STUDI KARAKTERISTIK PENDINGINAN MODEL SUNGKUP APWR DENGAN LAMINAR SUBCOOLED WATER FILM

Transkripsi

1 STUDI KARAKTERISTIK PENDINGINAN MODEL SUNGKUP APWR DENGAN LAMINAR SUBCOOLED WATER FILM Diah Hidayanti 1, Aryadi Suwono 1, Nathanael P. Tandian 1, Ari Darawan Pasek 1, dan Efrizon Uar 1 Progra Magister Ilu dan Rekayasa Nuklir, Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara ITB, Bandung Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radioetri BATAN, Bandung Eail: diahhidayanti@yahoo.co ABSTRAK. STUDI KARAKTERISTIK PENDINGINAN MODEL SUNGKUP APWR DENGAN LAMINAR SUBCOOLED WATER FILM. Salah satu ekanise siste pendinginan sungkup secara pasif yang diaplikasikan pada odel sungkup reaktor daya PWR generasi baru adalah pendinginan dengan seburan air yang jatuh akibat gaya gravitasi. Penelitian ini difokuskan pada studi karakteristik kasus pendinginan dinding luar sungkup oleh lainar subcooled water fil dengan enggunakan progra Fluent 5/6. Karakteristik pendinginan yang akan dibahas adalah karakteristik ketebalan dan teperatur lapisan air (water fil) di seluruh bagian perukaan sungkup serta pengaruh debit seburan air terhadap ketebalan water fil dan keapuan perpindahan panas konveksi dari dinding sungkup ke badan fil. Selain itu, akan dibahas pula jenis-jenis bilangan tak berdiensi yang terlibat dala korelasi perpindahan panas pada aliran water fil. Kata kunci: pendinginan, sungkup APWR, lainar subcooled water fil, Fluent ABSTRACT. STUDY OF COOLING CHARACTERISTIC OF THE CONTAINMENT APWR MODEL USING LAMINAR SUBCOOLED WATER FILM. One of echanis utilized by the next-generation pressurized water reactor for cooling its containent passively is gravitationally falling water spray cooling. This paper focuses on the characteristic study using Fluent 5/6 progra for the case of the containent outer wall cooling by lainar sub-cooled water fil. The cooling syste characteristics which will be discussed consist of water fil thickness and teperature on all parts of the containent wall as well as the effect of water spray volue flow rate on the water fil thickness and convection heat transfer capability fro the containent wall to the fil bulk. In addition, soe kinds of nondiensional nubers involved in the fil heat transfer correlation will be presented in this paper. Key words: cooling, APWR containent, lainar subcooled water fil, Fluent 1. PENDAHULUAN Pendinginan perukaan panas oleh lapisan tipis (fil) cairan cukup banyak diaplikasikan dala dunia industri, terasuk salah satunya pada pebangkit listrik tenaga nuklir [1,5]. Karena kopleksitas karakteristik yang diiliki oleh liquid fil aka sejulah penelitian terus dilakukan dala rangka eperoleh pengetahuan yang koprehensif engenai karakteristik tersebut. Dala penelitian ini, akan dikaji karakteristik pendinginan odel sungkup APWR oleh lapisan tipis air (water fil) yang bersifat sub-cooled dan lainer. Water fil tersebut berasal dari seburan air di bagian atas gedung reaktor yang keudian turun enyelubungi dinding luar sungkup akibat adanya gaya gravitasi. Seburan air ini 65

