Karakteristik energi internal penukar kalor berdasarkan variasi suhu pemanas sirkulasi alam untai uji FASSIP-02
Giarno 1 , G. B. Heru K. 1 , Ainur Rosidi 1 , Dedy Haryanto 1 , Adhika E. P. 1 , Mulya Juarsa 1
1 Pusat Riset dan Teknologi Reaktor, Keselamatan dan Keamanan Nuklir (PRTRKKN),
Organisasi Riset Tenaga Nuklir (ORTN), Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) Kawasan Puspiptek Serpong, Gedung 80, Tangerang Selatan, Banten 15310
Email korespondensi: giarno@batan.go.id

## Abstrak
Kecelakaan  PLTN  di  Fukushima  Dai-ichi,  Jepang,  pada  tahun  2011  telah  menunjukkan  kegagalan  sistem pendingin aktif (pompa) untuk mendinginkan reaktor, yang memicu kajian terkait penerapan sistem pendingin pasif (tanpa pompa) untuk pengembangan manajemen keselamatan di PLTN. Kajian tentang laju aliran sirkulasi alami sebagai dasar sistem pendingin pasif telah dilakukan sejak tahun 2011 di PRTRKKN dengan menggunakan fasilitas eksperimental skala besar yang disebut uji loop FASSIP-02. Fasilitas ini memiliki sistem penukar panas tipe U di tangki pendinginnya, yang merupakan bagian penting dari proses pembuangan ke lingkungan. Dengan demikian, kajian ini bertujuan untuk menganalisis perubahan energi yang terjadi pada penukar panas selama kondisi  tunak.  Kajian  dilakukan  secara  eksperimental,  dan  perhitungan  perubahan  energi  dalam  dilakukan dengan menggunakan data suhu dan variasi laju aliran sirkulasi alami yang terjadi pada variasi suhu pada bagian pemanasan yaitu 40°C, 50°C, dan 60°C. Data perbedaan suhu diperoleh dari suhu masuk dan keluar pada heat exchanger dengan menjaga kondisi steady selama 5 jam dari total waktu percobaan 24 jam. Hasil percobaan menunjukkan bahwa perubahan energi dalam meningkat seiring dengan laju aliran sirkulasi alam yang terjadi.
Kata kunci : energi internal, penukar panas bentuk U , sirkulasi alami, tangki pendingin, uji loop FASSIP-02.

## Abstract
The nuclear power plant accident in Fukushima Dai-ichi, Japan, in 2011 has shown the failure of the active cooling system (pump) to cool the reactor, which triggers research related to applying passive cooling systems (without pumps) to developing nuclear power plant safety management. Research on natural circulation flow rates as  the  basis  for  passive  cooling  systems  has  been  carried  out  since  2011  at  PRTRKKN  using  a  large-scale experimental facility called FASSIP-02 test loop. The facility has a U-type heat exchanger system in its cooling tank, which is an essential part of the discharge process to the environment. Thus, this study aims to analyze the energy  changes  that  occur  in  the  heat  exchanger  during  steady  conditions.  The  research  was  carried  out experimentally, and the calculation of internal energy changes was done using temperature data and the variations of the natural circulation flow rate that occurred at temperature variations in the heating section, namely 40°C, 50°C, and 60°C. The temperature difference data was obtained from the inlet and outlet temperatures in the heat exchanger by maintaining steady conditions for 5 hours out of 24 hours total experimental time. The experimental results show that the change in internal energy increases with the flow rate of the natural circulation that occurs.
Keywords: internal energy, U-shape heat exchanger, natural circulation, cooling tank, FASSIP-02 test loop.

