PENENTUAN KORELASI EMPIRIS LOKAL PERPINDAHAN PANAS PADA BAGIAN SILINDER KONSENTRIS MODEL SUNGKUP AP1000 Nanang Triagung Edi Hermawan * ABSTRAK PENENTUAN KORELASI EMPIRIS LOKAL PERPINDAHAN PANAS PADA BAGIAN SILINDER KONSENTRIS MODEL SUNGKUP AP1000. Reaktor AP1000 merupakan desain Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir masa depan yang sangat mungkin dibangun di Indonesia. Pada sistem sungkupnya, AP1000 menerapkan sistem pendingian pasif dengan udara yang bersirkulasi alamiah. Karakteristik perpindahan panas yang terjadi pada permukaan dinding sungkup dapat digambarkan dengan persamaan korelasi empiris konveksi. Telah dilakukan studi eksperimental untuk penentuan korelasi empiris lokal perpindahan panas pada bagian silinder konsentris model AP1000. Hasil dari penelitian tersebut menunjukkan bahwa pendinginan permukaan sungkup pada skenario kecelakaan dapat berlangsung secara optimal, sehingga temperatur sungkup terukur masih sangat jauh dari temperatur rekristalisasi material SS- 304. Persamaan korelasi empiris lokal yang didapatkan adalah Nu, berlaku untuk rentang bilangan Rayleigh 2,09 10 6 < Ra * < 1,24 10 2. * 7,086Ra 0,1906 Kata Kunci: sungkup AP1000, silinder konsentris, sirkulasi alamiah, korelasi empiris. ABSTRACT DETERMINING FOR LOCAL EMPIRICAL CORRELATION OF HEAT TRANSFER ON CONCENTRIC CYLINDER PART OF AP1000 CONTAINMENT MODEL. AP1000 is future nuclear power plant design that has possibility built in Indonesia. In containment system, AP1000 applies Passive Containment Cooling System by air natural circulation. Heat transfer happened in containment wall surface could illustrated with local empirical correlation of convection. Determining for local empirical correlation of heat transfer on concentric cylinder par of AP1000 containment has been done. The result of eperiment shows that cooling process on containment surface in accident scenario could be happened optimally. So the containment temperature measured was very low from re-crystallization of SS-304 material. Local empirical correlation from this eperiment is Nu 7,086Ra for Rayleigh 2,09 10 6 < Ra * < 1,24 10 2. Keywords: AP1000 containment, cylinder concentric, natural circulation, empirical correlation. * 0,1906 * Staf Direktorat Pengaturan Pengawasan Fasilitas Radiasi dan Zat Radioaktif BAPETEN. 1/13
PENDAHULUAN Kebutuhan energi listrik di Indonesia terus mengalami peningkatan. Kebutuhan listrik nasional pada 2010 mencapai 145 GWh dan diperkirakan akan meningkat menjadi 325 GWh pada tahun 2020, menjadi 500 GWh pada tahun 2025. Ratarata pertumbuhan kebutuhan listrik nasional mencapai 9,8% per tahun[1]. Saat ini kebutuhan listrik dipenuhi secara dominan dari minyak bumi, batubara, air dan gas. Dengan semakin terbatasnya sumber daya fosil, maka ke depan harus dilakukan upaya penghematan penggunaan bahan bakar fosil. Di samping itu perlu ditempuh langkah-langkah intesifikasi, konservasi, dan diversifikasi energi, serta eksplorasi sumber energi baru dan terbarukan. Salah satu sumber energi alternatif masa depan adalah teknologi nuklir yang dibangkitkan melalui Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN). Indonesia sudah sejak lama mempersiapkan diri untuk membangun dan mengoperasikan PLTN. Akan tetapi cita-cita