Analisis Aliran Sirkulasi Alami di Bagian Pendingin Berdasarkan Variasi Temperatur Air Pemanas pada Untai Rektangular TP FASSIP-04 Ver.2
Asri Wahyuni 1 , Dwi Yuliaji 1,4 , Putut Hery Setiawan 2,3 , Nur Rochman Budiyanto 4 , Shendy Akbar Maryadi 4 , Andhika Enggar Pamungkas 2 , Arif Adtyas Budiman 2 , Sunandi Kharisma 4 , Roy Waluyo 1,4 , Mulya Juarsa 1,2*
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik dan Sains, Universitas Ibn Khaldun Bogor, Jl. KH. Sholeh Iskandar KM.2, Kedungbadak, Kec. Tanah Sereal, Kota Bogor, Jawa Barat 16162, Indonesia 2 Kelompok Riset Sistem Termofluida Reaktor Nuklir (NRTFSys), Pusat Riset Teknologi Reaktor Nuklir, Organisasi Riset Tenaga Nuklir (ORTN), Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN),
KST B.J. Habibie, Setu, Tangerang Selatan Banten 15314 - Indonesia
3 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia,  Kampus UI, Kota Depok 16424 – Indonesia
4 Departmen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Jalan Grafika No.2, Yogyakarta 55281 - Indonesia
*E-mail: mulya.juarsa@brin.go.id
Diajukan: 22-07-2023; Diterima: 09-04-2024; Diterbitkan: 29-04-2024

## Abstrak
Sistem pendingin pasif berbasis mekanisme sirkulasi alami menjadi topik hangat dalam sistem keselamatan PLTN karena tidak  membutuhkan  pasokan  listrik  dan  juga  lebih  ekonomis,  maka  perlu  dilakukan  penelitian  untuk  memperoleh karakteristik pendinginan pada bagian tangki pendingin perlu dipelajari mengingat proses pendinginan dilakukan dengan model  tidak  langsung.  Tujuan  penelitian  yang  dilakukan  adalah  untuk  menganalisis  aliran  sirkulasi  alami  di  bagian pendingin  berdasarkan  variasi  temperatur  air  pemanas  pada  Untai  Rektangular  TP  FASSIP-04  Ver.2.  Penelitian dilakukan  untuk  memperoleh  karakteristik  perubahan  temperatur  pada  bagian  tangki  pendingin  berdasarkan  variasi temperatur  air  pemanas  serta  bilangan  Reynold  dan  laju  aliran  yang  terjadi  terhadap  variasi  temperatur.  Metode penelitian dilakuan secara eksperimental dengan memvariasi temperatur air pemanas dari 50 o C, 60 o C, dan 70 o C dengan daya  pemanas  4,2  kW  dan  temperatur  air  pendingin  ditetapkan  pada  20 o C.  Pengolahan  data  menghasilkan  grafik karakteristik  temperatur  dan  laju  aliran  yang  terjadi.  Hasil  eksperimen  menunjukkan  bahwa  berdasarkan  laju  aliran sirkulasi  alami  yang  terjadi  pada  bagian  tangki  pendingin  Untai  Rektangular  TP  FASSIP-04  Ver.2  untuk  variasi temperatur air pemanas 50 o C sebesar 1,32 LPM berada pada rejim aliran laminar dengan bilangan Reynold bernilai 1851 sedangkan  pada  temperatur  air  pemanas  60 o C  dan  70 o C  sebesar  1,61  LPM  dan  1,94  LPM  berada  pada  rejim  aliran transisi  yang secara  berturut-turut  bilangan Reynold bernilai 2624 dan 3716. Kenaikan gradien temperatur antara sisi panas dan sisi dingin telah meningkatkan laju aliran sirkulasi alami dan mempengaruhi rejim aliran yang terbentuk.
Kata kunci: bilangan Reynold; FASSIP-04 Ver.2; rejim aliran; sirkulasi alami; sistem pendingin pasif

## Abstract
Passive cooling systems based on natural circulation mechanisms are a hot topic in nuclear power plant safety systems because  they  do  not  require  electricity  supply  and  are  also  more  economical,  it  is  necessary  to  conduct  research  to obtain cooling characteristics in the cooling tank section. The purpose of the research conducted was to analyze the flow of natural circulation in the cooling section based on variations in heating water temperature on the FASSIP-04 Ver.2 TP Rectangular Loop. The research was conducted to obtain the characteristics temperature in the cooling tank section based on variations in heating water temperature and the Reynolds number and flow rate that occurs with temperature variations. The research method was carried out experimentally by varying the temperature of the heating water from 50 o C , 60 o C and 70 o C with a heating power of 4.2 kW and the cooling water temperature set at 20 o C . Data processing produces  graphs  of  temperature  characteristics  and  flow  rates.  The  experimental  results  show  based  on  the  natural circulation flow rate that occurs in the cooling tank section of FASSIP-04 Ver.2 TP Rectangular Loop for heating water temperature variations of 50 o C of 1.32 LPM it is in the laminar flow regime with the Reynolds number being 1851 while at heating water temperature 60 o C and 70 o C of 1.61 LPM and 1.94 LPM are in the transient flow regime where the Reynolds number is 2624 and 3716 respectively. The increase in the temperature gradient between the hot side and the cold side has increased the natural circulation flow rate and affected the different flow regime formed.
