Analisis Pengaruh Kedalaman Microchannel terhadap Perpindahan Panas Pool Boiling dengan Metode Computational Fluid Dynamics (CFD)

Abstract

Pool boiling merupakan salah satu mekanisme perpindahan panas paling efisien yang terjadi ketika permukaan padat dipanaskan hingga melebihi temperatur saturasi fluida. Terdapat empat fase pada pool boiling, dengan nucleate boiling sebagai fase yang menghasilkan heat transfer coefficient (HTC) tertinggi. Namun, performa pool boiling dibatasi oleh critical heat flux (CHF), dimana HTC menurun karena terjadi perubahan dari nucleate boiling ke film boiling. Pada kondisi tersebut, lapisan uap yang terbentuk menghambat perpindahan panas dan meningkatkan risiko kegagalan termal. Salah satu upaya untuk meningkatkan efisiensi perpindahan panas pool boiling adalah menggunakan struktur microchannel. Penelitian ini dilakukan dengan mensimulasikan proses pool boiling pada permukaan microchannel untuk menganalisis performa perpindahan panas pool boiling. Simulasi dilakukan pada model dua dimensi (2D) menggunakan pendekatan transient, dengan menggunakan sofware Ansys Fluent. Simulasi ini menggunakan model volume of fluid (VOF), model turbulensi k-ε realizable enhanced wall treatment, dan fluida air pada kondisi saturated boiling. Penelitian dilakukan dengan membandingkan variasi kedalaman microchannel, meliputi 0 mm (smooth surface), 0.5 mm, 1.5 mm, 2.5 mm, 3.5 mm, dan 4.5 mm dengan variasi wall superheat (ΔT) sebesar 7 K, 17 K, dan 37 K. Parameter yang dievaluasi meliputi heat flux, HTC, serta dinamika bubble berdasarkan visualisasi vapor volume fraction contour. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan struktur microchannel secara umum mampu meningkatkan performa perpindahan panas pool boiling. Kedalaman microchannel 0.5 mm memberikan performa terbaik dengan nilai HTC tertinggi sebesar 0.61 × 10⁴ W/m²·K atau meningkat 93% dibandingkan smooth surface. Model ini juga menghasilkan nilai heat flux tertinggi sebesar 22,58 × 10⁴ W/m², dengan peningkatan 91,7% dibandingkan smooth surface. Selain itu, hasil visualisasi pada ΔT 37 K menunjukkan bahwa seluruh model mendekati critical heat flux (CHF) yang ditandai dengan adanya dry spot yang terus berulang di permukaan pemanas, tetapi kontak antara cairan dan permukaan pemanas masih berlangsung (rewetting). Selain itu, belum terbentuk vapor blanket yang menutupi seluruh permukaan pemanas, sebagai salah satu ciri utama bahwa kondisi CHF telah tercapai.