## EFEK PERUBAHAN SUDUT KEMIRINGAN TERHADAP PERPINDAHAN KALOR DAN LAJU ALIRAN AIR PADA UNTAI SIRKULASI ALAMIAH
Yogi Sirodz Gaos, Mulya Juarsa, Edi Marzuki, Januar Akbar Engineering and Devices for Energy Conversion (EDfEC) Research Group
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Ibn Khaldun Bogor yogisirodz@gmail.com
Diterima editor  11 Oktober 2011 Disetujuai untuk publikasi 23 November 2011

## ABSTRAK EFEK PERUBAHAN SUDUT KEMIRINGAN TERHADAP PERPINDAHAN KALOR DAN
LAJU ALIRAN AIR PADA UNTAI SIRKULASI ALAMIAH. Pelajaran dari kasus kecelakaan PLTN  Fukushima  menunjukkan  gagalnya  sistem  aktif,  sehingga  pengoptimalisasian  sistem  pasif menjadi  suatu  keharusan.  Sistem  pasif  menerapkan  hukum  alamiah,  dalam  hal  ini  fenomena sirkulasi  alamiah.  Efisiensi  sirkulasi  alamiah  dilakukan  dengan  mengidentifikasi  nilai  rugi  kalor menggunakan  Untai  Simulasi  Sirkulasi  Alamiah  (USSA-FT02).  Analisis    dilakukan  untuk mengetahui  pengaruh  nilai  pemindahan  kalor  oleh  air  terhadap  nilai  rugi  kalor  yang  terjadi  pada sistem aliran tertutup dengan adanya distribusi kalor pada fluida kerja (air) . Komponen USSA FT- 02 terdiri  atas  pipa  SS316 berdiameter  1  inchi, pre-heater,  heater  dan  cooler. Variasi  eksperimen adalah beda ketinggian antara sisi panas dan sisi dingin dengan mengubah sudut kemiringan loop, yaitu  pada  sudut 0 o , 45 o dan  90 o .  Temperatur  outlet heater dan  temperatur  inlet  cooler  digunakan sebagai  parameter  yang  diukur  dan  direkam  dengan  rentang  waktu  eksperimen  selama  45  menit. Hasil  eksperimen  dan  analisis  berdasarkan  perbedaan  sudut  kemiringan    0 o ,  45 o dan  90 o secara berturut-turut untuk laju aliran massa air meningkat, diperoleh rugi kalor tertinggi sepanjang  pipa dari  oulet  heater  ke  inlet  cooler  menurun  dari  12,3  W  hingga  3,4  W  seiring  kenaikan  sudut kemiringan. Kemudian persentase pemindahan kalor rata-rata yang diterima air pada bagian heater berdasarkan  kenaikan  sudut  kemiringan  secara  berturut-turut  meningkat  dari  49,3%,  52,5%  dan 55,7%.
Kata kunci: sirkulasi alamiah, sudut, perpindahan kalor, rugi, aliran, pasif.

## ABSTRACT
THE EFFECT OF ANGLES CHANGES ON HEAT TRANSFER AND WATER FLOW RATE IN  NATURAL  CIRCULATION  LOOP.  Lessons  learned  from  Fukushima  Daiichi  nuclear  power plant  accident  was  demonstrated  the  failure  of  active  systems,  thus  optimizing  the  passive  system become  important  parameter  for  cooling  process.  Passive  system  which  is  applying  the  law  of nature  called  natural  circulation  phenomena.  Efficiency  of  natural  circulation  is  done  by identifying  heat  loss  values  using  Natural  Circulation  Simulation  Loop  (USSA-FT02).  Analysis were conducted to determine the effect of the transfer of heat by water to the heat loss that occurs in  a  closed  flow  system  in  the  presence  of  heat  distribution  on  the  working  fluid  (water).  Main components of USSA-FT02 consisting of SS316 pipe with diameter 1-inch, pre-heater, heater, and cooler.    Experimental  variation  is  the  height  difference  between  the  hot  side  and  cold  side  to change the angle of the loop, i.e. at an angle 0 o , 45 o and 90o . Outlet temperature of the heater and cooler inlet temperature is used as a parameter to be measured and recorded with the experimental period  for  45  minutes.  Experimental  results  and  analysis  based  on  differences  in  the  angle  of  0 o , 45 o and  90 o respectively  for  the  water  mass  flow  rate  increases,  the  highest  heat  loss  along  the outlet  pipe  from  the  heater  to  the  cooler  inlet  decreased  from  12.3  W  to  3.4  W  as  the  angle increases . Then the percentage of the average heat transfer received water heater based on the tilt angle increases successively increased from 49.3%, 52.5% and 55.7%.
Keywords: natural circulation, angle, heat transfer, loss, flow, passive

