Perkembangan teknologi termal mendorong para peneliti untuk mengembangkan sistem perpindahan panas yang lebih efisien, terutama pada aplikasi heat exchanger, sistem pendingin, dan perangkat konversi energi. Salah satu pendekatan yang terus dikembangkan adalah penggunaan nanofluida hibrida yang dipadukan dengan wire coil inserts untuk meningkatkan perpindahan panas konveksi. Penelitian berjudul “Thermo-Hydraulic Characteristics of TiO₂–SiO₂ Hybrid Nanofluids Utilizing Wire Coil Inserts: A Numerical Study” yang ditulis oleh Anwar Ilmar Ramadhan, Wan Hamzah Azmi, Irnie Azlin Zakaria, dan Efrizon Umar membahas karakteristik termohidraulik kombinasi tersebut melalui analisis numerik dan validasi eksperimental. Artikel ini diterbitkan dalam Scientific Experiences in Mechanical Engineering (SEME), Volume 1, Nomor 1 (2027), dengan DOI 10.68252/seme.6.
Mengapa Perpindahan Panas Perlu Ditingkatkan?
Efisiensi perpindahan panas merupakan faktor penting dalam berbagai sistem teknik mesin. Peningkatan kemampuan perpindahan panas dapat membantu mengoptimalkan ukuran perangkat, efisiensi energi, dan kinerja operasional sistem termal. Salah satu metode yang banyak dikembangkan adalah teknik pasif, yaitu peningkatan perpindahan panas tanpa memerlukan energi eksternal tambahan untuk menggerakkan mekanisme peningkat turbulensi. Wire coil inserts merupakan salah satu perangkat pasif yang dapat dipasang di dalam tabung. Komponen ini menghasilkan turbulensi dan aliran sekunder sehingga dapat mengganggu lapisan batas termal dan meningkatkan perpindahan panas.
Namun, peningkatan turbulensi juga dapat menyebabkan kenaikan faktor gesekan dan penurunan tekanan (pressure drop). Oleh karena itu, peningkatan perpindahan panas perlu dianalisis bersama kebutuhan daya pemompaan agar kinerja keseluruhan sistem dapat dievaluasi secara lebih komprehensif.
Kombinasi Nanofluida Hibrida dan Wire Coil
Dalam penelitian ini, nanofluida hibrida yang digunakan terdiri atas nanopartikel titanium dioksida (TiO₂) dan silikon dioksida (SiO₂), yang didispersikan dalam campuran ethylene glycol dan air (EG/water). Nanofluida dianalisis pada konsentrasi volume 1,0%, 2,0%, dan 3,0%. Sementara itu, wire coil inserts digunakan dengan variasi rasio pitch terhadap diameter (pitch-to-diameter ratio atau P/D). Penelitian memanfaatkan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD) menggunakan ANSYS Fluent untuk mengevaluasi karakteristik aliran dan perpindahan panas di dalam tabung.
Parameter utama yang dianalisis meliputi:
- Bilangan Nusselt (Nusselt number).
- Faktor gesekan (friction factor).
- Faktor kinerja termal (thermal performance factor atau TPF).
- Pengaruh konsentrasi nanofluida dan geometri wire coil terhadap aliran fluida.
Model numerik juga dibandingkan dengan hasil eksperimen serta korelasi Dittus–Boelter dan Blasius untuk mengevaluasi kesesuaian hasil perhitungan.
Hasil Penelitian: Peningkatan Perpindahan Panas dan Tantangan Pressure Drop
Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan nanofluida hibrida TiO₂–SiO₂ bersama wire coil inserts dapat meningkatkan kemampuan perpindahan panas konveksi. Pada variasi geometri wire coil dengan rasio P/D yang lebih rendah, turbulensi dan aliran sekunder menjadi lebih kuat. Kondisi tersebut berkontribusi terhadap peningkatan bilangan Nusselt, yang menunjukkan peningkatan karakteristik perpindahan panas. Penelitian juga menemukan bahwa konsentrasi nanopartikel dan geometri wire coil memberikan pengaruh terhadap faktor gesekan. Peningkatan turbulensi dan hambatan aliran dapat menyebabkan kenaikan kebutuhan daya pemompaan. Dengan demikian, desain sistem termal tidak cukup hanya mempertimbangkan peningkatan perpindahan panas, tetapi juga perlu memperhitungkan konsekuensi hidrauliknya.
