Jurnal Material Dan Energi Indonesia

Jurnal Material dan Energi Indonesia

Vol. 01, No. 01 (2011) 22 – 30© Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran22STUDI EKPERIMENTAL LAJU ALIRAN MASSA AIRBERDASARKAN PERUBAHAN SUDUT KEMIRINGAN UNTAIPADA KASUS SIRKULASI ALAMIAH MENGGUNAKANUNTAI SIMULASI SIRKULASI ALAMIAH (USSA-FT01)MULYA JUARSA†, ARIEF GOERITNO, ASEP SUHERI, IWAN SUMIRAT,DEWANTO SAPTOADI, ANDIKA NURCAHYOEngineering and Devices for Energy Conversion (EDfEC) LaboratoryFakultas Teknik Univeristas Ibn Khaldun BogorJl. KH. Soleh Iskandar Bogor – Jawa Barat INDONESIAditerima 3 November 2010revisi 19 Pebruari 2011dipublikasikan 28 Pebruari 2011Abstrak. Optimalisasi pemanfaatan energi untuk efisiensi dilakukan selain merancang bangun alat konversienergi yang baru, juga memanfaatkan hukum-hukum alam yang berlaku seperti fenomena natural sirkulasialamiah. Studi ekperimental dilakukan untuk memahami fenomena natural sirkulasi dengan menghitung lajualiran massa air berdasarkan data perubahan temperatur padJurnal Material dan Energi IndonesiaVol. 01, No. 01 (2011) 22 – 30© Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran22STUDI EKPERIMENTAL LAJU ALIRAN MASSA AIRBERDASARKAN PERUBAHAN SUDUT KEMIRINGAN UNTAIPADA KASUS SIRKULASI ALAMIAH MENGGUNAKANUNTAI SIMULASI SIRKULASI ALAMIAH (USSA-FT01)MULYA JUARSA†, ARIEF GOERITNO, ASEP SUHERI, IWAN SUMIRAT,DEWANTO SAPTOADI, ANDIKA NURCAHYOEngineering and Devices for Energy Conversion (EDfEC) LaboratoryFakultas Teknik Univeristas Ibn Khaldun BogorJl. KH. Soleh Iskandar Bogor – Jawa Barat INDONESIAditerima 3 November 2010revisi 19 Pebruari 2011dipublikasikan 28 Pebruari 2011Abstrak. Optimalisasi pemanfaatan energi untuk efisiensi dilakukan selain merancang bangun alat konversienergi yang baru, juga memanfaatkan hukum-hukum alam yang berlaku seperti fenomena natural sirkulasialamiah. Studi ekperimental dilakukan untuk memahami fenomena natural sirkulasi dengan menghitung lajualiran massa air berdasarkan data perubahan temperatur pada bagian dingin dan bagian panas di untai USSAFT-01. Konstruksi USSA FT-01 terdiri dari komponen pipa SS304 berdiameter 1 inci, heater, cooler dantangki ekspansi. Variasi eksperimen adalah beda ketinggian antara sisi panas dan sisi dingin berdasarkanvariasi sudut kemiringan untai, yaitu 30o, 45o dan 90o. Temperatur outlet dari heater (Th) dan temperaturoutlet dari cooler (Tc) digunakan sebagai parameter yang diukur dan direkam dengan rentang waktueksperimen selama 50 menit. Hasil ekperimen dan perhitungan menggunakan beberapa korelasimenunjukkan, laju aliran massa air akan memiliki harga kestabilan yang secara berturut-turut adalah 5,6 gr/s,4,9 gr/s dan 9,8 gr/s berdasarkan perubahan sudut kemiringan 30o, 45o dan 90o. Pengaruh beda temperaturrata-rata lebih dominan dibandingkan gaya apung karena beda ketinggian.Kata kunci : sirkulasi alamiah, fenomena, aliran, massaAbstract. Optimizing energy utilization for more efficiency purpose can be done by design and construct anew energy conversion devices, also apply a natural laws such as natural circulation. Experimental studieshas been conducting to understand the phenomena of natural circulation by calculating the water mass flowrate based on temperature changes in the cold area and the hot area in the USSA FT-01’s loop. ConstructionUSSA FT-01 consists of components SS304 pipe 1 inch in diameter, heater, cooler and expansion tank.Experimental variation is the height difference between hot side and cold side based on the variation of loopangle, i.e. 30o, 45o and 90o. Outlet of the heater temperature (Th) and the outlet of the cooler temperature (Tc)were used as a parameter that is measured and recorded with the experimental time range for 50 minutes.Experimental results and calculations using multiple correlation shows that the water mass flow rate willhave a stable value in respectively 5.6 g/s, 4.9 g/s and 9.8 g/s based on angle variations of 30o, 45o and 90o.The effect of average temperature difference is more dominant than the buoyancy force due to the differenceof height between the cold and hot side.Keywords : natural circulation, phenomena, flow, mass1. PendahuluanPerpindahan energi dalam bentuk kalor pada suatu peralatan konversi energi masih menjadi kajiandan tema penelitian yang belum usang. Peningkatan kebutuhan energi yang terus-terusan mestidiantisipasi dan hal ini memaksa penelitian terhadap fenomena yang muncul selama kalor

dipindahkan menjadi perhatian penting. Salah satu peralatan pemindah kalor berupa loop tertutup† email : [email protected] Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 23thermosyphon memiliki kemampuan untuk memindahkan kalor dari suatu sumber ke area yanglebih dingin lain dengan jarak tertentu. Kondisi ini dapat digambarkan dengan loop tertutup yangdiisi fluida kerja (air). Jika salah satu bagian dipanaskan dan bagian lainnya didinginkan, makakerapatan air di bagian yang panas lebih rendah dibandingkan dengan bagian dingin. Perbedaantekanan hidrostatik karena kerapatan akan menyebabkan gradien kerapatan yang menggerakkan airuntuk mengalir di dalam loop. Kemampuan pergerakan molekul air karena beda kerapatan danditambah adanya perbedaan ketinggian akan menimbulkan aliran di dalam loop. Stabilitas alirandiharapkan akan timbul apabila terjadi perbedaan temperatur yang stabil antara bagian dingin danbagian panas. Aliran tanpa adanya intervensi mekanik seperti pompa atau kendali aliran, disebutfenomena aliran sirkulasi alamiah. Aplikasi dari sirkulasi alamiah seperti pada teknologi pemanassurya, konversi energi, pembangkit listrik tenaga nuklir dan termal control untuk komponenelektronik.Beberapa penelitian terkait fenomena sirkulasi alamian seperti yang dilakukan oleh Welander [1]telah mempertimbangkan aspek penggerak (driven) dalam aliran yang timbul karena gaya apung(buoyancy), perbedaan tekanan dan hambatan oleh gaya gesekan pada pipa. Kasus fluida laminarpada fasa tunggal oleh Dobson [2], menjelaskan skema formulasi yang sederhana yang mampumenangkap perilaku non-liner dan transien pada loop. Instabilitas aliran yang muncul belum dapatdijelaskan. Penelitian lainnya seperti yang dilakukan oleh K.Chen [3] dan P.K. Vijayan [4-5],menjelaskan instabilitas osilasi aliran dan stabilitas yang muncul pada loop yang dilakukan melaluieksperimen dan simulasi komputer, meskipun kondisi batasnya belum didefiniskan secara baik.Kemudian, review terhadap aliran thermosypon pada geometri umum dan aplikasinya telahdilakukan oleh Grief [6], P.K. Vijayan et al. [5], and Zvirin [7], dimana untuk kasus untairektangular terbuka dan tertutup telah menekankan pada aliran steadi dan aliran transien sepertihalnya analisis stabilitas sistem berdasarkan variasi kondisi pemanasan dan pendinginan.Sedangkan, Perbedaan kondisi batas termal, seperti perubahan sudut kemiringan untai telahdipertimbangkan oleh Misale [8] dan konduksi termal pipa juga dipertimbangkan oleh Jiang [9–12].2. Metoda EksperimenFasilitas EksperimenFasilitas eksperimen yang ada di laboratorium teknik dan devais untuk konversi energi (EDfEC,