## PENDAHULUAN
Kecelakaan reaktor nuklir PLTN tipe BWR Fukushima Dai-ichi[1] pada Maret 2011 telah menyebabkan kerusakan pada tiga unit PLTN dan melelehkan teras reaktornya. Pemicu dasar  kejadian  ini  adalah  tsunami  yang  disebabkan  oleh  gempa  raksasa  9,0  skala  Ritchter, sementara  PLTN  didesain  untuk  gempa  pada  8,2  skala  Ritchter.  Air  bah  akibat  tsusnami telah masuk ke dalam komplek reaktor dan merusak sistem pembangkit darurat (emergency genset),  dimana  sistem  ini  masih  menggunakan  pompa  (sistem  aktif)  yang  sumbernya  dari genset  ketika  stasiun  black  out  sebagai  konsekuensi  dari  shutdown.  Peristiwa  ini  dapat disimpulkan  bahwa  terjadi  kegagalan  manajemen  termal,  dimana  panas  berlebih  sebagai produksi  dari  panas  meluruh  pada  saat  reaktor  padam  (decay  heat)  ternyata  tidak  mampu didinginkan sesuai dengan skenario yang ditentukan. Kondisi tersebut menunjukkan bahwa peranan  sistem  pasif  (tanpa  pompa)  menjadi  sangat  penting,  mengingat  peristiwa  di Fukushima  adalah  konsekuensi  kegagalan  sistem  aktif.  Sehingga  pemahaman  terhadap sistem  pasif,  melalui  kegiatan  riset  eksperimental  dengan  menginvestigasi  fenomena sirkulasi  alamiah  (efek  thermosyphon)  menjadi  kegiatan  yang  penting  dilakukan.  Konsep sistem pasif telah diterapkan pada jenis reaktor baru, yaitu AP1000 (Advanced PWR 1000) untuk  sistem  pendinginan  teras  maupun  pada  sungkupnya  ketika  terjadi  kecelakaan[2]. Sistem pasif untuk pendingin teras pada reaktor AP1000 ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 . Sistem pasif pada pendingan teras AP1000[2]
Beberapa  penelitian  terkait  fenomena  sirkulasi  alamian  seperti  yang  dilakukan  oleh Welander[3]  telah  menpertimbangkan  aspek  penggerak  (driven)  dalam  aliran  yang  timbul karena gaya apung (buoyancy force), perbedaan tekanan dan hambatan oleh gaya gesek pada pipa. Kasus fluida laminar pada fasa tunggal oleh Dobson[4], menjelaskan skema formulasi yang  sederhana  yang  mampu  menangkap  perilaku  non-liner  dan  transien  pada  loop. Instabilitas  aliran  yang  muncul  belum  dapat  dijelaskan.  Penelitian  lainnya  seperti  yang dilakukan oleh K.Chen[5] dan P.K. Vijayan[6-7], menjelaskan instabilitas osilasi aliran dan stabilitas  yang  muncul  pada  loop  yang  dilakukan  melalui    eksperimen  dan  simulasi komputer,  meskipun  kondisi  batasnya  belum  didefinisikan  secara  baik.  Kemudian,  review terhadap aliran thermosypon pada geometri umum dan aplikasinya telah dilakukan oleh Grief [8], P.K. Vijayan et al.[7], and Zvirin[9], dimana untuk kasus untai rektangular terbuka dan
tertutup  telah  menekankan  pada  aliran  stedi  dan  aliran  transien  seperti  halnya  analisis stabilitas  sistem  berdasarkan  variasi  kondisi  pemanasan  dan  pendinginan.  Sedangkan, perbedaan  kondisi  batas  termal,  seperti  perubahan  sudut  kemiringan  untai  telah dipertimbangkan oleh Misale [10] dan konduksi termal pipa juga dipertimbangkan oleh Jiang [11-14]. Pentingnya memahami watak aliran selama terjadinya aliran sirkulasi alamiah perlu dilakukan  dengan  menentukan  kecepatan  aliran  dan  identifikasi  rejim  aliran  berdasarkan perhitungan bilangan Reynoldnya.
Sirkulasi alamiah tertutup dapat mentransfer kalor yang lebih besar tanpa ada bagian yang bergerak seperti pompa dan aktif kontrol. Beberapa peneliti seperti Vijayan dan Nayak telah mempelajari keuntungan dan tantangan dari sirkulasi alamiah menggunakan untai atau loop terbuka[7]. Misale dan kawan-kawan juga telah mempelajari sirkulasi alamiah satu fasa menggunakan  untai  kecil.  Fasilitas  Untai  Simulasi  Sirkulasi  Alamiah  (USSA-FT02)  dibuat untuk  mempelajari  fenomena  laju  aliran  sirkulasi  yang  terjadi  tanpa  kerja  pompa,  dimana aliran terjadi karena adanya pemanasan oleh heater ke air, dan pendinginan oleh cooler[15]. Pada  sistem  perpipaan  tertutup  kalor  dari  heater  berpindah  ke  pipa  dan  terdistribusi  ke seluruh permukaan pipa, proses distribusi tersebut akan mengakibatkan sejumlah kalor yang terlepas ke sekitar pipa dan juga menunjukkan pemindahan kalor (heat transport). Fenomena tersebut disebut dengan rugi kalor (heat loss) dimana pada proses distribusi, kalor pada pipa erpindah  ke  lingkungan  sekitar  yang  bertemperatur  lebih  rendah  dari  temperatur  pipa. Makalah ini membahas perpindahan kalor dari heater ke dalam air, rugi kalor dari titik oulet heater  ke  cooler  dan  pemindahan  kalornya.  Variasi  sudut  yang  ditentukan  adalah  sudut kemiringan 0 0 , 45 0 , 90 0 , serta panjang loop 4,8 m  dengan diameter loop 1 inchi. Pengaruh perubahan sudut kemiringan, dalam hal ini semakin jauh jarak antara heater dan cooler akan menyebabkan perubahan pada perpindahan kalor dan laju aliran air di dalam loop.

