ANALISIS P ARALELISASI HE TIPE PLAT DAN SHELL Al;{D TUBE UNTUK REAKTOR KARTINI P ADA DAY A 250 kw

ANALISIS P ARALELISASI

HE TIPE PLAT DAN SHELL Al;{D

TUBE UNTUK REAKTOR KARTINI P ADA DAY A 250 kW

Soyamto, Ma'som Ischaq, Tri Wotan Tjiptono

P3TM -BATAN

~

ABSTRAK

ANALISIS PARALELISASI HE TIPE PLAT DAN SHELL AND TUBE UNTUK REAKTOR KARTINI PADA DAYA 250 kW: Dalam rangka peningkatan daya reaktor Kartini menjadi 250 kW; telah dilakukan analisis perhitungan beban pendinginan untuk paralelisasi HE ripe Plat (PHE) dan ripe Shell and Tube (STHE). Pada analisis sebelumnya diketahui bahwa dengan PHE tunggal tidak cukup untuk menurunkan suhu ATR pada batas yang diijinkan. Analisis dan perhitungan didasarkan pada kondisin dan kinerja PHE dab STHE saar ini yaitu efektivitas cp = 0,394 dan q = 0,5. Dalam analisis, kedua HE dipanda~g sebagai HE tunggal yang dioperasikan secara bersamaan. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa apabila reaktor dioperasikan pada daya 250 kW; suhu ATR masih berada di bawah harga maksimum yang dijinkan yaitu 38,83 DC. Sedangkan besar perpindahan kalor untuk masing-masing HE adalah 118,937 kW(102,29. 103

kcalljam) untuk PHE dan 130,857 kW(1 12,53. 103 kcal/jam) untuk STHE.

ABSRACT

ANALYSIS OF THE PLATE AND SHELL AND TUBE TYPE HEAT EXCHANGER PARRALEL FOR KARTINI REACTOR AT 250 Kw OPERATION. On behalf of increasing Kartini's reactor PQwer lexel to 250 kW have been carried out the analysis of the cooling load for Plate type Heat Exchanger's (PHE) and Shell and Tube type Heat Exchanger (STHE) in parallel. At the previous analysis has been known that for HE single operating it isn't able to cool the reactor water tank up to the temperature level allowed. Analysis was carried out based on its PHE's and STHE's present performances i.e. effectivity} of both HE: &p = 0,394 and: q = 0,5. During analysis both HE is operated together as single HE. The result swohs that with present condition, the water reactor tank temperature still in allowed temperature i.e. 38.83 DC. While the heat transferred are 118.937 kW (102.29103 kcaVh)for PHE and 130.857 kW (112.53103 kcal/h) for STHE respectivelly.

PENDAHULUAN

pendinginan A TR menggunakan satu buah HE pada

debit tetap, tidak cukup untuk menurunkan suhu A TR sampai pada batas yang diijinkan. Di samping itu, dalam sistem perpindahan kalor temyata masalah debit air pendingin merupakan faktor yang

sangat dominan (3.4. SI.

Untuk itu perlu dilakukan analisis dan per-hitungan sistem pendingin susunan seri-paralel dari kedua HE berikut pompa dan instalasi pemipaannya. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui kemampuan sistem pendiI1gin primer bila ke 2 HE yang ada dihubungkan seri atau paralel pada daya 250 kW.

DASARTEORI

Penggabungan 2 buah HE atau lebih di-maksudkan untuk menaikkan kapasitas pen-dinginannya. Gambar I dan 2 menunjukkan susunan seri dan paralel ke dua HE reaktor Kartini. Dengan

D

alarn operasinya pada daya 100 kW, reaktor

Kartini menggunakan 2 buah alat penukar kalor atau Heat Exchanger (HE) tipe plat atau Plate Heat Exchanger (PHE) serta tipe cangkang daD pipa atau Shell and Tube Heat Exchanger (STHE). Massing-masing HE mempunyai kapasitas disain pendinginan 250 kW dan juga berfungsi sebagai cadangan atau redundan. Oi samping itu suhu air tangki reaktor (A TR}-maksimum yang diijinkan dari reaktor Kartini sebesar 41 DC!I.2].