2 erupakan salah satu ekanise pendinginan sungkup secara pasif yang bekerja setelah pendinginan sungkup oleh aliran konveksi alaiah udara sudah tidak apu lagi eindahkan panas dari dinding sungkup. Beberapa penelitian sebelunya juga enunjukkan bahwa keapuan udara untuk eindahkan panas dinding sungkup elalui konveksi alaiah eang relatif kecil. Oleh karena itu, kinerja seburan air dala eindahkan panas yang besar terutaa pada saat kondisi kecelakaan sangat berperan penting dala aspek keselaatan pengoperasian PLTN. Paraeter-paraeter yang akan ditinjau karakteristiknya dala penelitian ini eliputi ketebalan water fil, teperatur water fil, serta koefisien perpindahan panas yang enggabarkan keapuan perpindahan panas oleh water fil. Penelitian ini belu sapai pada ruusan korelasi perpindahan panas yang relevan dari hasil siulasi nuerik yang dilakukan, elainkan hanya akan eaparkan bentukbentuk korelasi perpindahan panas untuk kasus pendinginan dengan liquid fil yang pernah diusulkan oleh sejulah peneliti.. PEMODELAN Dala penelitian ini, odel sungkup APWR dibuat dengan progra Gabit (lihat Gabar 1). Sketsa sungkup yang digunakan beserta diensinya ditunjukkan pada Gabar. Gabar. Sketsa sungkup beserta diensinya Keterangan gabar: a b c d a gedung reaktor (shielding) sungkup (containent) water inlet air inlet selubung (baffle) Model sungkup APWR terdiri dari dua bentuk geoetri utaa, yaitu silinder dan kubah elipsoidal. Adapun odel yang dibuat pada Gabit adalah odel dua diensi axisietri seperti ditunjukkan pada Gabar 3. c b Gabar 1. Model sungkup APWR Gabar 3. Model sungkup D axisietri 66

3 Panas pada dinding sungkup didekati dengan kondisi fluks panas konstan, yaitu sebesar 044,89 W/. Harga fluks panas tersebut erupakan besarnya panas peluruhan setelah tiga hari dari reaktor AP1000, yakni salah satu jenis reaktor APWR. Adapun debit seburan air divariasikan sebesar 13,5 3 /s, 10 3 /s, dan 3,5 3 /s. Karena penelitian ini difokuskan pada kasus pendinginan lapisan air yang bersifat sub-cooled dan lainer, aka nilai-nilai debit seburan air tersebut di atas dipilih sedeikian rupa sehingga air dipastikan tidak akan engalai perubahan fasa selaa dala perjalanannya engaliri dinding sungkup. Air yang dialirkan ke perukaan sungkup serta udara yang berada di dala gedung reaktor eiliki teperatur 300 K dan tekanan 1 atosfer. Siste yang akan diodelkan dala kasus ini terdiri dari dua fasa, yaitu fasa cair berupa air dan fasa gas berupa udara. Pada FLUENT, siste ultifasa tersebut paling sesuai diodelkan dengan Volue of Fluid (VOF) odel karena odel tersebut dapat enggabarkan dengan jelas interfase antara fasa cair dan fasa gas. Dala penelitian ini, batas antara fasa cair dan fasa gas ditentukan dengan fraksi volue air sebesar satu. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN hubungan antara tebal water fil dengan debit seburan dapat dianalisis secara teoretis berikut ini. Ketika water fil engalir di perukaan dinding sungkup, laju alir voluetriknya Q dapat ditentukan Q = va (1) diana v adalah laju alir water fil dan A adalah luas penapang water fil. Jika didefinisikan Γ sebagai laju alir voluetrik per satuan keliling perukaan, Q Γ = () πr aka hubungan antara tebal water fil δ dan Γ dapat diruuskan sebagai berikut: Γ = vδ (3) dengan asusi bahwa keliling penapang water fil dianggap saa dengan keliling perukaan dinding yang dialirinya, engingat bahwa ketebalan water fil adalah sangat kecil nilainya. Data ketebalan water fil pada perukaan kubah elipsoidal yang diperoleh dari hasil siulasi disajikan pada Gabar 5 dan 6. Untuk eudahkan pebahasan lebih lanjut, paraeter posisi pada perukaan dinding sungkup ditentukan