J V 5 No.1 Februari 2013, Hal. 36-50 I N 1411 – 240X
N 402/AU2/P2MI-LIPI/04/201 2

## ANALISA FLUKS KALOR KRITIS PADA PERUBAHAN SUHU PELAT DAN LAJU ALIRAN AIR PENDINGIN UNTUK KASUS PEMANASAN-GANDA DI CELAH SEMPIT REKTANGULAR
M. Hadi Kusuma 1 , Mulya Juarsa 1 , Anhar Riza Antariksawan 2
1 Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional, Kawasan PUSPIPTEK Serpong, Tangerang 14310
2 Penelitian Dasar dan Terapan, Badan tenaga Nuklir Nasional Email: luluikal@batan.go.id
Diterima editor 09 Januari 2013 Disetujui untuk publikasi 11 Februari 2013

## ABSTRAK
ANALISA FLUKS KALOR KRITIS PADA PERUBAHAN SUHU PELAT DAN LAJU ALIRAN AIR PENDINGIN  UNTUK  KASUS  PEMANASAN-GANDA  DI  CELAH  SEMPIT  REKTANGULAR . Fenomena  perpindahan  kalor  pendidihan  pada  celah  sempit  rektangular  merupakan  fenomena  yang berhubungan dengan keselamatan reaktor nuklir. Untuk itu perlu dilakukan penelitian tentang hal tersebut di atas agar didapatkan pemahaman yang benar tentang keselamatan reaktor nuklir dari sisi perpindahan kalor pendidihan dan juga dapat berguna bagi perbaikan desain reaktor generasi selanjutnya. Penelitian difokuskan pada  perhitungan  fluks  kalor  selama  proses  pendinginan  di  celah  sempit  rektangular  berukuran  1,0  mm, dengan suhu awal pelat rektangular 200 o C,  400 o C , dan 600 o C serta laju aliran air pendingin yang masuk ke  dalam  celah  sempit  rektangular  0,1  liter/detik,  0,2  liter/detik,  dan  0,3  liter/detik.  Eksperimen  dilakukan dengan  menginjeksikan  air  pada  laju  aliran  tertentu  dengan  suhu  air  85 o C.  Data  transien  suhu  hasil pengukuran  direkam  melalui  sistem  akuisisi  data  (DAS, data  acquisition  system ).  Penelitian  ini  bertujuan untuk  memperoleh  hubungan  fluks  kalor  kritis  dan  koefisien  perpindahan  kalor  terhadap  perubahan  suhu pelat  dan  laju  aliran  air  pendingin  untuk  kasus  pemanasan-ganda  di  celah  sempit  rektangular.  Hasil  yang didapatkan menunjukan bahwa pada suatu nilai laju aliran air pendingin yang sama, semakin besar suhu pelat panas maka akan semakin besar pula nilai fluks kalor kritis yang dihasilkan. Sedangkan pada suatu nilai suhu pelat  panas  yang  sama,  semakin  besar  laju  aliran  air  pendingin  maka  akan  menghasilkan  nilai  koefisien perpindahan  kalor  yang  semakin  besar  pula.  Dengan  demikian  dapat  dikatakan  bahwa  laju  aliran  air pendingin dan suhu pelat panas memiliki pengaruh yang signifikan pada nilai fluks kalor kritis dan keofisien perpindahan kalor yang dihasilkan pada proses quenching celah sempit rektangular dengan kasus pemanasan ganda.
Kata Kunci: pendidihan, kalor, celah sempit, rektangular, aliran

## ABSTRACT
CRITICAL  HEAT  FLUX  ANALYSIS  ON  CHANGE  OF  PLATE  TEMPERATURE  AND  COOLING WATER  FLOW  RATE  FOR  RECTANGULAR  NARROW  GAP  WITH  BILATERAL-HEATED  CASES . Boiling  heat  transfer  phenomena  on  rectangular  narrow  gap  was  related  to  the  safety  of  nuclear  reactors. Research done in order to study the safety of nuclear reactors in particular relating to boiling heat transfer and useful on the improvement of next-generation reactor designs. The research focused on calculation of the heat  flux  during  the  cooling  process  in  rectangular  narrow  gap  size    1.0  mm,  with  initial  temperatures 200 °C, 400 °C, and 600 °C, also the flow rates of cooling water 0,1 liters/second, 0,2 liters/second, and 0,3 liters/second. Experiments carried out by injecting water at a certain flow rate with the water temperature 85 ºC. Transient temperature measurement data recorded by the data acquisition system. Transient temperature measurement data is used to calculate the flux of heat gain is then used to obtain the heat transfer coefficient. This  research  aimed  to  obtain  the  correlation  between  critical  heat  flux  and  heat  transfer  coefficient  to changes  in  temperatures and  water flow rates for bilaterally-heated cases on rectangular narrow gap. The results  obtained  for  a  constant  cooling  water  flow  rate,  critical  heat  flux  will  increase  when  hot  plate temperature  also  increased.    While  on  a  constant  hot  plate  temperature,    coefficient  heat  transfer  will increase when cooling water flow  rate also increased.  Thus  it can be  said  that  the cooling water flow rate and temperature of the hot plate has a significant effect on the critical heat flux and heat transfer coefficient resulted in quenching process of vertical rectangular narrow gap with double-heated cases.
Keywords: boiling, heat, narrow gap, rectangular, flow
A Fluks Kalor Kritis Pada Perubahan ......... (M ! " # $ $% )