luhur itu senantiasa mendapat kritikan dan bahkan tentangan dari beberapa kalangan terkait dengan sistem keselamatan, pengelolaan limbah radioaktif, dan kekhawatiran penyalahgunaan bahan nuklir[2]. Untuk menjawab kekhawatiran publik tersebut pemerintah telah menggariskan kebijakan bahwa reaktor yang dapat dibangun di Indonesia hanyalah reaktor yang memiliki teknologi proven. Pengertian teknologi proven atau teruji adalah teknologi yang digunakan dalam suatu desain yang telah terbukti melalui pengalaman operasi paling singkat 3 tahun secara selamat dengan faktor kapasitas rerata minimal 75%.[3] Salah satu desain reaktor masa depan yang saat ini banyak dibangun di China adalah reaktor AP1000. Keunggulan AP1000 dari sudut keselamatan adalah penerapan sistem keselamatan pasif. Pada AP1000 terdapat 7 (tujuh) fitur keselamatan pasif, satu diantaranya adalah Sistem Pendinginan Sungkup Pasif ( Passive Containment Cooling System, PCCS )[4]. Sistem ini bertujuan untuk menjaga integritas kekuatan material maupun struktur sungkup dari pengaruh beban mekanik, termal, maupun netronik. Dengan terjaganya kinerja sistem sungkup sesuai dengan desain yang dirancang sepanjang masa umur pakai reaktor, maka kekhawatiran terjadinya kebocoran radiasi atau produk fisi hingga ke luar dari sistem pengungkung dan mencapai lingkungan hidup tidak akan terjadi. Mempertimbangkan prospek desain reaktor AP1000 sebagai desain teknologi reaktor masa depan, maka negara kita harus mempersiapkan diri untuk menguasai teknologi reaktor tersebut. Salah satu aspek yang sangat penting untuk diteliti dan dipelajari adalah karakteristik sistem perpindahan panas yang terjadi pada permukaan dinding sungkup akibat pendinginan dengan udara yang bersirkulasi secara alamiah. Penelitian untuk menentukan persamaan korelasi empiris lokal perpindahan panas pada bagian silinder konsentris pendinginan sungkup AP1000 dengan udara yang bersirkulasi alamiah ini dilakukan secara eksperimental terhadap model sungkup AP1000 skala laboratorium dengan perbandingan 1:40. Faktor skala dimensi, kesebangunan, dan keserupaan dirancang dengan perhitungan bilangan Grashof termodifikasi (Gr*). Proses perpindahan panas yang terjadi diasumsikan berlangsung secara homogen ke seluruh permukaan dinding 2/13
sungkup, sehingga dilakukan pendekatan fluks panas konstan. Ukuran celah saluran udara adalah 3 cm untuk celah bagian luar, dan 1 cm untuk celah bagian dalam dengan panjang saluran udara 84,5 cm. Adapun tujuan dilakukannya studi eksperimental untuk penentuan korelasi empiris lokal perpindahan panas pada bagian silinder konsentris model sungkup AP1000 diantaranya adalah: 1. mengetahui temperatur pada permukaan dinding sungkup untuk berbagai fluks panas pengoperasian; 2. menentukan rumusan persamaan korelasi empiris lokal perpindahan panas yang terjadi; dan 3. membandingkan persamaan korelasi yang didapatkan dengan beberapa hasil penelitian sebelumnya. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian mengenai penentuan korelasi empiris lokal perpindahan panas pada bagian silinder konsentris model sungkup AP1000 untuk pendinginan dengan udara yang bersirkulasi alamiah ini dilakukan dengan pengoperasian model AP1000 pada kondisi transient maupun steady state untuk beberapa variasi fluks panas pengoperasian. Parameter operasional yang diukur adalah temperatur pada permukaan dinding sungkup bagian luar dan pada permukaan dinding bafel bagian dalam. Data temperatur tersebut selanjutnya diolah untuk mengetahui propertis udara, perhitungan bilangan tak berdimensi, hingga perumusan persamaan korelasi empiris lokal perpindahan panas konveksi yang terjadi. DASAR TEORI Prinsip kerja sistem sungkup AP1000 memanfaatkan efek gaya apung yang terjadi terhadap molekul udara di sekitar permukaan dinding sungkup yang teraliri fluks panas dari sistem pembangkitan uap nuklir ( Nuclear Steam Supply System, NSSS ). Dalam hal terjadi kebocoran fluida pendingin maupun uap dari sistem sirkulasi primer, fluks panas akan terakumulasi pada dinding sungkup sisi dalam. Keadaan ini dapat terjadi dalam kasus kecelakaan akibat kehingan pendingin utama pada sistem primer ( Lost of Coolant Accidents, LOCA ). Panas selanjutkan akan diteruskan secara konduksi melewati material sungkup ke sisi luar sungkup, panas ini sekaligus akan meningkatkan temperatur sungkup. Akibat temperatur sungkup naik, molekul udara di permukaan dinding luar sungkup akan menyerap panas tersebut dan menyebabkan densitas molekul udara menurun. Molekul udara dengan densitas rendah akan memiliki massa yang ringan dan akan bergerak ke arah atas melalui celah dalam saluran udara. Posisi molekul udara yang kosong akan digantikan oleh molekul udara yang lebih berat yang berasal dari celah luar saluran udara. Dengan demikian maka terjadi suatu siklus aliran udara secara alamiah. Sistem kerja pendinginan dinding sungkup dengan udara yang bersirkulasi alamiah sebagaimana dimaksud di atas diilustrasikan pada Gambar 1[5]. 3/13
Gambar 1. Sistem pendinginan pasif sungkup AP1000[5] Saluran udara pada celah dalam yang dibatas oleh permukaan dinding sungkup dan bafel dalam merupakan suatu silinder yang konsentris. Karena udara memiliki nilai Prandtl (Pr) pada kisaran 0,7 maka silinder vertikal konsentris dapat diperlakukan atau dianggap sebagai plat vertikal sejajar bila memenuhi persamaan sebagai berikut [6]: D L 35 * 1/ 4 Gr... (1) dimana, D : diameter sungkup; L : lebar celah saluran dalam; Gr* : nilai Grashof termodifikasi. Untuk geometri plat datar vertikal sejajar, pendekatan korelasi empiris perpindahan panas konveksi yang terjadi dapat dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut[7]: 4/13
Nu h k C( Gr.Pr) * m... (2) dimana, Nu : bilangan Nuselt lokal; h : koefisien perpindahan pans konveksi lokal; : panjang karakteristik; k : koefisien konduksi udara; C,m : konstanta; dan Pr : bilangan Prandlt. SKEMA PERALATAN Susunan perlengkapan dan peralatan model sungkup AP1000 yang dipergunakan untuk meneliti perpindahan panas konveksi yang terjadi pada bagian silinder konsentris adalah sebagai berikut[8]: Gambar 2. Skema pengujian model sungkup AP1000[8] LANGKAH KERJA Adapun langkah pengujian dan pengambilan data untuk mempelajari rejim aliran pendingin pada pendinginan model sungkup AP1000 adalah sebagai berikut: 1. Siapkan peralatan dan perlengkapan percobaan sebagaimana skema pada Gambar 2; 2. Sambungkan termokopel ke sistem akuisisi data, masing-masing adalah sebagai berikut: 5/13
