KAJI NUMERIK KARAKTERISTIK SISTEM
PENDINGINAN PASIF DENGAN UDARA PADA PENYUNGKUP
MODEL AP1000
Widi Laksmono
1), Ari Darmawan Pasek
1), Efrizon Umar
2)1)
Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara - ITB
2)
Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri - BATAN
ABSTRAK
KAJI NUMERIK KARAKTERISTIK SISTEM PENDINGINAN PASIF DENGAN UDARA PADA PENYUNGKUP MODEL AP1000. Teknologi Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir semakin berkembang,
hingga saat ini penelitian dan pengembangan masih berlangsung terutama pemanfaatan fitur keselamatan pasif. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkaji karakteristik perpindahan panas pada permukaan penyungkup model AP1000 yang memanfaatkan udara yang bersirkulasi secara alamiah. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode volume hingga dengan memanfaatkan program CFD. Berdasarkan hasil perhitungan numerik, permukaan silinder vertikal penyungkup menjadi lebih dingin dengan adanya selubung dalam (baffle). Hal tersebut menunjukkan selubung dalam telah bekerja sesuai dengan fungsinya sebagai pengarah udara, sehingga sistem pendinginan penyungkup menjadi lebih baik. Dalam penelitian ini juga diusulkan korelasi baru perpindahan panas untuk silinder konsentris yang
diturunkan dari model penyungkup yang dilengkapi selubung dalam dengan bentuk : Nu = f (Ra)*
Kata kunci: konveksi alamiah, sistem keselamatan pasif penyungkup , AP1000, komputasi dinamika fluida
ABSTRACT
NUMERICAL ASSESMENT OF CHARACTERISTIC PASSIVE COOLING SYSTEM WITH AIR AT CONTAINMENT AP1000 MODEL. Nuclear power plant technology has been growing rapidly.
Nowadays, research and development had been taken place especially passive utilization of safety feature. The purpose of this research is to assess a natural convective heat transfer characteristic at containment AP1000 model by using natural air circulation. The analysis method used in this research is finite volume by using computational fluid dynamic (CFD) code. Based on numerical analysis result, the containment of AP1000 model becomes cooler with existence of baffle. This result indicated that the baffle as air director work properly and a better cooling system is achieved. The new concentric cylinder heat transfer correlation derives from containment model with baffle is proposed in the form of : Nu = f (Ra)*
Key words: natural convection, passive containment cooling system , AP1000, CFD
I. PENDAHULUAN
Dalam menghadapi krisis energi, pemerintah telah mengubah kebijakan energi nasional yang awalnya berbasis pada sumber daya alam menjadi berbasis teknologi yang mengarah pada pemanfaatan sumber energi baru dan terbarukan sehingga penguasaan ilmu dasar dan terapan menjadi mutlak diperlukan dalam menunjang kebijakan tersebut. Salah satu energi baru yang mendapat opsi dalam menunjang kelistrikan nasional adalah energi nuklir yang peranannya
dalam penyediaan energi nasional pada tahun 2025 diproyeksikan mencapai 2% [1].
Penggunaan energi nuklir ini sudah tentu memiliki potensi bahaya disebabkan banyaknya bahan radioaktif yang dimilikinya sehingga perhatian terhadap aspek keselamatan PLTN harus diutamakan. Oleh sebab itu, kebijakan energi nasional yang mengarah pada pemanfaatan energi nuklir ini sudah tentu juga mencakup usaha-usaha dalam peningkatan pemahaman terhadap keselamatan PLTN tersebut.
baru untuk menyempurnakan sistem keselamatannya. Salah satu pemikiran yang banyak mendapat perhatian dan telah mulai diterapkan dalam perancangan PLTN generasi baru adalah sistem keselamatan pasif, baik untuk reaktor jenis LWR [2,3] maupun HWR [4,5]. Dalam sistem ini, peranan manusia dan komponen aktif mulai dikurangi sehingga sistem lebih banyak bekerja dengan proses-proses alamiah seperti evaporasi, aliran udara bertekanan, konveksi alamiah dan pemanfaatan semburan air yang jatuh akibat gravitasi.
