M J , Y S G , E M , A G · ISBN 978-979-97986-6-4 137 oleh Grief [6], P.K. Vijayan et al.[5], and...

7
ISBN 978-979-97986-6-4 136 ANALISIS ALIRAN SIRKULASI ALAMIAH DENGAN BILANGAN REYNOLDS BERDASARKAN VARIASI SUDUT KEMIRINGAN UNTAI SIMULASI SIRKULASI ALAMIAH MULYA JUARSA,YOGI SIRODZ GAOS,EDI MARZUKI,ARIEF GOERITNO Engineering and Devices for Energy Conversion (EDfEC) Laboratory Fakultas Teknik Univeristas Ibn Khaldun Bogor Jalan K.H. Sholeh Iskandar, Bogor [email protected] Abstrak: Optimalisasi pemanfaatan energi untuk efisiensi dilakukan selain merancang bangun alat konversi energi yang baru, juga memanfaatkan hukum-hukum alam yang berlaku seperti fenomena natural sirkulasi alamiah. Studi ekperimental dilakukan untuk memahami fenomena natural sirkulasi dengan menghitung laju aliran massa air berdasarkan data perubahan temperatur pada bagian dingin dan bagian panas di untai USSA FT-01. Konstruksi USSA FT- 01 terdiri dari komponen pipa SS304 berdiameter 1 inci, heater, cooler dan tangki ekspansi. Variasi eksperimen adalah beda ketinggian antara sisi panas dan sisi dingin berdasarkan variasi sudut kemiringan untai, yaitu 30 o , 45 o dan 90 o atau ketinggian cooler dan heater 0,275 meter, 0,389 meter dan 0,550 meter. Temperatur outlet dari heater (T H ) dan temperatur outlet dari cooler (T C ) digunakan sebagai parameter yang diukur dan direkam dengan rentang waktu eksperimen selama 50 menit. Hasil ekperimen dan perhitungan menggunakan beberapa korelasi menunjukkan, 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 30 o , 45 o dan 90 o , sedangkan pengaruh terhadap bilangan Reynolds menyebabkan kenaikan dari 8500 hingga 10800. Efek gaya-gaya yang mempengaruhi laju aliran memiliki karakteristik berbeda untuk setiap perbedaan ketinggian cooler dan heater. Kata kunci : natural sirkulasi, variasi sudut, aliran, Reynolds 1. PENDAHULUAN Salah satu peralatan pemindah kalor berupa loop tertutup thermosyphon memiliki kemampuan untuk memindahkan kalor dari suatu sumber ke area lain yang lebih dingin dengan jarak tertentu. Kondisi ini dapat digambarkan dengan loop tertutup yang diisi fluida kerja (air). Jika salah satu bagian dipanaskan dan bagian lainnya didinginkan, maka kerapatan air di bagian yang panas lebih rendah dibandingkan dengan bagian dingin. Perbedaan tekanan hidrostatik karena kerapatan akan menyebabkan gradien kerapatan yang menggerakkan air untuk mengalir di dalam loop. Kemampuan pergerakan molekul air karena beda kerapatan dan ditambah adanya perbedaan ketinggian akan menimbulkan aliran di dalam loop. Stabilitas aliran diharapkan akan timbul apabila terjadi perbedaan temperatur yang stabil antara bagian dingin dan bagian panas. Aliran tanpa adanya intervensi mekanik seperti pompa atau kendali aliran, disebut fenomena aliran sirkulasi alamiah. Aplikasi dari sirkulasi alamiah seperti pada teknologi pemanas surya, konversi energi, pembangkit listrik tenaga nuklir dan termal control untuk komponen elektronik. Beberapa penelitian terkait fenomena sirkulasi alamian seperti yang dilakukan oleh Welander[1] telah menpertimbangkan aspek penggerak (driven) dalam aliran yang timbul karena gaya apung (buoyancy force), perbedaan tekanan dan hambatan oleh gaya gesekan pada pipa. Kasus fluida laminar pada fasa tunggal oleh Dobson[2], menjelaskan skema formulasi yang sederhana yang mampu menagkap perilaku non- liner dan transien pada loop. Instabilitas aliran yang muncul belum dapat dijelaskan. 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 melalui eksperimen dan simulasi komputer, meskipun kondisi batasnya belum didefiniskan secara baik. Kemudian, review terhadap aliran thermosypon pada geometri umum dan aplikasinya telah dilakukan

Transcript of M J , Y S G , E M , A G · ISBN 978-979-97986-6-4 137 oleh Grief [6], P.K. Vijayan et al.[5], and...

