Download - 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
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 2/20
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.
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 3/20
(sumber : david reay , peter kew heat pipe theory,design and application fifth edition
Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier. 2006)
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.
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 4/20
2. Design thermosyphon dan heat pipe
(sumber : david reay , peter kew heat pipe theory,design and application fifth edition
Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier. 2006)
•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
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 5/20
2.1 Design parameter
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 6/20
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
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 7/20
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
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 8/20
(sumber : david reay , peter kew heat pipe theory,design and application fifth edition
Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier. 2006)
Berikut adalah table konduktifitas thermal dari beberapa material untuk heat pipe atau thermosyphon :
(sumber : david reay , peter kew heat pipe theory,design and application fifth edition
Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier. 2006)
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).
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 9/20
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
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 10/20
Berikut ini adalah table properties dari berbagai refrigerant
1. table properties dari refrigerant R11
(table saturated properties dari R-11)
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 11/20
2. table properties refrigerant R 134 a
Table saturated properties dari R-134 a
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 12/20
3. table saturated properties R22
Table saturated properties dari R-22
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 13/20
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.
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 14/20
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
(sumber : david reay , peter kew heat pipe theory,design and application fifth edition
Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier. 2006)
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 15/20
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
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 16/20
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 )
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 17/20
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
(sumber : david reay , peter kew heat pipe theory,design and application fifth edition
Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier. 2006)
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
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 18/20
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
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 19/20
Gambar design heat pipe
5/17/2018 Design Themosyphon Dan Heat Pipe - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/design-themosyphon-dan-heat-pipe 20/20
Gambar experimental set-up