## METODE EKSPERIMEN

## Fasilitas Eksperimen
Fasilitas  eksperimen  Untai  Simulasi  Sirkulasi  Alamiah  (USSA-FT02)  yang  ada  di laboratorium enjiniring dan alat untuk konversi energi (EDfEC, Engineering and Device for Energy  Conversion)  di  FT  UIKA  merupakan  pengembangan  dari  Untai  Simulasi  Sirkulasi Alamiah  (USSA-FT01)  yang  terdiri  atas  rangkaian  tube  SS-304  1  inch  (2,54  cm),  slide regulator voltage, pressure gauge, heater, pre-heater, cooler, dan tangki ekspansi. Gambar 2 menunjukkan  bagian  lengkap    fasilitas  eksperimental.  Perbedaan  ketinggian  (H)  diperoleh dengan rumus:
( ) sin
H L α α = (1)
dengan  L  (m)  adalah  jarak  pada  pipa  antara  titik  tengah  heater  dan  cooler, α adalah  sudut kemiringan untai.
Tegangan  masuk  untuk  heater  divariasikan  dengan  menggunakan  slide  regulator voltage dan  kemudian  mengukur  arus  masuk  menggunakan  tang  ampere. Pengukuran  data temperatur menggunakan termokopel tipe K dengan kesalahan maksimal 3%, kemudian data pengukuran direkam melalui sistem akuisisi data (DAS) WinDAQ T1000 dengan sampling rate 1 data per detik pada 8 kanal (dalam makalah ini hanya ditampilkan untuk TC6 (outlet heater)  dan  TC8  (inlet  cooler).  Gambar  fasilitas  eksperimen    USSA-FT02,  seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

## Gambar 2.  Fasilitas eksperimen USSA-FT02

## Prosedur Eksperimen
Eksperimen  sebelumnya  dilakukan  pengisian  untai  dengan  air  melaui  katup  inlet sampai  tekanan  hidrostatik  1  bar  gauge  (untuk  mengecek  kebocoran).  Setelah  tidak  terjadi kebocoran,  eksperimen  sudah  bisa  dilakukan.  Setelah  air  terisi  pada  untai,  setting  terhadap sistem  instrumentasi  dilakukan.  Kemudian  posisi  untai  dirubah  berdasarkan  sudut kemiringan yang ditentukan, dalam hal ini, 0 o , 45 o dan 90 o . Langkah pertama menghidupkan cooler sampai temperatur konstan -10 o C. Kemudian heater dinaikan secara berkala sebesar 20  volt  setiap 5  menit  sampai 180  volt  atau  sampai  1000 W selama  45  menit.  Saat  heater dihidupkan, DAS sudah mulai merekam data. Eksperimen dilakukan untuk setiap perubahan sudut kemiringan untai.