a. 15 titik pada dinding sungkup; b. 8 titik pada dinding bafel; c. 5 titik pengukuran uap air; d. 4 titik pengukuran air; e. 1 titik pada dinding bejana air; 3. Sambungkan termokopel pemantau temperatur permukaan dinding pemanas ke datalogger; 4. Masukkan air ke dalam bejana sebanyak kurang lebih 170 liter; 5. Periksa penunjukan level ketinggian air pada alat ukur; 6. Operasikan alat pengukur tekanan dalam sungkup; 7. Hidupkan sistem pencatu daya; 8. Jalankan pemanas untuk daya awal total sebesar 400 W; 9. Lakukan pencatatan data setiap 5 detik hingga tercapai keadaan steady state; 10. Simpan data temperatur yang telah diperoleh dan matikan pemanas; 11. Ulangi percobaan untuk variasi daya pemanas sebesar 600 W, 800 W, 1000 W, 1500 W, 2000 W, 3000 W, 4000 W, 5000 W dan 8000 W. PERHITUNGAN PARAMETER OPERASI Setelah data temperatur pada permukaan dinding sungkup dan bafel dalam didapatkan, kedua nilai tersebut direratakan sebagai temperatur film. Temperatur film inilah yang selanjutkan dijadikan nilai dasar untuk penentuan nilai-nilai propertis udara yang berkesesuaian dan dipergunakan untuk menghitung nilai k, bilangan Pr, Nu, dan Gr*. Langkah perhitungan selengkapnya dilakukan sesuai dengan alur sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 3. Dimensi Model Sungkup Ap1000 Daya dari Pemanas Listrik Parameter Pengukuran (Ts, Tb, T L) Parameter Lain (g c) A L Q T F g c β ν k Pr q h Gr Nu Ra Nu = C(Ra*) m Gambar 3. Perhitungan parameter operasi 6/13
HASIL DAN PEMBAHASAN a. Distribusi Temperatur pada Permukaan Sungkup Pengukuran temperatur dilakukan menggunakan termokopel tipe K. Data temperatur pada permukaan dinding sungkup sangat penting diketahui untuk melihat proses pendinginan atau pengambilan panas yang terjadi. Hasil pengukuran temperatur pada permukaan dinding sungkup untuk berbagai fluks panas pengoperasian diperlihatkan pada Gambar 4. Temperatur Sungkup (K) 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Posisi Vertikal (m) 106,12 W/m2 169,36 W/m2 218,54 W/m2 287,26 W/m2 427,72 W/m2 553,47 W/m2 820,46 W/m2 1074,99 W/m2 1444,74 W/m2 2170,81 W/m2 Gambar 4. Distribusi temperatur pada permukaan dinding sungkup bagian silinder konsentris Sebagaimana tampak pada Gambar 4, terlihat bahwa ditribusi temperatur pada permukaan sungkup dari posisi titik pengukuran bawah hingga atas mengalami kenaikan, dan mencapai temperatur maksimum di sekitar pertengahan titik pengukuran. Hal ini terjadi karena molekul udara pada permukaan dinding sungkup yang terpanasi akan mengalir ke arah atas dan mengakumulasikan panas pada bagian atas. Di samping itu, seiring dengan kenaikan temperatur justru gradien temperatur pada dinding sungkup dengan aliran udara bebas pada celah saluran udara dalam semakin kecil dan mengakibatkan koefisien konveksi udara menurun. Hal yang berbeda terjadi di bagian ujung atas saluran silinder konsentris. Pada daerah ini temperatur sungkup justru lebih rendah dibandingkan dengan pada bagian tengah. Hal ini disebabkan karena perubahan geometri saluran menjadi lengkungan ellips yang mengakibatkan udara mengalami percepatan pergerakan sehingga gradien temperatur antara dinding sungkup dan aliran udara bebas mengalami kenaikan. Keadaan ini masih ditambah adanya efek hisapan pada ujung cerobong keluaran udara karena perbedaan temperatur dan tekanan yang sangat besar antara udara di dalam saluran udara celah dalam dan udara di luar sistem. 7/13