Engineering and Device for Energy Conversion) di FTUIKA Bogor, telah dikonstruksi pada tahun2009. Fasilitas eksperimen yang disebut Untai simulasi sirkulasi alamiah (USSA-FT01) dibuatdengan bentuk segi empat, dengan panjang 1,5 meter dan lebar 1,0 meter dibuat menggunakanpipa SS304 dengan diameter 1 inch (2,54 cm). Sisi panjang terdiri dari 3 pipa dan sisi lebar terdiridari 2 pipa yang ujung-ujung dipasang flange, dengan tujuan agar ukuran untai dapat dimodifikasisesuai kebutuhan eksperimen. Gambar 1 menujukkan geometri USSA FT-0124 Mulya Juarsa dkkGambar 1. Geometri tampak atas USSA FT-01Perubahan sudut kemiringan untai dilakukan dengan merubah kedudukan USSA FT-01 pada suatupenopang persegi empat (berbahan CS), dimana penopang disambungkan dengan engsel. Busurderajat dipasang pada salah satu engsel untuk mengetahui posisi kemiringan untai. Gambar 2menunjukkan bagian lengkap dari fasilitas eksperimen. Gambar 2 menunjukkan posisi untaiberdasarkan kemiringan sudutnya. Ketinggian (H) diperoleh dengan rumus,H (550 mm)SinSistem intrumentasi adalah dengan mengendalikan temperatur yang dilakukan PLC yangterkoneksi ke heater melalui SSR (solid state relay), dimana temperatur heater akan disesuikandengan perubahan temperatur pada cooler. Data pengukuran temperatur menggunakan termokopeltipe K, kemudian data pengukuran direkam melalui sistem akuisisi data (DAS) WinDAQ T1000dengan sampling rate 1 data per-detik pada 8 kanal (dalam makalah ini data hanya ditampilkanuntuk Th dan Tc). Gambar lengkap dari fasilitas eksperimen disajikan pada Gambar 3.Gambar 2. Fungsi sudut kemiringan untai550 mm

Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 25Gambar 3. Fasilitas eksperimen USSA FT-01Prosedur EksperimenEksperimen sebelumnya didahului dengan mengisi untai dengan air menggunakan katup inlet,kemudian diberikan tekanan secara hidrostatik hingga mencapai 1 bar lebih (untuk mengujikebocoran). Setelah tidak terjadi kebocoran, eksperimen sudah bisa dilakukan. Setelah air terisipada untai, setting terhadap system instrumentasi dilakukan. Kemudian posisi untai dirubahberdasarkan sudut kemiringan yang ditentukan, dalam hal ini 30o, 45o dan 90o. Langkah pertamamenghidupkan cooler hingga temperatur minimal tercapai, sekitar -9 oC. Kemudian setelah itu,daya heater dinaikkan secara gradual berdasarkan setting dari PLC melalui SSR. Persentasekenaikan daya adalah sebesar 20% setiap 10 menit. Daya maksimal heater adalah 300 Watt. Saatheater dihidupkan, maka DAS mulai merekam data. Eksperimen dilakukan untuk setiapperubahan sudut untaiPerhitunganHasil pengamatan perbedaan temperatur pada heater dan cooler dikonversikan menjadi densitas

air untuk memperoleh perbedaan densitas air pada untai dari sifat fisik air, sehingga dapatdigunakan untuk menghitung laju aliran massa air yang terjadi di dalam untai USSA FT-01,menggunakan korelasi (1)[10-11].m& 2 2gH(c −h )R(1)Dengan m& (kg/s) adalah laju aliran massa air, H (meter) adalah ketinggian antara heater dancooler, (kg/m3) adalah massa jenis air, g percepatan gravitas (m/s2) dan R adalah resistensihidrodinamika (m4). Hasil perkalian antara Q (m3/s) debit air dengan densitas air sama adalah lajualiran massa air, seperti yang diuraikan melalui korelasi (2).m& Qair Av(2)Dengan A (m2) luasan hidrodinamika, v (m/s) kecepatan aliran air. Kemudian korelasi (1)disubstitusikan ke dalam korelasi (2), sehingga diperoleh korelasi (3), sebagai berikut;26 Mulya Juarsa dkk2

2 2 ( )R AgHv c h

−(3)Bilangan Reynolds yang mempunyai fungsi sebagai bilangan penentu aliran laminer atau aliranturbulen yang timbul pada USSA FT-01 dihitung menggunakan korelasi (2). Korelasi (4)menunjukkan hubungan bilangan Reynolds dengan faktor gesek Fanning. Faktor gesek DarcyWeishbach (fD) mempunyai besar empat kali faktor gesek Fanning (ff), sehingga (fD) = 4 (ff) sepertipada korelasi (5).D vf f 16(4)D vf D 64(5)Kemudian harga resistensi termohidrolik ditunjukan pada korelasi (6)[12].2 2

2 64vA DL K vDR(6)Dengan L (m) panjang total untai, D (m) diameter dalam pipa. Untuk memperoleh kecepatan rataratayang terjadi di dalam untai adalah dengan mensubstitusikan korelasi (6) ke dalam korelasi (3),dengan menggunakan rumus abc diperoleh korelasi (7), sebagai berikut.

22 4

264 (64 ) 8 ( )K DL L gHK Dv c h

−−(7)Harga untuk massa jenis air diperoleh dari table sifat fisik air berdasarkan perubahantemperaturnya.3. Hasil dan PembahasanHasil pengukuranHasil pengukuran pada dasarnya dilakukan pada 8 titik pengukuran, untuk penelitian ini hanya 2titik pengukuran temperatur saja yang ditampilkan. Gambar 4, Gambar 5 dan Gambar 6menyajikan hasil pengukuran Th dan Tc serta selisihnya berdasarkan vairasi sudut kemiringan untaisecara berturut-turut dari 30o, 45o dan 90o.Gambar 4. Temperatur air pada daerah heater dan cooler untuk sudut kemiringan 30o0 500 1000 1500 2000 2500 3000-100102030405060708090100

Temperatur Termokopel, T[o

C]waktu, t [detik]Tc

Th

T=Th-Tc

Kurva Temperatur heater dan cooler USSA FT-01

=30o

Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 27Gambar 5. Temperatur air pada daerah heater dan cooler untuk sudut kemiringan 45o

Gambar 6. Temperatur air pada daerah heater dan cooler untuk sudut kemiringan 90o

