konstruksi dan pengujian peralatan eksperimen perpindahan ... · pdf filedengan arah gerak...

15
1 KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN PANAS PADA CELAH SEMPIT ANULUS Mulya Juarsa*, Efrizon Umar**, Andang Widi Harto * Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir ** Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri *** JurusanTeknik Fisika FT-UGM KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN PANAS PADA CELAH SEMPIT ANULUS. Tahapan untuk lebih memahami kompleksitas pendidihan pada celah sempit yang terjadi dalam kecelakaan parah di PLTN telah dilakukan melalui penelitian eksperimental. Penelitian bertujuan untuk memperoleh korelasi yang terkait dengan proses perpindahan panas pendidihan pada celah sempit anulus. Langkah awal adalah dengan mendesain dan menkonstruksi alat eksperimen untuk memenuhi kebutuhan penelitian ini, kemudian pengujian dilakukan untuk memastikan rancangan fungsi alat dapat tercapai. Pengujian telah dilakukan dengan memanaskan bagian uji HeaTiNG-01 hingga mencapai temperatur awal batang 850 o C, kemudain didinginkan secara radiasi maupun pendinginan oleh air bertemperatur saturasi. Hasil pengujian menunjukkan kemampuan alat telah memenuhi rancangan, kurva pendidihan sesuai kurva pendidihan Nukiyama. Fluks kalor kritis yang dicapai adalah 264,94 kW/m 2 . Integritas bagian uji, terutama tabung gelas kuarsa, telah memuhi kebutuhan eksperimen. Kata kunci : kecelakaan parah, anulus, perpindahan panas CONSTRUCTION AND TESTING OF EXPERIMENT APPARATUS FOR HEAT TRANSFER IN ANNULUS NARROW GAP. A phase to make more understanding of boiling complexity in narrow gap during severe accident in NPP was done by experimental research. Research was aimed to receive a correlation related to boiling heat transfer in annulus narrow gap. First step is designing and constructing an experiment apparatus to fulfill a research needed, then a sequent of testing was done to ensure the design of apparatus function has achieved. Testing was done by heated up HeaTiNG-01 test section until initial temperature 850oC was reached, then cooling down by radiation and by water cooling with saturate temperature. The result of this testing shows the capability of apparatus has achieve the design, also boiling curve is almost similar with Nukiyama’s boiling curve. Critical heat flux occurs at 269.94 kW/m 2 . The integrity of test section, mainly the part of quartz glass tube, it was fulfilled experiment needed. Keyword : severe accident, annulus, heat transfer

Upload: vuhanh

Post on 05-Feb-2018

241 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

1

KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN PANAS PADA CELAH SEMPIT ANULUS

Mulya Juarsa*, Efrizon Umar**, Andang Widi Harto

* Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir ** Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri

*** JurusanTeknik Fisika FT-UGM KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN PANAS PADA CELAH SEMPIT ANULUS. Tahapan untuk lebih memahami kompleksitas pendidihan pada celah sempit yang terjadi dalam kecelakaan parah di PLTN telah dilakukan melalui penelitian eksperimental. Penelitian bertujuan untuk memperoleh korelasi yang terkait dengan proses perpindahan panas pendidihan pada celah sempit anulus. Langkah awal adalah dengan mendesain dan menkonstruksi alat eksperimen untuk memenuhi kebutuhan penelitian ini, kemudian pengujian dilakukan untuk memastikan rancangan fungsi alat dapat tercapai. Pengujian telah dilakukan dengan memanaskan bagian uji HeaTiNG-01 hingga mencapai temperatur awal batang 850oC, kemudain didinginkan secara radiasi maupun pendinginan oleh air bertemperatur saturasi. Hasil pengujian menunjukkan kemampuan alat telah memenuhi rancangan, kurva pendidihan sesuai kurva pendidihan Nukiyama. Fluks kalor kritis yang dicapai adalah 264,94 kW/m2. Integritas bagian uji, terutama tabung gelas kuarsa, telah memuhi kebutuhan eksperimen. Kata kunci : kecelakaan parah, anulus, perpindahan panas CONSTRUCTION AND TESTING OF EXPERIMENT APPARATUS FOR HEAT TRANSFER IN ANNULUS NARROW GAP. A phase to make more understanding of boiling complexity in narrow gap during severe accident in NPP was done by experimental research. Research was aimed to receive a correlation related to boiling heat transfer in annulus narrow gap. First step is designing and constructing an experiment apparatus to fulfill a research needed, then a sequent of testing was done to ensure the design of apparatus function has achieved. Testing was done by heated up HeaTiNG-01 test section until initial temperature 850oC was reached, then cooling down by radiation and by water cooling with saturate temperature. The result of this testing shows the capability of apparatus has achieve the design, also boiling curve is almost similar with Nukiyama’s boiling curve. Critical heat flux occurs at 269.94 kW/m2. The integrity of test section, mainly the part of quartz glass tube, it was fulfilled experiment needed. Keyword : severe accident, annulus, heat transfer