Mengingat pentingnya peranan sistem keselamatan pasif pada PLTN generasi baru, terutama PLTN generasi III yang sudah mulai ditawarkan oleh pemasok reaktor, maka pemahaman masalah sistem keselamatan reaktor tersebut dan penyiapan data dukung serta penyiapan sumber daya manusia yang akan mengevaluasi sistem keselamatan tersebut perlu dilakukan mulai dari sekarang. Oleh sebab itu, dukungan semua pihak, baik perguruan tinggi maupun lembaga penelitian dalam menyiapkan sumber daya manusia dan data dukung merupakan suatu keharusan. Salah satu bentuk partisipasi perguruan tinggi untuk mengatasi masalah tersebut, Laboratorium Termodinamika beserta laboratorium lainnya di bawah Pusat Rekayasa Industri Institut Teknologi Bandung telah mulai melakukan studi tentang teknologi nuklir ini dalam bentuk kegiatan penelitian sejak tahun 1986. Kemudian penelitian bersama antara Pusat Rekayasa Industri dengan Badan Tenaga Nuklir Nasional untuk mengkaji sistem keselamatan reaktor nuklir penelitian dan reaktor daya juga sudah digiatkan sejak tahun 1990 dan berlanjut sampai saat ini. Salah satu hasil kerjasama tersebut dibahas dalam makalah ini yaitu kajian tentang sistem keselamatan pasif pada penyungkup model AP1000 yang memanfaatkan udara yang bersirkulasi secara alamiah dan kajian ini dilakukan secara numerik dengan memanfaatkan program CFD.
II. PEMODELAN
Pendinginan pada penyungkup AP1000 dilakukan secara bertahap. Tahap pertama adalah pendinginan dengan menggunakan sirkulasi udara secara alamiah, dimana pendinginan sirkulasi alamiah ini diberikan pada saat awal terjadinya kecelakaan. Sedangkan pada tahap selanjutnya (tahap kedua) pendinginan dilakukan dengan menggunakan semburan air yang jatuh akibat pengaruh gaya gravitasi, pendinginan ini dilakukan pada saat kecelakaan yang berkelanjutan.
Gambar 1. Skema sistem pendinginan penyungkup secara pasif AP1000
Pada reaktor AP1000 tidak ada keterangan yang jelas batas penggunaan antara pendinginan dengan udara sampai dengan digunakannya pendinginan dengan semburan air. Tetapi dalam penelitian sebelumnya [6] telah diprediksi adanya fluks panas kritis untuk pendinginan dengan udara yang bersirkulasi secara alamiah. Bila fluks panas lebih besar dari nilai fluks panas kritis ini, udara sudah tidak efektif lagi mendinginkan penyungkup reaktor sehingga dibutuhkan semburan air untuk mendinginkan penyungkup reaktor tersebut.
Dalam memodelkan sistem pendinginan penyungkup AP1000, masalah yang harus diperhatikan adalah prinsip keserupaannya. Hal ini perlu dilakukan mengingat dalam memodelkan ada keterbatasan dalam hal waktu dan pendanaan. Langkah yang paling ideal dalam memodelkan suatu sistem adalah dengan skala 1:1, tetapi langkah ini sangat tidak mungkin dilakukan karena dimensi sungkup AP1000 sangat besar sehingga membutuhkan biaya yang besar. Dengan mempertimbangkan peristiwa yang terjadi pada sungkup AP 1000 serta ketersediaan bahan yang akan digunakan maka dapat dilakukan uji bilangan tuna-dimensi serta prinsip keserupaannya sehingga dapat dilakukan pembuatan sebuah model sistem penyungkup AP1000 dalam skala laboratorium.
II.1. KONFIGURASI AKSISIMETRI MODEL NUMERIK
Gambar 2. Model dengan selubung luar dan dalam (baffle)
Gambar 3. Model tanpa selubung dalam (baffle)
II.2. KORELASI PERPINDAHAN PANAS
Menggunakan model dengan selubung luar dan dalam, dapat diturunkan korelasi perpindahan panas untuk silinder konsentris. Dengan asumsi bahwa permukaan penyungkup mendapat fluks panas konstan, maka korelasi perpindahan panas dibangun dari bilangan Nuselt rata-rata dan bilangan Rayleigh rata-rata yang termodifikasi [7-9]:
…………. (1)
…………. (2)
………....….…………. (3)
dimana,
Lc = panjang karakteristik dari geometri,
= koefisien ekspansi = ,
q’’= flux panas konstan,
h = koefisien perpindahan panas konveksi,
k = konduktivitas, g = percepatan gravitasi,
ν = viscositas kinematis. = temperatur film
= temperatur dinding
= temperatur aliran bebas
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
III.1. PROFIL KECEPATAN KONFIGURASI AKSISIMETRI
Pada Gambar 4 sampai 7 diberikan dua jenis gambar untuk menunjukkan profil kecepatan yaitu kontur kecepatan yang menunjukkan distribusi besarnya kecepatan di area pengamatan dan vektor kecepatan yang menunjukkan besar kecepatan dan arahnya, diambil untuk daya 3000 Watt. Kedua gambar tersebut menegaskan bahwa dengan adanya panas, maka akan mendorong munculnya efek bouyancy, sehingga terjadi aliran serentak fluida (bulk motion) dari bagian bawah ke bagian atas.