Fenomena perubahan temperatur selama 50 menit dapat dijelaskan sebagai berikut, pada Gambar 4untuk sudut kemiringan 30o kenaikan temperatur air pada daerah heater terjadi dengan cepat dancukup tajam, dimulai dari 0 detik hingga sekitar 800 detik temperatur air yang semula 27 oC naikmenjadi 47 oC. Kemudian temperatur mulai stabil dari 800 detik hingga 3000 detik, meski padadetik ke 2200, temperatur naik sekitar 8 oC. Kecenderungan kenaikan temperatur air yang tajampada daerah heater diimbangi dengan pengurangan temperatur air pada cooler, meski terjadikenaikan kembali mulai detik ke 800. Sedangkan pada posisi 45o (Gambar 5) profile temperaturseperti pada kasus 30o tidak terjadi, temperatur air di daerah heater naik secara perlahan. Meskipundemikian gradien kenaikannya sekitar 14 oC selama 1000 detik. Pada kasus kemiringan untai 90o,temperatur air di daerah heater dari awal naik secara perlahan hingga detik terakhir pada 3000detik. Kenaikan hanya sekitar 6 oC selama 3000 detik. Perbedaan gradien keanikan temperatur jika

disimpulkan mengalami perubahan berdasarkan perubahan sudut kemiringan untai. Gradientemperatur mengalami penurunan untuk kenaikan besarnya sudut kemiringan untai.PembahasanBerdasarkan data pengukuran temperatur air pada daerah heater dan cooler sepertti yangdipresentasikan pada Gambar 4, Gambar 5 dan Gambar 6. Kemudian harga massa jenis airberdasarkan perubahan temperatur menggunakan tabel sifat fisik air, kemudian data tersebutdimasukkan ke dalam korelasi (7). Hasil perhitungan berdasarkan korelasi (7) kembali dimasukkan0 500 1000 1500 2000 2500 3000-100102030405060708090100



Th

T=Th-Tc


=45o0 500 1000 1500 2000 2500 3000-100102030405060708090100



Th

T=Th-Tc


=90o

28 Mulya Juarsa dkkke dalam korelasi (2) dengan terlebih dahulu menghitung luas tampang lintang dalam pipa (A),resistansi hidrodinamika (R). Hasil perhitungan disajikan pada Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9untuk setiap perubahan besar sudut kemiringan.Gambar 7. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 0o

Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9 memiliki profile perubahan laju aliran massa air yang sesuaidengan profile perubahan temperatur di daerah heater atau selisih temperatur. Stabilitas laju aliranpada kasus kemiringan 30o (Gambar 7) mulai terjadi pada detik 750 hingga detik ke 3000. Hal inisangat sesuai dengan yang terjadi pada perubahan temperatur seperti pada Gambar 4. Demikiankondisi serupa juga terjadi pada Gambar 8 dan Gambar 9 untuk sudut kemiringan untai 45o dan90o, bahwa pengaruh satbilitas temperatur pada untai akan berpengaruh pula pada stabilitas laju

aliran massa. Keadaan ini telah diprediksikan oleh Misale [10] dan D’Auria [11], bahwa stabilitastemperatur akan berpengaruh pada stabilitas aliran fluida.Gambar 8. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 45o

Mekanisme yang dapat dijelaskan dari kasus ini adalah, untuk sudut kemiringan untai 30o, efekdari gaya apung dengan ketinggian H=0,275 meter menyebabkan gerakan molekul air untuk segeramengisi kembali bagian yang kurang rapat kurang terbantu oleh efek gaya apung. Kemudian jikadibandingkan dengan sudut kemiringan 45o dan 90o, efek gaya apung semakin membesar seiringdengan perubahan ketinggian, yaitu berturut-turut menjadi H= 389 meter dan H=0,550 meter.Menjadi jelas bahwa, efek perubahan sudut kemiringan berlaku untuk waktu pencapaian kestabilanselisih temperatur air. Sedangkan besarnya perubahan laju aliran massa air bergantung pada0 500 1000 1500 2000 2500 30000,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,20

Laju aliran massa air, m [kg/s]waktu, t [detik]data laju aliran massa airKurva laju aliran massa air

=30olaju aliran massa (rata2) = 0,05656 kg/s0 500 1000 1500 2000 2500 30000,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,20


=45olaju aliran massa (rata2) = 0,04967 kg/s

Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 29kestabilan temperatur air. Beda besarnya laju aliran massa air terkait dengan beda temperatur airpada daerah heater dan cooler. Hal tersebut dapat dijelaskan pada Gambar 10. Gambar 10menjelaskan perubahan laju aliran massa air akan didominasi oleh besarnya beda temperatur air didaerah heater dan cooler. Selain itu efek gaya apung memberikan kontribusi terhadap mekanismekestabilan temperatur dan laju aliran massa.Gambar 9. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 90o

Gambar 10. Efek beda tempratur dan laju aliran massa air berdasarjan sudut kemiringan4. KesimpulanHasil studi eksperimental laju aliran massa air berdasarkan perubahan sudut kemiringan untai,menyimpulkan bahwa:- Karakteristik laju aliran massa dipengaruhi oleh beda temperatur air di daerah heater dan

cooler, serta beda ketinggian antara heater dan cooler.- Laju aliran tertinggi adalah 0,098 kg/s untuk H=0,550 m dan beda temperatur rata-rata 38,19oC untuk sudut 90o. Laju aliran minimal terjadi pada sudut 45o, dikarenakan beda temperaturrata-ratanya 16,37 oC meskipun memiliki ketinggian H yang lebih besar dibandingkan sudutkemiringan 30o.- Keadaan tersebut menyimpulkan bahwa, efek besarnya perbedaan rata-rata temperatur airpada daerah heater dan cooler lebih besar dibandingkan efek gaya apung yang beracuan padabeda ketinggian.-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,20


=90olaju aliran massa (rata2) = 0,09804 kg/s0 15 30 45 60 75 90 105 1200,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,20Rata-rata laju aliran massa airLaju aliran massa air rata-rata [kg/s]sudut kemiringan untai, [o]05101520253035404550

Beda temperatur rata-rata [oC]Trata-rata

30 Mulya Juarsa dkkStudi awal ini menunjukkan bahwa perlunya dilakukan eksperimen lanjutan dengan menetapkanbeda temperatur air harus sama. Sehingga efek gaya apung terhadap mekanisme pergerakan fluidaakan lebih diperjelas dan dianalisis dengan baik.Ucapan TerimakasihPenulis mengucapkan terimakasih kepada Dekan Fakutas Teknik UIKA Bogor atas dukunganmoril dan menyediakan Lab. EdfEC untuk riset dosen dan mahasiswa. Para sarjana alumni EDfECmaupun yang masih riset TA, kami ucapkan terimakasih atas kerjasama dan kerja kerasnya.Daftar Pustaka1. P. Welander, Journal of Fluid Mech, 29, Part 1, 17-30 (1967).2. R.T. Dobson, Transient response of a closed loop thermosyphon, R & D J., 9, 32-38 (1993).3. K. Chen, On the oscillatory instability of closed-loop thermosypons, Journal of Heat Transfer ,