## Perhitungan
Hasil  pengamatan  temperatur  pada  outlet  heater  dan  inlet  cooler  dikonversikan  menjadi densitas  air  untuk  memperoleh  perbedaan  densitas  air,  sehingga  dapat  digunakan  untuk memperoleh  laju  aliran  masa  air  pada  outlet  heater  sampai  inlet  cooler  USSA-FT02, menggunakan korelasi (1)[8-9].
( )
2 2 a c h gH m R ρ ρ ρ − = &
(2)
Hasil  perkalian  antara  debit  air  dengan  densitas  air  adalah  laju  aliran  masa  air,  seperti korelasi,
a a m Q Av ρ ρ = = & (3)
Kemudian,  setelah  laju  aliran  masa  air  pada  untai  diketahui  kemudian  dilanjutkan  dengan penentuan nilai pemindahan kalor oleh air berdasarkan persamaan,
( ) p p h out c in q mc T mc T T − − = ∆ = − & & (4)
Hasil  pengukuran  temperatur  pada  outlet  heater  dan  inlet  cooler  digunakan  untuk memperoleh nilai perpindahan kalor menyeluruh menggunakan persamaan,
( ) m air ling q UA T UA T T = ∆ = − (5)
dengan  U  merupakan  perpindahan  kalor  pada  pipa  dan ∆ T m adalah  perbedaan  temperatur logaritmik.
Kemudian untuk memperoleh perpindahan kalor total dari heater ke air ditunjukkan oleh persamaan,
( ) 1 ln( / ) 1 1 2 2 T Ti s q total r r kl h A air π − = + ⋅
(6)

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil Pengukuran Temperatur
Pengukuran  temperatur  pada  dasarnya  dilakukan  pada  8  titik  pengukuran,    dalam pembahasan  ini    hanya  pada  2  titik  pengukuran  temperatur  yang  digunakan  untuk perhitungan laju perpindahan kalor. Gambar 3, 4 dan  5 menampilkan hasil pengukuran T oh dan T ic serta selisihnya berdasarkan variasi sudut kemiringan untai secara berturut-turut dari 0 o ,  45 o dan  90 o .  Gambar  3  menunjukkan  kasus  kemiringan  untai  0 o ,  kestabilan  temperatur terjadi hanya sampai sekitar 600 detik awal. Peningkatan drastis pada detik 600 sampai 2700 detik  hingga  mencapai  temperatur  akhir  71 o C.  Sedangkan  Gambar  4  menunjukkan  pada posisi  45 o profil  temperatur  sama  seperti  pada  kasus  90 o ,  bahkan  lebih  tajam  dari sebelumnya. Kenaikan secara perlahan dari 0 detik sampai 1350 detik dati temperatur 24 o C sampai 27 o C, berikutnya sampai 2700 detik meningkat hingga 44 o C.
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 α=0 ο Waktu, t [detik] T em p er at u r, T [ o C ] Temperatur T oh Temperatur T ic
Temperatur rata-rata airT rata-rata Temperatur ruangan
Gambar 3. Temperatur air outlet heater dan inlet cooler untuk sudut kemiringan 0 o
Gambar 5 untuk sudut kemiringan 90 o kenaikan temperatur air pada outlet heater naik secara perlahan mulai dari 0 detik hingga sektar 1350 detik temperatur air yang semula 23 o C naik  sampai  26 o C.  Kenaikan  temperatur  air  secara  perlahan  karena  pengaruh cooler  yang mampu  menyerap  kalor  yang  diberikan heater.  Kemudian  temperatur  mulai  naik  cukup tajam dari 1350 detik hingga 2700 detik, kecendrungan kenaikan temperatur air yang tajam pada outlet heater karena cooler tidak mampu menyerap kalor yang diberikan heater.
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 α=45 ο T em p er at u r, T [ o C ] Waktu, t [detik] Temperatur T oh Temperatur T ic
Temperatur rata-rata airT rata-rata Temperatur ruangan
Gambar 4. Temperatur air outlet heater dan inlet cooler untuk sudut kemiringan 45 o
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 α=90 ο T em p er at u r, T [ o C ] Waktu, t [detik] Temperatur T oh Temperatur T ic
Temperatur rata-rata airT rata-rata
Temperatur ruangan
Gambar 5. Temperatur pada outlet heater dan inlet cooler untuk sudut kemiringan 90 o
Perbedaan  gradien  kenaikan  temperatur  dapat  disimpulkan  mengalami  perubahan berdasarkan perubahan sudut kemiringan untai. Gradien kenaikan temperatur menurun untuk kenaikan sudut kemiringan yang lebih besar.