  • ISBN 978-979-97986-6-4

    136

    ANALISIS ALIRAN SIRKULASI ALAMIAH DENGAN BILANGAN REYNOLDSBERDASARKAN VARIASI SUDUT KEMIRINGAN

    UNTAI SIMULASI SIRKULASI ALAMIAH

    MULYA JUARSA, YOGI SIRODZ GAOS, EDI MARZUKI, ARIEF GOERITNOEngineering and Devices for Energy Conversion (EDfEC) Laboratory

    Fakultas Teknik Univeristas Ibn Khaldun BogorJalan K.H. Sholeh Iskandar, Bogor

    [email protected]

    Abstrak: Optimalisasi pemanfaatan energi untuk efisiensi dilakukan selain merancang bangunalat konversi energi yang baru, juga memanfaatkan hukum-hukum alam yang berlaku sepertifenomena natural sirkulasi alamiah. Studi ekperimental dilakukan untuk memahami fenomenanatural sirkulasi dengan menghitung laju aliran massa air berdasarkan data perubahantemperatur pada bagian dingin dan bagian panas di untai USSA FT-01. Konstruksi USSA FT-01 terdiri dari komponen pipa SS304 berdiameter 1 inci, heater, cooler dan tangki ekspansi.Variasi eksperimen adalah beda ketinggian antara sisi panas dan sisi dingin berdasarkan variasisudut kemiringan untai, yaitu 30o, 45o dan 90o atau ketinggian cooler dan heater 0,275 meter,0,389 meter dan 0,550 meter. Temperatur outlet dari heater (TH) dan temperatur outlet daricooler (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-turutadalah 5,6 gr/s, 4,9 gr/s dan 9,8 gr/s berdasarkan perubahan sudut kemiringan 30o, 45o dan 90o,sedangkan pengaruh terhadap bilangan Reynolds menyebabkan kenaikan dari 8500 hingga10800. Efek gaya-gaya yang mempengaruhi laju aliran memiliki karakteristik berbeda untuksetiap perbedaan ketinggian cooler dan heater.

    Kata kunci : natural sirkulasi, variasi sudut, aliran, Reynolds

    1. PENDAHULUAN

    Salah satu peralatan pemindah kalor berupaloop tertutup thermosyphon memilikikemampuan untuk memindahkan kalor dari suatusumber ke area lain yang lebih dingin denganjarak tertentu. Kondisi ini dapat digambarkandengan loop tertutup yang diisi fluida kerja (air).Jika salah satu bagian dipanaskan dan bagianlainnya didinginkan, maka kerapatan air dibagian yang panas lebih rendah dibandingkandengan bagian dingin. Perbedaan tekananhidrostatik karena kerapatan akan menyebabkangradien kerapatan yang menggerakkan air untukmengalir di dalam loop. Kemampuan pergerakanmolekul air karena beda kerapatan dan ditambahadanya perbedaan ketinggian akan menimbulkanaliran di dalam loop. Stabilitas aliran diharapkanakan timbul apabila terjadi perbedaan temperaturyang stabil antara bagian dingin dan bagianpanas. Aliran tanpa adanya intervensi mekanikseperti pompa atau kendali aliran, disebutfenomena aliran sirkulasi alamiah. Aplikasi dari

    sirkulasi alamiah seperti pada teknologi pemanassurya, konversi energi, pembangkit listrik tenaganuklir dan termal control untuk komponenelektronik.

