STUDI PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI PADA SUSUNAN SILINDER VERTIKAL DALAM REAKTOR NUKLIR ATAU PENUKAR PANAS MENGGUNAKAN PROGAM CFD Agus Waluyo 1, Nathanel P. Tandian 2 dan Efrizon Umar 3 1 Magister Rekayasa Nuklir ITB 2 Lab. Termodinamika Pusat Penelitian dan Pengembangan Ilmu Rekayasa ITB 3 Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri BATAN Email: ba_ghoes2002@yahoo.com ABSTRAK. STUDI PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI PADA SUSUNAN SILINDER VERTIKAL DALAM REAKTOR NUKLIR ATAU PENUKAR PANAS MENGGUNAKAN PROGAM CFD. Perpindahan panas konveksi pada subbuluh susunan silinder vertikal sangat berguna pada beberapa aplikasi keteknikan, termasuk dalam perancangan heat exchanger, steam generator maupun perancangan sistem keselamatan reaktor nuklir. Sebelum mempelajari perpindahan panas konveksi yang terjadi pada subbuluh secara eksperimental, sangat perlu untuk mempelajari karakteristik aliran yang terjadi pada subbuluh tersebut secara teoritis. Dalam penelitian ini telah dilakukan kajian teoritis menggunakan program bantu CFD untuk geometri subbuluh berupa susunan segiempat yang terdiri dari sembilan batang silinder dengan diameter 2.54 cm dengan perbandingan pitch/diameter (P/D) adalah 1.5. Untuk kecepatan masuk yang bervariasi, yaitu 0,01 m/s, 0,02 m/s dan 0,03 m/s, hasil penelitian ini menunjukkan bahwa kondisi fully developed region terbentuk pada ketinggian -0.2m dan kecepatan aliran di subbuluh tengah lebih cepat dibandingkan subbuluh pinggir. Kata kunci: perpindahan panas konveksi, subbuluh, CFD, developed region ABSTRACT. STUDY OF CONVECTIVE HEAT TRANSFER AT VERTICAL CYLINDER ARRANGED IN NUCLEAR REACTOR OR HEAT EXCHANGER USING CFD CODE. Convective heat transfer at subchannel in vertical cylinder arranged is very useful in many engineering application, include the design and operation of heat exchanger, steam generator and nuclear reactor safety. It is important to learn characteristic of fluid flow in subchannel before learn convective heat transfer in subchannel. In this research, theoretical study of flow characteristic in subchannel has been carried out by using CDF code. The subchannel is square arrangement and consist of nine cylinder heater with 2.54 cm diameter and P/D ratio of 1.5. For the inlet velocity are 0.01 m/s, 0.02 m/s and 0.03 m/s, the result of CFD analysis indicated that fully developed region is formed at 0.2 m below the reference axis. The velocity of coolant in the center of subchannel is faster than in the edge of subchannel. Key words: convective heat transfer, subchannel, CFD, developed region 1. PENDAHULUAN Dalam perancangan alat penukar panas dan analisis aliran dalam teras reaktor nuklir, salah satu aspek yang penting untuk diperhatikan adalah aspek termohidrolik. Hal ini tidak saja karena aspek termohidrolik berkaitan erat dengan efektivitas perpindahan panas, tetapi yang lebih penting lagi adalah keamanan suatu reaktor sangat bergantung pada aspek 90
termohidrolik ini. Salah satu metode untuk menganalisis aspek termohidrolik pada reaktor nuklir atau penukar panas adalah teori subbuluh. Dengan menggunakan program perhitungan yang dibuat berdasarkan teori subbuluh ini, perhitungan aspek termohidrolik pada reaktor yang meliputi distribusi temperatur, tekanan, kecepatan arah aksial, kecepatan aliran silang antar subbuluh, serta temperatur bahan bakar akan mudah untuk didapat. Ada dua pendekatan yang digunakan dalam mendefinisikan volume atur subbuluh, yaitu: subbuluh dengan pusat fluida pendingin (the coolant centered subchannel) dan subbuluh pusat batang bahan bakar (the rod centered subchannel) seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1. Pendefinisian volume atur subbuluh Ada dua macam laju aliran massa yang berhubungan dengan volume atur subbuluh, yaitu: laju aliran massa aksial dan laju aliran massa transversal. Laju aliran massa ke arah aksial dalam suatu massa/waktu dari volume atur subbuluh i dinyatakan sebagai berikut: mi = ρ vzda (1) A fi Sedangkan untuk aliran massa transversal, ada dua mekanisme yang menyebabkan terjadinya laju aliran massa transversal per satuan panjang melalui gap di antara subbuluh yang bersebelahan yaitu: adanya gradient tekanan dalam arah transversal yang menyebabkan aliran silang diversi, dan fluktuasi turbulensi aliran fluida dalam arah aksial yang menyebabkan pertukaran massa turbulen. Untuk mengetahui arah aliran aksial maupun transversal dalam subbuluh, dapat digunakan bantuan program CFD. Menggunakan CFD ini akan terlihat dengan jelas karakteristik aliran, baik dalam arah aksial maupun transversal. Computational Fluid Dynamic (CFD) CFD adalah suatu ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan matematika. CFD memprediksi aliran berdasarkan: Model matematika (persamaan diferensial parsial), khususnya memecahkan persamaan Navier-Stokes. Metode numerik (teknik solusi dan diskritisasi). Tools perangkat lunak (solver, tool pre- dan post processing). Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu: preprocessing, solving, dan post processing. Prosedur berikut terdapat pada semua pendekatan program CFD, yaitu: 1. Pembuatan geometri dari model/problem. 2. Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagai menjadi sel-sel kecil (meshing). 3. Pendefinisian model fisiknya. 4. Pendefinisian kondisi-kondisi batas. 5. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iteratif, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transien. 6. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD. 2. PEMBUATAN MODEL SUBBULUH Untuk mengetahui karakteristik aliran dalam subbuluh pertama kali harus membangun model geometri dari subbuluh yang nanti akan diteliti. Pembuatan model geometri ini menggunakan program GAMBIT. Ukuran geometri subbuluh yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut. P/D: 1,5. Diameter silinder pemanas adalah 2,54 cm. Panjang silinder pemanas 90,4 cm. Pada atas dan bawah silinder pemanas terdapat dummy dengan panjang masingmasing 51,3 cm. Dinding luar berbentuk bujur sangkar dengan lebar 11,43 cm dan tinggi 193 cm. 91
Gambar 2. Geometri model subbuluh dengan menggunakan Gambit Gambar 3. Titik-titik pengujian yang diambil 92
Pada Gambar 2 ditunjukkan model subbuluh dengan menggunakan program Gambit. 3. PERANCANGAN SIMULASI DENGAN CFD Geometri keluaran dari Gambit perlu didiskritisasi dulu untuk dieksport ke CFD. Untuk mengetahui karakteristik aliran dalam subbuluh, simulasi dilakukan dalam keadaan dingin, dimana tidak ada pembangkitan panas di dalam subbuluh. Boundary condition yang dipakai dalam simulasi dengan menggunakan CFD ini adalah masukan berupa velocity inlet, keluaran berupa outflow. Sementara itu, dinding yang lain sebagai wall. Fluida yang digunakan adalah air. Dalam simulasi ini, kecepatan masuk ke subbuluh divariasikan yaitu 0,01 m/s, 0,02 m/s dan 0,03 m/s. Gambar 4b. Plot kecepatan Y axial untuk kecepatan masuk 0.02 m/s 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Perlu diambil beberapa titik pengujian untuk menggambarkan karakteristik aliran dalam subbuluh. Gambar 3 menunjukkan letak titik-titik pengujian untuk menggambarkan karakteristik aliran dalam subbuluh. Pada Gambar 4a sampai dengan 4c dapat dilihat bahwa kecepatan aliran di tengah subbuluh (garis uji axial) mengalami peningkatan yang stabil untuk berbagai ketinggian. Daerah dimana kecepatan aliran di tengah subbuluh tidak berubah dengan ketinggian (stabil) disebut daerah full developed region. Gambar 4a. Plot kecepatan Y axial untuk kecepatan masuk 0.01 m/s Gambar 4c. Plot kecepatan Y axial untuk kecepatan masuk 0.03 m/s Pada Gambar 4d sampai dengan 4f dapat dilihat bahwa profil kecepatan aliran di pinggir subbuluh lebih rendah dibandingkan dengan kecepatan aliran di tengah subbuluh. Keadaan ini disebabkan fluida di pinggir subbuluh mengalami gesekan dengan dinding silinder pemanas. Pada Gambar 4d sampai dengan 4f juga ditunjukkan bahwa profil aliran untuk subbuluh tengah mempunyai kecepatan lebih tinggi dibandingkan dengan subbuluh pinggir. Keadaan ini disebabkan tampang lintang untuk subbuluh tengah lebih besar dibandingkan dengan tampang lintang subbuluh pinggir sehingga aliran fluida banyak mengalir di subbuluh tengah dibandingkan di subbuluh pinggir. Pada penelitian ini dilakukan variasi kecepatan masuk untuk melihat pengaruh kecepatan masuk dengan terbentuknya full developed region. Pada Gambar 4a sampai dengan 4c juga dapat dilihat bahwa variasi kecepatan masuk ke 93
subbuluh tidak berpengaruh terhadap terbentuknya full developed region. Berdasarkan hasil ini dapat diketahui bahawa full developed region terbentuk pada saat ketinggian -0.2 m (tanda negatif menunjukkan di bawah titik referensi). Profil aliran pada subbuluh ini sangat mempengaruhi perpindahan panas konveksi di dalam subbuluh karena profil temperatur di dalam subbuluh dipengaruhi oleh profil aliran yang ada di subbuluh tersebut. Pada Gambar 5a sampai 5c ditunjukan profil aliran subbuluh untuk berbagai variasi kecepatan masuk. Gambar 5a. Profil kecepatan aliran di dalam subbuluh (0.01 m/s) Gambar 4d. Plot kecepatan Y radial (0.01 m/s) Gambar 5b. Profil kecepatan aliran di dalam subbuluh (0.02 m/s) Gambar 4e. Plot kecepatan Y radial (0.02 m/s) Gambar 5c. Profil kecepatan aliran di dalam subbuluh (0.03 m/s) Gambar 4f. Plot kecepatan Y radial (0.03 m/s) 94
5. KESIMPULAN Developed Region pada model subbuluh terbentuk pada ketinggian -0.2 m untuk segala variasi kecepatan masuk (0,01 m/s, 0,02 m/s dan 0,03 m/s). Kecepatan aliran pada subbuluh tengah lebih tinggi dibandingkan dengan subbuluh pinggir. Profil aliran pada subbuluh ini sangat penting dalam perhitungan perpindahan panas konveksi pada subbuluh. 6. DAFTAR PUSTAKA 1. TODREAS, NEIL E., KAZIMI, MUJID S., Nuclear system II Element of Thermal Hydraulic Design, Hemisphere Publishing Corp, New York (1990). 2. WINARTO, Analisis Sub Buluh Pada Model Reaktor Susunan Bahan Bakar Bujursangkar atau Heksagonal, Program Pasca Sarjana ITB (2001). 3. TUAKIA, FIRMAN, Dasar-Dasar CFD Menggunakan Fluent, Informatika, Bandung (2008). 95