## PENDAHULUAN
Meningkatnya  kebutuhan  energi  saat  ini  mendorong  pemerintah  untuk  mencari  sumber  energi baru  yang  ramah  lingkungan.  Salah  satu  alternatifnya  adalah  penggunaan  pembangkit  listrik  tenaga nuklir  (PLTN).  Namun  tidak  bisa  dipungkiri,  setiap  penggunaan  teknologi  pasti  mendatangkan manfaat  dan  juga    kerugian  yang  ditimbulkan.  Salah  satu  kerugian  yang  akan  terjadi  dalam penggunaan PLTN adalah potensi terlepasnya zat radioaktif apabila terjadi kecelakaan dan kegagalan dalam pengoperasiannya. Hal ini akan memberikan dampak bagi pekerja dan masyarakat di sekitarnya. Seperti  diketahui  pernah  terjadi  kecelakaan  PLTN  di  dunia,  diantaranya  adalah  kecelakaan  PLTN Three  Mile  Island  Unit  2  (TMI-2),  Amerika  Serikat,  tahun  1979  ,  kecelakaan  PLTN  Chernobyl, Ukraina, tahun 1986 dan kecelakaan PLTN Fukushima, Jepang, 2011.
Banyak penelitian dilakukan untuk menjamin tingkat keselamatan PLTN, salah satu penelitian yang  saat  ini  masih  terus  dilakukan  adalah  permasalahan  yang  berhubungan  dengan  interaksi  antara lelehan  teras  di  bagian  bawah  bejana  dengan  dinding  bejana  reaktor  yang  membentuk  celah  sempit diantara  keduanya.  Celah  sempit  yang  terisi  fluida  ini  menjadi  kunci  untuk  penanganan  integritas bejana  reaktor.  Gambar  1  menunjukkan  interaksi  antara  lelehan  teras  dengan  dinding  bejana  reaktor yang membentuk celah sempit diantara keduanya.
Gambar 1. Konfigurasi keadaan debris pada bagian bawah Reactor Pressure Vessel
Maruyama et al. [1] melakukan eksperimen ALPHA dengan program CAMP. Antariksawan [2] dengan  program  MELCOR  juga  mengindikasikan  adanya  celah  sempit  antara  lelehan  teras  yang bagian luarnya membeku dengan dinding bejana reaktor. Hidaka et al. [3] melakukan analisis dengan program SCDAPSIM dan memprediksi adanya celah dengan ukuran lebar celah 1,0 mm dan pengaruh air  yang  mengisi  celah  sempit  itu  mempengaruhi  fenomena  perpindahan  kalornya.  Kandlikar  [4] mengklasifikasikan  celah  sempit  berdasarkan  ukuran  celahnya.  Kategori  celah  sempit  adalah  celah yang mencakup ukuran celah mikro, celah mini dan celah konvensional dengan range ukuran celahnya dari 0,02 mm sampai 3 mm.
Penelitian  perpindahan  kalor  pada  celah  sempit  telah  banyak  dilakukan  oleh  para  peneliti sebelumnya. Penelitian pada celah sempit anulus dengan ukuran 0,5 mm, 1 mm dan 2 mm dan  efek suhu  awal  terhadap  fluks  kalor  kritis  dalam  celah  sempit  rektangular  dengan  bilateral  heated menunjukkan kesesuaian terhadap korelasi laju aliran uap laminer dengan angka Nusselt 5 dan fluks kalor  kritis pada  rektangular bagian dalam yang dipanaskan  lebih tinggi daripada rektangular bagian luar yang dipanaskan [5-6]. Penelitian lain yang pernah dilakukan peneliti sebelumnya menggunakan fluida  Refrigeran,  Methanol  dan  air.  Hasil  analisisnya  menunjukkan  bahwa  kecepatan  liquid, subcooling,  sifat  fluida  dan  ukuran  celah  memiliki  pengaruh  yang  signifikan  dalam  karakteristik perpindahan  kalor,  performansi  pendinginan,  dan  transisi  pola  aliran.    Pola  alirannya  berbentuk gelembung bola, gelembung datar, slug dan bubble [7-8].
Berbagai  penelitian  yang  telah  dilakukan  dengan  berbagai  variasi  variabel  yang  diduga berpengaruh  terhadap  karakteristik  perpindahan  kalornya  tersebut,  masih  menunjukkan  adanya beberapa  parameter  yang  belum  diamati.  Salah  satunya  adalah  kombinasi  antara  variasi  perubahan suhu  pelat  rektangular  dan  laju  aliran  air  pendingin.  Untuk  itu,  perlu  dilakukan  analisis  fluks  kalor kritis  pada  perubahan  suhu  pelat  dan  laju  aliran  pendingin  untuk  kasus  pemanasan-ganda  di  celah sempit rektangular. Tujuan penelitian ini adalah memperoleh hubungan fluks kalor kritis dan koefisien
) * + , - * ., / -0 14* 6 7 -8 * 9 18 * :; No.1 Februari 2013, Hal. 36-50
<= = N 1411 – 240X 6 1 > 14 ? 402/AU2/P2MI-LIPI/04/201 @
perpindahan kalor terhadap perubahan suhu pelat dan laju aliran air pendingin untuk kasus pemanasan- ganda di celah sempit rektangular.