    Beberapa penelitian terkait fenomenasirkulasi alamian seperti yang dilakukan olehWelander[1] telah menpertimbangkan aspekpenggerak (driven) dalam aliran yang timbulkarena gaya apung (buoyancy force), perbedaantekanan dan hambatan oleh gaya gesekan padapipa. Kasus fluida laminar pada fasa tunggal olehDobson[2], menjelaskan skema formulasi yangsederhana yang mampu menagkap perilaku non-liner dan transien pada loop. Instabilitas aliranyang muncul belum dapat dijelaskan. Penelitianlainnya seperti yang dilakukan oleh K.Chen[3]dan P.K. Vijayan[4-5], menjelaskan instabilitasosilasi aliran dan stabilitas yang muncul padaloop yang dilakukan melalui eksperimen dansimulasi komputer, meskipun kondisi batasnyabelum didefiniskan secara baik. Kemudian,review terhadap aliran thermosypon padageometri umum dan aplikasinya telah dilakukan

    mailto:[email protected]

  • ISBN 978-979-97986-6-4

    137

    oleh Grief [6], P.K. Vijayan et al.[5], andZvirin[7], dimana untuk kasus untai rektangularterbuka dan tertutup telah menekankan padaaliran steadi dan aliran transien seperti halnyaanalisis stabilitas sistem berdasarkan variasikondisi pemanasan dan pendinginan. Sedangkan,Perbedaan kondisi batas termal, sepertiperubahan sudut kemiringan untai telahdipertimbangkan oleh Misale [8] dan konduksitermal pipa juga dipertimbangkan oleh Jiang [9-12]. Pentingnya memahami watak aliran selamaterjadinya aliran sirkulasi alamiah perludilakukan dengan menentukan kecepatan alirandan identifikasi rejim aliran berdasarkanperhitungan bilangan Reynoldnya.

    2. METODE EKSPERIMENTAL

    2.1 Fasilitas Eksperimen

    Fasilitas eksperimen yang ada dilaboratorium teknik dan devais untuk konversienergi (EDfEC, Engineering and Device forEnergy Conversion) di FTUIKA Bogor, telahdikonstruksi pada tahun 2009. Fasilitaseksperimen yang disebut Untai simulasi sirkulasialamiah (USSA-FT01) dibuat dengan bentuksegi empat, dengan panjang 1,5 meter dan lebar1,0 meter dibuat menggunakan pipa SS304dengan diameter 1 inch (2,54 cm). Sisi panjangterdiri dari 3 pipa dan sisi lebar terdiri dari 2 pipayang ujung-ujung dipasang flange, dengan tujuanagar ukuran untai dapat dimodifikasi sesuaikebutuhan eksperimen. Gambar 1 menujukkangeometri USSA FT-01.

    Gambar 1 Geometri USSA FT-01

    Perubahan sudut kemiringan untai dilakukandengan merubah kedudukan USSA FT-01 padasuatu penopang persegi empat (berbahan CS),dimana penopang disambungkan dengan engsel.Busur derajat dipasang pada salah satu engseluntuk mengetahui posisi kemiringan untai.Gambar 2 menunjukkan bagian lengkap darifasilitas eksperimen. Gambar 1 menunjukkanposisi untai berdasarkan kemiringan sudutnya.Ketinggian (H) diperoleh dengan rumus,

    ( ) sinH L

    dengan L (meter) adalah jarak pada pipa antaracooler dan heater, adalah sudut kemiringanuntai.

    Sistem intrumentasi adalah denganmengendalikan temperatur yang dilakukan PLCyang terkoneksi ke heater melalui SSR (solidstate relay), dimana temperatur heater akandisesuikan dengan perubahan temperatur padacooler. Data pengukuran temperaturmenggunakan termokopel tipe K, kemudian datapengukuran direkam melalui sistem akuisisi data(DAS) WinDAQ T1000 dengan sampling rate 1data per-detik pada 8 kanal (dalam makalah inidata hanya ditampilkan untuk Th dan Tc).Gambar lengkap dari fasilitas eksperimendisajikan pada Gambar 2.