105 (1985).4. P.K.Vijayan et al., Effect of loop diameter on the stability of single-phase natural circulation inrectangular loop, Proc. 5th Int.Topical Meeting on reactor thermal hydraulics (Salt Lake City),September 21-24. pp 261-267 (1992).5. P.K.Vijayan et al., Simulation of unstable oscillatory behaviour of single-phase naturalcirculation with repetitve flow reversals in a rectangular loop using computer code ATHLET,Nuclear Engineering and Desaign, 155, 623-41 (1995).6. R. Greif, Natural circulation loops, Journal of Heat Transfer, 110, 1243–57 (1988) .7. Y. Zvirin, A review of N. C. loops in PWR and other systems, Nuclear Engineering andDesign, 67, 203–25 (1981).8. M. Misale et al., Some considerations on the interaction between the fluid and wall tube duringexperiments in a single-phase natural circulation loops, IASME Transaction Issue 9 , 2, Jurnal Material dan Energi IndonesiaVol. 01, No. 01 (2011) 22 – 30© Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran22STUDI EKPERIMENTAL LAJU ALIRAN MASSA AIRBERDASARKAN PERUBAHAN SUDUT KEMIRINGAN UNTAIPADA KASUS SIRKULASI ALAMIAH MENGGUNAKANUNTAI SIMULASI SIRKULASI ALAMIAH (USSA-FT01)MULYA JUARSA†, ARIEF GOERITNO, ASEP SUHERI, IWAN SUMIRAT,DEWANTO SAPTOADI, ANDIKA NURCAHYOEngineering and Devices for Energy Conversion (EDfEC) LaboratoryFakultas Teknik Univeristas Ibn Khaldun BogorJl. KH. Soleh Iskandar Bogor – Jawa Barat INDONESIAditerima 3 November 2010revisi 19 Pebruari 2011dipublikasikan 28 Pebruari 2011Abstrak. Optimalisasi pemanfaatan energi untuk efisiensi dilakukan selain merancang bangun alat konversienergi yang baru, juga memanfaatkan hukum-hukum alam yang berlaku seperti fenomena natural sirkulasialamiah. Studi ekperimental dilakukan untuk memahami fenomena natural sirkulasi dengan menghitung lajualiran massa air berdasarkan data perubahan temperatur pada bagian dingin dan bagian panas di untai USSAFT-01. Konstruksi USSA FT-01 terdiri dari komponen pipa SS304 berdiameter 1 inci, heater, cooler dantangki ekspansi. Variasi eksperimen adalah beda ketinggian antara sisi panas dan sisi dingin berdasarkanvariasi sudut kemiringan untai, yaitu 30o, 45o dan 90o. Temperatur outlet dari heater (Th) dan temperaturoutlet dari cooler (Tc) digunakan sebagai parameter yang diukur dan direkam dengan rentang waktueksperimen selama 50 menit. Hasil ekperimen dan perhitungan menggunakan beberapa korelasimenunjukkan, laju aliran massa air akan memiliki harga kestabilan yang secara berturut-turut adalah 5,6 gr/s,4,9 gr/s dan 9,8 gr/s berdasarkan perubahan sudut kemiringan 30o, 45o dan 90o. Pengaruh beda temperaturrata-rata lebih dominan dibandingkan gaya apung karena beda ketinggian.Kata kunci : sirkulasi alamiah, fenomena, aliran, massaAbstract. Optimizing energy utilization for more efficiency purpose can be done by design and construct anew energy conversion devices, also apply a natural laws such as natural circulation. Experimental studieshas been conducting to understand the phenomena of natural circulation by calculating the water mass flowrate based on temperature changes in the cold area and the hot area in the USSA FT-01’s loop. ConstructionUSSA FT-01 consists of components SS304 pipe 1 inch in diameter, heater, cooler and expansion tank.Experimental variation is the height difference between hot side and cold side based on the variation of loopangle, i.e. 30o, 45o and 90o. Outlet of the heater temperature (Th) and the outlet of the cooler temperature (Tc)were used as a parameter that is measured and recorded with the experimental time range for 50 minutes.Experimental results and calculations using multiple correlation shows that the water mass flow rate willhave a stable value in respectively 5.6 g/s, 4.9 g/s and 9.8 g/s based on angle variations of 30o, 45o and 90o.The effect of average temperature difference is more dominant than the buoyancy force due to the differenceof height between the cold and hot side.Keywords : natural circulation, phenomena, flow, mass1. PendahuluanPerpindahan energi dalam bentuk kalor pada suatu peralatan konversi energi masih menjadi kajiandan tema penelitian yang belum usang. Peningkatan kebutuhan energi yang terus-terusan mestidiantisipasi dan hal ini memaksa penelitian terhadap fenomena yang muncul selama kalor

dipindahkan menjadi perhatian penting. Salah satu peralatan pemindah kalor berupa loop tertutup† email : [email protected] Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 23thermosyphon memiliki kemampuan untuk memindahkan kalor dari suatu sumber ke area yanglebih dingin lain dengan jarak tertentu. Kondisi ini dapat digambarkan dengan loop tertutup yangdiisi fluida kerja (air). Jika salah satu bagian dipanaskan dan bagian lainnya didinginkan, makakerapatan air di bagian yang panas lebih rendah dibandingkan dengan bagian dingin. Perbedaantekanan hidrostatik karena kerapatan akan menyebabkan gradien kerapatan yang menggerakkan airuntuk mengalir di dalam loop. Kemampuan pergerakan molekul air karena beda kerapatan danditambah adanya perbedaan ketinggian akan menimbulkan aliran di dalam loop. Stabilitas alirandiharapkan akan timbul apabila terjadi perbedaan temperatur yang stabil antara bagian dingin danbagian panas. Aliran tanpa adanya intervensi mekanik seperti pompa atau kendali aliran, disebutfenomena aliran sirkulasi alamiah. Aplikasi dari sirkulasi alamiah seperti pada teknologi pemanassurya, konversi energi, pembangkit listrik tenaga nuklir dan termal control untuk komponenelektronik.Beberapa penelitian terkait fenomena sirkulasi alamian seperti yang dilakukan oleh Welander [1]telah mempertimbangkan aspek penggerak (driven) dalam aliran yang timbul karena gaya apung(buoyancy), perbedaan tekanan dan hambatan oleh gaya gesekan pada pipa. Kasus fluida laminarpada fasa tunggal oleh Dobson [2], menjelaskan skema formulasi yang sederhana yang mampumenangkap perilaku non-liner dan transien pada loop. Instabilitas aliran yang muncul belum dapatdijelaskan. Penelitian lainnya seperti yang dilakukan oleh K.Chen [3] dan P.K. Vijayan [4-5],menjelaskan instabilitas osilasi aliran dan stabilitas yang muncul pada loop yang dilakukan melaluieksperimen dan simulasi komputer, meskipun kondisi batasnya belum didefiniskan secara baik.Kemudian, review terhadap aliran thermosypon pada geometri umum dan aplikasinya telahdilakukan oleh Grief [6], P.K. Vijayan et al. [5], and Zvirin [7], dimana untuk kasus untairektangular terbuka dan tertutup telah menekankan pada aliran steadi dan aliran transien sepertihalnya analisis stabilitas sistem berdasarkan variasi kondisi pemanasan dan pendinginan.Sedangkan, Perbedaan kondisi batas termal, seperti perubahan sudut kemiringan untai telahdipertimbangkan oleh Misale [8] dan konduksi termal pipa juga dipertimbangkan oleh Jiang [9–12].2. Metoda EksperimenFasilitas EksperimenFasilitas eksperimen yang ada di laboratorium teknik dan devais untuk konversi energi (EDfEC,

Engineering and Device for Energy Conversion) di FTUIKA Bogor, telah dikonstruksi pada tahun2009. Fasilitas eksperimen yang disebut Untai simulasi sirkulasi alamiah (USSA-FT01) dibuatdengan bentuk segi empat, dengan panjang 1,5 meter dan lebar 1,0 meter dibuat menggunakanpipa SS304 dengan diameter 1 inch (2,54 cm). Sisi panjang terdiri dari 3 pipa dan sisi lebar terdiridari 2 pipa yang ujung-ujung dipasang flange, dengan tujuan agar ukuran untai dapat dimodifikasisesuai kebutuhan eksperimen. Gambar 1 menujukkan geometri USSA FT-0124 Mulya Juarsa dkkGambar 1. Geometri tampak atas USSA FT-01Perubahan sudut kemiringan untai dilakukan dengan merubah kedudukan USSA FT-01 pada suatupenopang persegi empat (berbahan CS), dimana penopang disambungkan dengan engsel. Busurderajat dipasang pada salah satu engsel untuk mengetahui posisi kemiringan untai. Gambar 2menunjukkan bagian lengkap dari fasilitas eksperimen. Gambar 2 menunjukkan posisi untaiberdasarkan kemiringan sudutnya. Ketinggian (H) diperoleh dengan rumus,H (550 mm)SinSistem intrumentasi adalah dengan mengendalikan temperatur yang dilakukan PLC yangterkoneksi ke heater melalui SSR (solid state relay), dimana temperatur heater akan disesuikandengan perubahan temperatur pada cooler. Data pengukuran temperatur menggunakan termokopeltipe K, kemudian data pengukuran direkam melalui sistem akuisisi data (DAS) WinDAQ T1000dengan sampling rate 1 data per-detik pada 8 kanal (dalam makalah ini data hanya ditampilkanuntuk Th dan Tc). Gambar lengkap dari fasilitas eksperimen disajikan pada Gambar 3.Gambar 2. Fungsi sudut kemiringan untai550 mm

Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 25Gambar 3. Fasilitas eksperimen USSA FT-01Prosedur EksperimenEksperimen sebelumnya didahului dengan mengisi untai dengan air menggunakan katup inlet,kemudian diberikan tekanan secara hidrostatik hingga mencapai 1 bar lebih (untuk mengujikebocoran). Setelah tidak terjadi kebocoran, eksperimen sudah bisa dilakukan. Setelah air terisipada untai, setting terhadap system instrumentasi dilakukan. Kemudian posisi untai dirubahberdasarkan sudut kemiringan yang ditentukan, dalam hal ini 30o, 45o dan 90o. Langkah pertamamenghidupkan cooler hingga temperatur minimal tercapai, sekitar -9 oC. Kemudian setelah itu,daya heater dinaikkan secara gradual berdasarkan setting dari PLC melalui SSR. Persentasekenaikan daya adalah sebesar 20% setiap 10 menit. Daya maksimal heater adalah 300 Watt. Saatheater dihidupkan, maka DAS mulai merekam data. Eksperimen dilakukan untuk setiapperubahan sudut untaiPerhitunganHasil pengamatan perbedaan temperatur pada heater dan cooler dikonversikan menjadi densitas

air untuk memperoleh perbedaan densitas air pada untai dari sifat fisik air, sehingga dapatdigunakan untuk menghitung laju aliran massa air yang terjadi di dalam untai USSA FT-01,menggunakan korelasi (1)[10-11].m& 2 2gH(c −h )R(1)Dengan m& (kg/s) adalah laju aliran massa air, H (meter) adalah ketinggian antara heater dancooler, (kg/m3) adalah massa jenis air, g percepatan gravitas (m/s2) dan R adalah resistensihidrodinamika (m4). Hasil perkalian antara Q (m3/s) debit air dengan densitas air sama adalah lajualiran massa air, seperti yang diuraikan melalui korelasi (2).m& Qair Av(2)Dengan A (m2) luasan hidrodinamika, v (m/s) kecepatan aliran air. Kemudian korelasi (1)disubstitusikan ke dalam korelasi (2), sehingga diperoleh korelasi (3), sebagai berikut;26 Mulya Juarsa dkk2

2 2 ( )R AgHv c h

−(3)Bilangan Reynolds yang mempunyai fungsi sebagai bilangan penentu aliran laminer atau aliranturbulen yang timbul pada USSA FT-01 dihitung menggunakan korelasi (2). Korelasi (4)menunjukkan hubungan bilangan Reynolds dengan faktor gesek Fanning. Faktor gesek DarcyWeishbach (fD) mempunyai besar empat kali faktor gesek Fanning (ff), sehingga (fD) = 4 (ff) sepertipada korelasi (5).D vf f 16(4)D vf D 64(5)Kemudian harga resistensi termohidrolik ditunjukan pada korelasi (6)[12].2 2

2 64vA DL K vDR(6)Dengan L (m) panjang total untai, D (m) diameter dalam pipa. Untuk memperoleh kecepatan rataratayang terjadi di dalam untai adalah dengan mensubstitusikan korelasi (6) ke dalam korelasi (3),dengan menggunakan rumus abc diperoleh korelasi (7), sebagai berikut.

22 4

264 (64 ) 8 ( )K DL L gHK Dv c h




Th

T=Th-Tc


=30o



Fenomena perubahan temperatur selama 50 menit dapat dijelaskan sebagai berikut, pada Gambar 4untuk sudut kemiringan 30o kenaikan temperatur air pada daerah heater terjadi dengan cepat dancukup tajam, dimulai dari 0 detik hingga sekitar 800 detik temperatur air yang semula 27 oC naikmenjadi 47 oC. Kemudian temperatur mulai stabil dari 800 detik hingga 3000 detik, meski padadetik ke 2200, temperatur naik sekitar 8 oC. Kecenderungan kenaikan temperatur air yang tajampada daerah heater diimbangi dengan pengurangan temperatur air pada cooler, meski terjadikenaikan kembali mulai detik ke 800. Sedangkan pada posisi 45o (Gambar 5) profile temperaturseperti pada kasus 30o tidak terjadi, temperatur air di daerah heater naik secara perlahan. Meskipundemikian gradien kenaikannya sekitar 14 oC selama 1000 detik. Pada kasus kemiringan untai 90o,temperatur air di daerah heater dari awal naik secara perlahan hingga detik terakhir pada 3000detik. Kenaikan hanya sekitar 6 oC selama 3000 detik. Perbedaan gradien keanikan temperatur jika

disimpulkan mengalami perubahan berdasarkan perubahan sudut kemiringan untai. Gradientemperatur mengalami penurunan untuk kenaikan besarnya sudut kemiringan untai.PembahasanBerdasarkan data pengukuran temperatur air pada daerah heater dan cooler sepertti yangdipresentasikan pada Gambar 4, Gambar 5 dan Gambar 6. Kemudian harga massa jenis airberdasarkan perubahan temperatur menggunakan tabel sifat fisik air, kemudian data tersebutdimasukkan ke dalam korelasi (7). Hasil perhitungan berdasarkan korelasi (7) kembali dimasukkan0 500 1000 1500 2000 2500 3000-100102030405060708090100



Th

T=Th-Tc


=45o0 500 1000 1500 2000 2500 3000-100102030405060708090100



Th

T=Th-Tc


=90o

28 Mulya Juarsa dkkke dalam korelasi (2) dengan terlebih dahulu menghitung luas tampang lintang dalam pipa (A),resistansi hidrodinamika (R). Hasil perhitungan disajikan pada Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9untuk setiap perubahan besar sudut kemiringan.Gambar 7. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 0o

Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9 memiliki profile perubahan laju aliran massa air yang sesuaidengan profile perubahan temperatur di daerah heater atau selisih temperatur. Stabilitas laju aliranpada kasus kemiringan 30o (Gambar 7) mulai terjadi pada detik 750 hingga detik ke 3000. Hal inisangat sesuai dengan yang terjadi pada perubahan temperatur seperti pada Gambar 4. Demikiankondisi serupa juga terjadi pada Gambar 8 dan Gambar 9 untuk sudut kemiringan untai 45o dan90o, bahwa pengaruh satbilitas temperatur pada untai akan berpengaruh pula pada stabilitas laju

aliran massa. Keadaan ini telah diprediksikan oleh Misale [10] dan D’Auria [11], bahwa stabilitastemperatur akan berpengaruh pada stabilitas aliran fluida.Gambar 8. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 45o






Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 29kestabilan temperatur air. Beda besarnya laju aliran massa air terkait dengan beda temperatur airpada daerah heater dan cooler. Hal tersebut dapat dijelaskan pada Gambar 10. Gambar 10menjelaskan perubahan laju aliran massa air akan didominasi oleh besarnya beda temperatur air didaerah heater dan cooler. Selain itu efek gaya apung memberikan kontribusi terhadap mekanismekestabilan temperatur dan laju aliran massa.Gambar 9. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 90o