## TEORI
Konfigurasi  celah  sempit  memiliki  pengaruh  yang  sangat  berarti  dalam  meningkatkan perpindahan  kalor.  Pada  ukuran  celah  sempit  >  3mm,  gelembung  akibat  pendidihan  tidak  terbentuk dan  bentuk  pendidihan  alirnya  sangat  mirip  dengan  pendidihan  konveksi  paksa  pada  pipa  vertikal. Pada  lebar  celah  sempit  <  3  mm,  gelembung  yang  berbatasan  bergabung  dan  satu  titik  permukaan pemanas  ditutupi  oleh  uap  atau  cairan.  Dan  bentuk  pendidihan  alirnya  tidak  hanya  bergantung  pada ukuran  celah  sempit,  tapi  juga  bergantung  pada  proses  pemanasannya,  ukuran  celah  dan  fluks kalornya.  Semakin  kecil  ukuran  celah  maka  semakin  besar  koefisien  perpindahan  kalor  ketika  fluks kalornya rendah. Pada kondisi suhu awal yang sama dan ukuran celahnya besar, maka rewetting pada dinding bagian dalam akan lebih cepat terjadi pada fluks kalor yang lebih tinggi dan fluks kalor kritis juga  tinggi.  Karakteristik  aliran  dan  perpindahan  kalor  pada    bilaterally-heated  narrow  annuli menunjukkan  bahwa  karakteristik  perpindahan  kalor  dipengaruhi  oleh  rasio  dari  fluks  panas  pada dinding  dalam  terhadap  dinding  luar  saluran,  dan  ukuran  celahnya.  Pada  kondisi  aliran  laminar, pengurangan  ukuran  celah  mengakibatkan  menurunnya  perpindahan  kalor  pada  dinding  dalam  dan dinding  luar.  Sedangkan  pada  kondisi  turbulen,  pengurangan  ukuran  gap  akan  mengakibatkan menurunnya  perpindahan  kalor  pada  dinding  saluran  bagian  dalam,  namun  akan  mengakibatkan meningkatnya  koefisien  perpindahan  kalor  pada  dinding  saluran  bagian  luar.  Sedangkan  dengan memperkecil ukuran celah, nilai fluks kalor kritis akan meningkat dan kehilangan tekanan akan naik secara  simultan.  Pada  proses  quenching  (pendinginan  mendadak)  pelat  rektangular  menunjukkan bahwa rejim didih film yang terbentuk merupakan daerah dimana permukaan suatu bidang yang panas tidak bersentuhan dengan air, hanya tertutupi oleh uap yang berbatasan dengan air. Keadaan ini cukup berbahaya  bila  berlangsung  lama.  Kondisi  ini  mengakibatkan  gas  yang  dihasil  selama  pemanasan tertumpuk  di  sepanjang  celah  sempit  dan  mengakibatkan  terjadinya  counter  current  flow  yang membatasi secara signifikan perpindahan kalor selama pendinginan celah sempit [7-13]. Untuk kasus pendinginan benda panas secara flow boiling, fluks kalor kritis yang terbentuk akan meningkat seiring dengan  kenaikan  laju  aliran  air  pendingin  yang  dialirkan  ke  benda  panas  tersebut.  Fenomena  ini digambarkan  dalam  korelasi  yang  didapatkan  oleh  L.  Tadrist.  Korelasi  tersebut  tersebut menggambarkan  bahwa  fluks  kalor  kritis  akan  meningkat  seiring  dengan  kenaikan  kecepatan  inlet kritis cairan yang dialirkan untuk mendinginkan benda panas yang memiliki celah sempit [14].
D E F
dengan: q c = fluks kalor kritis (kW/m 2 ) = kecepatan inlet kritis (m/s) = pressure different governing the liquid flow (Pa)
= kalor laten penguapan (Joule)
= densitas gas (kg/m 3 ) = densitas cairan (kg/m 3 )
Variasi  dari  fluks  kalor  kritis  dan  kecepatan  inlet  kritis  yang  didapatkan  dari  korelasi  tersebut digambarkan pada Gambar 2.
GHH N 1411 K LOP Q RS T S U W OP 2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012 XYZ [\ ] \ ] Fluks Kalor Kritis Pada Perubahan .........
^_ ` a Z b \ c d ] dT Z )
Gambar 2. Variasi dari fluks kalor kritis dan kecepatan inlet kritis pada pendidihan n-pentane dengan diameter hidrolik 0,9 mm [14]

## METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian  ini  menggunakan  metodologi  eksperimental  dengan  langkah-langkah  sebagai berikut:
a. Melakukan  eksperimen  untuk  memperoleh  data  perpindahan  kalor  pada vertical  rectangular narrow gap dengan parameter suhu pelat rektangular dan laju aliran air pendingin.
b. Menghitung fluks kalor dan koefisien perpindahan kalornya.
c. Melakukan analisis terhadap hasil yang telah didapatkan.
d. Menarik kesimpulan dari hasil analisa yang didapatkan.

## Peralatan Eksperimen
Alat  yang  digunakan  dalam  eksperimen  ini  adalah  bagian  uji  HeaTiNG-02.  Bagian  uji HeaTiNG-02 dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Bagian Uji HeaTiNG-02 [foto Mulya Juarsa]
g h i j k h lj m kn oph q r ks h t os h uv No.1 Februari 2013, Hal. 36-50 wx x N 1411 – 240X q o y op z 402/AU2/P2MI-LIPI/04/201 {
Komponen alat uji HeaTiNG-02 adalah sebagai berikut:
- Pelat utama
Pelat utama  merupakan pelat uji yang akan  dipanaskan dengan heater , kemudian didinginkan dengan air pendingin. Pelat uji ini memiliki ukuran  tebal 8 mm, panjang 1100 mm, dan lebar total 130 mm, dengan lebar wilayah untuk aliran air adalah 50 mm, dan terbuat dari bahan pelat SS  316.  Pada  bagian  pelat  uji  ini  dipasangi  30  titik  termokopel.  Termokopel  yang  digunakan adalah tipe K. Termokopel ini digunakan untuk mengukur perubahan temperatur selama proses pemanasan dan pendinginan. Posisi termokopel pada pelat utama dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Susunan termokopel yang terpasang pada pelat utama  Heating-02.
- Pelat Penutup
Merupakan  pelat  yang  menutupi  bagian  rektangular  dan  sebagai  bagian  yang  dipanaskan, sehingga antara pelat utama dan pelat penutup akan terbentuk celah rektangular. Pelat penutup adalah pelat dengan ukuran lebar 80 mm, panjang 1100 mm dan tebal 4 mm dengan bahan SS 316.
- Plenum atas dan bawah
Plenum atas  berfungsi  sebagai  tempat  untuk  mengalirkan  air  pendingin,  dengan  bahan  dari pelat  SS316  dan  tebal  3  mm.  Bagian  atasnya  berbentuk  segi  empat  dan  bagian  bawahnya dibentuk  prisma  segi  empat,  dengan  ukuran  bagian  atas  200  ×  200  ×  200  mm 3 dan  bagian bawah  30  ×  200  ×  20  mm 3 . Plenum bawah  berfungsi  sebagai  tempat  keluarnya  air  pendingin setelah  melewati  celah  sempit. Plenum bawah  berbahan  SS  316  dengan  tebal  3  mm  dan berbentuk silinder dengan diameter 110 mm dan tinggi 50 mm.
- Pemanas ( Heater )
Heater ini berfungsi untuk memanaskan pelat uji. Bagian ini terdiri dari kawat open coil heater dan insulating  ceramic  brick .  Kawat open  coil  heater dengan  diameter  kawat  2  mm  dibuat secara seri, daya maksimal pada tegangan 220 V adalah 10302 W. Dan insulating ceramic brick berfungsi  sebagai  dudukan  kawat open  coil  heater sebagai  sumber  panas.  Jenis insulating
~ N 1411          2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012      Fluks Kalor Kritis Pada Perubahan .........
           )
ceramic  brick yang  digunakan  adalah  C2  dengan  dimensi:  80×114×880  mm 3 ,  disusun  dari  4 brick berukuran 80×114×220 mm 3 .