    Gambar 2 Fasilitas eksperimen USSA FT-01

    2.2 Prosedur Eksperimen

    Eksperimen sebelumnya didahului denganmengisi untai dengan air menggunakan katupinlet, kemudian diberikan tekanan secarahidrostatik hingga mencapai 1 bar lebih (untukmenguji kebocoran). Setelah tidak terjadikebocoran, eksperimen sudah bisa dilakukan.Setelah air terisi pada untai, setting terhadap

  • ISBN 978-979-97986-6-4

    138

    system instrumentasi dilakukan. Kemudianposisi untai dirubah berdasarkan sudutkemiringan yang ditentukan, dalam hal ini 30o,45o dan 90o. Langkah pertama menghidupkancooler hingga temperatur minimal tercapai,sekitar -9oC. Kemudian setelah itu, daya heaterdinaikkan secara gradual berdasarkan setting dariPLC melalui SSR. Persentase kenaikan dayaadalah sebesar 20% setiap 10 menit. Dayamaksimal heater adalah 300 watt. Saat heaterdihidupkan, maka DAS mulai merekam data.Eksperimen dilakukan untuk setiap perubahansudut untai.

    2.3 Perhitungan

    Hasil pengamatan perbedaan temperaturpada heater dan cooler dikonversikan menjadidensitas air untuk memperoleh perbedaandensitas air pada untai dari sifat fisik air,sehingga dapat digunakan untuk menghitung lajualiran massa air yang terjadi di dalam untaiUSSA FT-01, menggunakan korelasi (1)[10-11].

    2 2 ( )c hgHmR

    (1)

    Dengan ṁ (kg/s) adalah laju aliran massa air, H(meter) adalah ketinggian antara heater dancooler, (kg/m3) adalah massa jenis air, gpercepatan gravitas (m/s2) dan R adalahresistensi hidrodinamika (m4). Hasil perkalianantara Q (m3/s) debit air dengan densitas airadalah laju aliran massa air, seperti yangdiuraikan melalui korelasi (2).

    airm Q Av (2)

    dengan A (m2) luasan hidrodinamika, v (m/s)kecepatan aliran air. Kemudian korelasi (1)disubstitusikan ke dalam korelasi (2), sehinggadiperoleh korelasi (3), sebagai berikut;

    22 )(2

    ARgHv hc

    (3)

    Bilangan Reynolds yang mempunyai fungsisebagai bilangan penentu aliran laminer ataualiran turbulen yang timbul pada USSA FT-01dihitung menggunakan korelasi (2). Korelasi (4)menunjukkan hubungan bilangan Reynoldsdengan faktor gesek Fanning. Faktor gesekDarcy Weishbach (fD) mempunyai besar empat

    kali faktor gesek Fanning (ff), sehingga (fD) = 4(ff) seperti pada korelasi (5).

    vDf f

    16 (4)

    vDf D

    64 (5)

    Kemudian harga resistensi termohidrolikditunjukan pada korelasi (6)[12].

    22

    264DvA

    vDKLR

    (6)

    dengan L (m) panjang total untai, D (m) diameterdalam pipa. Untuk memperoleh kecepatan rata-rata yang terjadi di dalam untai adalah denganmensubstitusikan korelasi (6) ke dalam korelasi(3), dengan menggunakan rumus abc diperolehkorelasi (7), sebagai berikut.

    2

    42

    2)(8)64(64

    DKDgHKLL

    v hc

    (7)

    Harga untuk massa jenis air diperoleh dari tabelsifat fisik air berdasarkan perubahantemperaturnya.

    Kemudian, setelah kecepatan alirandiketahui kemudian dilanjutkan denganpenentuan bilangan Reynolds berdasarkanpersamaan (8).

    Re vD

    (8)

    dengan Re merupakan bilangan Reynolds dan[kg/m.s] adalah viskositas air.