Gambar 10. Efek beda tempratur dan laju aliran massa air berdasarjan sudut kemiringan4. KesimpulanHasil studi eksperimental laju aliran massa air berdasarkan perubahan sudut kemiringan untai,menyimpulkan bahwa:- Karakteristik laju aliran massa dipengaruhi oleh beda temperatur air di daerah heater dan

cooler, serta beda ketinggian antara heater dan cooler.- Laju aliran tertinggi adalah 0,098 kg/s untuk H=0,550 m dan beda temperatur rata-rata 38,19oC untuk sudut 90o. Laju aliran minimal terjadi pada sudut 45o, dikarenakan beda temperaturrata-ratanya 16,37 oC meskipun memiliki ketinggian H yang lebih besar dibandingkan sudutkemiringan 30o.- Keadaan tersebut menyimpulkan bahwa, efek besarnya perbedaan rata-rata temperatur airpada daerah heater dan cooler lebih besar dibandingkan efek gaya apung yang beracuan padabeda ketinggian.-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,20




30 Mulya Juarsa dkkStudi awal ini menunjukkan bahwa perlunya dilakukan eksperimen lanjutan dengan menetapkanbeda temperatur air harus sama. Sehingga efek gaya apung terhadap mekanisme pergerakan fluidaakan lebih diperjelas dan dianalisis dengan baik.Ucapan TerimakasihPenulis mengucapkan terimakasih kepada Dekan Fakutas Teknik UIKA Bogor atas dukunganmoril dan menyediakan Lab. EdfEC untuk riset dosen dan mahasiswa. Para sarjana alumni EDfECmaupun yang masih riset TA, kami ucapkan terimakasih atas kerjasama dan kerja kerasnya.Daftar Pustaka1. P. Welander, Journal of Fluid Mech, 29, Part 1, 17-30 (1967).2. R.T. Dobson, Transient response of a closed loop thermosyphon, R & D J., 9, 32-38 (1993).3. K. Chen, On the oscillatory instability of closed-loop thermosypons, Journal of Heat Transfer ,

105 (1985).4. P.K.Vijayan et al., Effect of loop diameter on the stability of single-phase natural circulation inrectangular loop, Proc. 5th Int.Topical Meeting on reactor thermal hydraulics (Salt Lake City),September 21-24. pp 261-267 (1992).5. P.K.Vijayan et al., Simulation of unstable oscillatory behaviour of single-phase naturalcirculation with repetitve flow reversals in a rectangular loop using computer code ATHLET,Nuclear Engineering and Desaign, 155, 623-41 (1995).6. R. Greif, Natural circulation loops, Journal of Heat Transfer, 110, 1243–57 (1988) .7. Y. Zvirin, A review of N. C. loops in PWR and other systems, Nuclear Engineering andDesign, 67, 203–25 (1981).8. M. Misale et al., Some considerations on the interaction between the fluid and wall tube duringexperiments in a single-phase natural circulation loops, IASME Transaction Issue 9 , 2,1717–22 (2005).9. Y.Y. Jiang, M. Shoji, Flow stability in a natural circulation loop: influence of wall thermalconductivity, Nuclear Engineering Design, 222, 6–28 (2003).10. M. Misale et al., Experiments in a single-phase natural circulation mini-loop, University ofGenoa, Genoa, Italy (2006).11. F. D’Auria, et al., Insights Into Natural Circulation Stability, Dipartimento Di IngegneriaMeccanica, Nucleare e Della Produzione Universita' di Pisa 56100 Pisa, Italy, IAEA Courseon Natural Circulation in Water-Cooled Nuclear Power Plants, ICTP, Trieste, Italy, 25-29 June(2007).12. P.K. Vijayan et al., Experimental observations on the general trends of the steady state andstability behaviour of single-phase natural circulation loops, Nuclear Engineering and Design,215, 139–52 (2002)1717–22 (2005).9. Y.Y. Jiang, M. Shoji, Flow stability in a natural circulation loop: influence of wall thermalconductivity, Nuclear Engineering Design, 222, 6–28 (2003).10. M. Misale et al., Experiments in a single-phase natural circulation mini-loop, University ofGenoa, Genoa, Italy (2006).11. F. D’Auria, et al., Insights Into Natural Circulation Stability, Dipartimento Di IngegneriaMeccanica, Nucleare e Della Produzione Universita' di Pisa 56100 Pisa, Italy, IAEA Courseon Natural Circulation in Water-Cooled Nuclear Power Plants, ICTP, Trieste, Italy, 25-29 June(2007).12. P.K. Vijayan et al., Experimental observations on the general trends of the steady state andstability behaviour of single-phase natural circulation loops, Nuclear Engineering and Design,215, 139–52 (2002)a bagian dingin dan bagian panas di untai USSAFT-01. Konstruksi USSA FT-01 terdiri dari komponen pipa SS304 berdiameter 1 inci, heater, cooler dantangki ekspansi. Variasi eksperimen adalah beda ketinggian antara sisi panas dan sisi dingin berdasarkanvariasi sudut kemiringan untai, yaitu 30o, 45o dan 90o. Temperatur outlet dari heater (Th) dan temperaturoutlet dari cooler (Tc) digunakan sebagai parameter yang diukur dan direkam dengan rentang waktueksperimen selama 50 menit. Hasil ekperimen dan perhitungan menggunakan beberapa korelasimenunjukkan, laju aliran massa air akan memiliki harga kestabilan yang secara berturut-turut adalah 5,6 gr/s,4,9 gr/s dan 9,8 gr/s berdasarkan perubahan sudut kemiringan 30o, 45o dan 90o. Pengaruh beda temperaturrata-rata lebih dominan dibandingkan gaya apung karena beda ketinggian.Kata kunci : sirkulasi alamiah, fenomena, aliran, massaAbstract. Optimizing energy utilization for more efficiency purpose can be done by design and construct anew energy conversion devices, also apply a natural laws such as natural circulation. Experimental studieshas been conducting to understand the phenomena of natural circulation by calculating the water mass flowrate based on temperature changes in the cold area and the hot area in the USSA FT-01’s loop. Construction