## Prosedur Eksperimen
Pemanasan alat uji HeaTiNG-02 dilakukan secara radiasi oleh keramik heater secara horizontal dengan  daya  total  kurang  dari  15000  W.  Pengaturan  masukan  tegangan  selama  pemanasan menggunakan  slide  regulator  voltage  dengan  daya  maksimal  25000  W.  Tegangan  dinaikkan  secara bertahap agar distribusi kalor dapat merata pada bidang yang dipanaskan. Kemudian, setelah tegangan yang diberikan pada alat uji HeaTiNG-02 dimatikan, dilakukan pendinginan dengan memasukkan air pendingin yang telah  diatur  suhu dan laju alirnya dengan  menggunakan untai  uji BETA.  Perekaman data  suhu  hasil  eksperimen  ini  dilakukan  dengan  menggunakan  data  akuisisi  sistem  (DAS).  DAS diaktifkan  bersamaan  dengan  dimulainya  air  pendingin  masuk  ke  dalam  celah  sempit  dan dinonaktifkan ketika suhu pelat rektangular berada di bawah suhu air pendingin.

## Perhitungan Fluks Kalor Pendidihan
Fluks  kalor  adalah  laju  kalor  yang  ditransfer  persatuan  luas.  Besarnya  laju  perpindahan  kalor dalam proses pendinginan pelat rektangular adalah sebagai berikut:
  
Untuk kasus pelat rektangular dalam kondisi transien, maka
   
dengan,
Sehingga persamaan (2a) menjadi:
   
Untuk menentukan nilai fluks kalor pendidihan digunakan persamaan berikut ini:
   ¡ ¢
Untuk menentukan  nilai koefisien perpindahan kalor ditentukan dengan menggunakan:
 £ 

