ANALISIS PERPINDAHAN PANAS PADA COOLER TANK FASSIP - 01

ANALISIS PERPINDAHAN PANAS PADA COOLER TANK FASSIP - 01 Oleh : Aprianto Tangkesalu Dosen Pembimbing : Prof.Dr.Ir.I Gusti Bagus Wijaya Kusuma : Ir.I Nengah Suarnadwipa, MT ABSTRAKSI FASSIP-01 merupakan sebuah alat uji ekperimen yang dikhususkan untuk aliran satu-fasa dengan variabel parameter daya heater dan laju aliran pendingin di cooler. Pada sistem FASSIP-01 terdapat beberapa komponen penting salah satunya cooler tank. Cooler tank sendiri terdiri dari 2 bagian yaitu pipa refrigerator dan tabung cooler. Fungsi cooler tank adalah untuk mendinginkan fluida air yang telah dipanaskan pada bagian heater agar memberikan efek perubahan kerapatan fluida yang akan menimbulkan bergeraknya fluida air akibat gaya gravitasi. Hasil eksperimen sementara yang telah dilakukan di BATAN dibagian cooler tank khususnya di pipa refrigerator, diperoleh perubahan temperatur yang tidak signifikan pada aliran air di pipa refrigerator. Temperatur yang dihasilkan meningkatkan dari keadaan awal, yang seharusya tidak boleh mengingat fungsi dan kerjanya sebagai pendingin, dimana aliran fluida yang didinginkan di pipa refrigerator akan langsung disalurkan menuju tabung cooler untuk mendinginkan pipa utama. Penelitian ini ditujukan untuk menganalisis lebih dalam sistem perpindahan panas yang terjadi pada cooler tank melalui metode simulasi dan perhitungan matematis, untuk mengetahui seberapa besar temperatur fluida yang dapat diturunkan di pipa refrigerator yang akan menjadi fluida pendingin pipa utama di tabung cooler, sekaligus unjuk kerja daripada alat dan peningkatan kerja jika ada permukaan tambahan pada pipa utama di bagian dalam tabung cooler. Dari hasil analisis penelitian yang dilakukan ditemukan bahwa temperatur inlet-outlet di pipa refrigerator turun dari 26 0 C menjadi 21,57 0 C setelah terjadi proses pendinginan. Sementara dengan penambahan permukaan pada pipa utama tabung cooler menunjukkan adanya peningkatan kerja meliputi laju perpindahan panas, efektivitas dan NTU. Laju perpindahan panas yang dihasilkan tanpa permukaan tambahan sebesar 1116,68 Watt dengan efektivitas 51% dan NTU 0,71. Sementara dengan adanya permukaan tambahan berupa cincin rectangular sebanyak 10 buah menghasilkan laju perpindahan panas sebesar 1456 Watt dengan efektivitas sebesar 67% dan NTU 1,10 dengan efisiensi 82 %. Kata kunci: perpindahan panas, sirkulasi alamiah, heater dan cooler, simulasi, penambahan permukaan iii

ANALYSIS OF HEAT TRANSFER ON COOLER TANK FASSIP - 01 Author Guidance : Aprianto Tangkesalu : Prof.Dr.Ir.I Gusti Bagus Wijaya Kusuma : Ir.I Nengah Suarnadwipa, MT ABSTRACT FASSIP-01 is an experimental test equipment that dedicated to a singlephase flow with variable heater power parameters and coolant flow rate in the cooler. In FASSIP-01 system, there are several important components, one is a cooler tank. Cooler tank consists from refrigerator pipes and cooler tubes. Function of cooler tank to cool the fluid that has been heated in the heater in order to give effect of changes in fluid density which will cause the fluid movement due to the force of gravity. The experimental cooler tank results that had been done in BATAN, especially in refrigerator pipes, the change of temperature is not significant in the flow of water in the refrigerator pipes. The resulting temperature increase from the initial state, which is should not be happened as the functions and works as cooler. This study aimed to analyze the heat transfer systems that occur on the cooler tank through simulation methods and mathematical calculations, to determine how much fluid temperature can be descreased in the refrigerator pipes which will be the fluid coolant in the cooler tubes, and performance that will increase in system if there is extended surface on the main pipe inside of the cooler tubes. From the analysis of research conducted found that the temperature at the inlet-outlet refrigerator pipes is descreased from 26 o C into 21,57 o C after cooling process. The extended surface on the main pipe cooler tubes showed an increase of work includes the heat transfer rate, effectiveness and NTU. The resulting rate of heat transfer without extended surface at 1116.68 Watt with effectiness 51% and NTU 0.71. While the extended surface with the form of a rectangular fins with 10 pieces produces the heat transfer rate at 1456 Watt with effectiveness 67% and NTU 1.10 as the fins efficiency 82%. Keywords: heat transfer, natural circulation, heater and cooler, simulation, extended surface iv

DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PENGESAHAN... i LEMBAR PERSETUJUAN... ii ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv KATA PENGANTAR... v DAFTAR ISI... vi DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... ix BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 2 1.3 Batasan Masalah... 3 1.4 Tujuan Penelitian... 3 1.5 Manfaat Penelitian... 3 BAB II LANDASAN TEORI... 4 2.1 Nuklir... 4 2.1.1 Reaktor Nuklir... 4 2.2 FASSIP-01... 6 2.2.1 Cara Kerja Untai FASSIPP-01... 8 2.2.2 Cooler Tank FASSIP-01... 8 2.3 Konsep Tahanan Thermal dan Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan... 11 2.4 Analisis Perpindahan Panas Pada Cooler Tank FASSIP-01.. 15 2.5 NTU-Efektivitas Heat Exchanger... 16 2.6 Efisiensi Extended Surface... 17 BAB III METODE PENELITIAN... 18 3.1 Deskripsi Penelitian... 18 3.2 Kebutuhan Data... 18 3.3 Alat dan Bahan... 19 3.4 Prosedur Analisis..... 19 3.5 Langkah Penelitian... 20 3.6 Pengujian Awal.... 20 3.7 Diagram Alir Penelitian... 25 3.8 Tempat dan Waktu Penelitian.. 29 3.7.1 Tempat Penelitian... 29 3.7.2 Waktu Penelitian... 29 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 30 vi

4.1 Analisis Perpindahan Panas Pada Cooler Tank FASSIP-01.. 30 4.1.1 Simulasi Perpindahan Panas Pada Pipa Refrigerator dan Tabung Cooler FASSIP-01... 31 4.1.2 Perhitungan Hambatan Termal Pada Pipa Refrigerator Serta Tout sesungguhnya... 40 4.1.3 Perhitungan Hambatan Termal Pada Tabung Cooler Serta Tout sesungguhnya... 44 4.2 Analisa Efektivitas-NTU Pipa Utama Tabung Cooler Tanpa Permukaan Tambahan... 48 4.3 Analisa Perpidahan Panas Pada Pipa Utama Tabung Cooler dengan Permukaan Tambahan... 52 4.3.1 Gambar Skematik Penambahan Permukaan Pipa Utama Tabung Cooler... 53 4.3.2 Analisa Efektivitas-NTU Pipa Utama Dengan Permukaan Tambahan... 54 4.3.3 Analisa Keseluruhan Sistem Cooler Tank... 57 BAB V PENUTUP... 59 5.1 Simpulan... 59 5.2 Saran-Saran... 59 DAFTAR PUSTAKA. 61 LAMPIRAN PERNYATAAN LEMBAR ASISTENSI SK SKRIPSI/PEMBIMBING vii

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Skema Boilig Water Reactor... 5 Gambar 2.2 Skema Pressurized Water Reactor... 6 Gambar 2.3 Fasilitas Simulasi Sistem Pasif... 7 Gambar 2.4 Pipa refrigerator... 9 Gambar 2.5 Tabung cooler... 9 Gambar 2.6 Loop/Sirkulasi dari proses pendinginan tabung cooler... 10 Gambar 2.7 Aliran Kalor satu-dimensi melalui silinder berlubang... 11 Gambar 2.8 Aliran kalor satu-dimensi melalui penampang silinder... 12 Gambar 2.9 Diagram Efficiency of annular fins of rectangular profile.. 17 Gambar 2.10 Persamaan efisiensi extended surface berbentuk lingkaran. 17 Gambar 3.1 Pengukuran temperatur pada computer... 21 Gambar 3.2 Grafik perubahan temperature terhadap waktu... 23 Gambar 3.3 Pipa refrigerator... 24 Gambar 3.4 Dimensi pipa refrigerator... 24 Gambar 3.5 Potongan pipa refrigerator... 24 Gambar 3.6 Diagram alir penelitian... 25 Gambar 4.1 Pipa refrigerator yang akan disimulasikan... 30 Gambar 4.2 Tabung cooler yang akan disimulasikan... 31 Gambar 4.3 Grid dari pipa refrigerator... 32 Gambar 4.4 Plot iterasi... 33 Gambar 4.5 Temperatur fluida pipa refrigerator all zones... 34 Gambar 4.6 Temperatur fluida dalam tabung annulus... 34 Gambar 4.7 Velocity stream fluida di annulus... 35 Gambar 4.8 Temperatur fluida dalam pipa... 35 Gambar 4.9 Grid dari tabung cooler... 36 Gambar 4.10 Plot iterasi... 37 Gambar 4.11 Temperatur fluida di tabung cooler all zones... 38 Gambar 4.12 Temperatur fluida dalam tabung cooler... 38 Gambar 4.13 Velocity stream line pada tabung cooler... 39 Gambar 4.14 Temperatur fluida dalam pipa utama... 39 Gambar 4.15 Aliran kalor dari pipa refrigerator dan analogi listriknya.. 40 Gambar 4.16 Aliran kalor dari tabung cooler dan analogi listriknya... 44 Gambar 4.17 Plot iterasi... 49 Gambar 4.18 Temperatur fluida all zones... 49 Gambar 4.19 Skematik perpindahan panas pada tabung cooler... 50 Gambar 4.20 Permukaan tambahan pada pipa utama berbentuk spiral... 53 Gambar 4.21 Dimensi permukaan tambahan... 53 Gambar 4.22 Diagram efisiensi sirip... 55 viii

DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Ukuran geometri FASSIP-01... 7 Tabel 3.1 Data hasil pengukuran temperatur... 22 Tabel 3.2 Jadwal penelitian... 29 Tabel 4.1 Nilai temperatur hasil simulasi pipa refrigerator... 36 Tabel 4.2 Nilai temperatur hasil simulasi tabung cooler... 40 Tabel 4.3 Data kuantitas simulasi hasil sesungguhnya... 50 Tabel 4.4 Perbandingan antara tanpa dan dengan permukaan yang diperluas... 57

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Filosofi keselamatan reaktor nuklir dengan motto 3C (control, cooling, contains) menjadi pilar utama dalam pengoperasian dan penanganan pasca kecelakaan suatu pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Salah satu pilar dari 3C adalah cooling atau penanganan proses pendinginan yang dikenal dengan manajemen termal (thermal management). Kecelakaan PLTN yang pernah terjadi dan masuk kategori kecelakaan parah (severe accident) seperti kecelakaan pada PLTN jenis pressurized water reactor (PWR) Three Mile Island Unit 2 (TMI-2) tahun 1979 dan PLTN jenis boiling water reactor (BWR) Fukushima Daiichi tahun 2011 sebagian besar diakibatkan oleh kegagalan dalam manajemen termal pasca kecelakaan. Mengacu pada kejadian tersebut para peneliti di BATAN (Badan Tenaga Nuklir Nasional) khususnya dibidang PTKRN (Pusat Teknologi dan Keselamatan Reaktor Nuklir) mencoba menciptakan dan menkaji sebuah prototype reaktor yang dinamai FASSIP-01 (Fasilitas Simulasi Sistem Pasif) (Juarsa, 2015). FASSIP sejatinya merupakan sebuah alat uji ekperimen yang dikhususkan untuk aliran satu-fasa dengan variabel parameter daya heater dan laju aliran pendingin di cooler, Konsep sistem pasif adalah aliran fluida yang bergerak tanpa adanya intervensi gaya-gaya dari luar dan berbasis pada hukum-hukum alam yang berlaku, dimana fenomena laju aliran fluida dalam sistem pasif disebut sirkulasi alamiah (natural circulation) yang timbul berdasarkan perbedaan kerapatan fluida. Efek perubahan kerapatan fluida di daerah panas akan menimbulkan gaya buoyancy (gaya apung) dan efek perubahan kerapatan fluida di daerah dingin akan menimbulkan gaya gravitasi. Fenomena tersebutlah yang diharapkan dapat diimplementasikan pada PLTN sehingga ketika terjadi kegagalan manajemen termal, sirkulasi alamiah yang diterapkan dapat berfungsi sehingga dapat mencengah terjadinya kecelakan reaktor nuklir. Selain desain dan konstruksi fasilitas eksperimen FASSIP-01 yang telah dilakukan, karakterisasi dan analisis fenomena sirkulasi alamiah juga dilakukan. Beberapa parameter penting yang terlibat dalam fenomena sirkulasi alamiah seperti

2 tekanan dan laju aliran fluida. Sedangkan parameter geometri adalah panjang untai, diameter pipa dan ketinggian antara daerah heater dan cooler. Laju aliran massa merupakan fungsi dari variabel temperatur (perubahan daya heater dan laju aliran pendinginan di cooler), ketinggian antara heater dan cooler. Hasil eksperimen sementara yang telah dilakukan di BATAN khususnya di bagian laju pendinginan cooler, diperoleh perubahan temperatur yang tidak signifikan pada aliran air di pipa refrigerator. Temperatur yang dihasilkan meningkatkan dari keadaan awal, yang seharusya tidak boleh mengingat fungsi dan kerjanya sebagai pendingin, dimana fluida dingin yang dihasilkan di pipa refrigerator akan disalurkan menuju ke tabung cooler untuk mendinginkan pipa utama dari FASSIP-01. Hal ini menunjukkan bahwa sistem penukar kalor di cooler tank FASSIP-01 belum bekerja sesuai fungsinya. Oleh karena itu pada kesempatan kali ini penulis hendak menganalisis dan mendesain kembali sistem perpindahan panas yang terjadi di cooler tank serta unjuk kerja daripada cooler tank FASSIP-01 itu sendiri. Seperti yang kita ketahui bahwa adanya peningkatan laju perpindahan kalor pada alat penukar kalor akan berdampak pada meningkatnya efektifitas kerja alat penukar kalor itu sendiri. Mengingat konsep kerja cooler tank FASSIP-01 yang merupakan aplikasi dari alat penukar kalor, menjadi dasar penulis untuk mencoba mendesain kembali pipa utama yang baru di tabung cooler dengan menambahkan extended surface dengan harapan untuk meningkatkan laju perpindahan kalor di tabung cooler sehingga dapat terjadi peningkatan efektifitas. Dengan adanya peningkatan efektifitas itu sendiri penulis berharap akan mampu pula meningkatkan unjuk kerja daripada FASSIP-01 secara keseluruhan. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang diatas permasalahan yaitu: 1. Bagaimanakah analisis perpindahan panas yang terjadi pada sistem Cooler Tank FASSIP-01 secara khusus dan sistem FASSIP-01 secara keseluruhan? 2. Bagaimanakah peningkatan kerja yang dihasilkan dengan penambahan extended surface pada pipa utama tabung cooler?

3 1.3 Batasan Masalah Agar penelitian tidak terlalu melebar, batasan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Penelitian hanya difokuskan pada perpindahan panas yang terjadi pada cooler tank FASSIP-01. 2. Aliran steady. 3. Tidak ada energi tersimpan dalam sistem 4. Tidak ada energi terbangkitkan dalam sistem 1.4 Tujuan Adapun tujuan yang ingin dicapai dalam melakukan penelitian ini yaitu : 1. Menganalisis perpindahan panas yang terjadi pada sistem Cooler Tank FASSIP-01 secara khusus dan sistem FASSIP-01 secara keseluruhan. 2. Menganalisis peningkatan kerja yang dihasilkan dengan penambahan extended surface pada pipa utama tabung cooler. 1.5 Manfaat Penelitian Penelitian yang akan dilakukan, diharapkan dapat memberikan beberapa manfaat seperti berikut; 1. Memberikan gambaran tentang FASSIP-01. 2. Dapat menjadi stimulus dalam penelitian FASSIP-01 selanjutnya di Jurusan Teknik Mesin Udayana.