## 1. Pendahuluan
Belajar  dari  pengalaman  kecelakaan  pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) di Fukushima, Dai-ichi, Jepang  tahun  2011  ketika  sistem  pendingin  aktif (pompa)  gagal  dalam  pendinginan  reaktor,  memicu studi  terkait  aplikasi  sistem  pendingin  pasif  (tanpa pompa)  dalam  peningkatan  manajemen keselamatan PLTN  [3],[10].  Kajian  terkait  laju  aliran  sirkulasi alam sebagai dasar dari sistem pendingin pasif telah dilakukan  sejak  tahun  2011  oleh  Juarsa  dkk  [5]. Fasilitas eksperimen skala besar diberi nama untai uji Fasilitas  Simulasi  Sistem  Pasif-02  (FASSIP-02) adalah  salah  satu  fasilitas  untuk  mempelajari  aliran sirkulasi  alam  akibat  adanya  gaya  apung bouyancy dan  gaya  gravitasi  [2],[9].  Untai  FASSIP-02  terdiri dari  tangki  pendingin  dan  tangki  pemanas  yang dihubungkan  dengan  sistem  perpipaan.  Sistem
perpipaan  dari  tangki  pemanas  terhubung  dengan sistem  penukar  kalor  tipe U-shape di  dalam  tangki pendingin  [8],[6].  Pengambilan  panas  oleh  penukar kalor yang terendam dalam air pada sistem pendingin pasif  adalah  kolam  yang  merendam heat  exchanger (HE) pada reaktor jenis small modular reactor (SMR) [4]. Panas yang dihasilkan dari pengoperasian SMR secara  normal  maupun  pada  saat  terjadi  kejadian anomali, harus dibuang ke lingkungan melalui HE [7]. Air  panas  yang  mengalir  secara  alami  dari  tangki pemanas menuju tangki pendingin yang melewati alat penukar kalor tipe U-shape pada untai uji FASSIP-02 akan  dihitung  energi  internal  yang  terjadi  pada  alat penukar  kalor.  Tujuan  dari  kajian  ini  adalah menganalisis  karakteristik  energi  internal  dalam penukar kalor tipe U-shape secara eksperimen.
2. Metode
Pengisian air di tangki pendingin setinggi dua meter dan air di untai perpipaan hingga terisi setengah dari volume air di tangki ekspansi.
Pengoperasian  komputer  dan  sistem  akuisisi  data (DAS)  untuk setting suhu  di  tangki  pemanas  dan perekaman  data  suhu  sesuai  dengan  matriks eksperimen.  Pengoperasian  sistem  kelistrikan  untuk menjalankan  4  buah heater .  Melakukan  eksperimen mulai  dengan  kondisi  transien  di  tangki  pemanas hingga tercapai kondisi tunak dipertahankan selama 5 jam  dari  24  jam  pengambilan  data  eksperimen  atau hingga tercapai suhu di tangki pendingin ≤30°C.
Gambar 1. Skema untai uji FASSIP-02.
Gambar  1  menunjukkan  skema  penukar  kalor U- shape , di mana terjadi perubahan energi internal yang berasal dari air panas yang mengalir secara alami dari tangki  pemanas.  Besarnya  energi  internal  di  dalam penukar  kalor U-shape ( q in-HE )  setiap  detik  dihitung dengan Persamaan 1 (Holman, 2010).
𝑞 = 𝑚̇. 𝑐 . 𝛥𝑇 𝑞 = 𝑚̇. 𝑐 . (𝑇 − 𝑇 ) (1)
dengan, q in-HE =  energi  internal  HE  (W); ṁ =  laju aliran massa (kg/s), C P = kapasitas jenis air (J/kg ° C), ∆T =  selisih  suhu  ( ° C).  Laju  aliran  massa  pada Persamaan 1 diperoleh berdasarkan data pengukuran debit  alir  sirkulasi  alami  eksperimen  selama  10  jam menggunakan flow meter electromagnetic . Data debit aliran dikonversi menggunakan Persamaan 2.
𝑚̇ = 𝜌𝑄
(2)
Di  mana  untuk  densitas  air  dan  kapasitas  jenis  air merupakan  fungsi  dari  perubahan  suhu  yang ditunjukkan dengan Persamaan 3 dan 4 [1].
𝐶 (𝑇) = 4073.51 + 0.0000021𝑒 . +
61.93𝑒 . (3) 𝜌(𝑇) = 1004.79 − 0.0463(32 + 1.8𝑇 ) − 0.00079(32 + 1.8𝑇) (4)