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari pengolahan data hasil eksperimen dengan suhu pelat 200 ºC, 400 ºC, dan 600 ºC, serta laju aliran air pendingin yang masuk ke dalam celah sempit 0,1 liter/detik, 0,2 liter/detik, dan 0,3 liter/detik didapatkan kurva fluks kalor terhadap T excess seperti terlihat pada Gambar 5-13.
¤ ¥ ¦ § ¨ ¥ ©§ ª ¨« ¬­¥ ® ¯ ¨° ¥ ± ¬° ¥ ²³ No.1 Februari 2013, Hal. 36-50 ´µ µ N 1411 – 240X ® ¬ ¶ ¬­ · 402/AU2/P2MI-LIPI/04/201 ¸
» 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 350 400 ¼ = 200 0 C Q = 0,1 liter/detik
d = 1 mm
Fluks kalor kritis
q = 300,82 kW/m 2
T excess = 110,55 0 C h = 2,72 kW/(m 2 . 0 C) F lu k s K alo r P en d id ih an , q ( k W/m 2 ) T excess , dT ( 0C ) q-2B q-3B q-4B
q-5A q-5C q-6B q-7B q-8B
Gambar 5. Kurva fluks kalor terhadap Texcess pada suhu pelat rektangular 200 ºC dan debit aliran air 0,1 liter/detik
½ 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 ¾ = 200 0 C Q = 0,2 liter/detik d = 1 mm
Fluks kalor kritis
q = 340,82 kW/m 2
T excess = 97,39 0 C h = 3,5 kW/(m 2 . 0 C) F lu k s K alo r P en d id ih an , q ( k W/m 2 ) T excess , dT ( 0C ) q-2B q-3B
q-4B q-5A q-5C q-6B q-7B q-8B
Gambar 6. Kurva fluks kalor terhadap T excess pada suhu pelat rektangular 200 ºC dan debit aliran air 0,2 liter/detik
¿ÀÀ N 1411 Á ÂÃÄ Å ÆÇ È Ç É Ê ÃÄ 2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012 ËÌÍ ÎÏ Ð Ï Ð Fluks Kalor Kritis Pada Perubahan .........
ÑÒ Ó Ô Í Õ Ï Ö × Ð ×È Í ) Ø Ù Ú 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Û Ü Ý Þ ß Þ àÜ á â Þ â ã äã ß q = 446,24 kW/m 2
T excess = 105,16 0 C h = 4,24 kW/(m 2 . 0 C) T = 200 0 C Q = 0,2 liter/detik d = 1 mm F lu k s K alo r P en d id ih an , q ( k W/m 2 ) T excess , dT ( 0C ) q-2B q-3B q-4B
q-5A q-5C q-6B q-7B q-8B
Gambar 7. Kurva fluks kalor terhadap T excess pada suhu pelat rektangular 200 ºC dan debit aliran air 0,3 liter/detik
å 50 100 150 200 250 300 350 400 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 æçèé ê é ë ç ìí é í îï îê q = 333,86 kW/m 2
T excess = 124,3 0 C
h = 2,69 kW/(m 2 . 0 C) T = 400 0 C Q = 0,1 liter/detik d = 1 mm F lu k s K alo r P en d id ih an , q ( k W/m 2 ) T excess , dT ( 0C ) q2b q3b q4b q5a q5c q6b q7b q8b
Gambar 8. Kurva fluks kalor terhadap T excess pada suhu pelat rektangular 400 ºC dan debit aliran air 0,1 liter/detik
ð ñ ò ó ô ñ õó ö ô÷ øùñ ú û ôü ñ ý þÿV 5 No.1 Februari 2013, Hal. 36-50 I N 1411 – 240X N þþ 402/AU2/P2MI-LIPI/04/201 2
0 50 100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 F q = 503,64 kW/m 2
T excess = 140,11 0 C h = 3.59 kW/(m 2 . 0 C) T = 400 0 C Q = 0,2 liter/detik d = 1 mm F lu k s K alo r P en d id ih an , q ( k W/m 2 ) T excess , dT ( 0C ) q2b q3b q4b q5a q5c q6b q7b q8b
Gambar 9. Kurva fluks kalor terhadap T excess pada suhu pelat rektangular 400 ºC dan debit aliran air 0,2 liter/detik
50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 100 200 300 400 500 600 700 800 q = 710,55 kW/m 2 T excess = 196,6 0 C h = 3,61 kW/(m 2 . 0 C) T = 400 0 C Q = 0,3 liter/detik d = 1 mm F lu k s K alo r P en d id ih an , q ( k W/m 2 ) T excess , dT ( 0C ) q2b q3b q4b q5a q5c q6b q7b q8b
Gambar 10. Kurva fluks kalor terhadap T excess pada suhu pelat rektangular 400 ºC dan debit aliran air 0,3 liter/detik
N 1411  ! " # 2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012 A$% &' ( ' ( Fluks Kalor Kritis Pada Perubahan .........
)M * + % , ' - . ( .! % ) / 1 3 100 200 300 400 500 600 700 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 6789 : 9 ;7<= 9 = >?>: q = 705,04 kW/m 2
T excess = 313 0 C h = 2,25 kW/(m 2 . 0 C) T = 600 0 C Q = 0,1 liter/detik d = 1 mm F lu k s K alo r P en d id ih an , q ( k W/m 2 ) T excess , dT ( 0C ) q2b q3b q4b q5a q5c q6b q7b q8b
Gambar 11. Kurva fluks kalor terhadap T excess pada suhu pelat rektangular 600 ºC dan debit aliran air 0,1 liter/detik
@ 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 B C D E G E H C J K E K LO L G q = 899,38 kW/m 2
T excess = 266,27 0 C
h = 3,38 kW/(m 2 . 0 C) T = 600 0 C Q = 0,2 liter/detik d = 1 mm F lu k s K alo r P en d id ih an , q ( k W/m 2 ) T excess , dT ( 0C ) q2b q3b q4b q5a q5c q6b q7b q8b
Gambar 12. Kurva fluks kalor terhadap T excess pada suhu pelat rektangular 600 ºC dan debit aliran air 0,2 liter/detik
P Q R S T Q US W TX YZQ [ \ T] Q ^ Y] Q _` No.1 Februari 2013, Hal. 36-50
ab b N 1411 – 240X [ Y c YZ d 402/AU2/P2MI-LIPI/04/201 e
h 100 200 300 400 500 600 700 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 i jk l m l n jo p l p qrqm q = 914,72 kW/m 2
T excess = 236,78 0 C h = 3,86 kW/(m 2 . 0 C) T = 600 0 C Q = 0,3 liter/detik d = 1 mm F lu k s K alo r P en d id ih an , q ( k W/m 2 ) T excess , dT ( 0C ) q2b q3b q4b q5a q5c q6b q7b q8b
Gambar 13. Kurva fluks kalor terhadap T excess pada suhu pelat rektangular 600 ºC dan debit aliran air 0,3 liter/detik
Secara umum dari Gambar 5-13 terlihat bahwa pelat bagian tengah memiliki suhu yang paling tinggi  di  bandingkan  dengan  pelat  bagian  atas  atau  bawah.  Tingginya  kalor  di  bagian  tengah  ini disebabkan karena kalor yang dihasilkan dari heater memiliki suhu yang paling tinggi di bagian tengah yang  secara  radiasi  dipancarkan  ke  pelat.  Suhu  pelat  bagian  tengah  menjadi  lebih  tinggi  karena menumpuknya kalor di bagian tengah akibat akumulasi kalor yang diberikan oleh kalor dari arah pelat bawah dan pelat atas yang terdistribusi ke segala arah. Disamping itu, pendinginan yang terjadi pada pelat bagian tengah hanya berasal dari aliran air pendingin yang masuk ke celah sempit saja, sehingga suhunya  lebih  lambat  turun  jika  dibandingkan  dengan  suhu  pada  pelat  bagian  atas  dan  bawah  pelat. Sedangkan pada pelat bagian atas memiliki suhu yang rendah dibandingkan suhu pelat bagian tengah, namun sedikit lebih tinggi daripada suhu pelat bagian bawah. Pelat bagian atas walaupun tertutup oleh plenum, namun kalor yang mengarah ke atas terbuang ke plenum dan pipa saluran air pendingin. Pipa air  pendingin  yang  terhubung  ke  celah  sempit  dan  tidak  terisolasi  menyerap  kalor  yang  berasal  dari pelat  bagian  atas.  Pelat  bagian  atas  mengalami  pendinginan  yang  lebih  cepat  karena  air  pendingin ketika  masuk  ke  dalam  celah  sempit  menyentuh  pelat  pertama  kali  dan  menyerap  kalor  yang  ada  di bagian  atas.  Pelat  bagian  bawah  memiliki  suhu  yang  paling  rendah  dibandingkan  bagian  atas  dan tengah. Rendahnya suhu pada bagian ini disebabkan karena bagian bawah memiliki sisi yang terbuka dengan  udara  luar,  sehingga  menghambat  kenaikan  suhu  pelat  persegi  bagian  bawah.  Pendinginan bagian bawah pelat juga terlihat lebih cepat karena selama didinginkan oleh air pendingin yang masuk ke  dalam  celah  sempit,  juga  dibantu  oleh  udara  dari  lingkungan.  Dapat  dilihat  bahwa  fluks  kalor tertinggi terdapat pada pelat bagian tengah, sedangkan pelat bagian bagian bawah dan atas  memiliki fluks kalor yang kecil. Ini dikarenakan suhu pelat bawah dan atas lebih kecil dari suhu pelat  bagian tengah. Suhu yang lebih kecil diakibatkan oleh celah bagian bawah yang terbuka sehingga pengaruh dari  udara  luar  cukup  dominan  untuk  menghambat  kenaikan  suhu  pelat  bagian  bawah.  Begitu  pula untuk pelat bagian atas, walaupun tertutup namun masih terjadi perpindahan kalor ke bagian plenum atas dan ke pipa saluran air pendingin yang tidak terisolasi. Hal ini menunjukkan besarnya fluks kalor dipengaruhi  oleh  perubahan  suhu  pelat  rektangular.  Hasil  ini  menunjukkan  kesesuaian  dengan  hasil analisis  yang  dilakukan  oleh  peneliti  sebelumnya  bahwa  kecepatan  liquid  memiliki  pengaruh  yang signifikan dalam karakteristik perpindahan kalor, performansi pendinginan, dan transisi pola alirannya.