Page 2: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

2

PENDAHULUAN

Kecelakaan parah (Severe Accident, SA) pada reaktor air ringan (Light Water

Reactor, LWR) merupakan subyek penelitian yang dilakukan secara intensif sejak

kejadian kecelakaan pada PLTN jenis PWR, Three Mile Island unit 2 (TMI 2) di Amerika

pada tahun 1979[1]. Kecelakan parah tersebut seringkali didefiniskan sebagai kecelakaan

yang mengakibatkan pelelehan teras reaktor. Klasifikasi fase dalam peristiwa SA[2] adalah

fase in-vessel dan fase ex-vessel yang melibatkan kondisi ekstrim dan temperatur yang

tinggi. Penelitian terkait konsekuensi dari peristiwa SA mensyaratkan eksperiment terskala

dan simulasi numerik yang bertujuan untuk menjelaskan dan mengkaji proses kompleks

yang terlibat pada tahapan kecelakaan tersebut. Sehingga pengetahuan dan pemahaman

terhadap proses tersebut diperlukan sebagai metode pelengkap untuk pencegahan dan

memitigasi kosekuensi yang ditimbulkannya sebagai dasar manajemen kecelakaan.

Pertahahan dalam sistem keselamatan PLTN, jika telah terjadi pelepasan bahan

bakar dari kelongsong (leleh misalnya) saat terjadi kecelakaan adalah bejana tekan reaktor

(Reactor Pressure Vessel, RPV). Selama terjadinya pelelehan teras, RPV telah mengalami

gangguan termal (thermal attack) selama proses gerakan lelehan teras dari bagian atas ke

bagian terbawah RPV, yang merupakan fase in-vessel retention. Saat lelehan teras (debris)

bergerak ke arah bawah, pada skenario TMI 2, bagian bawah RPV dianggap masih

menyimpan air. Ketika debris bersentuhan dengan air, penguapan terjadi secara ekstrim

dan terjadi pengurangan kuantitas air, kemudian sebagian volume air dipindahakan oleh

volume debris. Namun pada peristiwa TMI 2, volume air yang terdorong ke arah berlawan

dengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena

penggenangan ulang pada bagian celah yang terbentuk antara debris dan RPV. Gambar 1

memperlihatkan skema gerakan air yang pada awalnya naik ke atas (Gambar 1a) kemudian

kembali ke arah bawah (Gambar 1b).

Gambar 1. Skema gerakan air saat debris bergerak ke bawah dan terhenti

Page 3: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

3

Gambar 1a menjelaskan gerakan air ke arah atas karena adanya pergantian volume.

Sedangkan Gambar 1b menjelaskan ketika debris terhenti dan membentuk celah karena

adanya pendidihan yang cukup kuat menahan debris untuk tidak bergerak dan kemudian

didinginkan oleh air yang kembali turun karena gravitasi. Proses pendinginan oleh air yang

diindikasikan dengan pendidihan merupakan proses yang kompleks dan melibatkan

fenomena fasa-ganda (air dan uap). Pendinginan berlangsung dengan lambat dan

menjadikan debris mengalami pengerasan, yang dimulai dari bagian luar hingga ke bagian

dalam. Celah yang terbentuk[3], bervariasi dari 0,3 mm hingga 2,0 mm dan dirata-ratakan

menjadi sekitar 1,0 mm.

