STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR DI CELAH SEMPIT ANULUS SELAMA BOTTOM FLOODING BERDASARKAN VARIASI TEMPERATUR AWAL BATANG PANAS

STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR DI CELAH SEMPIT ANULUS SELAMA BOTTOM

FLOODING BERDASARKAN VARIASI TEMPERATUR AWAL BATANG PANAS

TUGAS AKHIR TF 091381

Disusun Oleh :

Choirul Muheimin NRP. 2408 100 075 Dosen Pembimbing :

Dr. Gunawan Nugroho, ST, MT NIP. 19771127 200212 1 002 Ir. Roekmono NIP. 19580908 198601 1 001

Pembimbing Lapangan (LabTek – PTRKN - BATAN) :

Mulya Juarsa, S.Si, M.ESc NIP. 19690908 199703 1 005

PROGRAM STUDI S-1 JURUSAN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA 2012

LATAR BELAKANG

• Aspek keselamatan menjadi peran utama dalam instalasi dan operasi suatu reaktor nuklir.

• Peristiwa kecelakaan parah di Three Mile Island unit 2 (TMI- 2) di Pensylvania USA, Maret 1979 yang pada mulanya akibat kehilangan pendingin (Loss of Coolant Accident) hingga terjadinya pelelehan teras reaktor.

• Integritas bejana tekan reaktor (TMI-2) tetap terjaga dan tidak ada bahan radioaktif yang keluar ke lingkungan.

• Pada peristiwa TMI-2 juga melibatkan fenomena pendidihan di celah sempit (narrow gap).

• Adanya pengkajian dan penelitian lebih lanjut terkait fenomena tersebut sebagai upaya mitigasi kecelakaan.

RUMUSAN MASALAH

• Bagaimana pengaruh perpindahan kalor berdasarkan data pengukuran temperatur awal ?

• Bagaimana karakteristik perpindahan kalor ( h ^, fluks kalor dan fluks kalor kritis) ?

• Bagaimana fenomena pendinginan bottom

flooding pada Bagian Uji HeaTiNG-01 (anulus

vertikal) ?

BATASAN MASALAH

• Menggunakan celah sempit berukuran 1,0 mm.

• Variasi temperatur yang digunakan antara lain 400C, 500C, dan 600C.

• Kenaikkan tegangan yang digunakan untuk menaikkan temperatur dijaga konstan, yaitu setiap 10 menit (600 detik).

• Air (coolant) yang digunakan untuk pendinginan bertemperatur 90C.

• Aliran air (coolant) dijaga konstan, yaitu 0,1650 L/s

TUJUAN

• Mengukur perpindahan kalor berdasarkan data pengukuran temperatur awal selama pendinginan bottom flooding .

• Memperoleh hasil analisis perpindahan kalor di dalam celah sempit anulus vertikal.

• Menganalisis fenomena hasil pendinginan

bottom flooding ^.

TINJAUAN PUSTAKA

Quenching adalah proses pendinginan objek yang panas secara tiba–tiba dengan cara ditenggelamkan ke dalam cairan seperti air atau minyak. Fenomena quenching muncul dalam berbagai macam aplikasi industri. Selain dalam bidang industri, proses quenching juga dijumpai di teras reaktor nuklir setelah mengalami LOCA, yaitu saat reflooding oleh sistem pendingin teras darurat (emergency core cooling system, ECCS).

Pendidihan Kolam (Pool Boiling)

Pendidihan Kolam (Pool Boiling)

 Natural Convection Boiling

- Gerakan air disebabkan oleh arus konveksi alami, sehingga akan memutar naik-turun. Di titik A mulai t

erbentuk gelembung (sedikit), dan gelembung uap kempis saat ditengah jalan.

 Nucleat Boiling

- Banyak pusat pengintian dan banyaknya gelembung uap naik dengan cepat

. Ketika

∆T_excess di titik C (puncak) berarti seluruh permukaan heater dipenuhi dengan uap, sehingga keadaan ini disebut sebagai titik kritis.

Pendidihan Kolam (Pool Boiling)

 Transition Boiling

- Gelembung-gelembung uap mulai bergabung (menyelimuti permukaan heater) sebagai isolator, sehingga koefisien heat transfer sangat kecil

. Kondisi ini juga disebut sebagai unstable film boiling.

 Film Boiling

- Titik D disebut titik Leidenfrost, dimana nilai heat flux di titik minimum. Setelah titik D, permukaan heater diselimuti oleh uap. Jika temperatur dinaikkan, maka heat flux akan naik dan terjadi heat transfer secara radiasi.

Daerah antara titik 1 – titik A

Titik A

Daerah antara titik A – titik B

Daerah antara titik B– titik C

Daerah antara titik C– titik D

Daerah antara titik D– titik E

Kecelakaan Parah di TMI-2

 Dipicu oleh terhentinya pompa air-umpan (feed- water pump) yang secara otomatis reaktor akan shutdown dan turbin trip (berhenti).