Keywords: Reynold number; FASSIP-04 Ver.2; flow regime; natural circulation; passive cooling system

## 1. Pendahuluan
Kemajuan  teknologi  semakin  meningkat  yang  menyebabkan  peningkatan  kebutuhan  sumber  energi.  Namun penggunaan  sumber  energi  berbahan  dasar  fosil  menyebabkan  naiknya  emisi  gas  rumah  kaca  sehingga  bedampak  pada
perubahan  iklim  yang  tidak  stabil  serta  meningkatnya  suhu  bumi  dan  permukaan  air  laut.  Visi  tersebut  yaitu  dengan mengelola  energi  global  ke  depan  diarahkan  pada  koridor  pengurangan  emisi,  seperti  peningkatan  kapasitas  dan pemanfaatan  pembangkit  Energi  Baru  Terbarukan  (EBT)  [1].  Salah  satu  EBT  yang  dapat  dikembangkan  saat  ini  yaitu Energi  nuklir.  Energi  nuklir  sudah  menjadi  energi  alternatif  bahkan  sumber  energi  utama  bagi  beberapa  negara  dalam penyediaan listrik dari PLTN (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir).
Kejadian  kecelakaan  Fukushima  Dai-ichi  pada  Maret  2011  membuat  masyarakat  semakin  khawatir  akan  rencana pembangunan PLTN. Kecelakaan tersebut terjadi karena satu penyebab utama yaitu gempa dan gelombang tsunami yang menyebabkan seluruh sistem reaktor mengalami kejadian Station Black Out (SBO), dimana  sistem pendingin aktif yang digerakkan mengunakan pompa primer tidak mampu beroperasi karena terendamnya generator diesel oleh air laut akibat tsunami, akibat kegagalan sistem tersebut menyebabkan terjadinya kelebihan panas di teras reaktor, kemudian teras reactor mengalami  pelelehan  ( melt-down )  yang  berdampak  pada  kerusakan  bejana  tekan  reaktor  ( reactor  pressure  vessel )  dan terlepasnya radiasi ke lingkungan [2] [3]. Berdasarkan peristiwa tersebut riset terkait manajemen termal terus ditingkatkan secara  signifikan, terutama  untuk  keamanan  PLTN. Penggunaan  sistem  pendingin  pasif  ( Passive  Cooling  System ,  PCS) baik saat kecelakaan  maupun operasi  menjadi  andalan dalam sistem keselamatan reaktor tingkat  lanjut. Oleh karena  itu perlu ditingkatkan melalui studi eksperimental untuk menyelidiki fenomena perpindahan panas dari peluruhan panas dalam kondisi pendinginan sementara [4] [5].
Sistem pendingin pasif berbasis mekanisme sirkulasi alami menjadi topik yang hangat diperbincangkan dalam sistem yang  berhubungan  dengan  keselamatan  PLTN  karena  tidak  membutuhkan  pasokan  listrik  dan  juga  lebih  ekonomis. Berdasarkan inovasi tersebut telah melahirkan desain-desain reaktor nuklir baru, khususnya yang berdaya rendah (di bawah 300 MWe) yang disebut Small Modular Reactor (SMR) [6] [7]. SMR juga dilengkapi dengan fitur keselamatan yang dapat menekan resiko kecelakaan menggunakan prinsip sirkulasi alami. Konsep sederhana sirkulasi alami pada untai rektangular disebabkan oleh adanya gaya apung ( Bouyancy force ) yang terjadi karena penurunan densitas fluida dan adanya gaya gesek perlambatan ( Retarding frictional force ) yang terjadi karena kenaikan densitas fluida dengan wilayah dingin di bagian atas dan wilayah panas di bagian bawah untai rektangular [8] [9].
Berdasarkan uraian di atas, selanjutnya dilakukan penelitian guna mempelajari dan menguasai sistem pendingin pasif berbasis fenomena sirkulasi alami pada manajemen termal reaktor maju seperti Small Modular Reactor (SMR) dan reaktor berskala  besar  untuk  peningkatan  sistem  keselamatan  PLTN  melalui  kegiatan  eksperimen.    Kegiatan  eksperimen menggunakan  fasilitas  Untai Rektangular  Two  Phase Fasilitas  Simulasi  Sistem  Pasif-04  Versi  2  disingkat  Untai Rektangular  TP  FASSIP-04  Ver.2  yang  terdiri  dari  beberapa  komponen  utama  seperti  tangki  pemanas  dengan  model pemanasan  langsung, tangki pendingin dengan  model pendinginan tidak  langsung, tangki ekspansi, dan bagian transpan untuk pengamatan. Karakteristik pendinginan pada bagian tangki pendingin perlu dipelajari mengingat proses pendinginan dilakukan dengan model tidak langsung, sehingga tujuan peneliatian yang dilakukan untuk menganalisis aliran sirkukasi alami di bagian pendingin berdasarkan variasi temperatur air pemanas pada Untai Rektangular TP FASSIP-04 Ver.2.