Dari sisi fluks panas, terlihat bahwa dengan kanaikan fluks panas pengoperasian maka temperatur permukaan dinding sungkup juga mengalami kenaikan. Hal ini terjadi karena dengan penambahan fluks panas berarti kapasitas panas yang mengalir ke seluruh permukaan sungkup semakin besar. Kondisi distribusi sebagaimana telah dibahas di atas menunjukkan bahwa pendingian permukaan sungkup dengan udara yang bersirkulasi alamiah dapat berlangsung secara optimal sesuai dengan desain. b. Hasil Pengolahan Data Hasil pengolahan data terhadap temperatur film (rerata antara temperatur permukaan sungkup dan bafel dalam) adalah sebagaimana ditampilkan dalam Tabel 1. Fluks Panas (W/m 2 ) Tabel 1. Hasil Pengolahan data propertis udara TF (K) X (m) β v k Gr* Pr Ra* h Nu 106,12 305,14 0,05 0,003277 1,64136E-05 0,02668 2963488 0,706281 2093055 140,72 263,72 305,75 0,155 0,003271 1,64745E-05 0,026725 2,71E+08 0,706196 1,91E+08 101,65 589,53 305,82 0,26 0,00327 1,64818E-05 0,026731 2,14E+09 0,706185 1,51E+09 142,56 1.386,65 306,02 0,365 0,003268 1,65015E-05 0,026745 8,28E+09 0,706158 5,85E+09 125,37 1.710,99 306,32 0,47 0,003265 1,65318E-05 0,026768 2,26E+10 0,706115 1,6E+10 147,40 2.588,15 306,72 0,575 0,00326 1,65723E-05 0,026797 5,04E+10 0,706059 3,56E+10 116,45 2.498,62 307,00 0,68 0,003257 1,66001E-05 0,026818 9,8E+10 0,70602 6,92E+10 212,55 5.389,44 306,20 0,786 0,003266 1,65196E-05 0,026759 1,78E+11 0,706133 1,25E+11 544,86 16.004,50 169,36 306,68 0,05 0,003261 1,65683E-05 0,026795 4598463 0,706064 3246811 214,14 399,59 307,40 0,155 0,003253 1,66396E-05 0,026847 4,19E+08 0,705965 2,96E+08 139,68 806,43 307,62 0,26 0,003251 1,66618E-05 0,026864 3,31E+09 0,705933 2,33E+09 173,04 1.674,72 307,81 0,365 0,003249 1,6681E-05 0,026878 1,28E+10 0,705907 9,03E+09 158,33 2.150,14 308,14 0,47 0,003245 1,67136E-05 0,026902 3,5E+10 0,705861 2,47E+10 170,93 2.986,26 308,53 0,575 0,003241 1,6753E-05 0,026931 7,78E+10 0,705806 5,49E+10 135,55 2.893,98 308,77 0,68 0,003239 1,67769E-05 0,026949 1,52E+11 0,705772 1,07E+11 226,39 5.712,53 308,59 0,786 0,003241 1,67587E-05 0,026935 2,71E+11 0,705798 1,92E+11 218,54 307,97 0,05 0,003247 1,66972E-05 0,02689 5797745 0,705884 4092535 82,78 153,93 308,91 0,155 0,003237 1,67912E-05 0,026959 5,26E+08 0,705752 3,72E+08 66,97 385,05 309,15 0,26 0,003235 1,68148E-05 0,026977 4,15E+09 0,705719 2,93E+09 67,38 649,44 309,39 0,365 0,003232 1,68388E-05 0,026995 1,61E+10 0,705686 1,13E+10 66,16 894,62 309,78 0,47 0,003228 1,68779E-05 0,027024 4,38E+10 0,705631 3,09E+10 66,19 1.151,22 310,05 0,575 0,003225 1,6905E-05 0,027044 9,77E+10 0,705593 6,89E+10 60,14 1.278,771 310,20 0,68 0,003224 1,69199E-05 0,027055 1,91E+11 0,705572 1,34E+11 69,15 1.738,02 308,59 0,786 0,003241 1,6759E-05 0,026936 3,5E+11 0,705797 2,47E+11 45,56 1.329,36 287,26 307,63 0,05 0,003251 1,6663E-05 0,026865 7667867 0,705932 5412992 62,05 115,50 308,69 0,155 0,003239 1,67694E-05 0,026943 6,95E+08 0,705783 4,9E+08 52,16 300,09 309,05 0,26 0,003236 1,68054E-05 0,02697 5,46E+09 0,705732 3,86E+09 51,52 496,70 309,20 0,365 0,003234 1,68204E-05 0,026981 2,12E+10 0,705711 1,49E+10 50,92 688,87 309,52 0,47 0,003231 1,6852E-05 0,027004 5,79E+10 0,705667 4,08E+10 50,24 874,43 309,75 0,575 0,003228 1,68749E-05 0,027021 1,29E+11 0,705635 9,11E+10 46,37 986,68 8/13