 Peningkatan tekanan pada sistem primer yang melampau batas operasinya (160 bar) menyebabkan pembukaan katup pembebas uap (relief valve) pada tabung penekan (pressurizer).

 Pelepasan uap pada sistem primer melalui tabung penekan akan menyebabkan tekanan sistem primer turun secara cepat.

Persamaan Yang Digunakan

𝒒". 𝑨 = 𝒎_𝒔𝒔. 𝒄_𝒑.𝒅𝑻 𝒅𝒕

𝒎_𝒔𝒔 = 𝝆. 𝑽 = 𝝆. [𝝅 𝑹_𝟎^𝟐 − 𝑹_𝒊^𝟐 . 𝒍] 𝑨 = 𝟐. 𝝅. 𝑹_𝒐. 𝒍

𝑞" = fluks kalor, W/m²

𝐴 = luasan dari penampang silinder luar (SS316), m² m_ss = massa batang uji (SS316), kg

𝑐_𝑝 = kalor spesifik batang uji, J/kg.K

dT/dt = perubahan temperatur pemanas terhadap waktu, K/s 𝜌_𝑠𝑠 = densitas batang uji, kg/m³

𝑅_𝑜, 𝑅_𝑖 = jari-jari luar dan dalam anulus luar, m 𝐷_𝑜, 𝐷_𝑖 = diameter luar dan dalam anulus luar, m

Metodologi Penelitian

Posisi 14 termokopel pada batang pemanas

Metodologi Penelitian

Komponen Eksperimen

- Batang Anulus berbahan stainless steel (SS316), dengan panjang tabung luar 1000 mm, panjang tabung dalam 1050 mm, panjang heated length 800 mm, diameter luar batang luar 45 mm, diameter dalam batang luar 41 mm, dan diameter luar batang dalam 39 mm.

- Bagian Heater ; terdiri dari kawat open coil heater berdiameter 2 mm dan insulating ceramic brick.

- Slide regulator voltage berdaya maksimal 25000Watt - Dataq Instrument (type DI-1000 TC-8 S/N: 653)  DAS

- Termokopel tipe K [Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy) ]

Proses Pengolahan Data

 Data temperatur setiap detik direkam oleh Data Acquition System, kemudian ditampilkan ke Personal Computer (PC).

 Membuat kurva distribusi temperatur secara transien pada masing-masing titik termokopel (TC).

 Menghitung fluks kalor dan T_excess dari data eksperimen pada setiap titik TC, lalu kurva hasil eksperimen dibandingkan dengan kurva pendidihan Nukiyama.

Diagram Alir Penelitian

Analisis Data dan Pembahasan

1. Kenaikkan Temperatur

Anulus SS316

Heater Heater

ATAS

BAWAH

Aliran udara masukAliran udara keluar Aliran udara keluarAliran udara masuk

0 100 200 300 400 500 600

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

TC10

TC9

TC8

TC7 TC6

TC5 TC4

TC3 TC2 TC1

V = 140.3 volt I = 51.98 A t = 6263 detik

Profil kenaikan temperatur (T_w = 600^oC)

Posisi TC pada Heated Rod (mm)

Heated rod, Tw (^oC)

Pada bagian bawah, temperaturnya paling rendah dikarenakan di bagian bawah berada pada daerah semburan aliran udara yang berasal dari udara lingkungan bertemperatur rendah dan fluks kalor yang kurang rapat dibandingkan pada bagian tengah (dan bagian atas).

Lanjutan . . . .

2. Transien Temperatur Selama Quenching pada Ti = 600 ^oC

0 100 200 300 400

0 100 200 300 400 500 600

Awal pembasahan TC3 Awal quenching

Temperatur Transien Pendinginan Quenching Ti=600⁰C

Temperatur Batang Uji (0 C)

Waktu Pendinginan (detik)

TC-1 TC-2 TC-3 TC-4 TC-5 TC-6 TC-7 TC-8 TC-9 TC-10

Awal quenching Ti = 600 ^oC, waktu yang ditempuh untuk pendidihan film lebih lama dari temperatur awal quenching yang lain, yaitu  200 detik di TC3

Lanjutan . . . .

2. Transien Temperatur Selama Quenching

0 100 200 300 400

0 100 200 300 400 500

Akhir Pendidihan Awal pembasahan TC3

Awal quenching

Temperatur Transien Pendinginan Quenching Ti=500⁰C

Temperatur Batang Uji (0 C)

Waktu pendinginan (s)

TC-1 TC-2 TC-3 TC-4 TC-5 TC-6 TC-7 TC-8 TC-9 TC-10

Awal quenching Ti = 500 ^oC, waktu yang ditempuh untuk pendidihan film lebih cepat dari awal quenching Ti = 600 ^oC, yaitu < 200 detik di TC-3.

Lanjutan . . . .