## 2. Material dan metodologi
Penelitian ini dilakukan secara eksperimental untuk mengetahui laju aliran sirkulasi alami berdasarkan temperatur air pemanas yang divariasikan. Eksperimen dilakukan menggunakan Untai Rektangular TP FASSIP-04 Ver.2 sebagai fasilitas eksperimen  mengenai  fenomena  aliran  sirkulasi  alami  dengan  kondisi  aliran  satu  fase  dan  dua  fase  yang  bekerja  pada tekanan rendah. Alat ini dibuat dengan konsep untai rektangular atau bentuk segi empat dengan panjang 6 meter dan lebar 1,32 meter menggunakan  pipa SS 201 (Stainless Steel 201) dengan diameter 1 inch. FASSIP merupakan singkatan dari
FAsilitas  Simulasi  Sistem  Pasif  dengan  penomoran  04  dimaksudkan  sebagai  nomor  urut  sesuai  dengan  generasi pembuatannya. Keterangan TP merupakan singkatan Two Phase yang berarti alat ini ditunjukan untuk fenomena aliran dua fase  dan  Ver.2  merupakan  keterangan  versi  kedua.  Fasilitas  eksperimen  tersebut  dapat  dilihat  pada  Gambar  1.  Data parameter geometri Untai Rektangular TP FASSIP-04 Ver.2 dijelaskan melalui Tabel 1.
Gambar 1. Untai Rektangular TP FASSIP-04 Versi 2
Tabel 1 . Parameter geometri Untai Rektangular TP FASSIP-04 Versi 2
Deskripsi Spesifikasi Material pipa SS 201 Diameter luar pipa (Do) 25,4 mm Diameter dalam (Di) 23,4 mm Lebar untai (L) 1320 mm Tinggi untai (H) 6000 mm Total panjang untai (Lt) 14640 mm Volume total fluida kerja pada untai 30 liter Fluida kerja Air demineralisasi Daya pemanas 4,2 kW Daya pendingin 2 PK Sensor temperature Termokopel tipe-K Flowmeter Elektromagnetic flowmeter Endress Hauser Data Acquisition System (DAS) National Instruments
Sebanyak 15 termokopel telah terpasang dan telah dikalibrasi dengan tingkat error hanya 1% pada Untai Rektangular TP FASSIP-04 Ver.2. Penamaaan dan penempatan termokopel pada modul National Instuments (NI) ditunjukan pada Tabel 2.
Tabel 2 . Konfigurasi Termokopel No NI Module Channel   Number
Thermocuple Name Position 1 NI 9214
TC00 TH-in
2
TC01 T-WHT 3 TC02 TH-out 4 TC03 TH-IPP out 5 TC04 T-Leg 01 6 TC05 T-Leg 02 7 TC06 TC-in 8 TC07 TC-out 9 TC08 X 10 TC09 T-Leg 03 11 TC10 T-CTB in 12 TC11 T-CTB out 13 TC12 T-CYC 14 TC13 T-CTB 15 TC14 T-POM 16 TC15 T-Udara Keterangan:  X = tidak digunakan
Setup eksperimen terdiri atas Untai Rektangular TP FASSIP-04 Ver.2 yang memiliki beberapa komponen utama seperti Water Heating Tank (WHT), Water Cooling Tank (WCT), tangki ekspansi, image processing area, hot leg dan cold leg .
Selain itu, terdapat komponen sistem pendingin untuk menyuplai air dalam WCT seperti condenser, pre cooler , dan tangki pendingin.  Terdapat  juga  sistem  pengukuran  seperti thermocouple,  electromagnetic  flowmeter dan pressure  transmitter yang terhubung melalui sistem akusisi data NI-cDAQ. Semua data komponen akan terbaca melalui NI-cDAQ setiap 1 detik dan ditampilkan melalui program LabVIEW pada komputer. Semua sumber daya listrik komponen pada Untai Rektangular TP FASSIP-04 Ver.2 terhubung  melalui panel  listrik. Langkah awal  eksperimen diawali dengan  menghidupkan sumber listrik pada panel listrik. Kemudian penentuan variasi temperatur pada WHT beserta jumlah heater yang akan dihidupkan sesuai daya pemanas yang dibutuhkan dalam penelitian. Untuk temperatur WCT diatur melalui kontrol sistem pendingin pada condenser .  Pengoperasian  Untai  Rektangular  TP  FASSIP-04  Ver.2  dikendalikan  melalui  komputer  dengan menggunakan program LabVIEW yang mengatur batasan temperatur, melakukan perekaman data, dan memantau setiap pembacaan alat ukur. Setup eksperimen dapat dilihat pada Gambar 2.
Fluida dipanaskan oleh WHT secara langsung ( direct ) dan didinginkan oleh WCT secara tidak langsung ( non direct ).
Untai rektangular  merupakan tempat terjadinya sirkulasi alami dan terdapat Image Processing  Area sehingga  fenomena aliran sirkulasi alami  dapat dilihat secara  langsung ketika eksperimen. Sistem pendinginan  WCT diproses oleh air  yang disalurkan  oleh  pompa cooler dengan  mengambil  air  yang  telah  didinginkan  oleh condenser pada tangki  pendingin,  air tersebut  telah  didinginkan  sesuai  dengan  temperatur  yang  diinginkan  melalui  kontrol  temperatur  pada condenser .  Laju aliran  pada  sistem  pendingin  diatur  melalui  katup  dan  dibantu  sistem by  pass pada  keluaran  pompa cooler .  Laju  aliran sistem pendingin dapat dilihat pada rotameter yang telah dipasang. Kemudian Air pada WCT yang telah menyerap panas akan mengalir menuju tabung pre cooler dan terjadi pembuang sisa panas yang dibantu oleh hexos , setelah itu air mengalir menuju  tangki  pendingin  untuk  didinginkan  kembali  oleh  condenser.  Ketika  eksperimen  berjalan, electromagnetic flowmeter menunjukan  laju aliran pada untai rektangular dan pressure transmitter menunjukan perubahan tekanan pada untai rektangular serta thermocouple menunjukan perubahan temperatur yang terjadi berdasarkan wilayah pemasangannya.