Oalam rangka peningkatan daya reaktor dari 100 kW menjadi 250 kW, harus dilakukan analisis dan perhitungan ulang beban pendnginan terhadap kedua HE tersebut. Hal ini dilakukan karena kenaikan suhu air pendingin reaktor sesuai dengan

kenaikan daya yang direncanakan.

Dari anal is is sebelumnya diketahui bahwa bila reaktor dioperasikan pada daya 250 kW dengan

Prosiding Pertemuan dan Presentasl IImlah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nuklir P3TM-BATAN Yoovakarta. 7 -8 Aaustus 2001

Suyamto, dkk. ISSN 0216 -3128

₁₅₇

2. Dalam keadaan tunak, suhu air pendingin

rnasuk ke PRE daD STHE sarna besar, sehingga

TilP = TilT

Karena tidak ada hilang kalor pada, pipa daD

pem1ukaan kolam, rnaka kalor total yang harus

dipindahkan oleh PRE daD STHEQp + QT = Q

rnaka untuk susunan paralel dapat diturunkan

rumusan

perpindahan

kalor sebagai

berikut.

(MC)IP (Til- ToVP + (MC)IT (Til -Tol>T =Q (3)

(indek P untuk PRE dan indek T untuk STHE)

Karena TilP = TilT = Til rnaka

(MC)IP (Til -ToIP) + (MC)IT (Til -To IT = Q (4)

Dengan rnernasukkan

data besaran debit air

pendingin primer M (tetap), efektivitas RE ~ (saat

ini), suhu air pendingin rnasuk ke HE TilP = TilT,

perpindahan

kalor total Q = 215xlO3 kcaVjam daD

suhu rnasuk air pendingin sekunder

Ti2 (konstan)

ke

dalam rumus I sampai dengan 4, dapat dihitung

beban pendinginan

untuk rnasing-rnasing

HE.

TAT A KERJA

mempertimbangkan

kondisi PHE dan STHE pada

saat ini maka susunan paralel merupakan pilihan

yang lebih baik karena

1. HE yang lain dapat dipakai sebagai redundan

pada tingkat daya 100 kW

2. Instalasinya lebih mudah,

sederhana

dan murah

Dengan susunan para1el,

maka analisisnya dapat

dilakukan dengan menganggap

bahwa ke dua HE

bekerja secara bersama-sama

mendinginkan A TR

sebagai HE tunggal. Sehingga dengan melihat

susunan paralel pada Gambar 2, rumusan yang

digunakan dalam anal

is is perpindahan

kalor dapat

dilakukan seperti HE tunggal, yaitu sebagai

berikut

[3, 4, 5].

I. Efisiensi atau efektivitas

HE f. adalah

E = (Tit -Tot)/(Tit -TiV

(1)

2. Jumlah perpindahan kalor antara primer daD

sekunder

Ql = (MC)l (t1.Tl) = (MC)l (Til-Tol)

Q2 = (MChJATV = (MC>2 (Ti2 -ToV

Q3 = E (MC>t (t1.T)

= (MC)l (Til -TiV

Q4 = A U (LMTD)

₍₂₎

Untuk dapat menghitung perpindahan kalor

di dalam PHE dan STHE secara baik dan akurat

dilakukan hal-hal sebagai

berikut.

'.

I. Kalibrasi flow meter agar debit yang dipakai

dalam perhitungan

dapat akurat

2. Pengoperasian

reaktor sampai dalam kondisi

tunak minimal 6 jam operasi

3. Pengamatan suhu air pendingin primer dan

sekunder harus dilakukan berulang-ulang pada

kondisi udara luar yang berbeda-beda.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari pengoperasian PHE daD STHE serta kalibrasi flow meter yang telah dilakukan .';obe-lumnya diketahui besaraan air pendingin (tabell) .

Dari basil pengamatan suhu air pendingin masuk-keluar HE pada label 1 daD dengan menggunakan rumus 1 diperoleh efektivitas saat ini

yaitu Ep = 0,394 dan Ep = 0,5.