Keadaan yang ekstrim yang diprediksikan dapat terjadi adalah kurangnya kuantitas

air yang dapat mendinginkan debris dan akan berakibat terjadinya sentuhan antara debris

dan dinding RPV sehingga perpindahan panas akan terjadi secara cepat yang serta merta

akan melelehkan (sebagaian) dinding RPV dan kebocoran radioaktif tingkat tinggi

menunju basement containment tidak dapat dihindari. Peristiwa SA pada TMI 2 telah

memberikan contoh konkrit, bahwa integritas reaktor dapat terjaga dengan baik. Selain

menunjukkan bahwa jumlah volume air yang tersisa ketika sistem pendingin teras darurat

gagal mendinginkan teras, kondisi tersebut telah menjadi parameter kunci dalam proses

pendinginan debris. Penelitian terkait SA, khususnya perpindahan panas pada celah sempit

telah memberikan kontribusi pada pengetahuan akan karakteristik rejim pendidihan yang

terbentuk selama pendinginan pada celah sempit, yang banyak dilakukan oleh peneliti

lain[4,5,6,7,8] yang tercakup dalam makalah terdahulu[9], sehingga kekurangan yang ada akan

diperbaiki dan ditingkatkan dengan penelitian sejenis.

Penelitian perpindahan panas pada celah sempit untuk geometri anulus merupakan

tahap awal dalam rangkaian penelitian sejenis dengan geometri berbeda (pelat dan

setengah bola) selama kurun waktu 2007 hingga 2009, yang dibiayai melalui DIPA KNRT.

Tahun 2007 telah difokuskan penelitian perpindahan panas pada celah sempit anulus,

melalui konstruksi alat eksperimen dan pengujian eksperimen awal. PTRKN telah

membuat alat eksperimen untuk penelitian tersebut, dan dinamakan HeaTiNG-01 (Heat

Transfer in Narrow Gap). Tulisan ini akan menjelaskan konstruksi dan pengujian bagian

uji HeaTiNG-01.

Page 4: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

4

TEORI

Kategori proses pendinginan yang menimbulkan pendidihan pada peristiwa SA

dapat dimasukkan ke dalam jenis pendidihan kolam (pool boiling), meski selama

pendinginan telah terjadi aliran air yang diakibatkan gaya gravitasi. Analisis terkait

peristiwa pendidihan dilakukan berdasarkan kurva pendidihan (boiling curve) yang

diperoleh dari hasil perhitungan fluks kalor menggunakan data temperatur transien yang

terukur selama eksperimen.

a. Kurva Pendidihan

Kurva didih (boiling curve) dapat dijadikan dasar untuk mempelajari watak

perpindahan panas pada celah sempit. Rejim pendidihan telah didefiniskan oleh

Nukiyama[10] berdasarkan eksperimen pada pendidihan kolam (pool boiling) yang

diperlihatkan pada Gambar 2. Perpindahan panas pendidihan didefinisikan sebagai model

perpindahan panas yang terjadi dengan melibatkan perubahan fasa dari fasa cair menjadi

fasa uap. Bentuk fungsinya yang menunjukkan fluks kalor yang dipindahkan dari

permukaan panas menuju pendingin versus panas lanjut ke arah dinding yang dikenal

sebagai kurva didih. Eksperimen Nukiyama dilakukan pada kondisi tunak.

DidihFilm

DidihTransisi

DidihInti

Konveksibebas

FKK

Didih filmminimum

A

B

C

D

E

q (W

/m2 )

Ts (K)

Kolomterisolasi

qmak

qmin

Gambar 2. Kurva pendidihan pada didih kolam [11]

b. Rejim Didih Film

Perhitungan fluks panas pada rejim didih film menggunakan korelasi perpindahan

panas pada celah anulus, untuk aliran uap laminer dengan angka Nusselt, Nu = 4,0 (untuk

celah anulus), sebagai berikut:

Page 5: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

5

. gs

h

kq Nu T

D

(1)

Bromley[12] melakukan eksperimen didih kolam dengan menggunakan pelat vertikal panas

untuk memahami perpindahan panas didih film dan menghasilkan korelasi, sebagai berikut

1

43g g f g fg

Bg s e

k g Hh C

T L

(2)

untuk pelat vertikal C = 0,667 – 0,943

c. Rejim Didih Transisi dan Didih Inti

Pada rejim ini, korelasi Kutateladze (1952) dimodifikasi oleh Murase et al.[7], 1 2

n nf sH

s f g fg f

k Tq L PLCT k h

(3)

dengan menggunakan nila-nilai C, n1 and n2 bedasarkan data Henry and Hammersley[13]

untuk ukuran celah 2,0 mm, sbb :

Didih inti (nucleate boiling) : Untuk air panas lanjut rendah C = 1,1; n1= 0,3; n2= 0,32 Untuk air panas lanjut tinggi C = 2,2; n1= -0,1; n2= 0,32