## PEMBAHASAN

## Laju Aliran Massa Air
Perhitungan  laju  aliran  massa  air  menggunakan  persamaan  (2),  dimana  variable kerapatan  air  diperoleh  berdasarkan  table  properties  air  yang  mengikuti  data  perubahan temperatur  seperti  yang  ditunjukkan  oleh  Gambar  3,  4  dan  5.  Kemudian  perubahan ketinggian,  H  diperoleh  berdasarkan  persamaan  (1)  dengan  memasukkan  perubahan
kemiringan sudut, dari 0 o , 45 o dan 90 o . Setelah menghitung dahulu resistensi hidrodinamika (R), hasil perhitungan disajikan pada Gambar 6, 7 dan 8 untuk setiap sudut kemiringan.
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 -0.002 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 Laju aliran massa air L aj u a li ra n m as sa a ir , m [ k g /s ] Waktu, t [detik] α=0 ο
Gambar 6. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 0 o
Gambar 6 memperlihatkan tidak adanya laju aliran masa pada untai. Mekanisme yang dapat dijelaskan dalam kasus ini adalah, pada sudut kemiringan 0 o , efek dari gaya apung pada beda ketinggian  H=0  meter  menyebabkan  gerakan  molekul  air  mengisi  kembali  bagian  yang kurang rapat tidak terjadi.
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 -0.002 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 Laju aliran massa air L aj u a li ra n m as sa a ir , m [ k g /s ] Waktu, t [detik] α=45 ο
Gambar 7. Laju aliran masa air terhadap waku untuk sudut kemiringan 45 o
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 -0.002 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 Laju aliran massa air L aj u a li ra n m as sa a ir , m [ k g /s ] Waktu, t [detik] α=90 ο
Gambar 8. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 90 o
Gambar 7 dan Gambar 8 memiliki profil perubahan laju aliran masa air yang sesuai dengan perubahan temperatur pada heater. Stabilitas aliran pada kedua kasus tidak tercapai, hal ini sangat  sesuai  dengan  perubahan  temperatur  seperti  pada  Gambar  4  dan  Gambar  5.  Dalam kondisi  ini,  pengaruh  perubahan  tenperatur  pada  untai  akan  berpengaruh  pula  pada perubahan laju aliran massa. Keadaan ini telah diungkapkan oleh Misale[6] dan D’Auria[7], bahwa perubahan perbedaan temperatur akan berpengaruh pada perubahan aliran.
Kemudian jika sudut 0 o dibandingkan dengan sudut kemiringan 45 o dan 90 o , efek gaya apung akan semakin membesar sesuai dengan perubahan perbedaan ketinggian, yaitu 0,389 m dan 0,550 m.