## 3. Hasil dan Pembahasan
Data hasil pengukuran diperoleh distribusi suhu yang masuk dan keluar penukar kalor U-shape selama 10 jam. Data tersebut dibuat grafik hubungan distribusi suhu T C-IN dan T C-OUT selama  eksperimen menggunakan software
Origin 8.0, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Kurva distribusi suhu selama eksperimen.
Pembacaan  grafik  pada  Gambar  2,  diperoleh  kurva distribusi  temperatur T C-IN dan T C-OUT untuk pengaturan  suhu  di  tangki  pemanas  40 o C,  50 o C  dan 60 o C  selama  eksperimen. Heater ketika  mulai menyala, kurva T C-IN untuk semua variasi suhu tidak langsung naik, tetapi mendatar dahulu, lalu naik lebih tegak  dibandingkan  dengan  kurva T C-OUT yang  naik lebih  landai.  Ketiga  kurva T C-IN pada  saat  kondisi transien terlihat saling berhimpit untuk semua variasi pengaturan  suhu,  begitu  juga  dengan  kurva T C-OUT terlihat  berhimpit.  Waktu  yang  dibutuhkan heater untuk  proses  pemanasan  air  mulai heater menyala hingga kondisi tunak, dapat ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Waktu kondisi transien.
No. Setting Temperatur di tangki pemanas, T ( o C)
Waktu, t (detik) 1 40 1580 2 50 2364 3 60 3178
Tangki pendingin heater Tc-in Tc-out air dingin Air panas Untai Uji FASSIP- 02 T-HE-1 T-HE-2 T-HE-3 Ta ng ki p em an as Penukar kalor U-Shape 0 3600 7200 10800 14400 18000 21600 25200 28800 32400 36000 25 30 35 40 45 50 55 60 65 heater mulai ON(300s) awal tunak T-40(1880s) awal tunak T-50(2664s) 3478 T em pe ra tu re , T ( o C ) Time, t (second) TC-IN-40
TC-OUT-40 TC-IN-50 TC-OUT-50
TC-IN-60 TC-OUT-60 awal tunak T-60(3478s)
Tabel 1 menunjukkan waktu yang dibutuhkan heater untuk memanaskan air dalam tangki pemanas (kondisi transien), heater mulai menyala hingga tercapai suhu awal  kondisi  tunak.  Kondisi  tunak  dipertahankan selama  5  jam  dan  berakhir  setelah heater mati, kemudian eksperimen dibiarkan selama 24 jam untuk pendinginan.  Waktu  pemanasan  air  yang  tercepat terlihat  dari  Tabel  1  yaitu  selama  1580  detik  (26,3 menit) pada pengaturan suhu 40 o C dan terlama 3178 detik (53,0 menit) pada pengaturan suhu 60 o C . Data dari  hasil  pembacaan  grafik,  terlihat  semakin  besar pengaturan  suhu  di  tangki  pemanas,  maka  semakin lama  waktu  yang  dibutuhkan heater untuk memanaskan air hingga tercapai kondisi tunak.
Data hasil pengukuran debit aliran ( Q ) menggunakan flow meter electromagnetic selama eksperimen dalam bentuk  LPM,  lalu  dibuat  grafik  dengan software Origin 8.0, dan nilai Q yang sudah smoothed , dibuat grafik seperti ditunjukkan Gambar 3.
Gambar 3. Kurva debit aliran smoothed selama 10 jam.
Gambar  3,  menunjukkan  kurva  nilai Q yang  sudah smoothed, dan  kurva  nilai Q pada  kondisi  transien terlihat  berhimpit,  tetapi  pada  kondisi  tunak,  kurva pada  pengaturan  suhu  50 o C  dan  60 o C  lebih  dekat dibandingkan dengan 40 o C yang terlihat jauh berada di bawah.
Data hasil  pengukuran  suhu yang masuk dan keluar penukar  kalor U-shape dan  debit  aliran  dari eksperimen menggunakan untai uji FASSIP-02, akan dilakukan perhitungan perubahan energi internal pada penukar kalor U-shape ( q IN-HE ) dengan menggunakan Persamaan  1.  Nilai  laju  aliran  massa  dihitung menggunakan  Persamaan  2  dengan  nilai rho dari Persamaan 4 dan besarnya Q yang sudah smoothed . Nilai  kapasitas  jenis  dihitung  menggunakan Persamaan 3. Hasil perhitungan q IN-HE dibuat grafik, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Kurva perubahan energi internal selama eksperimen.
Gambar 4, menunjukkan kurva nilai q IN-HE selama 10 jam  untuk  tiga  variasi  pengaturan  suhu  di  tangki pemanas.  Ketiga  kurva  pada  saat  kondisi  transien terlihat  berhimpit,  hal  tersebut  menunjukkan  nilai perubahan energi internal pada saat transien memiliki karakteristik  yang  sama.  Kurva q IN-HE pengaturan suhu  40 o C  pada  kondisi  tunak,  terlihat  paling  kecil fluktuasinya  dibandingkan  dengan  yang  lain. fenomena  itu  menunjukkan  semakin  rendah pengaturan  suhu  di  tangki  pemanas,  kestabilan  laju aliran  fluida lebih stabil. Kurva pendinginan  setelah heater mati,  terlihat  energi  internal  dengan pengaturan  suhu  60 o C,  lebih  cepat  turun  dibanding yang  lain.  Hubungan  korelasi  perubahan  energi internal  penukar kalor U-shape terhadap pengaturan suhu di  tangki  pemanas  dibuat  grafik,  seperti ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Grafik hubungan perubahan energi internal selama eksperimen.
Gambar 5 menunjukkan hubungan korelasi fitting dari kedua variabel di atas ditunjukkan oleh Persamaan 5, sebagai berikut:
𝑞 = −2789,34 + 90,16. 𝑥 (5) Persamaan  5  diperoleh  dari fitting perubahan  energi internal  di  penukar  kalor  tipe U-shape rata-rata terhadap  variasi  laju  aliran  sirkulasi  alami  dengan pengaturan  suhu  40 o C,  50 o C  dan  60 o C  di  tangki
0 3600 7200 10800 14400 18000 21600 25200 28800 32400 36000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 Q S m oo th ed ( L P M ) Time, t (second)
Smoothed Y1-40 Smoothed Y1-50
Smoothed Y1-60 0 3600 7200 10800 14400 18000 21600 25200 28800 32400 36000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 q, T60 q, T50 q, T40 Time, t ( second) E ne rg i i n te rn al , q IN -H E ( W ) q-T40(Watt) q-T50(Watt) q-T60(Watt)
40 45 50 55 60 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 E n er gi in te rn al , q IN -H E ( W ) q IN-HE (W) Korelasi fitting dengan R2=0,95785
Setting temperatur air di tangki pemanas, T (oC)
pemanas  dengan  tingkat  kepercayaan  sebesar R 2 =0,95785.  Sehingga  korelasi  ini  dapat  digunakan untuk  memprediksi  energi  internal  rata-rata  pada penukar  kalor  tipe U-shape untuk  rentang  suhu  air dalam tangki pemanas dari 30 o C hingga 99 o C (dalam kondisi cair).