Didih transisi (transition boiling) : C = 1,2x1014, n1= -5,5, n2= 0,32

d. Klasifikasi Ukuran Celah Sempit

Sedangkan klasifikasi ukuran celah telah dikemukan oleh Kandlikar[14], meskipun pada

kenyataannya efek yang muncul pada celah akan bergantung kepada sifat-sifat fluida,

temperatur dan tekanannya. Klasifikasi ukuran celah adalah sebagai berikut:

Celah konvensional > 3 mm Celah mini 3 mm Dh > 0,2 mm Celah mikro 0,2 mm Dh > 0,01 mm Celah transisional 0,01 mm Dh > 0,0001 mm Celah mikro transisional 0,01 mm Dh > 0,001 mm Celah nano transisional 0,001 mm Dh > 0,0001 mm Celah nano molekular 0,0001 mm Dh

Definisi celah sempit sendiri merupakan celah yang mencakup ukuran celah mikro, celah

mini dan celah konvensional dalam hal ini interval ukuran celahnya dimulai dari 0,02

hingga 3 mm. Kandlikar menganalisa perpindahan panas dan koefisien perpindahan panas

Page 6: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

6

selama didih aliran pada celah mikro yang terkait dengan aliran fluida dengan

menggunakan angka Nusselt.

METODE PENELITIAN

Metode penelitian yang dilakukan adalah penelitian eksperimental yang dimulai

dengan mendesain dan menkonstruksi alat penelitian. Kemudian dilakukan pengujian

sebagai eksperimen pendahuluan untuk menguji alat yang telah dikonstruksi.

a. Desain dan Konstruksi Alat

Desain alat eksperimen telah dibuat dan konstruksi alat eksperimen telah dilakukan.

Gambar lengkap desain alat eksperimen yang diberi nama : bagian uji HeaTiNG-01 dapat

dilihat pada Gambar 3.

Plenum atas

Batang dipanaskan& tabung gelas kuarsa

Keramik pemanas

Plenum bawah

Kabel termokopel (14 bh)

support

Kabel listrik

Plenum atas

Batang dipanaskan& tabung gelas kuarsa

Keramik pemanas

Plenum bawah

Kabel termokopel (14 bh)

support

Kabel listrik

Gambar 3. Foto bagian uji HeaTiNG-01

Komponen Utama (Bagian Uji HeaTiNG-1) :

- Plenum atas (tempat menampung air)

- Tabung gelas kuarsa (p=1000 mm, OD=45mm, ID=41 mm)

- Batang pemanas yang merupakan simulasi debris untuk geometri anulus, material yang

digunakan adalah SS316 dengan panjang 1100 mm (heated length = 800 mm).

Page 7: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

7

Tabel 1. Konfigurasi ukuran batang pemanas berdasarkan ukuran celahnya

Ukuran celah [mm]

ID tabung quartz [mm]

OD tabung pemanas SS304 [mm]

0,5 41 40 1,0 41 39 2,0 41 37

Kemudian 14 buah termokopel tipe K dipasang pada permukaan bagian luar batang

pemanas yang digunakan untuk mengukur perubahan temperatur permukaan batang

pemanas selama pendidihan berlangsung. Gambar 4 menyajikan posisi termokopel yang

telah telah dipasang.

1 termokopel (puncak)

1 termokopel

1 termokopel (puncak)

3 termokopel (radial)

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

3 termokopel (radial)

3 posisi radial

1 termokopel (puncak)

1 termokopel

1 termokopel (puncak)

3 termokopel (radial)

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

3 termokopel (radial)

3 posisi radial3 posisi radial

1 termokopel (puncak)

1 termokopel

1 termokopel (puncak)

3 termokopel (radial)

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

3 termokopel (radial)

3 posisi radial

1 termokopel (puncak)

1 termokopel

1 termokopel (puncak)

3 termokopel (radial)

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

1 termokopel

3 termokopel (radial)

3 posisi radial3 posisi radial

Gambar 4. Posisi 14 termokopel pada batang pemanas

Kompenen lainnya adalah flange-flange dan material pengikat antara tabung gelas kuarsa

dengan batang pemanas.

Page 8: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

8

Komponen Pendukung

1. Komponen Listrik

Bagian uji HeaTiNG-1 dipanaskan secara radiasi oleh 2 pasang semi-silinder keramik

heater dengan daya total 20.000 watt. Selain itu heater pemanas untuk air dipasang

pada plenum atas untuk air pendingin yang akan dimasukkan ke dalam celah sempit.