Besarnya efektivitas saat ini dianggap tetap dan hanya akan berubah hila kondisi HE semakin

jelek karena terjadi pengotoran yang semakin

banyak. Di samping itu karena debit air pendingin tetap maka suhu air pendingin sekunder hanya dipengaruhi oleh kondisi kondisi udara luar sehingga Ti2P = 28,64 °c dan Ti2T = 29,13 °c (tabrel I) dianggap tetap.

Dimana

Q: kalor ycmg dipindahkan, W atau kcaVjam T: suhu air pendingin, 0 C

M: laju aliran air pendingin (M = G Y), kg/jam

G: debit air pendingin, m3/jam Y : beratjenis air pendingin, kg/m3 C: kalor jenis air pendingin, kcal/kg 0 C U: koefisien perpindahan kalor, W 1m K A: luas permukaan perpindahan kalor, m2 LMTD : 'Logajiithmic Mean Temperature

0

Difference" .C

(notasi indek 1 untuk primer, 2 untuk sekunder, 1 masuk ke HE dan 0 keluar dari HE)

'. Bila reaktor dioperasikan pada daya 250 kW, maka kalor yang harus di~indahkan oleh PHE clan STHE adalah 215 10 kcaVjam dengan mengabaikan hilang kalor ke dinding tangki reaktor dan pipa [6, 7, 8], sehingga diperoleh asumsi-asumsi clan persamaan berikut.

1. Suhu air pending in sekunder masuk HE yang tergantung pada keadaan udara luar sarna seperti

158

Tabell. Besaran air pendingin HE do/am keadaan

tunak pada daya reaktor 100 kW.

Dengan memasukkan

besarnya Ep, Ep, T i2P daD

Ti2T ke dalam rumus I maka diperoleh

(Til -Tol)p/(Til -28,64)p = 0,394

TilP = (1,65 TolP -18,62)

(Til -Tol}r/(Tfl-

28,64}r = 0,5

TiIT= (2 ToIT- 30)

Karena TilP = TilT maka,

(1,65 TolP -18,62) = (2 TolT -30)

TolP = (1,212 ToIT- 6,89689)

1. TilP = TilT =Til (lihat Gambar 2) daD besarnya

Y dapat diambil dari nila rata-ratantara

YIP daD

.3

YIT, yaltu Ylr = 1/2(YIT + YIP) = 994,24 kg/m

2. Debit air pendingin primer untuk ke dua He

sarna besar. Jadi GIP =

GIT = 428,77

liter/menit, sehingga

:

(MC)IP = (MC)IT =(M Ylr C)I

= (428,77)(10-3)

(60)(994,24XO,997)

= 25.501,28 kca/jam °c

°

2TilT -TolP -TolT = 8,4309 C

° 2TilT-(1,212T-6,8969)-TolT =8,4309 C

TilT=(1,06TolT +0,767)

Dengan mensubtitusikam TilT ke persamaan TilT = (2 TolT -30) akhimya diperoleh TilT = 34,416 °C,

sehingga besaran-besaran

suhu yang lain dapat

dihitung. Hasilnya adalah TolP = 34,818 °c daD Til

°

P = TilT = 38,829 C

Selanjutnya dengan memakai persamaan 2 dapat dihitung besarnya perpindahan kalor untuk masing-masing HE, yaitu ",

QIP = (MC)lP (Til -Tol)P

= (25.501,28)(38,829 -34,818) = 102.286,634 kcaVjam = 118,937 kW QIT = (MC)lT (Til -Tolh

= (25.501,28)(38,829 -34,416) = 112.537,149 kcaVjam = 130,857 kW

Dari rumus 2, akhirnya dapat dihitung besaran air pendingin sekunder untuk masing-masing HE sebagai berikut. 2. Untuk PHE QIP = Q2P = (MC)2p (T 02 -Tivp --102.286,634 = (555,5)(10.3)(60)(995,06) (0,997)(T 02 -28,64)p ° To2P=31,82 C