## Rugi Kalor
Perhitungan  perpindahan  kalor  menyeluruh  dilakukan  dengan  menggunakan persamaan (5) dan memasukkan nilai perpindahan kalor menyeluruh pada untai.
1 1 1 o i air ss u U r r h k h = − + +
(7)
Hasil perhitungan disajikan pada Gambar 9,  10 dan 11 berturut-turut untuk sudut 0 o , 45 o dan 90 o .
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 P er p in d ah an k al o r, q [ w at t] Waktu, t [detik] Pelepasan kalor (Heat loss) α=0 ο Gambar 9. Perpindahan kalor menyeluruh terhadap waktu pada sudut 0 o 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 P er p in d ah an k al o r, q [ w at t] Waktu, t [detik] Penyerapan kalor (Heat absorbsion) Pelepasan kalor (Heat loss) Tair=Tpipa=Tudara α=45 ο
Gambar 10. Perpindahan kalor menyeluruh terhadap waktu pada sudut 45 o
Gambar 9 untuk sudut 0 o pelepasan kalor langsung terjadi dari awal pengambilan data. Hal ini  disebabkan  oleh    cooler  tidak  berpengaruh  pada  sistem  karena  tidak  adanya  laju  aliran massa air, dan kalor yang diterima air tidak terdistribusikan karena laju aliran massa air yang mendekati  nol.  Sehingga  kalor  yang  diterima  oleh  air  menumpuk  dan  temperatur  pada  air meningkat secara signifikan dan menyebabkan pelepasan kalor (heat loss) yang lebih besar dari sudut lainnya. Gambar 10 menunjukkan profil perpindahan kalor menyeluruh terhadap waktu, terlihat pada 0 detik hingga sekitar 2110 detik nilai perpindahan kalor menunjukkan angka  minus  (-).  Kondisi  tersebut  diakibatkan  temperatur  pada  air  lebih  rendah  dari temperatur udara r u angan sekitar untai, karena pengaruh cooler pada untai yang dihidupkan terlebih  dahulu  sampai  temperatur  konstan  (-10 o C).  Air  pada  untai  menyerap  kalor  (heat absorbsion) dari udara yang bertemperatur lebih tinggi dari air. Kemudian dari sekitar detik 2111 perpindahan kalor berbalik, karena air yang terus menerus diberikan kalor oleh heater mengakibatkan  temperatur  air  menjadi  lebih  besar  dari  temperatur  sekitar,  sehingga  kalor pada air dilepas ke udara sekitar (heat loss).
Gambar 11 menunjukkan pelepasan kalor yang terjadi lebih cepat terjadi m u lai dari detik 1900. Terlihat pada sudut kemiringan 45 o penyerapan kalor pada detik awal lebih kecil dibandingkan  sudut  90 o .  Hal  ini  disebabkan  karena  laju  aliran  massa  air  yang  lebih  kecil
untuk penyebaran kalor yang dibawa oleh aliran air berkurang dan terjadi penumpukan kalor pada daerah antara outlet heater sampai inlet cooler, dan nilai kalor yang dilepas (heat loss) yang terjadi menjadi lebih besar.
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 P er p in d ah an k al o r, q [ w at t] Waktu, t [detik] Penyerapan kalor (Heat absorbsion) Pelepasan kalor (Heat loss) Tair=Tpipa=Tudara α=90 ο
Gambar 11. Perpindahan kalor menyeluruh terhadap waktu pada sudut 90 o
Berdasarkan  Gambar  9,  10  dan  11  terlihat  bahwa  semakin  besar  sudut  kemiringan atau  semakin  besar  nilai  pemindahan  kalor  dari  outlet  heater  sampai  inlet  cooler  akan berbanding  terbalik  dengan  besarnya  nilai  rugi  kalor  yang  terjadi  dan  secara  berturut-turut adalah   12,3W, 4,7W  dan  3,4W.  Gambar 12  menunjukkan  perbandingan  ketiga  perubahan nilai rugi kalor berdasarkan sudut kemiringannya.
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 P er p in d ah an k al o r, q [ w at t] Waktu, t [detik] sudut α=0 ο sudut α=45 ο sudut α=90 ο
Gambar 12 Perbandingan perpindahan kalor
Gambar  12  menunjukkan  bawah  akibat  kenaikan  sudut  kemiringan  memperjelas  peranan laju  aliran  massa  air  pada  sudut  45 o dan  90 o secara  signifikan  untuk  membawa  kalor  dari outler  heater  ke  inlet  cooler,  sedangkan  sebagian  kalor  lainnya  adalah  rugi  kalor  yang berpindah karena proses konvek r si ke dinding pipa, konduksi dalam pipa dan konveksi dari permukaan  luar  pipa  ke  lingkungan.  Keadaan  tersebut  dapat  dianalogikan  seperti  aliran percabangan yang memiliki 2 katup kontrol, satu katup ke arah rugi kalor via konveksi dan konduksi, dan satunya lagi katup ke arah cooler via gerakan air. Pada sudut kemiringan 0 o aliran kalor mengalir menjadi rugi kalor dan air tidak membawa kalor (katup kearah cooler dianggap  tertutup).  Sedangkan  untuk  kenaikan  besarnya  sudut  kemiringan,  menunjukkan
bahwa  bukaan  katup  aliran  kalor  ke  arah  cooler  via  gerakan  air  akan  membesar  seiring kenaikan sudut. Kasus sudut kemiringan 0 o menunjukkan hampir semua kalor dikonveksikan sepanjang  pipa  dari  outlet  heater  hingga  inlet  cooler  karena  tidak  ada  kalor  yang  terbawa oleh air, kemudian kalor terbuang ke lingkungan melalui dinding pipa.