Fluks Panas (W/m 2 ) TF (K) X (m) β v k Gr* Pr Ra* h Nu 309,84 0,68 0,003227 1,68843E-05 0,027028 2,52E+11 0,705622 1,78E+11 51,20 1.288,13 307,82 0,786 0,003249 1,66815E-05 0,026878 4,67E+11 0,705906 3,29E+11 33,01 965,17 427,72 312,07 0,05 0,003204 1,71075E-05 0,027194 10548000 0,70531 7439604 48,69 89,52 313,42 0,155 0,003191 1,72422E-05 0,027293 9,51E+08 0,705121 6,71E+08 42,49 241,29 313,90 0,26 0,003186 1,72901E-05 0,027329 7,47E+09 0,705054 5,27E+09 41,63 396,10 314,09 0,365 0,003184 1,7309E-05 0,027343 2,89E+10 0,705027 2,04E+10 41,25 550,71 314,48 0,47 0,00318 1,73485E-05 0,027372 7,9E+10 0,704972 5,57E+10 40,34 692,70 314,70 0,575 0,003178 1,73696E-05 0,027388 1,76E+11 0,704943 1,24E+11 38,19 801,79 314,82 0,68 0,003176 1,73821E-05 0,027397 3,44E+11 0,704925 2,42E+11 40,43 1.003,53 312,13 0,786 0,003204 1,71128E-05 0,027197 6,44E+11 0,705302 4,54E+11 27,85 805,00 553,47 311,78 0,05 0,003207 1,70785E-05 0,027172 13718965 0,70535 9676674 63,82 117,43 313,09 0,155 0,003194 1,7209E-05 0,027269 1,24E+09 0,705167 8,73E+08 56,52 321,27 313,58 0,26 0,003189 1,7258E-05 0,027305 9,72E+09 0,705099 6,85E+09 54,92 522,99 313,76 0,365 0,003187 1,72763E-05 0,027318 3,76E+10 0,705073 2,65E+10 54,91 733,59 314,21 0,47 0,003183 1,73208E-05 0,027351 1,03E+11 0,705011 7,24E+10 53,38 917,25 314,45 0,575 0,00318 1,7345E-05 0,027369 2,29E+11 0,704977 1,61E+11 50,63 1.063,65 314,64 0,68 0,003178 1,73636E-05 0,027383 4,46E+11 0,704951 3,15E+11 53,26 1.322,51 312,05 0,786 0,003205 1,71053E-05 0,027192 8,34E+11 0,705313 5,88E+11 37,19 1.075,02 820,46 320,32 0,05 0,003122 1,79325E-05 0,027804 17546209 0,704155 12355243 38,01 68,36 322,11 0,155 0,003105 1,81107E-05 0,027936 1,57E+09 0,703905 1,11E+09 36,02 199,87 322,74 0,26 0,003098 1,81741E-05 0,027983 1,23E+10 0,703816 8,67E+09 34,88 324,11 322,78 0,365 0,003098 1,81779E-05 0,027986 4,78E+10 0,703811 3,36E+10 34,55 450,57 323,15 0,47 0,003095 1,82147E-05 0,028013 1,31E+11 0,703759 9,19E+10 33,62 564,01 323,17 0,575 0,003094 1,8217E-05 0,028015 2,93E+11 0,703756 2,06E+11 32,53 667,62 323,29 0,68 0,003093 1,82286E-05 0,028023 5,71E+11 0,70374 4,02E+11 33,37 809,83 322,94 0,786 0,003097 1,8194E-05 0,027998 1,03E+12 0,703788 7,22E+11 33,43 938,55 1074,99 331,46 0,05 0,003017 1,90459E-05 0,028628 19128623 0,702596 13439688 32,87 57,41 333,21 0,155 0,003001 1,92209E-05 0,028757 1,72E+09 0,702351 1,21E+09 32,36 174,43 333,80 0,26 0,002996 1,92801E-05 0,028801 1,35E+10 0,702268 9,46E+09 31,95 288,40 333,79 0,365 0,002996 1,92787E-05 0,0288 5,23E+10 0,70227 3,68E+10 31,62 400,70 334,13 0,47 0,002993 1,93125E-05 0,028825 1,43E+11 0,702222 1E+11 31,08 506,70 333,96 0,575 0,002994 1,9296E-05 0,028813 3,21E+11 0,702246 2,26E+11 30,13 601,30 334,13 0,68 0,002993 1,93133E-05 0,028826 6,27E+11 0,702221 4,4E+11 30,75 725,43 333,63 0,786 0,002997 1,92634E-05 0,028789 1,13E+12 0,702291 7,92E+11 30,48 832,20 1444,74 343,47 0,05 0,002911 2,02472E-05 0,029517 21291454 0,700914 14923477 30,84 52,25 344,75 0,155 0,002901 2,03751E-05 0,029612 1,93E+09 0,700735 1,35E+09 31,21 163,34 345,19 0,26 0,002897 2,04192E-05 0,029644 1,52E+10 0,700673 1,06E+10 