Pada Gambar 5 ditunjukkan vektor kecepatan pada model tanpa selubung dalam. Pada bagian bawah terlihat adanya dua aliran udara yaitu ke atas pada area didekat dinding penyungkup dan ke bawah didekat dinding selubung luar. Celah yang lebar menyebabkan fenomena tersebut dapat terjadi. Pada gambar tersebut juga diperlihatkan arah aliran udara masuk melalui cerobong atas dan keluar melalui celah masuk di selubung luar.
Gambar 5. Vektor kecepatan model tanpa selubung dalam
Gambar 6. Kontur kecepatan model dengan selubung dalam (baffle)
Gambar 7. Vektor kecepatan model dengan selubung dalam (baffle)
Pada Gambar 7 ditunjukkan vektor kecepatan pada model dengan selubung dalam. Pada bagian bawah diperlihatkan bahwa untuk model dengan selubung dalam fenomena yang terjadi sesuai dengan skenario seperti pada referensi
Pada Gambar 8 ditunjukkan vektor kecepatan aliran udara pada celah antara tangki penyungkup dengan selubung dalam serta vektor kecepatan pada celah antara selubung dalam dengan selubung luar dengan skala yang diperbesar. Tampak pada Gambar 8 bahwa kecepatan aliran udara di permukaan tangki penyungkup (warna merah) lebih besar dari kecepatan udara di celah antara selubung dalam dan selubung luar (warna biru) akibat adanya pemanasan oleh tangki penyungkup tersebut. Sementara itu, pada celah antara tangki penyungkup dengan selubung dalam, kecepatan di tengah celah (warna merah) lebih besar daripada kecepatan di dekat permukaan tangki penyungkup maupun permukaan selubung dalam (warna hijau). Keadaan ini disebabkan adanya gesekan antara udara dengan permukaan tangki penyungkup maupun dinding selubung dalam sehingga gerakan udara ke arah atas terhalang sehingga kecepatannya lebih rendah dibandingkan dengan kecepatan udara di bagian tengah celah.
Gambar 8. Vektor kecepatan pada celah antara tangki penyungkup dengan selubung dalam serta vektor kecepatan pada celah antara selubung dalam dengan selubung luar dengan skala yang diperbesar
III.2. PROFIL TEMPERATUR KONFIGURASI AKSISIMETRI
Gambar 9 dan 10 menunjukkan profil temperatur pada konfigurasi aksisimetri untuk model tanpa selubung dalam dan model dengan selubung dalam pada daya 3000 Watt. Level temperatur direpresentasikan dengan indeks warna dengan skala pada bagian kiri gambar. Terlihat
pada bagian dekat dinding penyungkup memiliki temperatur lebih tinggi, dan bergradasi turun pada arah menjauh.
Gambar 9. Kontur temperatur model tanpa selubung dalam
Gambar 10. Kontur temperatur model dengan selubung dalam
III.3. Koefisien Perpindahan Panas
Koefisien perpindahan panas dihitung dari rasio antara fluks panas dengan perbedaan suhu dinding dengan suhu aliran bebas.
………. (4)
dimana,
q’’ = fluks panas
Tw = suhu permukaan dinding panas
T∞ = suhu fluida pada aliran bebas
Referensi [7-9] mengusulkan bahwa untuk
silinder konsentris dengan pemberian fluks panas konstan, temperatur dinding digunakan temperatur
tinggi celah (TL/2). Hal tersebut dimaksudkan agar
korelasi yang didapat pada kasus fluks panas konstan dimana temperatur di permukaan bidang vertikal bervariasi dapat dibandingkan langsung dengan korelasi pada kasus temperatur konstan untuk bidang yang sama. Sedangkan temperatur fluida pada aliran bebas yang digunakan adalah
temperatur dinding selubung (T∞) pada posisi
ketinggian yang sama.
Gambar 11. Grafik koefisien perpindahan panas terhadap fluks panas pada silinder konsentris model dengan selubung dalam
III.4. Korelasi Perpindahan Panas
Gambar 12 menunjukkan grafik korelasi perpindahan panas pada permukaan tangki penyungkup yang dilengkapi dengan selubung dalam (baffle).