Slide regulator voltage dengan daya maksimal 25.000 watt digunakan untuk mengatur

masukan tegangan selama pemanasan berlangsung. Gradual kenaikan daya diperlukan

agar distribusi panas dapat merata bagian uji dan dapat menghindari thermal shock

pada tabung gelas kuarsa.

2. Komponen Instrumentasi

Dalam eksperimen ini yang digunakan adalah DAS yang dimiliki Laboratorium

Termohidrolika (Dataq Instruments, USA) , dengan laju perekaman data 5 data/detik

untuk setiap kanal dari 24 kanal yang diterpasang.

3. Komponen lainnya

Kamera video digital jenis NTSC dengan kecepatan film 30 fps (frame per-secon)

dipergunakan untuk merekam video dan memfoto proses pelaksanaan eksperimen pada

keadaan-keadaan yang dianggap penting selama eksperimen berlangsung. Selain itu

penopang kamera yang digerakkan dengan motor digunakan untuk mejaga kestabilan

gambar dan konsistensi jarak antara kamera dengan objek yang direkam.

b. Pengujian

Rencana pelaksanaan eksperimen untuk penelitian eksperimental perpindahan panas

pada celah sempit anulus terbagi berdasarkan urutan kegiatannya (lihat Gambar 5).

Gambar 5. Diagram tahapan eksperimen perpindahan panas pada celah sempit

Page 9: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

9

Tahap 1 : Pemanasan Awal

Tahap pemanasan awal terbagi dalam tiga langkah, yaitu :

1. Langkah persiapan pemanasan

Langkah 1a, persiapan pemanasan dimulai dengan ditutupnya keramik heater hingga

heater dinyalakan. Langkah ini berlangsung hingga t = 0 (t menyatakan waktu). Pada

Langkah 1a ini, temperatur dinding keramik heater masih sama dengan temperatur

awalnya.

2. Langkah pemanasan

Langkah 1b, pemanasan berlangsung mulai t = 0, yaitu saat heater dinyalakan hingga

heater dimatikan, pada saat t = th.

3. Langkah persiapan pembukaan keramik heater

Langkah 1c, persiapan pembukaan keramik heater berlangsung pada saat heater telah

dimatikan, yaitu saat t = th hingga keramik heater dibuka yaitu pada saat t = to.

Tahap 2 : Pendinginan Radiasi

Tahap pendinginan radiasi dimulai sejak t = to yaitu sejak dibukanya keramik heater

hingga saat t = tin yaitu saat air mulai dimasukkan dari atas (falling film)ke dalam celah

sempit .

Tahap 3 : Eksperimen

Tahap eksperimen dimuali sejak t = tin yaitu saat pertamakali air dimasukkan dari atas ke

celah sempit hingga eksperimen berakhir, yaitu saat t = tf.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Pengujian Pemanasan dan Karakterisasi Daya

Pengujian pemanasan dilakukan untuk menentukan kemampuan pemanasan semi-

silinder keramik dan kemampuan struktur bagian uji HeaTiNG-01. Uji pemanasan

dilakukan dengan memanaskan batang pemanas secara radiasi hingga temperatur tertinggi

pada batang pemanas mencapai 850oC. Foto hasil pengujian diperlihatkan pada Gambar 6.

Page 10: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

10

Gambar 6. Foto saat batang pemanas mencapai temperatur 850oC

Dengan memasukkan data perubahan tegangan terhadap daya, diperoleh kurva

karakterisasi daya terhadap perubahan tegangannya yang diperlihatkan pada Gambar 7.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Day

a, P

[wat

t]

Tegangan, V [volt]

Data perhitungan daya karakterisasi daya

P(V) = 0,386V2 - 0,136V

Gambar 7. Kurva karakterisasi daya terhadap tegangan

Hasil pengujian pemanasan dan pendinginan secara radiasi telah dilakukan sebagai proses

pengujian terhadap kekuatan struktur dari bagian uji HeaTiNG-01 dan tahapan untuk

memperoleh data pemanasan dan pendinginan radiasi. Gambar 8 memperlihatkan kurva

proses tahapan kenaikan temperatur pemanasan terhadap waktu.