## 4. Kesimpulan
Karakteristik energi internal pada penukar kalor tipe U-shape berdasarkan variasi suhu pemanas sirkulasi alam  adalah  linier.  Variasi  suhu  kondisi  tunak  di tangki  pendingin  menujukkan  semakin  tinggi  suhu, semakin  besar  energi  internal  penukar  kalor  di U- shape ,  di  mana  kenaikan  energi  internal  dari pengaturan suhu di tangki pemanas 40°C hingga 60°C naik sebesar 32%.

## Ucapan Terima Kasih
Kajian  ini  didanai  oleh  RISPRO  LPDP  Mandatori PRN  PLTN  nomor  kontrak:  3/E1/III/PRN/2021  dan kepala PRTRKKN serta rekan BPFKR.

## Daftar Pustaka
[1] Allen Crabtree, M. S.-T. (1993). Thermophysical Properties of Saturated Light and Heavy Water for Advanced Neutron Source Applications.
[2] Antariksawan,  A.  R.,  Widodo,  S.,  Juarsa,  M., Haryanto, D., & Putra, M. H. K. and N. (2018).
SIMULATION OF OPERATIONAL CONDITIONS  OF  FASSIP-02  NATURAL CIRCULATION COOLING SYSTEM
EXPERIMENTAL  LOOP. Indonesian  Journal of  Nuclear  Science  and  Technology , Vol. 19 (February 2018), 41–54.
[3] Choi,  J.  H.  (2012).  Passive  safety  systems  in advanced  water  cooled  reactors.  In  11th International  Probabilistic  Safety  Assessment and  Management  Conference  and  the  Annual European  Safety  and  Reliability  Conference
2012, PSAM11 ESREL 2012 (Vol. 3).
[4] Ingersoll, D. T., Houghton, Z. J., Bromm, R., & Desportes,  C.  (2014).  NuScale  small  modular reactor  for  Co-generation  of  electricity  and water. Desalination , 340 (1), 84–93.
https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.02.023
[5] Juarsa,  M.,  Purba,  J.  H.,  Kusuma,  H.  M., Setiadipura,  T.,  &  Widodo,  S.  (2014). Preliminary study  on mass flow rate in passive cooling experimental simulation during transient using  NC-queen  apparatus. Atom  Indonesia , 40 (3),
141–147. https://doi.org/10.17146/aij.2014.333
[6] Kusumah,  A.  S.,  Hakim,  I.  I.,  Sukarno,  R., Rachman,  F.  F.,  &  Putra,  N.  (2019).  The application of u-shape heat pipe heat exchanger to  reduce  relative  humidity  for  energy conservation  in  heating,  ventilation,  and  air conditioning  (HVAC)  systems. International Journal  of  Technology , 10 (6),  1202–1210. https://doi.org/10.14716/ijtech.v10i6.3650
[7] Liu,  Y.,  &  Yu,  Y.  (2013).  A  T-H  model  for residual heat removal system reliability analysis. Energy Procedia , 39 , 283–293. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.07.215 [8] Nandan,  A.,  &  Singh,  G. (2016).  Experimental study of heat transfer rate in a shell and tube heat exchanger with air bubble injection.
International Journal of Engineering, Transactions B: Applications , 29 (8), 1160–1166. https://doi.org/10.5829/idosi.ije.2016.29.08b.16
[9] Nergaard,  A.,  Architect,  N.,  &  Engineer,  P. (2017).  The  Magic  of  Buoyancy  and Hydrostatics  –Buoyancy  and  Effective  Forces.
Modern Applied Science , 11 (12), 77. https://doi.org/10.5539/mas.v11n12p77
[10] Wu,  Y.  W.,  Su,  G.  H.,  Qiu,  S.,  &  Tian,  W. (2012).  Development  of  a  thermal-hydraulic analysis  software  for  a  passive  residual  heat removal system. Annals of Nuclear Energy , 48 , 25–39. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2012.05.012