sebagai berikut ,5 3/s 10 3/s 3,5 3/s δ () r/r Gabar 5. Ketebalan water fil di perukaan kubah elipsoidal Gabar 4. Paraeter posisi pada perukaan dinding sungkup Menurut Sha dan Soo [6], secara endasar Pada Gabar 5 dapat dilihat bahwa untuk debit seburan yang saa, tebal water fil cenderung engalai penurunan ketika engalir dari puncak kubah hingga ke dasar kubah. Fenoena ini sesuai dengan analisis teoretis yang enghubungkan ketebalan fil dengan jari-jari kubah r. Dari Persaaan () dan (3) dapat dilihat bahwa pada perukaan kubah 67

4 elipsoidal, tebal water fil berbanding terbalik dengan jari-jari kubah r. Artinya, seakin enuju ke dasar kubah diana jari-jari kubah encapai aksiu aka tebal fil encapai nilai iniu. Hubungan antara Persaaan () dan (3) ditunjukkan pada Persaaan (4). 1 Q = δ π r v (4) δ () ,5 3/s 10 3/s 3,5 3/s Karakteristik ketebalan fil di perukaan luar sungkup sesuai dengan hasil eksperien yang dilakukan oleh Sha et al. [7] yang juga disertai dengan siulasi nuerik enggunakan COMMIX code [3]. Dari Gabar 5 tapak bahwa pada debit seburan yang tinggi, penurunan tebal fil tidak bersifat linier. Hal ini dikarenakan kecepatan aliran fil untuk debit seburan yang tinggi engalai peningkatan ketika engalir ke dasar kubah. Peningkatan kecepatan tersebut cenderung tidak linier sehingga engakibatkan penurunan tebal fil juga cenderung tidak linier. v (/s) ,5 3/s 10 3/s 3,5 3/s Gabar 7. Ketebalan water fil di perukaan dinding silinder Selaa engalir enyeliuti dinding sungkup, water fil eneria panas yang berasal dari dinding sungkup. Panas tersebut dipindahkan secara konveksi dala arah lateral dari dinding sungkup ke badan fil. Dengan deikian, teperatur water fil akan engalai kenaikan selaa engalir di perukaan sungkup. Profil teperatur water fil dan teperatur dinding sungkup selaa proses perpindahan panas berlangsung untuk nilai debit seburan air 13,5 3 /s, 10 3 /s, dan 3,5 3 /s berturut-turut diperlihatkan pada Gabar 8, 9, dan r/r T-w all T-fil Gabar 6. Kecepatan alir water fil di perukaan kubah ellipsoidal T (K) Adapun ketebalan water fil pada perukaan dinding silinder ditunjukkan pada Gabar 7, yaitu ulai dari nilai = 0,. Secara uu, tebal water fil di bagian dinding silinder cenderung tidak banyak engalai perubahan. Hal ini ungkin dikarenakan aliran water fil sudah bersifat stabil, artinya peningkatan kecepatan aliran akibat gaya gravitasi telah seibang dengan besarnya gaya friksi pada dinding sungkup sehingga tebal fil tidak engalai perubahan yang signifikan. Dari Gabar 5 dan 7 juga dapat teraati bahwa ketebalan water fil seakin berkurang seiring dengan enurunnya debit seburan Gabar 8. Teperatur fil dan dinding sungkup untuk debit air 13,5 3 /s Teperatur fil dan teperatur dinding sungkup terus engalai peningkatan sejak engalir dari puncak kubah hingga ke bagian bawah silinder. Nilai koefisien perpindahan panas lokal, h, di seluruh perukaan dinding sungkup dapat ditentukan dengan persaaan berikut ini: 68