    3. HASIL DAN PEMBAHASAN

    3.1 Hasil pengukuran temperatur

    Hasil pengukuran pada dasarnya dilakukanpada 8 titik pengukuran, untuk penelitian inihanya 2 titik pengukuran temperatur saja yangditampilkan. Gambar 4, Gambar 5 dan Gambar 6menyajikan hasil pengukuran Th dan Tc sertaselisihnya berdaskan vairasi sudut kemiringanuntai secara berturut-turut dari 30o, 45o dan 90o.Fenomena perubahan temperatur selama 50menit dapat dijelaskan sebagai berikut, pada

  • ISBN 978-979-97986-6-4

    139

    Gambar 4 untuk sudut kemiringan 30o kenaikantemperatur air pada daerah heater terjadi dengancepat dan cukup tajam, dimulai dari 0 detikhingga sekitar 800 detik temperatur air yangsemula 27oC naik menjadi 47oC. Kemudiantemperatur mulai stabil dari 800 detik hingga3000 detik, meski pada detik ke 2200, temperaturnaik sekitar 8oC. Kecenderungan kenaikantemperatur air yang tajam pada daerah heater diimbangi dengan pengurangan temperatur airpada cooler, meskin terjadi kenaikan kembalimulai detik ke 800. Sedangkan pada posisi 45o(Gambar 5) profile temperatur seperti pada kasus30o tidak terjadi, temperatur air di daerah heaternaik secara perlahan. Meskipun demikiangradien kenaikannya sekitar 14oC selama 1000detik. Pada kasus kemiringan untai 90o,temperatur air di daerah heater dari awal naiksecara perlahan hingga detik terakhir pada 3000detik. Kenaikan hanya sekitar 6oC selama 3000detik. Perbedaan gradien kenaikan temperaturjika disimpulkan mengalami perubahanberdasarkan perubahan sudut kemiringan untai.Gradien temperatur mengalami penurunan untukkenaikan besarnya sudut kemiringan untai.

    Gambar 4. Temperatur air pada daerah heaterdan cooler untuk sudut kemiringan 30o

    Gambar 5. Temperatur air pada daerah heaterdan cooler untuk sudut kemiringan 45o

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

    3.2 Pembahasan

    a. Laju aliran airBerdasarkan data pengukuran temperatur

    air pada daerah heater dan cooler sepertti yangdipresentasikan pada Gambar 4, Gambar 5 danGambar 6. Kemudian harga massa jenis airberdasarkan perubahan temperatur menggunakantable sifat fisik air, kemudian data tersebutdimasukkan ke dalam korelasi (7). Hasilperhitungan berdasarkan korelasi (7) kembalidimasukkan ke dalam korelasi (2) denganterlebih dahulu menghitung luas tampang lintangdalam pipa (A), resistensi hidrodinamika (R).Hasil perhitungan disajikan pada Gambar 7,Gambar 8 dan Gambar 9 untuk setiap perubahanbesar sudut kemiringan.

    Gambar 7. Laju aliran massa air terhadap waktuuntuk sudut kemiringan 0o

    0 500 1000 1500 2000 2500 3000-10

    0102030405060708090

    100

    Tem

    pera

    tur T

    erm

    okop

    el,T[

    o C]

    waktu, t [detik]

    TcThT=Th-Tc

    Kurva Temperatur heater dan cooler USSA FT-01

    =30o

    0 500 1000 1500 2000 2500 3000-10

    0102030405060708090

    100

    Tem

    pera

    tur T

    erm

    okop

    el,T[

    o C]

    waktu, t [detik]

    TcThT=Th-Tc

    Kurva Temperatur heater dan cooler USSA FT-01

    =45o

    0 500 1000 1500 2000 2500 3000-10

    0102030405060708090

    100

    Tem

    pera

    tur T

    erm

    okop

    el,T[

    o C]

    waktu, t [detik]