2. UntukSTHE

QIT = Q2T = (MC)2P(To2 -Ti2)T 112.537,149=(649,12)(10.3)(60)(995,53) (0,997)(T02 -30h

°

To2T=32,91 C

Til-TOIP+Til-TOIT=

g,43090C

Subtitusi TiP = TiT dan TolP = 1,212 T- 6,8969, diperoleh

Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yoglyakarta, 7.8 Agustus 2001

Maka dari rumus 4 diperoleh

(Til -TolP + Til -To IT) = Q/(MC)I) = 215.0000/25.501.28

Suyamto, dkk. ISSN 0216 -3128

₁₅₉

6. QIT=Q2T= 112537,149kcaVjam

7. Qp + QT = Q = 215.000 kcaVjam

8. (~TIP) = (Til -Tol)P = Qlp/(MC)IP = 4,0156

9. (~TIT) = (Til -Tolh

= QIT/(MC)IT =

4,4188

"-10. Ep = 0,394 = (38,829 -ToIP)/38,829 -Ti2P)

11. ET = 0,5 = (38,829 -ToIT)/38,829 -Ti2T)

Dengan melakukan subtitusi-subtitusi

seperti pada

perhitungan

sebelumnya

diperoleh basil seperti yang

ditunjukkan pada tabel 2, di mana perubahan y

ternyata tidak

begitu berpengaruh terhadap

perubahan suhu air pendingin. Dari basil

perhitungan dapat digambarkan bentuk atau profil

suhu air pendingin di dalam PRE dan STHE

(Gambar

3 dan 4)

Jadi total kalor yang dipindahkan oleh ke dua HE

adalah 249,794 kW. Perbedaan

yang ada sebesar

0,206 kW atau 0,08 % terjadi karena adanya

pembulatan

dalam perhitungan.

Dari basil perhitungan terlihat bahwa besarnya

TiIP, TilT' TolP clan To IT berbeda

dengan basil

pengarnatan

pada daya 100 kW. Untuk itu agar

hasilnya lebih akurat dilakukan perhitungan ulang

secara iterasi pada daya 250 kW sebagi

berikut.

0

1. Besar TilP = TilT =38,829 C, TolP = 34,818

0 0

C clan TilT = 34,416 C

3 3

2. YIPr = 993,31 kg/ill clan YlTr = 993,38 kg/ill

3. Besar efektivitas ke dua HE tetap yaitu Ep =

0,394 clan Ep = 0,5.

4. Besarnya perpindahan kalor pada ke dua HE

tetap

5. QlP = Q2P = 102.286,634

kcaVjam

Tabel2. Besaran

air pendingin HE do/am keadoan tunak pada daya reaktor J 00 kW.

KART A, Laporan Analisis Keselamatan Reaktor Kartini, 1995

2. GENERAL ATOMIC Division of GENERAL DYNAMIC, 250 KW Triga Mark II Reactor Mechanical Maintenance and Operating Manual, chapter 4.10, Agustus 1962 '.

3. SUY AMTO; "Anal is is daD Perhitungan Beban Sistem Pendingin Tipe Plat (PHE) Reaktor Kartini Pada Daya 250 kW", Prosiding Pertemuan daD Presentasi 11miah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan daD Teknologi Nuklir, Yogyakarta , 25 -26 Juli 2000.

4. SUY AMTO; "Analisis daD Evaluasi Unjuk Kerja Alat Penukar Kalor (APK) Tipe Cangkang daD Pipa, Presentasi Peneliti Muda , Nopember

1994 di PPNY

5. SUY AMTO, SUPRAPTO, "Analisis daD Evaluasi Unjuk Kerja Alat Penukar Kalor Tipe Plat Reaktor Kartini, Prosiding Pertemuan daD Presentasi 11miah Penelitian Dasar 11mu