stt N 1411 u vwx y z{ | { } ~ wx 2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012      Fluks Kalor Kritis Pada Perubahan .........
         |  )
Hasil  pengolahan  data  pada  analisa  fluks  kalor  kritis  dengan  perubahan  suhu  pelat  dan  laju aliran air pendingin untuk kasus pemanasan-ganda di celah sempit rektangular di tunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil pengolahan data analisa fluks kalor kritis pada suhu 200 ºC, 400 ºC, dan 600 ºC serta laju aliran air pendingin 0,1 liter/detik, 0,2 liter/detik, dan 0,3 liter/detik.
       T (ºC)          endingin, Q (liter/detik)          ritis (kW/m ¡ ¢  £¤   £  £    ¥    kalor, h (kW/(m ¦§¨ ¡ ¡ © ¦ ª « « «  © ¬ « «  ­ 2 ª   ª ª ¦ «  ª ¬  «  ­ 2 ¬  ® « ¬ ¦ «  ¬   ¯  ª 4   ª   ¦  « « «  © ¬ ¬ ¬  86 ª  ª ° ® ¦ «  ª ® « ¬  ¯ 4 ¬  ® ° ¯ ¦ «  ¬  © «  ® 5 ¬  ¯ ©  ¦ ¯ « « «  ©  « ®  « 4 ª  ª ® ­ «  ª ­ ° °  ¬ 8 ¬  ¬ ­ ° ¦ «  ¬ ° ©    2 ¬  ­ ¯
Hasil yang didapatkan pada Tabel 1 menunjukkan bahwa semakin besar suhu dan debit aliran yang  dialirkan  ke  celah  sempit  rektangular  pada  kasus  pemanasan  ganda  maka  akan  menghasilkan kenaikan nilai fluks kalor kritis dan koefisien perpindahan panasnya. Untuk membandingkan dengan hasil  yang  didapatkan  oleh  L.  Tadrist,  maka  dibuat  sebuah  kurva  yang  menggambarkan  tentang hubungan  antara debit  aliran  air  pendingin yang  masuk ke dalam  celah  sempit dan fluks kalor kritis yang  dihasilkan  pada  penelitian  ini.  Kurva  dapat  dilihat  pada  Gambar  14.  Hasil  yang  didapatkan menunjukkan kesesuaian dan memperkuat korelasi yang didapatkan oleh L. Tadrist.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 ± ² ³ ´ µ ¶ · ² ¸ ¹ ¶ ¹ º » º µ ¼ q c [ k W/m 2 ] Debit Aliran Air Pendingin, D [liter/detik] ½ ¾¿À Á Â Ã ¾ ÄÅ Â Å ÆÇÆÁ È ÃÉÃ T = 200 0 C ½ ¾¿À Á Â Ã ¾ ÄÅ Â Å ÆÇÆÁ È ÃÉÃ T = 400 0 C ½ ¾¿À Á Â Ã ¾ Ä Å Â Å ÆÇÆÁ È ÃÉÃ T = 600 0 C
Gambar 14. Hubungan debit aliran air pendingin yang masuk ke dalam celah sempit dan fluks kalor kritis pada suhu pelat panas 200 ºC, 400 ºC, dan 600 ºC.
Dari  penelitian  ini  dapat  dilihat  bahwa  penyerapan  kalor  yang  paling  besar  menunjukkan  laju pendinginan  terlihat  mulai  terjadinya  penurunan  suhu  yang  signifikan  karena  banyaknya  kalor  yang terserap oleh air. Kalor yang terserap akan mencapai puncaknya pada kondisi fluks kalor kritis. Pada
Ê Ë Ì Í Î Ë ÏÍ Ð ÎÑ ÒÓË Ô Õ ÎÖ Ë × ÒÖ Ë ØÙ No.1 Februari 2013, Hal. 36-50 ÚÛ Û N 1411 – 240X ÜÝ Þ Ý ß à 402/AU2/P2MI-LIPI/04/201 á
kondisi ini terjadi penyerapan kalor yang paling besar oleh air pendingin yang melewati pelat panas. Penyerapan kalor berlangsung terus secara establish hingga tercapainya rejim pendidihan inti dan rejim perpindahan kalor satu fasa konveksi. Hal ini menunjukkan bahwa pendinginan pelat panas akan cepat tercapai  ketika  kondisi  pendidihan  film  minimal  terlampaui.  Pada  kondisi  ini  air  pendingin  dapat secara  establish  melakukan  pendinginan  pelat  panas  hingga  suhu  pendinginan  yang  diinginkan tercapai.  Secara  fisis  dapat  dikatakan  bahwa  nilai  fluks  kalor  menunjukkan  besarnya  kalor  yang ditransfer pada tiap perubahan suhu pelat. Nilai fluks kalor bernilai kecil pada saat air pendingin mulai masuk  ke  dalam  narrow  gap  karena  belum  terjadi  kontak  langsung  antara  air  pendingin  dengan permukaan  pelat.  Perpindahan  kalor  terjadi  secara  radiasi  yang  menyebabkan  koefisien  perpindahan kalornya  kecil.  Namun  ketika  terjadi  kontak  antara  air  pendingin  dengan  permukaan  pelat,  terlihat peningkatan nilai fluks kalor. Nilai koefisien perpindahan kalor bernilai kecil pada saat air pendingin mulai  masuk  ke  dalam  celah  karena  belum  terjadi  kontak  langsung  antara  air  pendingin  dengan permukaan  pelat.  Perpindahan  kalor  terjadi  secara  radiasi  yang  menyebabkan  koefisien  perpindahan kalornya  kecil.  Namun  ketika  terjadi  kontak  antara  air  pendingin  dengan  permukaan  pelat,  terlihat peningkatan  nilai  koefisien  perpindahan  kalor.  Ini  menunjukkan  perpindahan  kalor  yang  besar  dari pelat ke air pendingin yang mengalir pada permukaan pelat terjadi setelah adanya rewetting dan terjadi secara konveksi. . Hasil yang didapatkan menunjukkan bahwa nilai fluks kalor tergantung pada kontak antara air pendingin yang masuk dengan permukaan pelat rektangular. Kenaikan atau penurunan nilai fluks kalor akan mempengaruhi kenaikan atau penurunan nilai koefisien perpindahan kalornya.
Peristiwa  lain  yang  terjadi  pada  saat  pendinginan  celah  sempit  rektangular  adalah  counter current flow, yaitu adanya uap yang menahan air pendingin masuk pertama kali ke dalam celah. Hal ini  ditunjukkan  dengan  tersendatnya  air  pendingin  yang  keluar  melalui  lubang  keluaran  celah  (open loop).  Air  yang  keluar  melalui  lubang  keluaran  merupakan  campuran  antara  uap  dan  air  pendingin. Namun  setelah  fenomena  counter  current  flow  hilang,  air  pendingin  yang  keluar  setelah  melewati narrow  gapakan  normal  dan  tidak  bercampur  uap  setelah  air  pendingin  kontak  langsung  dengan permukaan pelat rektangular. Terjadinya fenomena counter current flow terhadap aliran air pendingin diperkirakan  karena  terbentuknya  gas  di  sepanjang  pelat  panas.  Gas  yang  terbentuk  terakumulasi  di bagian tengah pelat panas karena pelat bagian tengah memiliki suhu yang lebih tinggi dari bagian atas dan  bawah  pelat.Gas  tersebut  menghambat  sentuhan  air  terhadap  pelat  panas.Air  pendingin  yang mengalir  sepanjang  pelat  membasahi  bagian  bawah  dan  atas  terlebih  dahulu,  baru  kemudian membasahi bagian tengah. Hal ini menunjukkan bahwa counter current flow menghambat pendinginan pelat panas. Distribusi suhu masih sangat tinggi ketika air pendingin belum kontak dengan permukaan pelat,  dan  counter  current  flow  masih  terjadi.  Distribusi  suhu  terlihat  menurun  setelah  air  pendingin mengalami  kontak  langsung  dengan  permukaan  pelat.  Kejadian  ini  disebut  sebagai  rewetting  point, yaitu titik ketika air pendingin mulai kontak secara establish dengan permukaan pelat.