USSA FT-01 consists of components SS304 pipe 1 inch in diameter, heater, cooler and expansion tank.Experimental variation is the height difference between hot side and cold side based on the variation of loopangle, i.e. 30o, 45o and 90o. Outlet of the heater temperature (Th) and the outlet of the cooler temperature (Tc)were used as a parameter that is measured and recorded with the experimental time range for 50 minutes.Experimental results and calculations using multiple correlation shows that the water mass flow rate willhave a stable value in respectively 5.6 g/s, 4.9 g/s and 9.8 g/s based on angle variations of 30o, 45o and 90o.The effect of average temperature difference is more dominant than the buoyancy force due to the differenceof height between the cold and hot side.Keywords : natural circulation, phenomena, flow, mass1. PendahuluanPerpindahan energi dalam bentuk kalor pada suatu peralatan konversi energi masih menjadi kajiandan tema penelitian yang belum usang. Peningkatan kebutuhan energi yang terus-terusan mestidiantisipasi dan hal ini memaksa penelitian terhadap fenomena yang muncul selama kalordipindahkan menjadi perhatian penting. Salah satu peralatan pemindah kalor berupa loop tertutup† email : [email protected] Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 23thermosyphon memiliki kemampuan untuk memindahkan kalor dari suatu sumber ke area yanglebih dingin lain dengan jarak tertentu. Kondisi ini dapat digambarkan dengan loop tertutup yangdiisi fluida kerja (air). Jika salah satu bagian dipanaskan dan bagian lainnya didinginkan, makakerapatan air di bagian yang panas lebih rendah dibandingkan dengan bagian dingin. Perbedaantekanan hidrostatik karena kerapatan akan menyebabkan gradien kerapatan yang menggerakkan airuntuk mengalir di dalam loop. Kemampuan pergerakan molekul air karena beda kerapatan danditambah adanya perbedaan ketinggian akan menimbulkan aliran di dalam loop. Stabilitas alirandiharapkan akan timbul apabila terjadi perbedaan temperatur yang stabil antara bagian dingin danbagian panas. Aliran tanpa adanya intervensi mekanik seperti pompa atau kendali aliran, disebutfenomena aliran sirkulasi alamiah. Aplikasi dari sirkulasi alamiah seperti pada teknologi pemanassurya, konversi energi, pembangkit listrik tenaga nuklir dan termal control untuk komponenelektronik.Beberapa penelitian terkait fenomena sirkulasi alamian seperti yang dilakukan oleh Welander [1]telah mempertimbangkan aspek penggerak (driven) dalam aliran yang timbul karena gaya apung(buoyancy), perbedaan tekanan dan hambatan oleh gaya gesekan pada pipa. Kasus fluida laminarpada fasa tunggal oleh Dobson [2], menjelaskan skema formulasi yang sederhana yang mampumenangkap perilaku non-liner dan transien pada loop. Instabilitas aliran yang muncul belum dapatdijelaskan. Penelitian lainnya seperti yang dilakukan oleh K.Chen [3] dan P.K. Vijayan [4-5],menjelaskan instabilitas osilasi aliran dan stabilitas yang muncul pada loop yang dilakukan melaluieksperimen dan simulasi komputer, meskipun kondisi batasnya belum didefiniskan secara baik.

Kemudian, review terhadap aliran thermosypon pada geometri umum dan aplikasinya telahdilakukan oleh Grief [6], P.K. Vijayan et al. [5], and Zvirin [7], dimana untuk kasus untairektangular terbuka dan tertutup telah menekankan pada aliran steadi dan aliran transien sepertihalnya analisis stabilitas sistem berdasarkan variasi kondisi pemanasan dan pendinginan.Sedangkan, Perbedaan kondisi batas termal, seperti perubahan sudut kemiringan untai telahdipertimbangkan oleh Misale [8] dan konduksi termal pipa juga dipertimbangkan oleh Jiang [9–12].2. Metoda EksperimenFasilitas EksperimenFasilitas eksperimen yang ada di laboratorium teknik dan devais untuk konversi energi (EDfEC,Engineering and Device for Energy Conversion) di FTUIKA Bogor, telah dikonstruksi pada tahun2009. Fasilitas eksperimen yang disebut Untai simulasi sirkulasi alamiah (USSA-FT01) dibuatdengan bentuk segi empat, dengan panjang 1,5 meter dan lebar 1,0 meter dibuat menggunakanpipa SS304 dengan diameter 1 inch (2,54 cm). Sisi panjang terdiri dari 3 pipa dan sisi lebar terdiridari 2 pipa yang ujung-ujung dipasang flange, dengan tujuan agar ukuran untai dapat dimodifikasisesuai kebutuhan eksperimen. Gambar 1 menujukkan geometri USSA FT-0124 Mulya Juarsa dkkGambar 1. Geometri tampak atas USSA FT-01Perubahan sudut kemiringan untai dilakukan dengan merubah kedudukan USSA FT-01 pada suatupenopang persegi empat (berbahan CS), dimana penopang disambungkan dengan engsel. Busurderajat dipasang pada salah satu engsel untuk mengetahui posisi kemiringan untai. Gambar 2menunjukkan bagian lengkap dari fasilitas eksperimen. Gambar 2 menunjukkan posisi untaiberdasarkan kemiringan sudutnya. Ketinggian (H) diperoleh dengan rumus,H (550 mm)SinSistem intrumentasi adalah dengan mengendalikan temperatur yang dilakukan PLC yangterkoneksi ke heater melalui SSR (solid state relay), dimana temperatur heater akan disesuikandengan perubahan temperatur pada cooler. Data pengukuran temperatur menggunakan termokopeltipe K, kemudian data pengukuran direkam melalui sistem akuisisi data (DAS) WinDAQ T1000dengan sampling rate 1 data per-detik pada 8 kanal (dalam makalah ini data hanya ditampilkanuntuk Th dan Tc). Gambar lengkap dari fasilitas eksperimen disajikan pada Gambar 3.Gambar 2. Fungsi sudut kemiringan untai550 mm

Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 25Gambar 3. Fasilitas eksperimen USSA FT-01Prosedur EksperimenEksperimen sebelumnya didahului dengan mengisi untai dengan air menggunakan katup inlet,kemudian diberikan tekanan secara hidrostatik hingga mencapai 1 bar lebih (untuk mengujikebocoran). Setelah tidak terjadi kebocoran, eksperimen sudah bisa dilakukan. Setelah air terisi

pada untai, setting terhadap system instrumentasi dilakukan. Kemudian posisi untai dirubahberdasarkan sudut kemiringan yang ditentukan, dalam hal ini 30o, 45o dan 90o. Langkah pertamamenghidupkan cooler hingga temperatur minimal tercapai, sekitar -9 oC. Kemudian setelah itu,daya heater dinaikkan secara gradual berdasarkan setting dari PLC melalui SSR. Persentasekenaikan daya adalah sebesar 20% setiap 10 menit. Daya maksimal heater adalah 300 Watt. Saatheater dihidupkan, maka DAS mulai merekam data. Eksperimen dilakukan untuk setiapperubahan sudut untaiPerhitunganHasil pengamatan perbedaan temperatur pada heater dan cooler dikonversikan menjadi densitasair untuk memperoleh perbedaan densitas air pada untai dari sifat fisik air, sehingga dapatdigunakan untuk menghitung laju aliran massa air yang terjadi di dalam untai USSA FT-01,menggunakan korelasi (1)[10-11].m& 2 2gH(c −h )R(1)Dengan m& (kg/s) adalah laju aliran massa air, H (meter) adalah ketinggian antara heater dancooler, (kg/m3) adalah massa jenis air, g percepatan gravitas (m/s2) dan R adalah resistensihidrodinamika (m4). Hasil perkalian antara Q (m3/s) debit air dengan densitas air sama adalah lajualiran massa air, seperti yang diuraikan melalui korelasi (2).m& Qair Av(2)Dengan A (m2) luasan hidrodinamika, v (m/s) kecepatan aliran air. Kemudian korelasi (1)disubstitusikan ke dalam korelasi (2), sehingga diperoleh korelasi (3), sebagai berikut;26 Mulya Juarsa dkk2

2 2 ( )R AgHv c h

−(3)Bilangan Reynolds yang mempunyai fungsi sebagai bilangan penentu aliran laminer atau aliranturbulen yang timbul pada USSA FT-01 dihitung menggunakan korelasi (2). Korelasi (4)menunjukkan hubungan bilangan Reynolds dengan faktor gesek Fanning. Faktor gesek DarcyWeishbach (fD) mempunyai besar empat kali faktor gesek Fanning (ff), sehingga (fD) = 4 (ff) sepertipada korelasi (5).D vf f 16(4)D vf D

64(5)Kemudian harga resistensi termohidrolik ditunjukan pada korelasi (6)[12].2 2

2 64vA DL K vDR(6)Dengan L (m) panjang total untai, D (m) diameter dalam pipa. Untuk memperoleh kecepatan rataratayang terjadi di dalam untai adalah dengan mensubstitusikan korelasi (6) ke dalam korelasi (3),dengan menggunakan rumus abc diperoleh korelasi (7), sebagai berikut.22 4