Gambar 2. Setup Eksperimen (courtesy by Sunandi, 2023)
Gambar 3. Panel kontrol Untai Rektangular TP FASSIP-04 Ver.2 melalui LabVIEW
Monitoring  pengukuran  temperatur  dan  laju  aliran  ditampilkan  dalam  personal  komputer  (PC)  melalui  program LabVIEW seperti yang ditunjukan pada Gambar 3. Karakterisasi temperatur dalam penelitian menggunakan termokopel tipe-K  akan  menghasilkan  tegangan  yang  ditangkap  oleh  modul National  Instruments (NI)  tipe  9214.  Kemudian pengukuran laju aliran menggunakan electromagnetic flowmeter menghasilkan output arus yang ditangkap oleh modul NI
tipe  9203.  Semua  data  yang  diterima  oleh  modul  akan  terbaca  dan  dikonversi  melalui  NI-cDAQ  dan  ditampilkan  oleh program LabVIEW.
Dikarenakan debit aliran diperoleh melalui alat ukur electromagnetic flowmeter maka didapatkan nilai debit aliran yang selanjutnya digunakan untuk menghitung kecepatan rata-rata fluida yang mengalir menggunakan persamaan:
𝑣 = 𝑄 𝐴 (1)
Keterangan: v = kecepatan aliran fluida (m/s); Q = Debit aliran (m3/s) dan A = luas penampang pipa (m 2 ).
Kecepatan  rata-rata  yang  telah  didapatkan  dari  perhitungan  selanjutnya  digunakan  untuk  menentukan  rejim  aliran melalui perhitungan bilangan Reynold. Untuk menghitung bilangan Reynold digunakan persamaan:
Re = 𝑉𝐷𝜌 μ (2)
Keterangan: Re = Bilangan Reynold; v = Kecepatan rata-rata fluida yang mengalir (m/s); D = Diameter dalam pipa (m); ρ = Densitas fluida (kg/m³) dan µ = Viskositas fluida kerja (kg/m.s).
Dikarenakan  pada  penelitian  ini  densitas  fluida  dipengaruhi  oleh  perubahan  temperatur.  Maka  nilai  densitas  dapat diperoleh melalui perasamaan korelasi berikut [10].
𝜌 = [𝐴 + 𝐵(1,8(𝑇) + 32)) + 𝐶(1,8(𝑇) + 32) 2 ] (3)
Keterangan: ρ = Densitas fluida (kg/m 3 ); A = 1004,789042; B = -0,046283, C = -7,9738 × 10 -4 dan T = Temperatur ( o C)
Perubahan temperatur juga  mempengaruhi  nilai  viskositas  fluida. Untuk menghitung korelasi  viskositas  berdasarkan persamaan (3) adalah sebagai berikut [10].
𝜇 = 𝑒𝑥𝑝 [ (𝐴+𝐶𝑇) (1+𝐵𝑇+𝐷𝑇 2 ] (4)
Keterangan: µ = viskositas fluida kerja (kg/m.s); A = -6.325203964; B = 8.705317x10 -3 ; C = -0.088832314;
D = -9.657x10 -7 dan T = Temperatur ( o C)

## 3. Hasil dan pembahasan
Karakteristik perubahan temperatur pada bagian tangki pendingin Untai Rektangular TP FASSIP-04 Ver.2 merupakan hasil dari pengukuran temperatur selama eksperimen. Laju aliran juga dihasilkan dari pengukuran selama eksperimen, hasil dari perekaman instrumentasi pengukuran modul NI 9214 berupa nilai temperatur dalam satuan o C sedangkan modul NI 9203 meghasilkan nilai laju aliran dalam satuan Liter Per Menit (LPM). Temperatur pada WCT ditetapkan 20 o C dengan laju aliran di bagian pompa pendingin sekunder 3 LPM untuk setiap eksperimen. Data hasil dari pengukuran di tampilkan
dalam bentuk grafik ilmiah. Berikut merupakan data hasil karakteristik temperatur, laju aliran dan penentuan rejim aliran berdasarkan bilangan reynold dalam bentuk grafik ilmiah.
3.1. Karakteristik temperatur variasi temperatur heater 50 o C, 60 o C dan 70 o C dengan laju aliran pendingin 3 LPM
Data eksperimen berupa perubahan temperatur diperoleh berdasarkan pengukuran melalui termokopel yang terpasang pada beberapa titik di Untai Rektangular-TP FASSIP-04 Ver.2. Kondisi  eksperimen  berlangsung dari  mulai pemanasan (transient heating), hingga mencapai kondisi tunak (steady state) dimana temperatur dipertahankan berdasarkan penetapan temperatur  yang  telah  diatur oleh  sistem  akuisisi  data  melalui  LabVIEW.  Setelah  kondisi  tunak  berakhir,  semua  sistem pemanas dimatikan dan hanya bagian pendinginan saja yang dihidupkan, dimana penurunan temperatur ini disebut transien cooling. Data perubahan temperatur dari awal pemanasan hingga akhir pendinginan selama 20000 detik (5 jam 33 menit 20 detik) pada titik TWHT, TH-IN, TH-OUT, TC-IN, TC-OUT, TCTB-IN, dan TCTB-OUT ditunjukkan apda Gambar 4(a), Gambar 4(b), dan Gambar 4 (c).
