Pada postingan sebelumnya tentang aliran fluida, dijelaskan bahwa kapanpun fluida mengalir, terdapat beberapa gesekan yang terkait dengan gerakan fluida, yang akan menyebabkan kehilangan energi tekan atau dikenal dengan head loss. Hal itu menunjukkan bahwa head loss ini umumnya terjadi pada sistem perpipaan oleh pompa yang bekerja pada fluida. Sirkulasi cairan dalam sistem oleh pompa disebut sebagai sirkulasi paksa (force circulation).
Sangat mungkin untuk merancang beberapa sistem fluida dengan cara yang tidak memerlukan kehadiran pompa untuk menyediakan (baca: menyebabkan terjadinya) sirkulasi. Head diperlukan untuk mengkompensasi head loss yang dihasilkan karena gradien densitas dan perubahan elevasi. Aliran yang terjadi dalam keadaan ini disebut sirkulasi alami (natural circulation).
Thermal Driving Head
Thermal driving head adalah gaya yang menyebabkan sirkulasi alami terjadi. Ini disebabkan oleh perbedaan densitas (kerapatan) antara dua body atau fluida.
Perhatikan dua volume yang sama dari jenis cairan yang sama. Jika dua volume tidak sama suhunya, maka volume dengan suhu yang lebih tinggi juga akan memiliki densitas yang lebih rendah yang karena itu, lebih sedikit massanya. Karena volume pada suhu yang lebih tinggi akan memiliki massa yang lebih rendah, maka akan memiliki gaya yang lebih sedikit yang diberikan oleh gravitasi. Perbedaan gaya gravitasi pada fluida cenderung menyebabkan cairan yang lebih panas akan naik dan cairan yang lebih dingin akan tenggelam atau turun.
Efek ini terlihat di banyak tempat. Salah satu contohnya adalah balon udara panas. Gaya yang menyebabkan balon udara naik adalah perbedaan densitas antara udara panas di dalam balon dan udara dingin yang mengelilinginya.
Panas yang ditambahkan ke udara di balon menambah energi ke molekul-molekul udara. Pergerakan dari molekul udara menjadi meningkat dan molekul udara mengambil lebih banyak ruang. Molekul udara di dalam balon mengambil lebih banyak ruang daripada jumlah molekul udara yang sama di luar balon. Hal ini berarti udara panas menjadi kurang rapat (densitasnya lebih rendah) dan lebih ringan dari udara di sekitarnya. Karena udara di dalam balon kurang rapat, maka gravitasi menjadi kurang berpengaruh padanya. Hasilnya adalah bahwa balon beratnya kurang dari udara di sekitarnya. Gravitasi menarik udara dingin ke dalam ruang yang ditempati oleh balon. Gerakan ke bawah dari udara dingin mendesak balon keluar dari ruang yang sebelumnya diduduki, dan menyebabkan balon naik.
Kondisi yang Diperlukan untuk Sirkulasi Alami
Sirkulasi alami hanya akan terjadi jika kondisi yang diperlukan, ada. Bahkan setelah sirkulasi alami telah dimulai, penghilangan salah satu dari kondisi ini akan menyebabkan sirkulasi alami menjadi berhenti.
Kondisi untuk sirkulasi alami yang dimaksud adalah sebagai berikut:
1. Perbedaan suhu ada (sumber panas dan heat sink (baca: pendingin) ada).
2. Sumber panas berada pada ketinggian yang lebih rendah daripada heat sink.
3. Cairan harus bersentuhan satu sama lain.
Harus ada dua body fluida pada temperatur yang berbeda. Hal ini juga bisa terjadi pada satu body fluida dengan area suhu yang berbeda. Perbedaan suhu ini diperlukan untuk menghasilkan perbedaan densitas dalam fluida. Perbedaan densitas merupakan gaya pendorong untuk terjadinya sirkulasi alami.
Perbedaan suhu harus dipertahankan agar sirkulasi alami terus berlanjut. Penambahan panas oleh sumber panas harus ada pada area bersuhu tinggi. Penghilangan panas yang berkelanjutan dengan heat sink harus ada di daerah bersuhu rendah. Jika tidak, suhu akan menjadi sama, dan tidak ada sirkulasi lebih lanjut yang akan terjadi.
Sumber panas harus berada pada ketinggian yang lebih rendah daripada heat sink atau pendingin. Seperti yang ditunjukkan oleh contoh balon udara. Fluida yang lebih hangat dan kurang rapat (densitas rendah) akan cenderung naik, dan fluida yang lebih dingin dan lebih rapat akan cenderung tenggelam atau turun. Untuk mengambil keuntungan dari gerakan alami cairan hangat dan dingin, sumber panas dan heat sink harus berada pada ketinggian yang tepat.
Kedua area harus bersentuhan sehingga aliran antar area dimungkinkan terjadi. Jika jalur alirannya terhalang , maka sirkulasi alami tidak dapat terjadi.
Contoh Pendinginan Sirkulasi Alami
Sirkulasi alami seringkali menjadi sarana utama pendinginan untuk reaktor tipe kolam dan untuk bahan bakar iradiasi tersimpan dalam genangan air setelah dikeluarkan dari reaktor. Sumber panasnya adalah rakitan bahan bakar. Heat sink (pendinginnya) adalah sebagian besar air di kolam renang.
Air di bagian bawah bahan bakar menyerap energi yang dihasilkan oleh rakitan bahan bakar. Suhu air meningkat dan densitas air menjadi menurun. Gravitasi menarik air yang lebih dingin (lebih rapat) ke bagian bawah rakitan menggusur air hangat. Air yang lebih hangat (lebih ringan) dipaksa untuk menyerahkan posisinya ke air yang lebih dingin (lebih berat). Air yang lebih hangat (lebih ringan) naik lebih tinggi menjauhi rakitan. Saat air mengalir di sepanjang rakitan, ia menyerap lebih banyak energi. Air menjadi lebih ringan dan semakin ringan yang terus didesak ke atas oleh lebih banyak air yang masuk di bawahnya. Pada gilirannya, air yang lebih dingin menyerap energi dari perakitan dan juga dipaksa untuk naik kembali sebagai aliran sirkulasi alami yang terus berlanjut. Air yang keluar dari bagian atas rakitan bahan bakar akan berhenti energinya karena bercampur dengan sebagian besar air di kolam. Sebagian besar air di kolam renang adalah umumnya didinginkan oleh sirkulasi melalui penukar panas dalam proses terpisah.
Laju Aliran dan Perbedaan Suhu:
The thermal driving head yang menyebabkan sirkulasi alami adalah karena perubahan densitas yang disebabkan oleh perbedaan suhu. Secara umum, semakin besar perbedaan suhu antara area panas dan area ingin fluida, semakin besar thermal driving head dan laju aliran yang dihasilkan. Namun demikian, adalah praktik yang baik untuk menjaga subcooled cairan panas untuk mencegah terjadinya perubahan fase. Ada kemungkinan sirkulasi alami terjadi dalam aliran dua fase, akan tetapi hal itu biasanya lebih sulit untuk mempertahankan alirannya.
Kampus Unisma Bekasi, 17102018 – 15.25 WIB
Referensi :
[1] Fundamental handbook- Thermodynamic, Heat Transfer and Fluid Flow Volume 3 of 3
[2] Wikipedia.org
Taufiqur Rokhman 