## Jumlah Serapan Kalor oleh Air
Hasil pengukuran temperatur permukaan luar pipa di dekat heater dan temperatur air pada bagian heater ditunjukkan pada Gambar 13 dan  14. Temperatur pada permukaan luar pipa di dekat heater cukup tinggi hingga  mencapai 375 o C.  Temperatur maksimal air pada sudut 0 o mencapai 80 o C, untuk sudut lainnya sekitar 35 o C.
-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 0 50 100 150 200 250 300 350 400 T s1 sudut 90 o T s1 sudut 45 o T s1 sudut 0 o Daya, P[watt] T e m p er at u r, T s1 [ o C ]
Gambar 13. Kurva hubungan antara kenaikan temperatur dekat heater terhadap daya heater -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Daya, P[watt] T em p er at u r, T i [ o C ] T i sudut 90 o T i sudut 45 o T i sudut 0 o
Gambar 14. Kurva hubungan antara kenaikan temperatur air di dalam pipa terhadap daya heater
Kemudian  nilai  konduktivitas  termal  SUS304  yang  didapat  dari  tabel  sifat  fisik material dan sifat fisik air dilakukan interpolasi berdasarkan temperatur, kemudian data-data tersebut  dimasukkan  ke  persamaan  (6).  Hasil  perhitungan  laju  perpindahan  kalor  dari permukaan  pipa  luar  pada  daerah  heater  ke  air  melalui  pipa  berdasarkan  perubahan  daya heater  berturut-turut  ditunjukkan  Gambar  15,  16  dan  17  secara  berturut-turut  untuk  setiap sudut kemiringan 0 o , 45 o dan 90 o .
-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 +33,6% α = 0 ο Daya, P[watt] L aj u p er p in d a h an k al o r, q [ w at t] q sudut 0 o q (P)= -44,32199+0,63189P R 2 =0,98245 +61,5% Ra ta- rat a k alo r d iter ima air = 49, 3 %
Gambar 15. Kurva laju perpindahan kalor terhadap daya sudut 0 o
-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Ra ta- rat a k alo r d ite rim a a ir = 52 ,5 % α = 45 ο Daya, P[watt] L aj u p er p in d ah an k al o r, q [ w at t] q sudut 45 o q (P)= -53,78969+0,69048P R 2 =0,98288 +32,1% +66,3%
Gambar 16. Kurva laju perpindahan kalor terhadap daya sudut 45 o -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Ra ta- rat a k alo r d iter ima air = 55 ,7 % α = 90 ο Daya, P[watt] L aj u p er p in d a h an k a lo r, q [ w at t] q sudut 90 o q (P)= -43,5183+0,69424P R 2 =0,98603 +39,8% +67,2%
Gambar 17. Kurva laju perpindahan kalor terhadap daya sudut 90 o
Gambar  15  menjelaskan  bahwa  laju  perpindahan  kalor  pada  sudut  0 o mempunyai nilai serapan kalor rata-rata oleh air yang terendah sebesar 298,3W (sekitar 49,3% dari daya heater).  Jelas  keadaan  ini  menunjukkan  bahwa  pemindahan  kalor  melalui  aliran  air  tidak efektif,  dimana  laju  aliran  massa  air pada  sudut  0 o dianggap tidak  terjadi.  Sedangkan  pada sudut  45 o seperti  yang  ditunjukkan  Gambar 16,  ketika  aliran  masa  air  mulai  timbul  karena natural  sirkulasi,  maka  serapan  kalor  rata-rata  oleh  air  meningkat  menjadi  321W  (sekitar 52,5%  dari  daya  heater).  Peningkatan  serapan  kalor  rata-rata  oleh  air  dari  heater  semakin meningkat  untuk  sudut  kemiringan  90 o menjadi  333,5W  (sekitar  55,7%  dari  daya  heater) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 17.
Gambar  18  menunjukkan  bahwa  bertambah  jumlah  kalor  serapan  oleh  air  ketika terjadi aliran menunjukkan peranan air yang membawa kalor semakin signifikan, sementara sebagian terbuang sepanjang pipa sebagai rugi kalor.
-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Daya, P[watt] L a ju p er p in d a h an k a lo r, q [ w at t] sudut 0 o sudut 45 o sudut 90 o fitting 0 o fitting 45 o fitting 90 o
Gambar 18 . Kurva laju perpindahan kalor terhadap daya untuk semua sudut kemiringan
Kondisi ini tentunya menyebabkan jumlah kalor yang diserap semakin besar, seiring kenaikan laju aliran masa air terhadap bertambahnya beda ketinggian heater dan cooler.

## KESIMPULAN
Hasil  analisis  nilai  rugi  kalor  berdasarkan  perubahan  sudut  kemiringan  untai, menyimpulkan bahwa nilai rugi kalor dipengaruhi oleh laju aliran massa air yang meningkat seiring  membesarnya  sudut  kemiringan  dari  0 o ,  45 o dan  90 o yang  terkorelasi  dengan  beda ketinggian  antara  heater  dan  cooler.  Nilai  rugi  kalor  sepanjang  pipa  antara  outlet  heater sampai  inlet  heater  secara  berturut-turut  berdasarkan  kenaikan  sudut  kemiringan  adalah 12,3W, 4,7W dan 3,4W.  Sedangkan persentase/besaran serapan kalor rata-rata oleh air justru semakin meningkat berdasarkan perubahan sudut kemiringan dari 0 o , 45 o hingga 90 o , secara berturut-turut  49,3%  (298,3W),  52,5%  (321W),  dan  55,7%  (333,5W).  Optimasi  aliran pendinginan terjadi pada sudut kemiringan 90 o .