KESIMPULAN

I. Dengan merangkai secara paralel PHE dan

STHE untuk daya reaktor 250 kW, suhu ATR

masih di bawah harga yang diijinkan

2. Dengan debit yang tetap masing-masing

seperti

pacta saat ini maka perpindahan

kalomya sudah

cukup, masing-masing sebesar 118,937 kW

(102,29. 103 kcaVjam) untuk PHE dan 130 kW

(112,53.103 kcaVjam)

untuk STHE

3. Dengan mengoperasikan ke dua HE secara

paralel maka tidak diperlukan HE baru

4. Karena kedua HE harus selalu dioperasikan

maka perlu dipikirkan fasilitas redundan untuk

sistem pendingin, baik primer maupun sekunder

DAFTARPUSTAKA

BADAN TENAGA ATOM NASIONAL, PUSA T PENELITIAN NUKLIR YOGY

A-Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Daaar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta, 7 -8 Aguatua 2001

.

ISSN 0216 -3128

160

Suyamto, dkk.

ber/awanan

dengan

yang ado soot ini sehingga

terjadi a/iran "cross" sehingga

/ebih efisien.

Anwar Budianto

-Apakah

pemah dicoba suatu analisis serial

sehingga dapat dihitung factor kelipatan efisiensi

total terhadap

analisis parallel.

-Pemahkah dilakukan anlisis berapa jumlah HE

(baik PHE dan STHE) agar reaktor Kartini tetap

save suhunya ? (Dengan pertimbangan faktor

kegagalan

perangkat).

Pengetahuan

daD Teknologi Nuklir, Yogyakarta

,8 -10 Juli 1997.

6. UT AJA, HERU SUPRAPTO daD HARt

SUDIRJO, Transien Suhu Dalam Penukar

Kalor, Buku Penelitian Bahan Mumi daD

mstrumentasi

Jilid IIlnstrumc:-ntasi,

1984

7. UT AJA, HERU SUPRAPTO daD HARt

SUDIRJO, Pendingin Primer Untuk Daya

Reaktor 250 K watt, Buku Penelitian Bahan

Murni dan Instrumentasi

Jilid II Instrumentasi,

1984

8. UT AJA, BAMBANG SETIADn, Menentukan

Harga Air Reaktor Kartini, Prosiding Pertemuan

daD Presentasi Ilmiah, Penelitian Dasar Ilmu

Pengetahuan

daD Teknologi Nuklir, Yogyakarta

, 5 -8 Mei 1986

Suyamto

-Belurn,

karena jelas untuk susunan

seri kurang

menguntungkan dibanding dengan susunan

parallel ditinjau dari segi kondisi ini don

debitnya.

-Pernah

dipikirkan, yaitu dengan PHE don

STHE yang ado soot ini, tinggal menambah

-sebuah HE barn sebagai redundan. Dengan

dernikian diperlukan 3 buah HE, sehingga

laktar kegagalannya

dapat diturunkan.

TANYAJAWAB

Widarto

-Dalam pengkopelan / pemasangan HE, dikatakan parallel lebih menguntungkan, ditinjau dari segi

apa?

-Apakah juga telah dilakukan analisis untuk pemasangan ke dua HE tersebut dalam posisi tidak parallel ("Cross")

Sony

-Didalam

analisis apakah juga dilakukan

perhitungan bila yang diparalel PHE clan PHE

atau STHE clan STHE, sehingga

didapatkan

harga

optimasi.

-Bagaimana analisisnya

bila salah satu HE gagal ?

Suyamto

-Be/um

pernah, tetapi ha/ ini bisa di/akukan

dengan asumsi dipasang PHE maupun STHE

baru don efektivitas ke duo HE ditentukan / di

asumsikan.

-Tidak

bo/eh, karena harus dipasang HE

redundan. (/ihat kesimpu/an

nomer 4).

Suyamto

-Darisegi;

-Kondisi

instalasi soot ini secarafisik.

-Kondisi

HE soot ini yang sudah kurang baik

sehingga tidak mungkin dinaikkan debitnya.

-lnstalasi

untuk parallel akan lebih mudah

sederhana

don murah.

-Untuk

seri tidak memungkinkan

untuk "cross",

input-output HE yang satunya diletakkan

Prosldlng Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl Nukllr P3TM-BATAN Yogyakarta. 7 -8 Agustus 2001