## KESIMPULAN
Fluks  kalor  kritis  pada  suhu  pelat  200  ºC  mengalami  kenaikan  sebesar  13,29  %  dan  48,34  % ketika  debit  aliran  dinaikkan  dari  0,1  liter/detik  ke  0,2  liter/detik  dan  0,3  liter/detik.  Sedangkan keofisien perpindahan kalornya mengalami kenaikan sebesar 28,68 % dan 55,88 %. Fluks kalor kritis pada  suhu  pelat  400  ºC  mengalami  kenaikan  sebesar  50,85  %  dan  112,83  %  ketika  debit  aliran dinaikkan  dari  0,1  liter/detik  ke  0,2  liter/detik  dan  0,3  liter/detik.  Sedangkan  keofisien  perpindahan kalornya mengalami kenaikan sebesar 56,77 % dan 57,64 %. Fluks kalor kritis pada suhu pelat 600 ºC mengalami kenaikan sebesar 27,56 % dan 29,74 % ketika debit aliran dinaikkan dari 0,1 liter/detik ke 0,2  liter/detik  dan  0,3  liter/detik.  Sedangkan  keofisien  perpindahan  kalornya  mengalami  kenaikan sebesar  50,22  %  dan  71,56  %.  Fluks  kalor  kritis  dan  keofisien  perpindahan  kalor  yang  didapatkan dalam  penelitian  ini  meningkat  seiring  dengan  kenaikan  debit  aliran  yang  dialirkan  ke  celah  sempit rektangular pada suatu suhu pelat panas untuk kasus pemanasan ganda.
äåå N 1411 æ çèé ê ëì í ì î ï èé 2/AU2/P2MI-LIPI/04/2012 ðñò óô õ ô õ Fluks Kalor Kritis Pada Perubahan .........
ö÷ ø ù ò ú ô û ü õ üí ò )