5 q" h = T w T f q " = fluks panas (W/ ) T f = teperatur fil (K) T w = teperatur dinding (K). T (K) T-wall T-f il (5) (5) dapat diperkirakan bahwa nilai h akan cenderung engalai peningkatan. Fenoena ini lebih jelas terlihat pada nilai debit seburan air yang seakin rendah. Pada debit seburan air yang kecil, peningkatan teperatur fil seakin endekati titik didih. Jika nilai debit seburan air seakin diperkecil aka ekanise perpindahan panas konveksi dari dinding sungkup ke water fil juga dibantu oleh ekanise perpindahan panas evaporasi. Selain dipengaruhi debit aliran, keapuan perpindahan panas pada pendinginan dengan lapisan cairan yang tipis sebenarnya juga dipengaruhi oleh jenis fluida yang digunakan. Pengaruh jenis fluida tersebut uunya diakoodir oleh bilangan tak berdiensi Prandtl (Pr). Beberapa bentuk korelasi perpindahan panas pada lapisan tipis fluida (liquid fil) yang engalir turun pada perukaan dinding vertikal telah banyak diusulkan oleh sejulah peneliti [1, ], yaitu: 98 Gabar 9. Teperatur fil dan dinding sungkup untuk debit air 10 3 /s T (K) T-wall 98 T- f il Gabar 10. Teperatur fil dan dinding sungkup untuk debit air 3,5 3 /s Dala hal ini, fluks panas pada dinding sungkup diasusikan bersifat konstan. Pada Gabar 8, 9, dan 10 dapat dilihat bahwa seakin enuju ke bagian bawah silinder, nilai T, yaitu selisih antara teperatur dinding dengan teperatur fil, cenderung engalai penurunan sehingga dari Persaaan n h* = a Re Pr (6) n Nu = a Re Pr (7) diana a,, dan n adalah konstanta, sedangkan h* adalah bilangan koefisien perpindahan panas tak berdiensi yang ditentukan sebagai berikut: 1/ 3 h * υ h = k g υ = viskositas kineatik ( /s) k = Konduktivitas teral (W/.K) g = percepatan gravitasi bui (/s ) (8) Untuk kondisi aliran liquid fil tertentu, terdapat pula korelasi yang easukkan bilangan tak berdiensi selain Re dan Pr, yakni bilangan Kapitza (Ka), sebagaiana diruuskan oleh Mudawwar dan Masri [4] dala Persaaan (9). diana n h* = a Re Pr Ka (9) 4 3 p μ g Ka (10) ρσ 69

6 p = konstanta μ = viskositas dinaik (N.s/ ) ρ = densitas fluida (kg/ 3 ) σ = tegangan perukaan (N/). Bilangan Ka ini digunakan untuk kondisi rezi aliran liquid fil yang engalir turun dengan tingkat turbulensi rendah. Selain itu, Wang et al. [5] juga engusulkan korelasi perpindahan panas untuk liquid fil yang engalir turun pada perukaan bebas dala bentuk: Nu = a Ra (11) dengan Ra adalah bilangan Rayleigh, diana 3 gβδtδ Ra = υα (1) β = koefisien ekspansi (K -1 ) δ = tebal fil () α = Difusivitas teral fluida ( /s). Bilangan Reynold (Re) yang digunakan untuk korelasi perpindahan panas pada liquid fil yang engalir di suatu perukaan, didefinisikan Re 4Γ (13) μ Selain faktor debit aliran dan jenis fluida, geoetri perukaan yang dialiri fil juga ikut epengaruhi besarnya perpindahan panas yang terjadi. Bentuk geoetri yang uunya dijupai di banyak bidang aplikasi adalah perukaan horizontal, bidang iring, dan perukaan vertikal. Biasanya, pada bentuk perukaan bidang iring dan vertikal, faktor percepatan gravitasi bui ikut diperhitungkan dala korelasi perpindahan panas. Pada kasus pendinginan yang spesifik dengan satu jenis fluida seperti isalnya dengan air, korelasi perpindahan panas yang diruuskan dapat engeliinasi bilangan Prandtl. Selanjutnya, pada kasus diana pendinginan dilakukan oleh fluida yang engalir turun akibat gaya gravitasi, pengaruh nilai percepatan gravitasi bui dapat diakoodir dala korelasi perpindahan panas dala bentuk bilangan tak berdiensi. Untuk itu, Fujita dan Ueda [1] telah engusulkan korelasi perpindahan panas pada kasus pendinginan dengan water fil yang engalir turun dala bentuk: h* = a Re (14) Korelasi tersebut dihasilkan dari suatu eksperien berupa perpindahan panas dari dinding tabung vertikal ke lapisan air yang