Pemanasan dilakukan setiap 15 menit dengan menaikkan tegangan 20 volt,

sedangkan pada Gambar 8 terlihat titik kenaikan tegangan setiap 15 menit yang

Page 11: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

11

diindikasikan dengan kenaikan temperatur batang dipanaskan tidak terlihat. Hal ini

menunjukkan kenaikan tegangan setiap 15 menit telah cukup untuk pencapaian temperatur

yang stabil. Kurva kenaikan temperatur batang dipanaskan pada Gambar 8 cenderung

memiliki garis kenaikan secara eksponesial yang merata.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 70000

50100150200250300350400450500550600650700750800850900

Tem

pera

tur,

T [o C

]

waktu, t [detik]

TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 TC6 TC7

V = 160 voltI = 60,7 AP = 9,85 kWatt

listrik dimatikantemp. puncak = 845oCt = 7185 detik

Kurva temperatur pemanasan

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 70000

50100150200250300350400450500550600650700750800850900

Tem

pera

tur,

T [o C

]

waktu, t [detik]

TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 TC6 TC7

V = 160 voltI = 60,7 AP = 9,85 kWatt

listrik dimatikantemp. puncak = 845oCt = 7185 detik

Kurva temperatur pemanasan

Gambar 8. Kurva kenaikan temperatur batang dipanaskan terhadap waktu

Tahapan pemanasan berlangsung selama 7000 detik. Tahap uji pemanasan ini hanya 8 titik

termokpel saja yang digunakan, dengan pertimbangan hanya bagian yang dipanaskan

(heated length) saja yang datanya direkam.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Tem

pera

tur B

atan

g D

ipan

aska

n, T

[o C]

Waktu, t [detik]

Data TC-1 Data TC-2 Data TC-3 Data TC-5 Data TC-6 Data TC-7 Data TC-8

Tpuncak = 850oC

Kurva Penurunan Temperatur Transien (Radiasi)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Tem

pera

tur B

atan

g D

ipan

aska

n, T

[o C]

Waktu, t [detik]

Data TC-1 Data TC-2 Data TC-3 Data TC-5 Data TC-6 Data TC-7 Data TC-8

Tpuncak = 850oC

Kurva Penurunan Temperatur Transien (Radiasi)

Gambar 9. Kurva penurunan temperatur batang dipanaskan terhadap waktu

Page 12: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

12

Gambar 9 menunjukkan kurva penurunan temperatur batang dipanaskan terhadap waktu

yang didinginkan secara radiasi (tanpa pendinginan air), pada proses pendinginan radiasi

ini, pemahaman terhadap karakteristik pendingian radiasi sangat diperlukan untuk

mengetahui berapa lama pendinginan radiasi berlangsung dan bagaiamana bentuk kurva

penutunan temperatur transiennya. Berdasarkan Gambar 9, meskipun temperatur awal titik

termokopel yang terpasang sepanjang batang dipanaskan memilki temperatur yang berbeda,

namun pada detik ke 9000 (2 jam, 30 menit) temperatur pada setiap titik termokopel

hampir sama (sekitar 50oC). Korelasi yang bisa mendekati kurva penurunan temperaturnya

diperoleh dengan memfitting kurva pada Gambar 9, sehingga diperoleh korelasi sebagai

berikut:

TC-1 : 8,766/2,2921/ 7,3852,4214,41)( tt eetT

TC-2 : 2,771/2,2921/ 1,3852,4252,41)( tt eetT

TC-3 : 3,779/2,2945/ 1,3651,4350,41)( tt eetT

TC-5 : 5,749/2,2960/ 8,3553,4489,41)( tt eetT

TC-6 : 8,732/82,2942/ 3,3272,4634,38)( tt eetT

TC-7 : 6,8497/4,1826/ 2,1196,3393,8)( tt eetT

TC-8 : 1,904/4,3051/ 5,2813,3808,36)( tt eetT

Hasil Pengujian Pendinginan dengan Air

Pengujian terakhir yang merupakan langkah penting adalah melakukan pemanasan

batang pemanas hingga mencapai temperatur 850oC, kemudian menggelontorkan air yang

bertemperatur saturasi (mendidih) ke dalam celah sempit anulus. Gambar 10 menunjukan

kurva penurunan temperatur secara transien selama proses pendinginan berlangsung.

Pendinginan disertai dengan golakan air pada bagian atas batang pemanas, dan timbulnya

penetrasi air yang tertahan oleh uap. Uap terbentuk pada bagian bawah, mengingat air

mengalir melalui dinding bagian dalam kuarsa tanpa menyentuh batang pemanas.

Pertemuan muka air terjadi ditengah-tengah batang pemanas, dan pendidihan diakhiri

ketika permukaan air yang berlawanan arah bertemu.