## ARTI SIMBOL (Nomenclature)
Q
= laju perpindahan kalor (watt) M ss
= massa pelat rektangular Stainless Steel (kg), C p(Tw)
= kalor spesifik pelat rektangular (J/kg. o C) dT/dt
= perubahan suhu pada pelat rektangular terhadap waktu ( o C/detik) ρ SS = densitas pelat rektangular Stainless Steel (kg/m 3 )
p = panjang pelat rektangular (m) l = lebar pelat rektangular (m) t = tebal pelat rektangular (m) q = fluks kalor pendidihan (watt/m 2 ) A = Luas pelat rektangular (m 2 ) h = koefisien perpindahan kalor (watt/m 2 . o C) T excess = Suhu wall superheat = T w -T sat ( o C)
T w = Suhu dinding pelat rektangular ( o C) T sat = Suhu saturasi air ( o C)

## DAFTAR PUSTAKA
1. Y.  Maruyama  et  al.  Application  of  CAMP  Code  to  Analysis  of  Debris  Coolability Experiments  in  ALPHA  Program.  Proceeding  of  the  Workshop  on  Severe  Accident Research (SARJ-98). JAERI-Conf 99-005; 1999.
2. A.R.  Antariksawan.  Analisis  Degradasi  Teras  PWR  Pada  Kejadian  Kehilangan  Catu  Daya. Jurnal Tri Dasa Mega. 2005; Vol. 2, No. 3.
3. A.  Hidaka  et  al.  Analysis  of  ALPHA  in  Vessel  Debris  Coolability  Experiments  with SCDAPSIM  Code.  Proceeding  of  the  Workshop  on  Severe  Accident  Research  (SARJ-98). JAERI-Conf 99-005; 1999.
4. Kandlikar,  S.G.  Heat  Transfer  Mechanisms  during  Flow  Boiling  in  Microchannels.  Journal of Heat Transfer. 2002; 8: 27-35.
5. Mulya Juarsa. Study on Boiling Heat Transfer Under Transient Cooling in an Annulus with A  Narrow  Gap.  Master  Degree  Thesis  of  Fundamental  Energy  Science.  Kyoto  University; 2003.
6. Mulya Juarsa, Raldi Artono Koestoer, Nandy Putra, Anhar Riza Antariksawan, Indarto, IGN. Bagus Catrawerdana. Experimental Study on the Effect of Initial Temperature to CHF in a Rectangular  Narrow  Channel  with  Bilateral-Heated.  FTEC2011-The  7 th International Conference on Fluid and Thermal Energy Conversion; 2011 September 24 – 27. Zhengzhou, China; 2011
7. Jian Zhang, Futoshi Tanaka, Mulya Juarsa, Kaichiro Mishima. Calculation of Boiling Curves during Rewetting of a Hot Vertical Narrow Channel. The 10 th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-10); 2003 October 5 - 9. Seoul, Korea; 2003.
8. Fujita.  Y.,  and  Yang,  Y.  Boiling  Heat  Transfer  in  Rectangular  Channels  of  Small  Gaps. Memoirs of the Faculty of Engineering, Kyushu University. 2002; Vol. 62, No. 4.
9. Salah El-Din El-Morshedy, Adel Alyan, and Loula Shouman. Experimental Investigation of Natural  Convection  Heat  Transfer  in  Narrow  Vertical  Rectangular  Channel  Heated  from Both Sides. International Journal of Experimental Thermal and Fluid Science. 2012; 36: 72- 77.
10. Qing Lu, Suizheng Qiu, Guanghui Su, Wenxi Tian, Zhonghao Ye. Experimental Research on Heat  Transfer  of  Natural  Convection  in  Vertical  Rectangular  Channels  with  Large  Aspect Ratio. International Journal of Experimental Thermal and Fluid Science. 2010; 34: 73-80.
ÿ J J J J V J 5 No.1 Februari 2013, Hal. 36-50
I N 1411 – 240X N 402/AU2/P2MI-LIPI/04/201 2
11. H.Y. Zeng, S.Z. Qiu, and D.N. Jia. Investigation on the Characteristics of the Flow and Heat Transfer  in  Bilaterally  Heated  Narrow  Annuli.  International  Journal  of  Heat  and  Mass Transfer. 2007; 50: 492-501.
12. Md.  Ashraful  Islam,  Masanori  Monde,  Peter  Lloyd  Woodfield,  Yuichi  Mitsutake.  Jet Impingement Quenching Phenomena for Hot Surfaces Well above the Limiting Temperature for Solid – liquid Contact. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2008; 51: 1226 – 1237.
13. Jun Huang et. al., Numerical Study on Effect of Gap Width of Narrow Rectangular Channel on  Critical  Heat  Flux  Enhancement.  International  Journal  of  Nuclear  Engineering  and Design. 2009; 239: 320-326.
14. L. Tadrist. Review on Two-Phase Flow Instabilities in Narrow Spaces. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2007; 28: 54-62