engalir turun di bagian luar dinding tabung. Teperatur air hingga encapai dasar tabung dibatasi agar tidak elewati titik didihnya pada tekanan operasi 1 at sehingga dapat dipastikan bahwa tidak terjadi perubahan fasa air selaa proses perpindahan panas berlangsung. Dari kondisi operasi dan setting alat (odel) yang digunakan dala penelitian ini aka enurut hasil studi pustaka di atas, korelasi perpindahan panas yang relevan untuk kasus yang sedang dianalisis, yaitu pendinginan oleh water fil yang engalir turun akibat gaya gravitasi pada kondisi lainer tanpa engalai perubahan fasa, adalah korelasi yang diusulkan oleh Fujita dan Ueda. Dala karya tulis iliah ini, belu diturunkan korelasi perpindahan panas secara spesifik sehingga diperlukan kaji nuerik lebih lanjut dengan evariasikan fluks panas pada dinding luar sungkup untuk dapat eperoleh korelasi perpindahan panas pada water fil. Adapun jenis rezi aliran, baik lainer aupun turbulen, tidak epengaruhi bentuk korelasi perpindahan panas elainkan hanya berpengaruh pada nilai koefisien dan pangkat dari bilangan-bilangan tak berdiensi dala korelasi tersebut. 4. KESIMPULAN Dari hasil siulasi nuerik beserta pebahasan engenai pendinginan perukaan odel sungkup APWR dengan water fil yang engalir turun akibat adanya gaya gravitasi bui, disipulkan beberapa hal sebagai berikut: 1. Ketebalan water fil di perukaan kubah elipsoidal seakin enurun seiring dengan eningkatnya jari-jari kubah. Adapun ketebalan fil di perukaan dinding silinder relatif tidak engalai perubahan yang signifikan. Secara keseluruhan, tebal fil engalai penurunan ketika engalir dari puncak kubah hingga ke bagian bawah dinding silinder.. Ketebalan water fil berbanding lurus dengan debit seburan air. 70

7 3. Teperatur water fil cenderung engalai peningkatan ulai dari puncak kubah hingga di bagian bawah silinder, deikian pula dengan teperatur dinding peanas. 4. Koefisien perpindahan panas konveksi yang terjadi dari dinding sungkup ke badan fil cenderung engalai peningkatan ketika fil engalir dari bagian atas hingga ke bagian bawah sungkup. Peningkatan nilai h tersebut seakin signifikan pada nilai debit seburan yang rendah. 5. Dari hasil studi pustaka, korelasi perpindahan panas yang sesuai untuk kasus water fil yang engalir turun secara vertikal akibat gaya gravitasi bui adalah h* = a Re. 5. DAFTAR PUSTAKA 1. FUJITA, T. and UEDA, T., Heat Transfer to Falling Liquid Fils and Fil Breakdown-I, Heat and Mass Transfer 1 (1978) CHA, J.H., JUN, H.G., and CHUNG, M.K., Heat Transfer in the Passive Containent Cooling Syste, Journal of the Korean Nuclear Society 7 (1995). 3. SUN, J.G. and SHA, W.T., Developent of Liquid-Fil Tracking Models for Analysis of AP-600 Passive Containent Cooling Syste, Argonne National Laboratory Report. 4. MUDAWWAR, I.A. and EL-MASRI, M.A., Moentu and Heat Transfer Across Freely-Falling Turbulent Liquid Fils, Multiphase Flow 1 (1986) WANG, B.X., JINTAO, Z., and PENG, X.F., Technical Note on the Effect of Lateral Theral Convection on Freely Falling Liquid Fil Flow, Heat and Mass Transfer 41 (1998) SHA, W.T. and SOO, S.L., Developent of Steady Flow of Liquid Fil Over A Doed Cylinder, Heat and Fluid Flow 14 (1993). 7. SHA, W.T., CHIEN, T.H., SUN, J.G., and CHAO, B.T., Analysis of Large-Scale Tests for AP-600 Passive Containent Cooling Syste, Argonne National Laboratory Report (004). 71