Gambar 10 memperlihatkan pola penurunan temperatur, dimana garis penurunan

temperatur untuk 3 termokopel yang sama posisi vertikalnya namun berbeda posisi

radialnya ternyata nyaris berhimpit. Kondisi ini menunjukkan bahwa celah anulus dapat

dikatakan hampir sama di sekeliling bagian. Pola yang menunjukkan adanya perbedaan

penurunan temperatur akibat perubahan rejim pendidihan juga diperlihatkan melalui

Page 13: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

13

Gambar 10. Analisis mendalam belum dilakukan mengingat pengujian ini hanya untuk

memastikan kemampuan bagain uji terhadap proses pendinginan oleh air.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

posisi radial TC2

Ti = 850oC

Tem

pera

tur T

C, T

w [o C

]

waktu, t [detik]

TC1 TC2a TC2b TC2c TC3 TC4 TC5 TC6 TC7 TC8 TC9a TC9b TC9c TC10

= 2,0 mm

posisi radial TC9

Gambar 10. Kurva temperatur transien untuk ukuran celah 2,0 mm dan Ti=850oC

Kemudian, data temperatur transien dari Gambar 10, dalam hal ini data temperatur pada

posisis termokopel TC6 digunakan untuk menghitung fluks kalor. Hasil perhitungan dibuat

dalam kurva pendidihan, yaitu fluks kalor versus selisih temperatur pengukuran dengan

temperatur saturasi air (wall superheat). Gambar 11 merupakan kurva pendidihan yang

dihasilkan berdasarkan perhitungan.

Kurva pendidihan (Gambar 11) menunjukkan secara jelas adanya pembagian rejim

pendidihan. Fluks kalor kritis (FKK) yang tercapai adalah 264,94 kW/m2. Daerah didih

film sejajar dengan korelasi aliran uap laminar untuk angka Nusselt = 4,0. Sedangkan didih

film berada di bawah garis Bromley, yang memperjelas bahwa peristiwa perpindahan

panas pendidihan pada celah sempit merupakan bukan peristiwa didih kolam murni.

Korelasi Murase, baik untuk daerah didih inti dan didih transisi tidak mendekati hasil

eksperimen. Sehingga ini memperjelas bahwa daerah didih transisi dan didih inti belum

memiliki patokan korelasi yang sempurna.

Daerah didih film memperlihatkan keadaan yang mirip noise, namun pola noise

tetap teratur dan mengikuti garis korelasi aliran uap laminar. Keadaan mirip noise bisa

disebakan oleh keadaan yang berlangsung selama eksperimen dimana terjadi osilasi

gerakan ke atas dan ke bawah dari uap dan air, hal ini tidak ditemukan pada kasus batang

Page 14: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

14

pemanas yang panjangnya hanya 300 mm (seperti yang dilakukan terdahulu). Fenomena

ini muncul untuk batang pemanas yang memiliki panjang 1100 mm. Instabilitas Taylor

menjadi hal yang akan lebih menarik untuk dianalisis, terkait efek hambatan batasan aliran

berlawan (Counter Cuurent Flow Limitation, CCFL) pengaruhnya semakin kuat.

1 10 100 10001

10

100

1000

Murase untuk TB

Laminar v

apor flow, N

u=4.0Bromley

Fluk

s Kal

or, q

[kW

/m2 ]

Wall Superheat, Twall [oC]

Tinitial= 850oC, TC6

qCHF = 264.93 kW/m2

= 2,0 mm

Murase

untuk

NB

Gambar 11. Kurva pendidihan TC6 untuk ukuran celah 2,0 mm dan Ti=850oC

Hasil eksperimen ini telah memenuhi rencana yang telah dibuat di awal kegiatan,

kondis bagian uji HeaTiNG-01 cukup kuat untuk menerima kondisi ekstrim selama

eksperimen, seperti termal schock, gangguan temperatur tinggi, dan pendingin batang

pemanas dengan air tidak menimbulkan letupan air yang berlebih.

KESIMPULAN

Telah didesain dan dikonstruksi bagaian uji HeaTiNG-01 yang mampu memenuhi

tuntutan penelitian secara eksperimental untuk temperatur tinggi (850oC). Ekspansi termal

yang terjadi telah diperkirakan dengan baik, sehingga kondisi tabung gelas kuarsa tetap

terjaga. Pengujian yang dilakukan terhadap bagian uji baik dengan mendinginkannya

melalui proses radiasi dan pendinginan dengan air (eksperimen awal) telah dilakukan.