Faktor Kinerja Termal Mencapai 1,43
Salah satu hasil utama penelitian adalah nilai thermal performance factor (TPF) sebesar 1,43 pada konsentrasi nanofluida 1,0% dan rasio P/D sebesar 0,2. Nilai TPF yang lebih besar dari satu menunjukkan bahwa peningkatan perpindahan panas relatif terhadap kenaikan hambatan aliran memberikan keuntungan dalam metrik kinerja termal yang digunakan.
Hasil ini menunjukkan potensi konfigurasi wire coil dengan pitch yang lebih rapat dalam meningkatkan perpindahan panas, meskipun peningkatan hambatan aliran tetap perlu dipertimbangkan dalam perancangan sistem nyata.
Validasi Model CFD
Keandalan pendekatan numerik dievaluasi melalui perbandingan hasil CFD dan eksperimen pada campuran EG/water. Penelitian melaporkan penyimpangan rata-rata hasil numerik terhadap eksperimen untuk bilangan Nusselt sebesar 0,19%, 3,14%, dan 3,56%, sedangkan penyimpangan faktor gesekan masing-masing sebesar 0,55%, 5,34%, dan 6,75% pada variasi rasio P/D yang diuji. Hasil tersebut menunjukkan kesesuaian antara hasil simulasi dan data eksperimen dalam konfigurasi validasi yang dilaporkan.
Potensi Aplikasi dalam Sistem Termal
Kombinasi nanofluida hibrida dan wire coil inserts berpotensi dikembangkan untuk berbagai aplikasi teknik mesin, antara lain:
- Heat exchanger: Peningkatan perpindahan panas pada perangkat pertukaran kalor.
- Sistem pendingin: Pengembangan fluida kerja dengan karakteristik perpindahan panas yang lebih baik.
- Sistem energi: Optimasi perpindahan panas pada perangkat konversi dan pemanfaatan energi.
- Penelitian CFD: Pengembangan model numerik untuk mengkaji hubungan antara karakteristik termal dan hidraulik.
Meskipun demikian, hasil penelitian ini masih perlu dikaji lebih lanjut melalui pengujian pada sistem termal yang lebih representatif terhadap kondisi operasi nyata. Penelitian tersebut menetapkan tingkat kesiapterapan teknologi (TRL) pada Level 4, yaitu validasi teknologi di lingkungan laboratorium.
Kesimpulan
Penelitian Anwar Ilmar Ramadhan dan rekan-rekan memberikan kontribusi terhadap pengembangan teknologi peningkatan perpindahan panas melalui kombinasi nanofluida hibrida TiO₂–SiO₂ dan wire coil inserts. Hasilnya menunjukkan adanya hubungan antara konsentrasi nanofluida, geometri wire coil, peningkatan perpindahan panas, dan hambatan aliran. Nilai TPF maksimum sebesar 1,43 pada konfigurasi yang dilaporkan memperlihatkan potensi pendekatan ini untuk pengembangan sistem termal yang lebih efisien.
Penelitian ini memperkuat pentingnya pendekatan terpadu antara peningkatan perpindahan panas dan evaluasi kinerja hidraulik dalam desain perangkat termal masa depan.
Informasi Artikel
| Informasi | Keterangan |
|---|---|
| Judul | Thermo-Hydraulic Characteristics of TiO₂–SiO₂ Hybrid Nanofluids Utilizing Wire Coil Inserts: A Numerical Study |
| Penulis | Anwar Ilmar Ramadhan, Wan Hamzah Azmi, Irnie Azlin Zakaria, Efrizon Umar |
| Jurnal | Scientific Experiences in Mechanical Engineering |
| Volume | Vol. 1, No. 1 (2027) |
| DOI | 10.68252/seme.6 |
| Publikasi online | 16 September 2026 |
| TRL | Level 4 – Technology Validated in Laboratory |