## Daftar Notasi
H :  Beda ketinggian heater dan cooler [m] α :  Sudut kemiringan [ ° ] L :  Jarak antara heaterdan cooler [m] ṁ :  Laju aliran massa air [kg/s] K ss :  Konduktivitas termal SS304 [W/m.K] g :  Percepatan gravitasi [m/s 2 ] Ρ a :  Massa jenis air [kg/m 3 ] Q :  Debit aliran air [m 3 /s] R :  Tahanan aliran [m 4 ] A :  Luas penampang pipa [m 2 ] v :  Kecepatan aliran air [m/s] q :  Perpindahan kalor [W] c p :  Kalor spesifik air [Kj/kg.K] T :  temperatur [ o C] U :  Koefisien perpindahan kalor [W/m.K] ∆ x :  Tebal pipa [m] h air :  Koefisien perpindahan kalor konveksi air [Wm 2 K] h u
:  Koefisien perpindahan kalor konveksi udara
[W/m 2 K]

## Ucapan Terima Kasih
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  pimpinan  Fakultas  Teknik  UIKA  untuk menyediakan fasilitas dan dukungan moril hingga terlaksananya riset ini. Kepada mahasiswa riset  di  Lab.  EDfEC  (Budi  G.  Juarsa,  Rizqi,  Farid,  Herlambang)  atas  kerjasamanya  kami ucapkan  terima  kasih.  Terimaksih  kepada  Hibah  Bersaing  nasional  DIKTI  TA.2011  atas dukungan dana.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Fukushima  Nuclear  Accident  Update  Log.  [cited  time  02.30].  Available  from: URL : http://www.iaea.org/newscenter/news/tsunamiupdate01.htm. Accessed June 13, 2011.
2. Passife  Safety-Related  Sistem,  by  Westinghouse.  Available  from:URL:  http://ap 1000.  Westing  house  nuclear.  com/ap1000_safety  _psrs.  html.  Accessed September  13, 2011
3. P. Welander, Journal of Fluid Mech 1967. 29; 1: 17-30.
4. R.T. Dobson, Transient response of a closed loop thermosyphon, R & D J. 1993; 9: 32-38.
5. K.  Chen.  On  the  oscillatory  instability  of  closed-loop  thermosypons.  Journal  of Heat Transfer 1985; 105.
6. P.K.Vijayan et al. Effect of loop diameter on the stability  of single-phase natural circulation  in  rectangular  loop.  Proc.  5th  Int.Topical  Meeting  on  reaktor  thermal hydraulics (Salt Lake City), September 21-24, 1992; 261-267.
7. P.K.Vijayan  et  al.  Simulation  of  unstable  oscillatory  behaviour  of  single-phase natural  circulation  with  repetitve  flow  reversals  in  a  rectangular  loop  using computer code ATHLET. Nuclear Engineering and Desaign 1995; 155: 623-41.
8. R.  Greif,  Natural  circulation  loops,  Journal  of  Heat  Transfer  1988;    110;  1243– 1257.
9. Y.  Zvirin.  A  review  of    N.  C.  loops  in  PWR  and  other  sistems.  Nuclear Engineering and Design 1981; 67:203–225.
10. M. Misale et al. Some considerations on the interaction between the fluid and wall tube  during  experiments  in  a  single-phase  natural  circulation  loops.    IASME Transaction Issue 9. 2005; 2: 1717–1722.
11. Y.Y. Jiang, M. Shoji. Flow stability in a natural circulation loop: influence of wall thermal conductivity. Nuclear Engineering Design. 2003; 222: 6–28.
12. M.  Misale  et  al.  Experiments  in  a  single-phase  natural  circulation  mini-loop, University of Genoa, Genoa, Italy, 2006.
13. F.  D’Auria,  et  al.  Insights  into  natural  circulation  stability,  Dipartimento  Di Ingegneria Meccanica, Nucleare e Della Produzione Universita' di Pisa 56100 Pisa,
Italy,  IAEA Course on Natural Circulation in Water-Cooled Nuclear Power Plants,
ICTP, Trieste, Italy, June 25-29, 2007.
14. P.K. Vijayan et al. Experimental observations on the general trends of the steady state  and  stability  behaviour  of  single-phase  natural  circulation  loops.  Nuclear Engineering and Design 2002; 215; 139 –152.
15. Juarsa,  Mulya,  dkk.  Studi  eksperimental  laju  aliran  massa  air  berdasarkan perubahan sudut kemiringan untai pada kasus sirklasi alamiah menggunakan untai sirklasi  alamiah  (USSA-FT01).  Jurnal  Material  dan  Energi  Indonesia,  Jurusan Fisika FMIPA, Universitas Padjajaran 2011; 1: 22-30.