Aliran turbulen memiliki jalur lintasan bergerak secara acak dengan garis alirnya saling berpotongan. Kemudian membentuk pusaran yang mengakibatkan fluktuasi kecepatan dan tekanan di setiap titik menjadi cepat.
Jenis aliran turbulen memiliki keunggulan dalam mempercepat proses perpindahan panas. Perusahaan kimia memakai aliran turbulen untuk pencampuran dan pelarutan zat. Produk elektronik memakai aliran turbulen untuk mengeluarkan panas yang dihasilkan dari komponen di dalamnya.
Kemudian, sistem perpipaan memanfaatkannya untuk menjadi alat penukar panas untuk mempercepat proses pertukaran panas antara fluida dengan dinding pipa.
Dari semua ulasan tersebut mendatangkan pertanyaan, seperti apa pengaruh aliran turbulen terhadap proses perpindahan panas.
Baca Juga : Perbedaan Aliran Laminar dan Turbulen Pada Sistem Fluida
Pengaruh aliran turbulen terhadap perpindahan panas
Dengan memakai analogi asap rokok, aliran turbulen terjadi ketika asap sudah bergerak tak beraturan. Fluktuasi dan pergerakan dengan kecepatan tak beraturan membuat laju perpindahan panas tinggi.
Perpindahan panas terjadi ketika molekul bergerak dari daerah berkonsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah atau difusi molekul. Secara sederhana dapat dikatakan panas bergerak dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.
Fluktuasi pada aliran turbulen memberi mekanisme tambahan untuk perpindahan panas.
Pusaran yang terbentuk karena fluktuasi dengan cepat mengangkat massa, momentum, dan energi melintasi berbagai wilayah aliran.
Apabila dibandingkan dengan pusaran, difusi molekul menjadi proses yang sangat lambat dan sering diabaikan pada aliran turbulen.
Oleh karena itu, aliran turbulen memiliki koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi.
Penelitian berjudul Analisis Pengaruh Aliran Turbulen Terhadap Karakteristik Lapisan Batas pada Pelat Datar Panas menjelaskan analisis numerik untuk melihat pengaruh perpindahan panas terhadap karakteristik lapisan batas akibat aliran turbulen.
Aliran turbulen dipilih karena efektif dalam mengangkut massa serta momentum fluidanya dariapda gerak molekul.
Dalam analisis dilakukan dengan pendekatan setengah empiris karena tidak menemukan adanya hubungan antara medan tekanan dengan kecepatan rata-rata aliran turbulen yang dapat dipastikan secara teoritis.
Berdasarkan hasil penelitian dengan melihat profil kecepatan air pada temperatur pelat 60 dan temperatur air pada daerah bebas 10, menunjukan aliran turbulen terjadi tolakan yang besar sehingga kecepatan mengalami fluktuasi sampai pada titik kecepatan aliran bebas.
Baca Juga : Cara Menghitung Bilangan Reynolds pada Aliran Pipa
Peran aliran turbulen pada sistem chiller HVAC
Pada sistem tata udara (HVAC), aliran turbulen dimanfaatkan untuk pembuatan desain komponen penukar panas (heat exchanger) seperti evaporator dan kondensor pada mesin chiller.
Aliran air dingin dari chiller yang mengalir dari jaringan pipa tembaga melaju dengan kecepatan lambat membuat lapisan fluida langsung bersentuhan dengan dinding dalam pipa.
Kondisi tersebut menciptakan apa yang disebut sebagai lapisan batas termal. Lapisan statis ini perlahan akan bertindak sebagai selimut isolator yang menghambat transfer panas antara refrigeran dan secara signifikan.
Untuk mengatasi inefisiensi termal, perpipaan HVAC dirancang agar menghasilkan aliran turbulen.
Ketika kecepatan fluida ditingkatkan hingga melampaui ambang batas kritis Bilangan Reynolds, aliran air di dalam pipa akan mulai bergolak dan membentuk pusaran acak.
Pusaran turbulen secara aktif akan merusak lapisan batas penahanan panas di dinding pipa.
Air yang berada di tengah lintasan pila akan terus-menerus diaduk secara paksa ke arah dinding luar yang suhunya berbeda.
Hasilnya, pemerataan suhu berlangsung cepat dan nilai koefisien perpindahan panas konveksi meningkat.
Pabrikan HVAC seringkali menyimpan komponen bernama turbulator, berbentuk pipa spiral ke dalam lintasan tabung kondensor.
Langkah ini diterapkan sebagai penghalang mekanis untuk mencegah terjadinya aliran laminar dan memaksa fluida tetap berada dalam fase turbulen walaupun aliran debit sedang rendah.
Melalui perpindahan panas akibat turbulensi, proses pembuangan atau penyerapan panas yang memenuhi perhitungan beban pendinginan dengan lebih cepat.
Dengan cara ini, beban kerja kompresor menjadi lebih ringan yang akhirnya mendongkrak efisiensi energi dari unit pendingin.
Kesimpulan
Aliran turbulen dapat meningkatkan laju dan koefisien aliran panas secara signifikan. Penyebabnya karena pergerakan fluida yang acak dan bercampur yang dapat meratakan perbedaan suhu di dalam aliran lebih cepat.
Turbulensi mampu memperkecil ketebalan lapisan batas termal karena penipisan penahan panas akibat penurunan tahapan termal. Kemudian, tingginya aliran kecepatan akan menaikan Bilangan Reynolds. Ketika Bilangan Reynolds meningkat maka koefisien panas konveksi juga meningkat, sehingga Bilangan Nusselt akan naik.