(a)
(b)

## (c)
Gambar 4. Karakteristik temperatur berdasarkan variasi temperatur air pemanas (a) TH 50 o C, (b) TH 60 o C, dan (c) TH 70 o C
Gambar 4 (a), Gambar 4 (b), dan Gambar 4 (c) secara berturut-turut menunjukan karakteristik temperatur untuk variasi setting temperatur  air  di  tangki  pemanas  50 o C,  60 o C,  dan  70 o C  dengan  laju  aliran  sukender  3  LPM.  Dapat  terlihat perubahan  temperatur  dari  kondisi transien  heating,  steady  state ,  dan transien  cooling pada  perekamaman  data  selama 20000 detik. Waktu transien heating pada 50 o C dimulai dari temperatur lingkungan mencapai temperatur setting dengan memakan waktu 774 detik, pada 60 o C memakan waktu 1168 detik, dan pada 70 o C transien heating memakan waktu 1678 detik. Waktu tunak diatur selama 2 jam kemudian waktu transien cooling terjadi setelah kondisi tunak, dimana daya heater dimatikan  dan  temperatur  dibiarkan  hingga  mencapai  temperatur  lingkungan.  Berdasarkan  waktu  pencapaian transien heating menuju  kondisi  tunak,  dapat  diketahui  bahwa  semakin  banyak  kalor  yang  dibutuhkan  ketika setting temperatur dinaikan. Nilai pencapaian transien heating  menunjukan hasil  yang  lebih  baik dari Untai FASSIP-03 NT, dimana untuk mencapai temperatur 50°C saja membutuhkan waktu 1513 detik [11]. Temperatur air pada WHT dalam kondisi tunak untuk variasi 50 o C rata-rata mencapai 49,35 o C, untuk variasi temperatur 60 o C rata-rata mencapai 59,28 o C, dan variasi temperatur 70 o C rata-rata mencapai 70,44 o C. Kemudian pada WCT temperatur air dijaga pada 20 o C yang menyebabkan air dalam pipa masuk WCT yakni 48,70 o C, 57,86 o C, 68,37 o C dan Ketika air sudah keluar dari WCT temperatur air pun mengalami penurunan menjadi 42,62 o C, 51,15 o C, 60,46 o C.  Penuruan tersebut disebabkan karena adanya penyerapan kalor dari pipa loop yang  diberikan  WHT  dan  diserap  oleh  fluida  sekunder  di  WCT.  Besarnya  penyerapan  kalor  ditunjukan  dengan perolehan perbedaan temperatur sebesar 6,08 o C, 6,71 o C, 7,91 o C untuk setting temperatur air di tangki pemanas 50 o C, 60 o C, dan 70 o C. Besarnya penyerapan kalor  menunjukan hasil yang lebih baik dibandingkan Untai FASSIP-03 NT dengan bentuk heat  exchanger yang  sama,  dimana  pada  setiap  variasi  temperatur  60 o C,  70 o C,  dan  80 o C  hanya  mengalami penurunan sebesar 3,54°C, 4,13 o C dan 4,65°C [12]. Berdasarkan hasil tersebut dapat diketahui bahwa semakin besar setting temperatur air pemanas maka semakin besar perpindahan kalor yang terjadi dibagian pendingin.
3.2. Laju aliran sirkulasi alami berdasarkan variasi temperatur air pemanas dengan laju aliran pendingin 3 LPM
Data  laju  aliran  yang  diperoleh  merupakan  hasil  dari  perekaman  instrument  pengukuran electromagnetic  flowmeter melalui modul NI 9203. Data pengukuran laju aliran yang diperoleh dalam satuan Liter Per Menit (LPM) ditampilkan dalam bentuk grafik dan ditambahkan dengan perbandingan data perubahan temperatur air di dalam WHT. Laju aliran sirkulasi alami yang terjadi di dalam perpipaan Untai Rektangular TP FASSIP-04 Ver.2 untuk variasi temperatur air pemanas 50 o C, 60 o C, dan 70 o C dengan laju sekunder 3 LPM disajikan pada Gambar 5. (a), Gambar 5. (b), dan Gambar 5. (c) dalam bentuk kurva  hubungan sumbu  y (temperatur sebelah kiri, dan  laju aliran  volumetrik sirkulasi alami di  bagian kanan) terhadap sumbu x dalam hal ini adalah waktu perekaman data.