    TcThT=Th-Tc

    Kurva Temperatur heater dan cooler USSA FT-01

    =90o

    0 500 1000 1500 2000 2500 30000,00

    0,02

    0,04

    0,06

    0,08

    0,10

    0,12

    0,14

    0,16

    0,18

    0,20

    Laju

    alira

    n m

    assa

    air,

    m [k

    g/s]

    waktu, t [detik]

    data laju aliran massa air

    Kurva laju aliran massa air

    =30o

    laju aliran massa (rata2) = 0,05656 kg/s

  • ISBN 978-979-97986-6-4

    140

    Gambar 8. Laju aliran massa air terhadap waktuuntuk sudut kemiringan 45o

    Gambar 9. Laju aliran massa air terhadap waktuuntuk sudut kemiringan 90o

    Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9 memilikiprofil perubahan laju aliran massa air yang sesuaidengan profil perubahan temperatur di daerahheater atau selisih temperatur. Stabilitas lajualiran pada kasus kemiringan 30o (Gambar 7)mulai terjadi pada detik 750 hingga detik ke3000. Hal ini sangat sesuai dengan yang terjadipada perubahan temperatur seperti pada Gambar4. Demikian kondisi serupa juga terjadi padaGambar 8 dan Gambar 9 untuk sudut kemiringanuntai 45o dan 90o, bahwa pengaruh satbilitastemperatur pada untai akan berpengaruh pulapada stabilitas laju aliran massa. Keadaan initelah diprediksikan oleh Misale[10] dan D’Auria[11], bahwa stabilitas temperatur akanberpengaruh pada stabilitas aliran fluida.

    Mekanisme yang dapat dijelaskan darikasus ini adalah, untuk sudut kemiringan untai30o, efek dari gaya apung dengan ketinggianH=0,275 meter menyebabkan gerakan molekulair untuk segera mengisi kembali bagian yang

    kurang rapat kurang terbantu oleh efek gayaapung. Kemudian jika dibandingkan dengansudut kemiringan 45o dan 90o, efek gaya apungsemakin membesar seiring dengan perubahanketinggian, yaitu berturut-turut menjadi H=0,389 meter dan H=0,550 meter. Menjadi jelasbahwa, efek perubahan sudut kemiringan berlakuuntuk waktu pencapaian kestabilan selisihtemperatur air. Sedangkan besarnya perubahanlaju aliran massa air bergantung pada kestabilamtemperatur air.

    b. Bilangan ReynoldsPerhitungan bilangan Reynolds dilakukan

    menggunakan persamaan (8) dan memasukkannilai kerapatan air dan viskositas air sebagaifungsi dari temperatur berdasarkan hasil fittingdari tabel sifat fisik air, sebagai berikut:

    2( ) 1000,85 0,07612 0,00358T T T ( )

    29,91( )=0,000252478+0,0015eT

    T

    dengan2

    H CT TT

    yang merupakan temperatur rata-rata daripengukuran di daerah heater dan cooler.

    Hasil perhitungan disajikan padaGambar 10, Gambar 11 dan Gambar 12beruturut-turut untuk sudut 30o, 45o dan 90o.

    Gambar 10. Perubahan bilangan Reynoldsterhadap waktu pada sudut 30o

    Gambar 10 menunjukkan profil bilanganReynolds berdasarkan waktu, terlihat dari detikke-0 hingga detik ke-730 terjadi penguranganbilangan Reynolds. Kondisi tersebut diakibatkangaya bouyancy belum terjadi, dimana aliran airyang bergerak masih diakibatkan olehpergerakan molekul air karena perbedaankerapatan di daerah cooler dan di daerah heater.Kemudian ketika kuantitas air yang bergerak

    0 500 1000 1500 2000 2500 30000,00

    0,02

    0,04

    0,06

    0,08

    0,10

    0,12

    0,14

    0,16

    0,18

    0,20

    Laju

    alira

    n m

    assa

    air,

    m [k

    g/s]

    waktu, t [detik]

    data laju aliran massa air

    Kurva laju aliran massa air

    =45o

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

    -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000,00

    0,02

    0,04

    0,06

    0,08

    0,10

    0,12

    0,14

    0,16

    0,18

    0,20

    Laju

    alira

    n m

    assa

    air,

    m [k

    g/s]

    waktu, t [detik]

    data laju aliran massa air

    Kurva laju aliran massa air

    =90o

    laju aliran massa (rata2) = 0,09804 kg/s

    0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35005000550060006500700075008000850090009500