Gambar 13 menunjukkan grafik perbandingan korelasi perpindahan panas konveksi pada silinder konsentris model dengan selubung dalam yang diusulkan dalam penelitian ini terhadap korelasi perpindahan panas untuk silinder konsentris hasil penelitian peneliti lain. Tampak bahwa korelasi perpindahan panas yang dihasilkan dalam penelitian ini sangat dekat dengan korelasi perpindahan panas yang diusulkan Sherif [11]. Jika dibandingkan dengan korelasi yang diusulkan
dalam penelitian sebelumnya [6] maka koefesien
perpindahan panas yang diprediksi menggunakan
korelasi yang diusulkan dalam penelitian ini mempunyai nilai yang lebih rendah. Hal ini diprediksi disebabkan bentuk dan dimensi selubung dalam (baffle) yang berbeda dimana dalam penelitian sebelumnya selubung di atas kubah berbentuk sektor bola konsentrik dan berfungsi sebagai cerobong bagi silinder konsentrik yang berada dibawahnya. Bila dibandingkan dengan korelasi yang diusulkan Mac Gregor [12], Landis [13] dan Evans-Stefany [14] maka koefesien perpindahan panas yang diprediksi menggunakan korelasi yang diusulkan dalam penelitian ini mempunyai nilai yang lebih tinggi.
Gambar 13. Grafik perbandingan korelasi perpindahan panas pada permukaan tangki penyungkup yang dilengkapi dengan selubung dalam (baffle)
V. KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain :
1. Sistem pendingin udara yang bersirkulasi
secara alamiah pada penyungkup model AP1000 yang dilengkapi dengan selubung dalam (baffle) terbukti mampu bekerja dengan baik, sesuai dengan peruntukkannya.
2. Nilai koefisien perpindahan panas konveksi
antara permukaan tangki penyungkup yang dilengkapi selubung dalam (baffle) hanya meningkat secara linier terhadap fluks panas yang diberikan untuk daya pemanas yang terbatas yaitu sampai 3000 watt.
3. Untuk daya yang lebih besar dari 3000 watt,
diusulkan sistem pendinginan menggunakan semburan air yang jatuh akibat gaya grafitasi mulai difungsikan sehingga integritas tangki penyungkup dapat dipertahankan
4. Didapatkan korelasi baru untuk memprediksi
koefisien perpindahan panas konveksi untuk silinder konsentris dengan bentuk :
Nu = 0.759 Ra*^0.142
7.013e02 < Ra < 8.943e04
VI. DAFTAR PUSTAKA
1. ADIWARDOYO, Opsi Nuklir dalam Kebijakan
Energi Nasional, Workshop Energi dan
Prospek Energi Nuklir di Indonesia, Jurusan Fisika ITB, Bandung, 2006.
2. W.E. CUMMINS, M.M. Corletti, T.L. Schulz, Westinghouse AP1000 Advanced Passive Plant, Proceedings of ICAPP, Cordoba, Spain, 2003.
3. R.A.MATZIE, The AP1000 Reactor Nuclear Renaissance Option, Westinghouse, 2003. 4. J. HOPWOOD, The ACR-1000:
Operator-Driven CANDU Development, Proceedings of ICAPP, 2007.
5. A.ALIZADEH, Nuclear Power An Improving Prospect, 2005
6. E.UMAR, Studi Karakteristik Sistem
Pendinginan pada Model Sungkup APWR,
Thesis Program Magister Ilmu dan Rekayasa Nuklir, Institut Teknologi Bandung, 1993. 7. INCROPERA, DEWITT, Introduction to Heat
Transfer, John Wiley & Sons, 2001.
8. C.TURNER, Fundamentals of Thermal-Fluid
Science, McGraw Hill, 2005
9. J.P. HOLMAN, Heat Transfer, McGraw Hill, 1992.
10. IAEA-TECDOC-1474, Natural circulation in
water cooled nuclear power plants, 2005
11. N. SHERIFF, Experimental Investigations of Natural Convection in Single and Multiple Annuli, Proc. International Heat Transfer Conference, Vol. 4, 1966.
12. R.K.MACGREGOR, and A.P. Emery, Free
Convection Through Vertical Plate Layers : Moderate and High Prandtl Number, J. Heat
Transfer, vil 91, p. 391, 1969.
13. A.LANDIS, Transient Natural Convection
Narrow Vertical Cell, Proc. International Heat
Transfer Conference, Chicago, 1966.
14. L.B.EVANS AND N.E. Stefany, An
Experiment Study of Transient Heat Transfer to Liquid in Cylindrical Enclosures, AIChE Pap.
4, Heat Transfer Conf. Los Angeles, August 1965.
TANYA JAWAB
Pertanyaan :
1. Untuk mendapatkan kondisi proses pendinginan konveksi alamiah murni apakah alat dicoba menggunakan syarat energi batas pada fin inlet dengan laju alir (kecepatan alir) = 0 dan bagaimana bedanya dengan yang digunakan pada sisi inlet Æ pressure inlet dan sisi outlet
Æ pressure outlet.
(Reinaldy Nazar - PTNBR)
Jawaban :