Kemampuan pemanasan terhadap batang pemanas oleh heater telah dikarakterisasi.

Sedangkan pendinginan dengan menggelontorkan air bertemperatur saturasi telah

dilakukan dan menghasilkan data temperatur serta perhitungan fluks kalor yang dituangkan

dalam kurva pendidihan. Terdapat tiga rejim pendidihan yang terbentuk, yang dimulai dari

didih film, didih transisi dan didih inti dengan nilai FKK, 264,94 kW/m2.

Page 15: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN PERALATAN EKSPERIMEN PERPINDAHAN ... · PDF filedengan arah gerak debris kembali lagi ke arah bawah dan memunculkan fenomena penggenangan ... Perpindahan panas

15

UCAPAN TERIMAKASIH

Penulis mengucapakan terimakasih kepada Ka.PTRKN, dan Ka. BOFa atas

dukungan moril dan pembinaan yang telah diterima. Kepada tim teknis dan kesekretariatan,

ucapan terimakasih atas bantuan dan kerjasamanya. Ucapan terimakasih atas dukungan

dana melalui DIPA KNRT tahun anggaran 2007 (SK. Menristek No. 126/M/Kp/XI/2006

tanggal 17 Nopember 2006, perihal Program Insetif Riset Dasar KNRT 2007).

DAFTAR PUSTAKA

[1] U.S. NRC, The Accident At Three Mile Island, http://www.nrc.gov/reading-rm/doc- collections/fact-sheets/3mile-isle.pdf, USA, 2007.

[2] BROUGHTON, J.M. et al., “A Scenario on The Three Mile Island Unit 2 Accident,” Nuclear Technology, Vol. 87, No. 1, USA, 1989.

[3] SEHGAL, B. R. et al., “Investigation on Melt-Structure-Water Interaction (MSWI) During Severe Accident”, SKI Report 99 :42, Stockholm, 1999.

[4] MONDE, M., KUSUDA, H. and UEHARA, H., “Critical Heat Flux During Natural Convective Boiling in Vertical Rectangular Channels Submerged in Saturated Liquid", Transactions of the ASME, Vol. 104, pp. 300-303, 1982.

[5] CHANG, Y. and YAO, S. C., “Critical Heat Flux of Narrow Vertical Annuli with Closed Bottoms”, Trans of ASME, Vol. 105, pp.192-195, 1983.

[6] OHTAKE, H., KOIZUMI, Y. and TAKAHASHI, A., “Study on Rewetting of Vertical-Hot-Thick Surface by a Falling Film”, JSME, Vol.64, No. 624, pp181-189, 1998.

[7] MURASE, M., KOHRIYAMA, T., KAWABE, Y., YOSHIDA, T. and OKANO, Y., “Heat Transfer Models in Narrow Gap”, Proceeding of ICONE-9, Nice, France, Apr. 8-12, 2001.

[8] TANAKA, F., JUARSA, M., MISHIMA, K., “Experimental Study on Transient Boiling Heat Transfer in an Annulus with a Narrow Gap”, 11th International Conference on Nuclear Engineering, Tokyo, Japan, April 20-23, ICONE11-36177, 2003.

[9] JUARSA, M., “Study on Boiling Heat Transfer under Transient Cooling in an Annulus with a Narrow Gap”, Master Thesis, Graduate School of Energy Science, Kyoto University, 2003.

[10] NUKIYAMA, S., “Maximum and Minimum Values of Heat Transmitted from Metal to Boiling Water under Atmospheric Pressure”, Journal of the Japanese Society of Mechanical Engineering, 37, p.367, 1934.

[11] KANDLIKAR, S.G. et al., “Handbook of Phase Change: Boiling and Condensation, Taylor and Francis”, p.64, 1999.

[12] BROMLEY, L.A., Heat Transfer in Stable Film Boiling, Chemical Engineering Program, Vol.46, pp.221, 1950.

[13] Henry, R.E. and Hammersley, R.J., Quenching of Metal Surfaces in a Narrow Annular Gap, 5th International Conference on Methods in Nuclear Engineering, Montréal, September 8 – 11, 1999.

[14] Satish G. Kandlikar, Heat Transfer Mechanisms during Flow Boiling in Microchannels, Journal of Heat Transfer, No.8, Vol.126, February, 2002.