    1000010500110001150012000125001300013500140001450015000

    kenaikan Reakibat Bouyancy

    Bilan

    gan

    Reyn

    olds

    ,Re [

    -]

    waktu, t [detik]

    =30o

    penurunan Renon-Bouyancy

  • ISBN 978-979-97986-6-4

    141

    telah mencukupi untuk mengalami gayabouyancy, selanjutnya pergerakan air mengalamibantuan oleh gaya bouyancy. Sudut kemiringan30o dengan ketinggian 0,275 meter antara daerahcooler dan heater jelas menyebabkan energipotensial yang kurang, yaitu hanya 0,275dikalikan gaya gravitasinya.

    Gambar 11. Perubahan bilangan Reynoldsterhadap waktu pada sudut 45o

    Gambar 11 menunjukkan efek dari gayabouyancy baru bekerja mulai dari detik ke-1000.Terlihat bahwa, pada sudut kemiringan 45openurunan bilayang Reynolds tidak begitu curamdibandingkan sudut 30o. Tentunya hal inidisebabkan karena jarak antara daerah cooler danheater semakin panjang dan menyebabkan gayaberat (0,389 kali gravitasinya) cukup untukmendorong air dan perlambatan terhadapkecepatan tidak begitu signifikan terjadi.

    Gambar 12. Perubahan bilangan Reynoldsterhadap waktu pada sudut 90o

    Gambar 12 untuk sudut 90o yang merupakanketinggian optimal antara daerah cooler danheater (0,550 meter) menyebabkan hambatanaliran tidak terjadi secara signifikan, gayabouyancy langsung berpengaruh terhadapkemampuan air untuk bergerak secara cepat.Namun, pada detik ke-1460 bilangan Reynolds

    mengalami penurunan hingga detik ke-2060,kondisi ini bisa saja disebabkan oleh fluktuasiperubahan temperatur di daerah cooler danheater atau adanya efek balikan dari osilasi gayabouyancy yang bertemu dengan gaya berat air.Efek ini hanya terjadi pada sudut 90o danmenjadikan hal yang akan diselidiki padapenelitian lanjutan.

    Berdasarkan Gambar 10, Gambar 11 danGambar 12 terlihat bahwa semakin besar sudutkemiringan atau semakin tinggi perbedaanketinggian antara daerah cooler dan heaterberdampak pada semakin besarnya bilanganReynolds, secara berturut-turut adalah 8500,10000 dan 10800. Gambar 13 menunjukkanperbandingan ketiga perubahan bilanganReynolds berdasarkan perubahan sudutnya.

    Gambar 13. Perbandingan bilangan Reynolds

    Kemudian dengan menggunakan data bilanganReynolds tertinggi untuk masing-masing sudutdiperoleh korelasi linier yang menghubungkanpengangaruh ketinggian antara cooler dan heater(H) terhadap perubahan bilangan Reynolds,seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.

    Gambar 14. Pengaruh ketinggian H terhadapbilangan Reynolds tertinggi

    Gambar 14 menunjukkan bahwa efek dariperbedaan ketinggian menyebabkan kenaikanbilangan Reynolds, seperti yang telah dijelaskan

    0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35005000550060006500700075008000850090009500

    1000010500110001150012000125001300013500140001450015000

    kenaikan Reakibat Bouyancy

    penurunan Renon-Bouyancy

    Bilan

    gan

    Reyn

    olds

    ,Re [

    -]

    waktu, t [detik]

    =45o

    0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35005000550060006500700075008000850090009500

    1000010500110001150012000125001300013500140001450015000

    kenaikan Reakibat Bouyancy

    kenaikan Reakibat Bouyancy

    penurunanRenon-Bouyancy

    Bilan

    gan

    Reyn

    olds

    ,Re [

    -]

    waktu, t [detik]

    =90o

    0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35005000550060006500700075008000850090009500

    1000010500110001150012000125001300013500140001450015000 Re pada30o

    Re pada45o

    Re pada90o

    Bilan

    gan

    Reyn

    olds

    ,Re [

    -]

    waktu, t [detik]