Laju aliran sirkulasi alami berdasarkan variasi temperatur air di dalam tangki pemanas mulai dari 70 o C, 80 o C, dan 90
o C dengan setting temperatur tangki pendingin 20 o C dan laju pendingin sekunder 3 LPM secara berturut-turut ditampilkan pada Gambar 5. (a), Gambar 5. (b) , dan Gambar 5. (c). Profil grafik setiap variasi berbeda-beda begitu juga dengan besaran laju  alirannya. Pada  variasi  temperatur  air  pemanas  50 o C  laju  aliran  sirkulasi  alami  rata-rata  yang  terjadi  sebesar  1,32 LPM, untuk  variasi  temperatur  air  pemanas  60 o C  laju  aliran  sirkulasi  alami  rata-rata  yang  terjadi  sebesar  1,61 LPM, kemudian  pada  variasi  70 o C  laju  aliran  sirkulasi  alami  rata-rata  yang  terjadi  sebesar  1,94  LPM, nilai  laju  aliran sirkulasi  alami  rata-rata  dihitung  pada  saat  kondisi steady  state . Setelah  kondisi  steady  state  sumber  panas  yaitu heater dimatikan dan laju aliran memasuki kondisi transien cooling , laju aliran mengalami penurunan secara perlahan beriringan dengan  penurunan  temperatur  pada  WHT.  Jika  dibandingkan  dengan  laju  aliran  yang  terjadi  pada  Untai  Rektangular FASSIP-01,  penelitian  ini  menghasilkan  nilai  yang  lebih  baik.  Nilai  laju  aliran  sirkulasi  alami  pada  Untai  Rektangular FASSIP-01 hanya sebesar 0,064 LPM dengan daya heater 4,2 kW dan laju pendingin sekunder 43.10 LPM [5]. Laju aliran sirkulasi alami sangat dipengaruhi oleh perbedaan temperatur antara pemanas dan pendingin, perolehan  nilai  laju aliran yang dihasilkan penelitian ini membuktikan bahwa semakin besar variasi temperatur maka laju aliran sirkulasi alami yang dihasilkan juga semakin besar.
(b)
(c)
Gambar 5. Laju aliran berdasarkan variasi laju sekunder 3 LPM dan temperatur pemanas (a) TH 50 o C, (b) TH 60 o C, dan (c) TH 70 o C

## 3.3. Rejim aliran berdasarkan bilangan Reynold
Penentuan  rejim  aliran  pada  eksperimen  ini  dihitung  menggunakan  persamaan  (3).  Dimana  persamaan  tersebut merupakan persamaan bilangan tak berdimensi yaitu bilangan Reynold. Bilangan Reynold didapatkan dengan menghitung perkalian antara kecepatan aliran yang terjadi pada untai terhadap diameter pipa untai dan densitas fluida kemudian dibagi viskositas dinamik fluida. Data pengukuran laju alir yang diperoleh dalam satuan LPM diubah ke satuan m 3 /s kemudian dibagi  luas  dalam  pipa  untuk  mendapatkan  nila  kecepatan  aliran.  Karena  analisis  rejim  aliran  difokuskan  pada  bagian pendingin, maka densitas fluida dan viskositas dinamik fluida yang dipakai berdasarkan perubahan temperatur yang terjadi pada air dalam pipa di bagian tangki pendingin. Densitas fluida dihitung menggunakan persamaan (4), kemudian viskositas dinamik fluida dihitung menggunakan persamaan (5), kedua persamaan tersebut diperoleh dari fungsi perubahan temperatur yang  terjadi  pada  air  dalam  pipa  di  bagian  tangki  pendingin.  Penentuan  rejim  aliran  ditentukan  berdasarkan  hasil perhitungan bilangan Reynolds (Re) pada kondisi tunak, apabila nilai Re < 2300 rejim aliran adalah  laminar, sementara
nilai Re diantara 2300 < Re < 4000 rejim aliran transisi dan jika nilai Re > 4000 rejim aliran turbulen. Hasil perhitungan ditunjukan pada Tabel 3. dan ditampilkan dalam bentuk grafik pada Gambar 6.
Tabel 3. Hasil perhitungan bilangan Reynold dan penentuan rejim aliran
TWHT ( o C) Q (LPM) Q (m 3 /s) Kecepatan (m/s) Densitas (kg/m 3 ) Viskositas (kg/m.s) Re Rejim aliran 50 1,32 0,000021 0,043 989,11 0,00058 1851 Laminar 60 1,61 0,000026 0,053 985,27 0,00050 2624 Transisi 70 1,94 0,000032 0,064 980,49 0,00043 3657 Transisi
Gambar 6 menunjukan rejim aliran yang terjadi berdasarkan perolehan bilangan Reynold dengan variasi temperatur air pemanas  dan  laju  sekunder  3  LPM.  Laju  aliran  yang  terjadi  pada  variasi  temperatur  air  pemanas  50 o C  memiliki  nilai bilangan Reynolds sebesar 1851, menandakan bahwa rejim aliran yang terjadi adalah laminar. Kemudian laju aliran yang terjadi pada variasi temperatur air pemanas 60 o C memiliki nilai bilangan Reynolds sebesar 2624, menandakan bahwa rejim aliran yang terjadi adalah transisi. Lalu, laju aliran yang terjadi pada variasi temperatur air pemanas 70 o C memiliki nilai bilangan Reynolds sebesar 3657, menandakan bahwa rejim aliran yang terjadi masih dalam aliran transisi. Pada penelitian ini aliran yang dihasilkan tidak mencapai rejim aliran turbulen hanya laminar dan tranisi. Berbeda dengan Untai FASSIP- 03 NT yang menghasilkan beberapa rejim aliran turbulen yang diperoleh karena efek penggunaan helical heat exchanger yang membuat efisiensi pertukaran kalor yang lebih baik dan setting temperatur yang lebih tinggi [11]. Berdasarkan hal tersebut besar kemungkinan rejim aliram turbulen dapat terjadi apabila melakukan setting temperatur 80 o C dan 90 o C pada Untai  Rektangular  TP  FASSIP-04  Ver.2.  