31,30 274,52 345,03 0,365 0,002898 2,04034E-05 0,029632 5,9E+10 0,700695 4,14E+10 31,10 383,13 345,28 0,47 0,002896 2,04275E-05 0,02965 1,62E+11 0,700661 1,13E+11 30,80 488,27 344,79 0,575 0,0029 2,0379E-05 0,029614 3,65E+11 0,700729 2,56E+11 29,85 579,50 345,01 0,68 0,002898 2,04014E-05 0,029631 7,11E+11 0,700698 4,99E+11 30,35 696,40 344,06 0,786 0,002906 2,03064E-05 0,029561 1,29E+12 0,700831 9,03E+11 29,81 792,65 2170,81 352,44 0,05 0,002837 2,11686E-05 0,030186 27890410 0,699512 19509665 47,79 79,15 355,47 0,155 0,002813 2,15022E-05 0,030416 2,46E+09 0,698905 1,72E+09 53,57 273,00 352,67 0,26 0,002836 2,11934E-05 0,030203 2,03E+10 0,699467 1,42E+10 47,02 404,74 353,78 0,365 0,002827 2,13161E-05 0,030287 7,76E+10 0,699243 5,42E+10 49,53 596,87 353,34 0,47 0,00283 2,12674E-05 0,030254 2,15E+11 0,699332 1,5E+11 47,76 741,96 9/13
Fluks Panas (W/m 2 ) TF (K) X (m) β v k Gr* Pr Ra* h Nu 351,86 0,575 0,002842 2,11044E-05 0,030141 4,92E+11 0,699628 3,44E+11 44,58 850,40 351,78 0,68 0,002843 2,10953E-05 0,030135 9,64E+11 0,699645 6,75E+11 44,50 1.004,22 350,09 0,786 0,002856 2,09099E-05 0,030007 1,77E+12 0,699982 1,24E+12 42,79 1.120,82 c. Korelasi Empiris Lokal Dari hasil analisa propertis udara sebagaimana tercantum dalam Tabel 1, didapatkan nilai bilangan Gr* berada pada kisaran 2,96 10 6 s.d. 1,77 10 12. Dengan menerapkan rumusan pada Persamaan (1) dimana nilai D = 99 cm dan L = 1 cm, maka: 0,25 35L Gr, D 35L Gr D 35 Gr 99 Gr 0,015621812 4 4 Dari hasi perhitungan tersebut diketahui bahwa nilai Gr minimal sebesar 0,015621812. Karena kisaran Gr* hasil perhitungan berdasarkan data pengukuran pada rentang 2,96 10 6 s.d. 1,77 10 12, maka Persamaan (1) terpenuhi sehingga geometri saluran celah udara yang dimaksud dapat dianggap sebagai bidang plat rata sejajar. Selanjutnya untuk merumuskan persamaan korelasi empiris perpindahan panas lokal pada bidang plat sejajar dapat dipergunakan Persamaan (2). Dengan memplotkan data nilai logaritmik nilai Nuselt lokal (Nu ) terhadap nilai bilangan Rayleigh (Ra *) pada Tabel 1 akan diperoleh suatu pendekatan regresi garis lurus dengan persamaan umum y = 0,1906 + 0,8504 sebagaimana ditampilkan pada Gambar 5. Berdasarkan persamaan tersebut, dapat dirumuskan persamaan garis sebagai berikut: log Nu log Nu Nu Nu 0,1906log Ra 10 log Ra 0,8504 Ra 7,086Ra * 0,1906 * 0,1906 * 0,1906 * 0,8504 log10 0,8504 10/13
4 3 log Nu 2 1 y = 0,1906 + 0,8504 R 2 = 0,4661 Nu = 7,085981Ra* 0,1906 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 log Ra* Gambar 5. Persamaan korelasi empiris lokal perpindahan panas pada dinding sungkup bagian silinder konsentris Dengan demikian persamaan korelasi empiris lokal perpindahan panas pada permukaan dinding sungkup yang didapatkan dari penelitian ini adalah Nu dimana rentang bilangan Rayleigh berlaku pada rentang 2,09 10 6 < Ra * < 1,24 10 2. * 7,086Ra 0,1906 d. Perbandingan dengan Penelitian Lain Perbandingan persamaan korelasi empiris lokal perpindahan panas pada permukaan dinding sungkup model AP1000 terhadap hasil penelitianpenelitian lainnya adalah sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 6. Dibandingkan dengan hasil penelitian simulasi yang dilakukan Laksmono[9], kedua persamaan korelasi empiris memiliki kemiringan yang serupa (pada kisaran gradien 0,2). Dari hal tersebut dapat dikatakan bahwa hasil studi eksperimental ini memiliki kemiripan hasil dengan perhitungan numerik yang dilakukan dikarenakan keserupaan model yang diacu. Dalam penelitian ini fluks panas operasional yang dikenakan terhadap permukaan sungkup berkisar antara 106,12 W/m 2 hingga 2.170,81 W/m 2, sedangkan Laksmono pada rentang 100 W/m 2 sampai dengan 8000 W/m 2. Perbedaan rentang nilai bilangan Ra* disebabkan oleh perbedaan pendefinisian koefisien konveksi yang tidak sama. 11/13
3,5 3 2,5 y = 0,1906 + 0,8504 log Nu 2 1,5 1 y = 0,69-0,8601 y = 0,205 + 0,3617 0,5 0 log Ra* 2 4 6 8 10 12 14 Penelitian ini Umar Laksmono Linear (Laksmono) Linear (Penelitian ini) Linear (Umar) Gambar 6. Perbandingan korelasi empiris dengan hasil penelitian lain Bila dibandingkan dengan hasil penelitian Umar[10], terdapat perbedaan kemiringan garis korelasi maupun rentang nilai bilangan Ra* yang dihasilkan. Perbedaan utama adalah pada dimensi model sungkup Umar lebih kecil dengan ukuran celah saluran udara 1 mm dan panjang saluran 35 cm. Hal ini berarti bahwa faktor geometri dan kesebangunan tidak sama. Di samping itu fluks panas yang di operasional Umar juga lebih kecil. KESIMPULAN Dari hasil penelitian studi eksperimental untuk menentukan korelasi empiris lokal perpindahan panas pada bagian silinder konsentris model sungkup AP1000 ini dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Fungsi pendinginan permukaan dinding sungkup dengan udara yang bersirkulasi alamiah berlangsung dengan baik, sehingga temperatur permukaan sungkup masih sangat jauh dari titik rekristalisasi material. 2. Geometri celah saluran udara dapat dianggap sebagai dua plat vertikal yang sejajar; 3. Persamaan korelasi empiris lokal yang didapatkan adalah Nu, berlaku untuk rentang bilangan Rayleigh 2,09 10 6 < Ra * < 1,24 10 2. * 7,086Ra 0,1906 12/13
Daftar Pustaka 1. Perdanahari, Emi, Introduksi PLTN di Indonesia, Prosiding Seminar Nasional Keselamatan Nuklir, BAPETEN, Jakarta, 2010; 2. Permana, Sidik, Energi Nuklir dan Kebutuhan Energi Masa Depan, Inovasi Online, Vol.5/XVII, Jakarta, 2006; 3. Anonim, Peraturan Pemerintah No. 46 Tahun 2006 tentang Perizinan Reaktor Nuklir, 2006; 4. Anonim, Ready to Meet Tomorrow s Power Generation Requirements Today AP1000, Westinghouse, 2007; 5. Cummins, W.E., Corletti, M.M., dan Schulz, T.L., Westinghouse AP1000 Advanced Passive Plant, Proceedings of ICAPP 03, Cordoba, Spain, 4-7 Mei 2003, Paper 3235, 2003; 6. Gebhart, Heat Tranfer, 2 nd edition, McGraw-Hill Book Company, New York, 1970; 7. Mc Adams, W.H., Heat Transmission, McGraw-Hill Book Company, New York, 1954; 8. Hermawan, N.T.E., Studi Eksperimental Pengaruh Perubahan Lebar Celah terhadap Karakteristik Perpindahan Panas pada Model Sungkup AP1000, Tesis Program Magister Ilmu dan Rekayasa Nuklir, Institut Teknologi Bandung, 2011; 9. Laksmono, W., Kaji numerik karakteristik sistem pendinginan pasif dengan udara secara konveksi alamiah pada penyungkup model AP1000, Tesis Program Magister Ilmu dan Rekayasa Nuklir, Institut Teknologi Bandung, 2009; 10. Umar, E., Studi Karakteristik Sistem Pendinginan pada Model Sungkup APWR, Tesis Program Magister Ilmu dan Rekayasa Nuklir, Institut Teknologi Bandung, 1993; 13/13