    0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.05000550060006500700075008000850090009500

    1000010500110001150012000125001300013500140001450015000

    Bilangan Reynolds tertinggiRe(H) = 8139,37H+6472,93

    Bilan

    gan

    Reyn

    olds

    , Re [

    -]

    Ketinggian antara Cooler dan Heater,H [m]

  • ISBN 978-979-97986-6-4

    142

    pada Gambar 10, Gambar 11 dan Gambar 12bahwa pada masing-masing ketinggiankarakteristik laju aliran sangat dipengaruhi olehgaya-gaya yang bekerja pada air di dalam untai.

    4. KESIMPULAN

    Hasil studi eksperimental laju aliran massa airberdasarkan perubahan sudut kemiringan untai,menyimpulkan bahwa karakteristik laju aliranmassa dipengaruhi oleh beda temperatur air didaerah heater dan cooler, serta beda ketinggianantara heater dan cooler. Kemudian, laju alirantertinggi adalah 0,098 kg/s untuk H=0,550 m danbeda temperatur rata-rata 38,19oC untuk sudut90o. Laju aliran minimal terjadi pada sudut 45o,dikarenakan beda temperatur rata-ratanya16,37oC meskipun memiliki ketinggian H yanglebih besar dibandingkan sudut kemiringan 30o.Pengaruh perubahan ketinggian antara coolerdan heater terjadi pada bilangan Reynolds, yangsecara berturut-turut naik dari 8500, 10000hingga 10800 untuk tinggi 0,275 meter, 0,389meter dan 0,550 meter. Perbedaan ketinggianjuga menyebabkan pengaruh gaya-gaya sepertibouyancy dan gravitas memiliki karakteristikyang berbeda.

    Ucapan TerimakasihPenulis mengucapkan terimakasih kepada DekanFakutas Teknik UIKA Bogor atas dukunganmoril dan menyediakan Lab. EdfEC untuk risetdosen dan mahasiswa. Para sarjana alumniEDfEC maupun yang masih riset TA, kamiucapkan terimakasih atas kerjasama dan kerjakerasnya.

    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 ofclosed-loop thermosypons, Journal of HeatTransfer , 105 (1985).

    4. P.K.Vijayan et al., Effect of loop diameter onthe stability of single-phase naturalcirculation in rectangular loop, Proc. 5thInt.Topical Meeting on reactor thermal

    hydraulics (Salt Lake City), September 21-24. pp 261-267 (1992).

    5. P.K.Vijayan et al., Simulation of unstableoscillatory behaviour of single-phase naturalcirculation with repetitve flow reversals in arectangular loop using computer codeATHLET, Nuclear Engineering and Desaign,155, 623-41 (1995).

    6. R. Greif, Natural circulation loops, Journal ofHeat Transfer, 110, 1243–57 (1988) .

    7. Y. Zvirin, A review of N. C. loops in PWRand other systems, Nuclear Engineering andDesign, 67, 203–25 (1981).

    8. M. Misale et al., Some considerations on theinteraction between the fluid and wall tubeduring experiments in a single-phase naturalcirculation loops, IASME Transaction Issue9 , 2, 1717–22 (2005).

    9. Y.Y. Jiang, M. Shoji, Flow stability in anatural circulation loop: influence of wallthermal conductivity, Nuclear EngineeringDesign, 222, 6–28 (2003).

    10. M. Misale et al., Experiments in a single-phase natural circulation mini-loop,University of Genoa, Genoa, Italy (2006).

    11. F. D’Auria, et al., Insights Into NaturalCirculation Stability, Dipartimento DiIngegneria Meccanica, Nucleare e DellaProduzione Universita' di Pisa 56100 Pisa,Italy, IAEA Course on Natural Circulation inWater-Cooled Nuclear Power Plants, ICTP,Trieste, Italy, 25-29 June (2007).

    12. P.K. Vijayan et al., Experimentalobservations on the general trends of thesteady state and stability behaviour of single-phase natural circulation loops, NuclearEngineering and Design, 215, 139–52 (2002).