2. Transien Temperatur Selama Quenching

0 100 200 300 400

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Awal pembasahan

Temperatur Batang Uji (0 C)

Waktu pendinginan (s)

TC-1 TC-2 TC-3 TC-4 TC-5 TC-6 TC-7 TC-8 TC-9 TC-10 Temperatur Transien Pendinginan Quenching Ti=400⁰C

Awal quenching

Akhir Pendidihan

Awal quenching Ti = 400 ^oC, waktu yang ditempuh untuk pendidihan film lebih cepat dari awal quenching Ti = 500 ^oC, yaitu  30 detik di TC-3.

Lanjutan . . . .

3. Koefisien Heat Transfer (Konveksi) Selama Quenching

0 2 4 6 8 10

3000 4000 5000 6000 7000 8000

9000Perubahan nilai koefisien h secara vertikal metode lumped capacitance

Ti = 400^oC

Koefisien h (W/m2 .K)

Posisi TC (mm) Koefisien h

0 2 4 6 8 10

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Koefisien h (W/m2 .K)

Posisi TC (mm) Koefisien h

Perubahan nilai koefisien h secara vertikal metode lumped capacitance

Ti = 500^oC

0 2 4 6 8 10

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

10000Perubahan nilai koefisien h secara vertikal metode lumped capacitance

Ti = 600^oC

Koefisien h (W/m2 .K)

Posisi TC (mm) Koefisien h

Nilai koefisien h terlihat semakin besar pada posisi termokopel yang semakin ke bawah, karena pada posisi tersebut (TC10) terkena air pendingin terlebih dahulu.

Lanjutan . . . .

4. Hasil Perhitungan Fluks Kalor Selama Quenching

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

6.30 6.32 6.34 6.36 6.38

q_min q_max

Minimum Heat Flux

Film Boiling

Transition Boiling Critical Heat Flux Nucleate Boiling

Nature/free convection

q" pada TC1 saat T_initial = 600⁰C log q"

log q" (W/m2 )

log (Tw-Tsat) (K)

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

6.30 6.32 6.34 6.36 6.38

q_min q_max

Minimum Heat Flux

Film Boiling

Transition Boiling Critical Heat Flux Nucleate Boiling

Nature/free convection

q" pada TC1 saat T_initial = 500⁰C log q"

log q" (W/m2 )

log (Tw-Tsat) (K)

2.5 2.6 2.7 2.8

6.30 6.32 6.34 6.36 6.38

Minimum Heat Flux

q_min q_max

Critical Heat Flux

Nature/free convection

Film Boiling

Transition Boiling Nucleate Boiling

q" pada TC1 saat T_initial = 400⁰C log q"

log q" (W/m2 )

log (Tw-Tsat) (K)

Semakin tinggi temperatur awal, maka rejim pendidihan film yang berlangsung lebih lama dan rejim pendidihan inti lebih cepat.

Nilai heat flux pada Ti = 600 ^oC di TC-1,adalah

𝒒"_𝑪𝑯𝑭 = 2187.76 kW/m².

KESIMPULAN

Nilai koefisien h terlihat semakin besar pada posisi TC yang semakin ke bawah karena pada posisi tersebut terlebih dahulu terkena air pendingin, dan kenaikan nilai h bertambah seiring perkembangan didih transisi karena mulai bertemu muka antara permukaan heated rod dgn uap maupun air.

Semakin tinggi temperatur awal, maka rejim pendidihan film yang berlangsung lebih lama dan rejim pendidihan inti lebih cepat dan sebaliknya.

Didapatkan nilai 𝒒"

_𝑪𝑯𝑭

pada temperatur awal 600

^o

C adalah 2187.76

kW/m

²

dan nilai temperatur wall superheat sebesar 588.84 K.

KESIMPULAN

Fenomena penggenangan air dari bawah ke atas (bottom flooding) memberikan dampak pada waktu saat rewetting, dikarenakan aliran uap air searah dengan air pendingin sehingga tidak terjadi peristiwa counter current flow (CCF). Adapun waktu yang dibutuhkan selama rewetting dengan bottom flooding pada temperatur awal 400, 500 dan 600^oC adalah 30, 50 dan 63 detik, sedangkan dengan falling water pada temperatur awal 250, 450, 700, dan 800^oC berturut-turut adalah 75, 200, 375, 475 detik. Dan fenomena lain adalah nilai critical heat flux (CHF) bertambah besar dibandingkan dengan penelitian sebelumnya (falling water) jauh lebih besar.

TERIMA KASIH

“ Barangsiapa yang mengerjakan kebaikan seberat dzarrahpun, niscaya dia akan melihat (balasan)nya. Dan barangsiapa yang mengerjakan kejahatan sebesar dzarrahpun, niscaya dia akan melihat (balasan)nya pula. ^” [QS. Az-Zalzalah: 7-8]

Dahsyatnya Si Kecil

(Ad-Dzarrah = Atom)