Dikarenakan  setting  temperatur  70 o C  menghasilkan  nilai  bilangan  Reynold sebesar 3657 yang mendekati nilai rejim aliran turbulen yaitu 4000. Kelebihan laju aliran sirkulasi alami dengan jenis aliran turbulen yaitu dapat lebih mudah menghantarkan kalor dibandingkan dengan jenis aliran laminar atau transien. Diperoleh juga persamaan fitting linear yaitu Re=90,28×TWHT-2705,94 dengan tingkat keakuratan data R2 (R square) sebesar 0,9862 atau 98,62% yang berarti peningkatan nilai bilangan Reynold  linier dengan peningkatan setting temperatur air pemanas. Semakin besar variasi temperatur pada tangki pemanas maka semakin besar laju aliran dan nilai bilangan Reynold yang dihasilkan.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  dan  pembahasan  yang  didapatkan,  maka  perubahan  temperatur  disebabkan  oleh  penerimaan  dan pelepasan kalor yang terjadi selama eksperimen berlangsung antara tangki pemanas dan tangki pendingin. Semakin besar setting temperatur air pada tangki pemanas maka semakin lama waktu transien heating yang diperlukan untuk mencapai kondisi steady state . Aliran sirkulasi alami dipengaruhi oleh perubahan temperatur yang terjadi pada WHT dan kenaikan laju  aliran  sirkulai  alami  beriringan  dengan  kenaikan  temperatur  pada  WHT.  Semakin  tinggi  temperatur  air  pada  WHT maka semakin besar laju aliran sirkulasi alami. Laju aliran sirkulasi alami yang terjadi pada bagian tangki pendingin Untai Rektangular TP FASSIP-04 Ver.2 untuk variasi temperatur air pemanas 50 o C sebesar 1,32 LPM berada pada rejim aliran laminar dengan bilangan Reynold bernilai 1851 sedangkan pada temperatur air pemanas 60 o C dan 70 o C sebesar 1,61 LPM dan  1,94  LPM  berada  pada  rejim  aliran  transisi  yang  secara  berturut-turut  bilangan  Reynold  bernilai  2624  dan  3716. Kenaikan  gradien  temperatur  antara  sisi  panas  dan  sisi  dingin  telah  meningkatkan  laju  aliran  sirkulasi  alami  dan mempengaruhi rejim aliran yang terbentuk.

## Ucapan terima kasih
Penelitian ini didanai oleh Hibah Penelitian "Riset Inovasi untuk Indonesia Maju" (RIIM) batch 1 tahun 2022-2025 dengan nomor  kontrak  B-811/II.7.5/FR/6/2022  dan  B-2103/III.2/HK.04.03/7/2022.  Ucapan  terima  kasih  kepada  Program  Studi Teknik  Mesin  Universitas  Ibn  Khaldun  Bogor  yang  telah  memfasilitasi  dalam  penyelesaian  tugas  akhir.  Terima  kasih kepada Kepala Pusat Teknologi Reaktor Nuklir, ORTN BRIN. Terima kasih juga kepada seluruh anggota Kelompok Riset Sistem Termofluida Reaktor Nuklir (NRTFSys) dan terima kasih kepada rekan rekan EdfEC atas dukungannya.

## Daftar Pustaka
[1] International Energy Agency. World Energy Outlook 2020.  IEA, Paris, 2021.
[2] Nuclear Energy Agency, Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant Accident, Ten Years On: Progress, Lessons, and Challenge, 2021.
[3] Juarsa. M., Antariksawan, A. R., Kusuma, M. H., Haryanto, D., Putra, N. Estimation of natural circulation flow based on temperature in the FASSIP-02 large-scale loop facility. 2nd international Tropical Renewable Energy Conference (i-TREC) 2017, 2018.
[4] M.  Juarsa,  J.  H.  Purba,  H.  M.  Kusuma,  T.  Setiadipura,  S.  Widodo.  Preliminary  study  on  mass  flow  rate  in passive cooling experimental simulation during transient using NC-Queen Apparatu. Atom Indonesia. 2014; 40 (3): p. 141-147.
[5] Juarsa, M., Antariksawan, A. R., Kusuma, M. H., Widodo, S., Putra, N. The effect of power and cooler flow on time responds of flow stability in natural circulation phenomenon using FASSIP-01 loop. The 10th International Meeting of Advances in Thermofluids (IMAT 2018), 2019.
[6] International  Atomic  Energy  Agency.  Advances  in  small  modular  reactor  technology  developments.  IAEA, Vienna, 2020.
[7] Hussein  & Esam, M. A. Emerging  small  modular nuclear power reactors: a critical review. 100038, Physics Open, 2020.
[8] Antariksawan,  A.  R.,  Widodo,  S.,  Juarsa,  M.,  Haryanto,  D.,  Kusuma,  M.  H.,  Putra,  N.  Numerical  study  on natural circulation  characteristics  in FASSIP-02 experimental  facility using RELAP5 code.  2nd international Tropical Renewable Energy Conference (i-TREC) 2017, 2018.
