecepatan cairan, CHF akan mengalami keanikan dengan semakin berkurangnya diameter/jarak celah. Efek dari diameter celah terhadap nilai CHF kurang begitu signifikan pada daerah dengan fluks massa yang rendah. Bergles[8] menunjukkan bahwa kenaikan CHF berdasarkan pengurangan diameter celah pada kasus aliran pra-jenuh adalah relative terhadap (a). diameter gelembung yg kecil, (b). naiknya kecepatan gelembung (relative terhadap cairan), dan (c). dekatnya jarak inti pra-jenuh terhadap gelembung-gelembung yang berkembang.

(3). Panjang bagian dipanaskan

Efek panjangnya daerah yang dipanaskan (heated length) terhadap CHF telah banyak diteliti berdasarkan konveksi paksa, dan yang sering digunakan sebagai bilangan tidak berdimensi adalah rasio perbandingan antara panjang daerah yang dipanaskan (L) terhadapa diameter pembanding hydrolik dari celah (De), sehingga rasionya menjadi L/De dan disebut sebagai karakteristing panjang non-dimensional. Namun masih banyak yang belum menentukan definesi yang sesuai hubungan antara karakteristik panjang non-dimensi dengan kesesuaian nilai CHF secara komprehensif.  Nilai CHF akan mengalami kenaikan sebagai efek dari penurunan L/De, dan efek yang lebih signifikan terhadap CHF terjadi pada L/De yang kecil.

(4). Orientasi aliran

Efek dari perubahan orientasi aliran sangat berpengaruh pada CHF untuk kondisi fluks massa yang rendah, sedangkan pada fluks massa yang tinggi kondisi tersebut dapat kita abaikan. CHF yang terjadi pada kondisi aliran dengan arah horizontal atau aliran dengan arah vertikal ke bawah memiliki nilai yang lebih rendah dibandingkan dengan kondisi aliran vertical yang mengarah ke atas. Kasus aliran di dalam celah pada posisi horizontal dengan fluks massa yang rendah, gelembung-gelembung uap bergabung membentuk suatu bantalan uap yang terbentuk secara kontinu di sepanjang dinding bagian atas yang menghalangi pengisian cairan akibat adanya entrainment, pengeringan dan penguapan. Sehingga kondisi tersebut dapat menyebabkan munculnya CHF sebelum waktunya (premature) di bagian atas dinding dalam celah. Pada aliran ke arah bawah dengan kondisi fluks massa yg rendah, gelembung-gelembung uap malah mandek di dekat dinding dipanaskan, hal ini tentunya disebabkan oleh seimbangnya inersia cairan dan gaya apung (buoyancy) yang justeru mengakibatkan CHF yang rendah dibandikan dengan CHF pada aliran ke arah atas[5].

Referensi

[1]. J. Weismen and B.S. Pei, “Prediction of Critical Heat Flux in Flow Boiling at Low Qualities”, Int. J. Heat Mass Transfer Vol.26, pp.1463 (1999).

[2]. C.H. Lee and I. Mudawar, “A Mechanistic Critical Heat Flux Model for Subcooled Flow Boiling Based on Local Bulk Conditions”, Int. J. Multiphase Flow, 14, pp.711 (1988).

[3]. Y. Katto, “A Physical Approach to Critical Heat Flux of Subcooled Boiling in Round Tubes”, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.33, 8, pp.611 (1990).

[4]. G.P. Celata, M. Cumo, A. Mariani, “Rationalization of Existing Mechanistic Models for Prediction of Water Subcooled Flow Boiling Critical Heat Flux”, Int.J. Heat Mass Transfer, Vol.37, 1, pp.347 (1994).

[5]. K. Mishima, “Boiling Burnout at Low flow Rates and Low Pressure Conditions”, Doctoral Thesis, Kyoto University (1984).

[6]. H. Nariai, F. Inasaka, T.Shimura, “Critical Heat Flux of Subcooled Flow Boiling in Narrow Tube”, ASME-JSME Thermal Engineering Conference, Honolulu, March 22-27 (1987).

[7]. G.P. Celata, M. Cumo, A. Mariani, H. Naraia, F. Inasaka, “ Influence of Channel Diameter on Subcooled Flow Boiling Burnout at High Heat Flux”, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.36, pp.3407 (1993).

[8]. A.E. Bergles, “Subcooled burnout in tubes of small diameter”, ASME paper 63-WA-182 (1963).


Aksi

Information

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s




%d blogger menyukai ini: