BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Aliran multifase merupakan salah satu fenomena penting yang banyak ditemukan dalam kegiatan industri. Kita bisa menemukannya di dalam berbagai bidang industri seperti industri minyak dan gas bumi, produksi bahan kimia dan makanan, pembangkit listrik tenaga nuklir dan panas bumi, serta masih banyak contoh lainnya. Hal ini menjadikan bidang ini perlu dikaji lebih dalam untuk membantu pengoperasian sistem industri yang aman dan efisien. Sayangnya untuk saat ini, fenomena aliran multifase ini masih sedikit dipahami, untuk itu berbagai riset dan penelitian telah mulai dilakukan untuk memperdalam kajian di bidang ini. Gambar 1.1 Skema pressurized water reactor (http://www.world-nuclear.org/, September 2015) Seperti kita ketahui, pada steam generator pada pressurized water reactor (PWR) dilakukan proses transfer panas dari primary coolant ke secondary coolant. Primary coolant merupakan air yang dipanaskan pada inti reaktor nuklir dan dialirkan melalui steam generator untuk melakukan proses perpindahan panas kepada secondary coolant. Secondary coolant yang juga berupa air menerima panas dari primary coolant, menyebabkan terjadinya proses penguapan yang akan menghasilkan uap panas pada steam generator. Uap panas inilah yang nantinya dialirkan dan digunakan sebagai penggerak turbin untuk menghasilkan energi 1
listrik. Setelah menggerakkan turbin, uap panas ini akan mengalami proses kondensasi dan berubah menjadi air. Air ini akan mengalir kembali menuju steam generator sebagai secondary coolant dan mengalami proses berulang seperti sebelumnya. Dalam industri pembangkit listrik tenaga nuklir ini, terdapat suatu fenomena penting yang berkaitan dengan aliran dua fase. Fenomena ini dinamakan sebagai flooding. Fenomena flooding ini menjadi menarik bagi para peneliti karena kaitannya dengan terjadinya loss-of-coolant accident (LOCA). Fenomena loss-ofcoolant-accident (LOCA) adalah suatu keadaan dimana cairan pendingin (coolant) pada reaktor nuklir tidak bisa mengalir ke primary circuit karena adanya flooding. Pada skenario LOCA yang disebabkan oleh kebocoran pada primary circuit, reaktor akan mengalami penurunan tekanan (depressurized) sehingga timbul proses penguapan pada primary circuit, yang selanjutnya akan menghasilkan uap pada PWR. Uap yang dihasilkan akan mengalir ke steam generator melalui pipa hotleg. Pipa hotleg ini merupakan pipa terinklinasi yang menghubungkan reactor pressure vessel (RPV) dan steam generator (SG). Uap tersebut akan terkondensasi di steam generator dan kondensatnya (air) mengalir kembali melalui hotleg menuju reaktor dengan fungsinya sebagai media pendingin (coolant). Namun, pada perjalanannya melalui pipa hotleg, kondensat berupa air ini akan berhadapan dengan aliran uap yang dihasilkan inti untuk selanjutnya menimbulkan fenomena aliran dua fase counter-current antara uap dan air. Keberhasilan dari proses pendinginan inti ini sendiri sangatlah bergantung pada fenomena aliran counter-current yang terjadi pada pipa hotleg tersebut. Aliran stratified counter-current uap-air ini hanya akan stabil pada kecepatan aliran tertentu dari uap dan air. Jika kecepatan aliran uap terus meningkat, maka porsi air yang mampu mengalir hingga ke inti reaktor akan semakin berkurang. Fenomena inilah yang kita sebut dengan counter-current flow limitation (CCFL) atau onset of flooding. Seiring dengan bertambahnya kecepatan aliran uap, pada akhirnya akan didapat suatu titik dimana aliran air akan terblok secara sempurna oleh aliran uap yang memiliki kecepatan aliran besar. Pada titik 2
ini, proses pendinginan inti reaktor akan terhenti. Karena itu, kita harus mampu memperhitungkan agar cairan pendingin yang mengalir menuju inti memungkinkan untuk mampu melakukan penetrasi hingga mencapai inti. Insiden Three-Mile Island pada tahun 1979 merupakan salah satu peristiwa penting yang berkaitan flooding. Pada kejadian tersebut, tidak ada cairan pendingin yang mampu mencapai primary circuit karena adanya flooding. Dibutuhkan waktu 140 menit sebelum operator menyadari telah terjadi hal ini, dan dalam waktu tersebut telah terjadi kavitasi pada pompa coolant. Oleh karena itulah, fenomena aliran counter-current dua fase ini harus dikaji secara utuh, sehingga menjamin sistem pendinginan dapat berjalan dengan baik. Mekanisme flooding ini sendiri sebenarnya telah banyak dipelajari dengan tujuan utamanya untuk mengembangkan model analitis yang mampu memprediksi kapan akan terjadinya onset of flooding atau juga disebut counter-current flow limitation (CCFL). Sebagai hasil dari berbagai penelitian tersebut, telah didapat sejumlah besar korelasi yang tertuang dalam literatur-literatur laporan penelitian tentang flooding. Namun, dibalik itu semua, masih banyak ketidakpastian dalam fenomena flooding ini yang membuatnya masih perlu dikaji lebih dalam lagi. Mengingat dampak besar yang dihasilkan oleh kurang dalamnya kajian terhadap bidang aliran dua fase berlawanan arah (counter-current) maka ilmuwanilmuwan semakin tertarik dalam meneliti bidang ini. Hal ini sangat penting untuk meningkatkan efisiensi dan efektivitas dalam proses-proses terkait aliran countercurrent dalam berbagai bidang. Selain itu, juga sangat penting dalam keamanan sistem yang berkaitan dengan aliran counter-current tersebut. 1.2. Rumusan Masalah Berkaitan dengan fenomena flooding yang sering terjadi pada proses pendinginan reaktor nuklir, penelitian akan fenomena ini menjadi sangat penting. Untuk itu, berbagai penelitian untuk mengetahui karakteristik yang ada pada fenomena flooding yang merupakan aliran counter-current dua fase ini mulai banyak dilakukan. Tujuannya adalah untuk mengetahui bagaimana pola aliran, 3
karakteristik, maupun fenomena apa saja yang terjadi pada aliran counter-current, pada banyak variasi kecepatan superfisial gas dan liquid. Penelitian kali ini akan memfokuskan pada karakterisasi aliran countercurrent dua fase yang mengalir pada pipa horizontal berdasarkan hasil pengukuran tebal film air dengan menggunakan metode sensor parallel-wire. Bahan yang digunakan sebagai sensor merupakan kawat tembaga berlapis perak dengan diameter 0,51 mm. Sensor tersebut dipasang sejumlah 10 pasang dan disusun sejajar pada pipa dengan jarak masing-masing 4 cm antara pasangan kawat yang satu dengan pasangan kawat yang lain. Secara teoritis, jika dua kawat sejajar telanjang bersentuhan dengan air, arus yang mengalir di antara kedua kawat akan sebanding dengan ketebalan film cairan yang mengalami kontak dengan kawat-kawat tersebut. Hasil pengukuran akan dilewatkan melalui rangkaian jembatan Wheatstone yang sudah ditentukan sehingga bisa menghasilkan sinyal keluaran berupa sinyal tegangan (voltage). Setelah melalui proses kalibrasi, sinyal tegangan tersebut digunakan sebagai input melalui instrumen elektronika (National Instrument) yang telah terhubung dengan komputer untuk diolah dan menghasilkan output berupa tebal film air. Selanjutnya hasil pengukuran tebal film dengan metode parallel-wire ini akan diolah dan dianalisa lebih lanjut. 1.3. Batasan Masalah Untuk mengimplementasikan sistem yang dibuat maka dilakukan asumsi dan pembatasan masalah sebagai berikut : 1. Aliran counter-current dua fase dimodelkan dengan menggunakan fluida air dan udara yang mengalir secara berlawanan arah dalam pipa horizontal. 2. Pipa yang digunakan sebagai alat uji merupakan pipa berjenis akrilik, dikarenakan sifatnya yang transparan sehingga mudah untuk diamati dan karena permukaannya licin sehingga pengaruh kerugian aliran terhadap gesekan dapat diasumsikan untuk diabaikan. Pipa yang digunakan berdiameter 25,4 mm dan memiliki panjang 1,27 meter. 4
3. Sensor parallel-wire yang digunakan menggunakan kawat tembaga berlapiskan perak untuk mencegah terjadinya korosi. Kawat yang digunakan berdiameter 0,51 mm dan dipasang terpisah 5 mm. Terdapat 10 buah sensor yang masing-masing terdiri dari sepasang kawat tembaga yang disusun dengan jarak 4 cm antar masing-masing sensor. 4. Laju aliran volumetrik air yang ditelilti berkisar antara 0,1-2 L/min. 1.4. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk : 1. Mengkarakterisasi aliran counter-current pada simulator hotleg bagian pipa horizontal berdasarkan hasil pengukuran tebal film air dengan menggunakan metode kawat sejajar (parallel-wire). 2. Melakukan pengamatan terhadap pola aliran serta fenomena yang terjadi pada aliran counter-current pada simulator hotleg bagian pipa horizontal. 1.5. Manfaat Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan konstribusi bagi perkembangan pengetahuan mengenai sistem aliran dua fase counter-current dan berguna bagi pihak-pihak yang membutuhkan. Dan penelitian ini diharapkan akan melengkapi penelitian tentang sistem aliran counter-current dua fase yang telah ada dan juga dapat menghasilkan database bermanfaat untuk pengamatan dalam sistem aliran ini, serta menjadi acuan bagi penelitian selanjutnya sehingga dapat memberikan kemajuan yang berkesinambungan bagi mahasiswa-mahasiswi Departemen Teknik Mesin dan Industri, Program Studi Teknik Mesin. 5