[9] Antariksawan, A. R., Widodo, S., Juarsa, M., Haryanto, D., Kusuma, M. H., Putra, N. Simulation of operational conditions of FASSIP-02 natural circulation cooling system experimental loop. Indonesian Journal of Nuclear Science and Technology. 2018; 19 (1):p. 41-54.
[10]   A.  Crabtree  and  M.  Simantov.  Thermophysical  properties  of  saturated  light  and  heavy  water  for  advanced neutron source applications, United States: Oak Ridge National Lab, 1993.
[11]   D. Haryanto, A. Rosidi, G. B. K. Heru, Giarno, M. Juarsa. Perhitungan dan penentuan jenis aliran pada untai FASSIP-03 NT  saat komisioning berdasarkan  variasi daya pemanas.    Prosiding Seminar Nasional  Sains dan Teknologi. 2022; 12 (1):p. 90-97.
[12]   Lisadavy, A. R., Putra, M. G., Setiawan, P. H., Pamungkas, A. E., Valentina, P., Ariesta, E, P., Ngadi, F.,  Juarsa M. Experimental  study of heat transfer  characteristics based on temperature variations  in water cooling tank using  medium-scale experimental  facility.  Indonesian Journal of Nuclear Science and Technology. 2014;  25 (1): p. 11-19.
[13]   Ekariansyah, A. S., Tjahjono, H., Juarsa, M., Widodo, S. Analysis of the effect of elevation difference between heater and cooler position in the FASSIP-01 Test loop using relap 5. Sigma Epsilon. 2015; 19 (1): p. 32-40.
[14]   Wang, J. Y., Chuang, T. J., Ferng, Y. M. CFD investigating flow and heat transfer characteristics in a natural circulation loop. annals of nuclear energy. 2013: p. 65-71.
[15]   Gaos, Y. S., Juarsa, M., Marzuki, E., Akbar, J. Efek perubahan sudut kemiringan terhadap perpindahan kalor dan laju aliran air pada untai simulasi sirkulasi alamiah. Jurnal Teknologi Reaktor Nuklir. 2012; 14 (1):p. 39- 53.
[16]   International Atomic Energy Agency. Energy, electricity and nuclear power estimates for the period up to 2050. IAEA, Vienna, 2019.
[17]   Rinaldi, A., Gabriella, L. N., Giarno, Prasetio, J., Juarsa, M Estimasi Laju Aliran Sirkulasi Alam Berdasarkan Beda Temperatur pada Untai FASSIP-01. Sigma Epsilon. 2019; 23 (2): p. 58-69.
[18]   Juarsa,  M.,  Giarno,  Rohman,  A.  N.,  Heru,  G.  B.  K.,  Witoko,  J.  P.,  Tjahyani,  D.  T.  S.  Flow  rate  and temperaturecharacteristics  in  steady state condition  on  FASSIP-01  loop during commissioning. International Conference on Nuclear Technologies and Sciences (ICoNETS 2017), 2018.
[19]   International  Atomic  Energy  Agency.  Passive  safety  sistems  and  natural  circulation  in  water  cooled  nuclear power plant, Wina: TECDOC 1264, 2009.
[20]   Juarsa, M., Giarno., G. B. Heru K., Haryanto, D., Prasetio, J. Passive system simulation facility (fassip) loop for natural circulation study. Prosiding Seminar Nasional Teknologi Energi Nuklir, Batam, 2016.
[21]   Republik  Indonesia.  Peraturan  Presiden  No  22  Tahun  2017  tentang  Rencana.  Sekretariat  Negara  Republik Indonesia, Jakarta, 2017.
[22]   Pertamina Energy Institute, Pertamina Energy Outlook 2020, Jakarta: Pertamina Energy Institute, 2020.
[23]   Juarsa,  M.,  Goeritno,  A.  Studi  eksperimental  laju  aliran  massa  air  berdasarkan  perubahan  sudut  kemiringan untai simulasi sirkulasi alamiah (USSA-FT01). Jurnal Material dan Energi Indonesia. 2011: p. 22-30.
[24]   Antariksawan, A. R., Juarsa, M., Sundari, T. Study of heat transfer in a water cooling tank with c-shaped heat exchanger  and  straight  heat  pipe  under  natural  circulation.  The  10th  International  Meeting  of  Advances  in Thermofluids (IMAT 2018), 2019.
[25]   V. Jain, A. Nayak, P. Vijayan, D. Saha, R. Sinha. Experimental investigation on the flow instability behavior of a multi-channelboiling natural.  Experimental Thermal and Fluid Science. 2018: p. 776-787.
[26]   T. H. Putra, Giarno., S. Hatmoko, G. B. K.  Heru, M. Juarsa. Analisis deviasi alat ukur laju aliran pada untai FASSIP-01 dan FASSIP-02. Sigma Epsilon. 2019; 23 (2): p. 91-100.
[27]   D. Yuliaji, R. Waluyo, G. Pramono, P. H. Setiawan, M. Juarsa. Uji komisioning fasilitas sistem simulasi passif 04 Versi 2 (FASSIP-04 Ver.2) untuk studi kemampuan pendingin pasif pada sistem keselamatan reaktor nuklir, AME (Aplikasi Mekanika dan Energi). Jurnal Ilmiah Teknik Mesin. 2023; 9 (1): p. 57-63.