264 (64 ) 8 ( )K DL L gHK Dv c h




Th

T=Th-Tc


=30o



Fenomena perubahan temperatur selama 50 menit dapat dijelaskan sebagai berikut, pada Gambar 4untuk sudut kemiringan 30o kenaikan temperatur air pada daerah heater terjadi dengan cepat dancukup tajam, dimulai dari 0 detik hingga sekitar 800 detik temperatur air yang semula 27 oC naik

menjadi 47 oC. Kemudian temperatur mulai stabil dari 800 detik hingga 3000 detik, meski padadetik ke 2200, temperatur naik sekitar 8 oC. Kecenderungan kenaikan temperatur air yang tajampada daerah heater diimbangi dengan pengurangan temperatur air pada cooler, meski terjadikenaikan kembali mulai detik ke 800. Sedangkan pada posisi 45o (Gambar 5) profile temperaturseperti pada kasus 30o tidak terjadi, temperatur air di daerah heater naik secara perlahan. Meskipundemikian gradien kenaikannya sekitar 14 oC selama 1000 detik. Pada kasus kemiringan untai 90o,temperatur air di daerah heater dari awal naik secara perlahan hingga detik terakhir pada 3000detik. Kenaikan hanya sekitar 6 oC selama 3000 detik. Perbedaan gradien keanikan temperatur jikadisimpulkan mengalami perubahan berdasarkan perubahan sudut kemiringan untai. Gradientemperatur mengalami penurunan untuk kenaikan besarnya sudut kemiringan untai.PembahasanBerdasarkan data pengukuran temperatur air pada daerah heater dan cooler sepertti yangdipresentasikan pada Gambar 4, Gambar 5 dan Gambar 6. Kemudian harga massa jenis airberdasarkan perubahan temperatur menggunakan tabel sifat fisik air, kemudian data tersebutdimasukkan ke dalam korelasi (7). Hasil perhitungan berdasarkan korelasi (7) kembali dimasukkan0 500 1000 1500 2000 2500 3000-100102030405060708090100



Th

T=Th-Tc


=45o0 500 1000 1500 2000 2500 3000-100102030405060708090100



Th

T=Th-Tc


=90o

28 Mulya Juarsa dkkke dalam korelasi (2) dengan terlebih dahulu menghitung luas tampang lintang dalam pipa (A),

resistansi hidrodinamika (R). Hasil perhitungan disajikan pada Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9untuk setiap perubahan besar sudut kemiringan.Gambar 7. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 0o

Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9 memiliki profile perubahan laju aliran massa air yang sesuaidengan profile perubahan temperatur di daerah heater atau selisih temperatur. Stabilitas laju aliranpada kasus kemiringan 30o (Gambar 7) mulai terjadi pada detik 750 hingga detik ke 3000. Hal inisangat sesuai dengan yang terjadi pada perubahan temperatur seperti pada Gambar 4. Demikiankondisi serupa juga terjadi pada Gambar 8 dan Gambar 9 untuk sudut kemiringan untai 45o dan90o, bahwa pengaruh satbilitas temperatur pada untai akan berpengaruh pula pada stabilitas lajualiran massa. Keadaan ini telah diprediksikan oleh Misale [10] dan D’Auria [11], bahwa stabilitastemperatur akan berpengaruh pada stabilitas aliran fluida.Gambar 8. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 45o






Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 29

kestabilan temperatur air. Beda besarnya laju aliran massa air terkait dengan beda temperatur airpada daerah heater dan cooler. Hal tersebut dapat dijelaskan pada Gambar 10. Gambar 10menjelaskan perubahan laju aliran massa air akan didominasi oleh besarnya beda temperatur air didaerah heater dan cooler. Selain itu efek gaya apung memberikan kontribusi terhadap mekanismekestabilan temperatur dan laju aliran massa.Gambar 9. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 90o

Gambar 10. Efek beda tempratur dan laju aliran massa air berdasarjan sudut kemiringan4. KesimpulanHasil studi eksperimental laju aliran massa air berdasarkan perubahan sudut kemiringan untai,menyimpulkan bahwa:- Karakteristik laju aliran massa dipengaruhi oleh beda temperatur air di daerah heater dancooler, serta beda ketinggian antara heater dan cooler.- Laju aliran tertinggi adalah 0,098 kg/s untuk H=0,550 m dan beda temperatur rata-rata 38,19oC untuk sudut 90o. Laju aliran minimal terjadi pada sudut 45o, dikarenakan beda temperaturrata-ratanya 16,37 oC meskipun memiliki ketinggian H yang lebih besar dibandingkan sudutkemiringan 30o.- Keadaan tersebut menyimpulkan bahwa, efek besarnya perbedaan rata-rata temperatur airpada daerah heater dan cooler lebih besar dibandingkan efek gaya apung yang beracuan padabeda ketinggian.-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,20




30 Mulya Juarsa dkk

Studi awal ini menunjukkan bahwa perlunya dilakukan eksperimen lanjutan dengan menetapkanbeda temperatur air harus sama. Sehingga efek gaya apung terhadap mekanisme pergerakan fluidaakan lebih diperjelas dan dianalisis dengan baik.Ucapan TerimakasihPenulis mengucapkan terimakasih kepada Dekan Fakutas Teknik UIKA Bogor atas dukunganmoril dan menyediakan Lab. EdfEC untuk riset dosen dan mahasiswa. Para sarjana alumni EDfECmaupun yang masih riset TA, kami ucapkan terimakasih atas kerjasama dan kerja kerasnya.Daftar Pustaka1. P. Welander, Journal of Fluid Mech, 29, Part 1, 17-30 (1967).2. R.T. Dobson, Transient response of a closed loop thermosyphon, R & D J., 9, 32-38 (1993).3. K. Chen, On the oscillatory instability of closed-loop thermosypons, Journal of Heat Transfer ,105 (1985).4. P.K.Vijayan et al., Effect of loop diameter on the stability of single-phase natural circulation inrectangular loop, Proc. 5th Int.Topical Meeting on reactor thermal hydraulics (Salt Lake City),September 21-24. pp 261-267 (1992).5. P.K.Vijayan et al., Simulation of unstable oscillatory behaviour of single-phase naturalcirculation with repetitve flow reversals in a rectangular loop using computer code ATHLET,Nuclear Engineering and Desaign, 155, 623-41 (1995).6. R. Greif, Natural circulation loops, Journal of Heat Transfer, 110, 1243–57 (1988) .7. Y. Zvirin, A review of N. C. loops in PWR and other systems, Nuclear Engineering andDesign, 67, 203–25 (1981).8. M. Misale et al., Some considerations on the interaction between the fluid and wall tube duringexperiments in a single-phase natural circulation loops, IASME Transaction Issue 9 , 2,1717–22 (2005).9. Y.Y. Jiang, M. Shoji, Flow stability in a natural circulation loop: influence of wall thermalconductivity, Nuclear Engineering Design, 222, 6–28 (2003).10. M. Misale et al., Experiments in a single-phase natural circulation mini-loop, University ofGenoa, Genoa, Italy (2006).11. F. D’Auria, et al., Insights Into Natural Circulation Stability, Dipartimento Di IngegneriaMeccanica, Nucleare e Della Produzione Universita' di Pisa 56100 Pisa, Italy, IAEA Courseon Natural Circulation in Water-Cooled Nuclear Power Plants, ICTP, Trieste, Italy, 25-29 June(2007).12. P.K. Vijayan et al., Experimental observations on the general trends of the steady state andstability behaviour of single-phase natural circulation loops, Nuclear Engineering and Design,215, 139–52 (2002)

Jurnal Material Dan Energi Indonesia

Documents