studi eksperimental perpindahan kalor di dalam celah...

STUDI EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN KALOR DI CELAH SEMPIT ANULUS SELAMA BOTTOM

FLOODING BERDASARKAN VARIASI TEMPERATUR AWAL BATANG PANAS

TUGAS AKHIR TF 091381

Disusun Oleh : Choirul Muheimin NRP. 2408 100 075

Dosen Pembimbing : Dr. Gunawan Nugroho, ST, MT NIP. 19771127 200212 1 002 Ir. Roekmono NIP. 19580908 198601 1 001

Pembimbing Lapangan (LabTek – PTRKN - BATAN) : Mulya Juarsa, S.Si, M.ESc NIP. 19690908 199703 1 005

PROGRAM STUDI S-1 JURUSAN TEKNIK FISIKA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA 2012

LATAR BELAKANG

• Aspek keselamatan menjadi peran utama dalam instalasi dan operasi suatu reaktor nuklir.

• Peristiwa kecelakaan parah di Three Mile Island unit 2 (TMI-2) di Pensylvania USA, Maret 1979 yang pada mulanya akibat kehilangan pendingin (Loss of Coolant Accident) hingga terjadinya pelelehan teras reaktor.

• Integritas bejana tekan reaktor (TMI-2) tetap terjaga dan tidak ada bahan radioaktif yang keluar ke lingkungan.

• Pada peristiwa TMI-2 juga melibatkan fenomena pendidihan di celah sempit (narrow gap).

• Adanya pengkajian dan penelitian lebih lanjut terkait fenomena tersebut sebagai upaya mitigasi kecelakaan.

RUMUSAN MASALAH

• Bagaimana pengaruh perpindahan kalor berdasarkan data pengukuran temperatur awal ?

• Bagaimana karakteristik perpindahan kalor (h, fluks kalor dan fluks kalor kritis) ?

• Bagaimana fenomena pendinginan bottom flooding pada Bagian Uji HeaTiNG-01 (anulus vertikal) ?

BATASAN MASALAH

• Menggunakan celah sempit berukuran 1,0 mm. • Variasi temperatur yang digunakan antara lain 400C,

500C, dan 600C. • Kenaikkan tegangan yang digunakan untuk

menaikkan temperatur dijaga konstan, yaitu setiap 10 menit (600 detik).

• Air (coolant) yang digunakan untuk pendinginan bertemperatur 90C.

• Aliran air (coolant) dijaga konstan, yaitu 0,1650 L/s

TUJUAN

• Mengukur perpindahan kalor berdasarkan data pengukuran temperatur awal selama pendinginan bottom flooding.

• Memperoleh hasil analisis perpindahan kalor di dalam celah sempit anulus vertikal.

• Menganalisis fenomena hasil pendinginan bottom flooding.

TINJAUAN PUSTAKA

Quenching adalah proses pendinginan objek yang panas secara tiba–tiba dengan cara ditenggelamkan ke dalam cairan seperti air atau minyak. Fenomena quenching muncul dalam berbagai macam aplikasi industri. Selain dalam bidang industri, proses quenching juga dijumpai di teras reaktor nuklir setelah mengalami LOCA, yaitu saat reflooding oleh sistem pendingin teras darurat (emergency core cooling system, ECCS).

Pendidihan Kolam (Pool Boiling)


Natural Convection Boiling

- Gerakan air disebabkan oleh arus konveksi alami, sehingga akan memutar naik-turun. Di titik A mulai

terbentuk gelembung (sedikit), dan gelembung uap kempis saat ditengah jalan.

Nucleat Boiling

- Banyak pusat pengintian dan banyaknya gelembung

uap naik dengan cepat. Ketika ∆Texcess di titik C (puncak) berarti seluruh permukaan heater dipenuhi dengan uap, sehingga keadaan ini disebut sebagai titik kritis.


Transition Boiling

- Gelembung-gelembung uap mulai bergabung (menyelimuti permukaan heater) sebagai isolator,

sehingga koefisien heat transfer sangat kecil. Kondisi ini juga disebut sebagai unstable film boiling.

Film Boiling

- Titik D disebut titik Leidenfrost, dimana nilai heat flux di titik minimum. Setelah titik D, permukaan heater diselimuti oleh uap. Jika temperatur dinaikkan, maka heat flux akan naik dan terjadi heat transfer secara radiasi.

Daerah antara titik 1 – titik A

Titik A

Daerah antara titik A – titik B

Daerah antara titik B– titik C

Daerah antara titik C– titik D

Daerah antara titik D– titik E

Kecelakaan Parah di TMI-2

Dipicu oleh terhentinya pompa air-umpan (feed-water pump) yang secara otomatis reaktor akan shutdown dan turbin trip (berhenti).

Peningkatan tekanan pada sistem primer yang melampau batas operasinya (160 bar) menyebabkan pembukaan katup pembebas uap (relief valve) pada tabung penekan (pressurizer).

Pelepasan uap pada sistem primer melalui tabung penekan akan menyebabkan tekanan sistem primer turun secara cepat.

Persamaan Yang Digunakan

𝒒". 𝑨 = 𝒎𝒔𝒔. 𝒄𝒑.𝒅𝑻

𝒅𝒕

𝒎𝒔𝒔 = 𝝆. 𝑽 = 𝝆. [𝝅 𝑹𝟎𝟐 − 𝑹𝒊

𝟐 . 𝒍] 𝑨 = 𝟐. 𝝅. 𝑹𝒐. 𝒍

𝑞" = fluks kalor, W/m2 𝐴 = luasan dari penampang silinder luar (SS316), m2 mss = massa batang uji (SS316), kg 𝑐𝑝 = kalor spesifik batang uji, J/kg.K

dT/dt = perubahan temperatur pemanas terhadap waktu, K/s 𝜌𝑠𝑠 = densitas batang uji, kg/m3 𝑅𝑜, 𝑅𝑖 = jari-jari luar dan dalam anulus luar, m 𝐷𝑜, 𝐷𝑖 = diameter luar dan dalam anulus luar, m

Metodologi Penelitian

Posisi 14 termokopel pada batang pemanas

Metodologi Penelitian Komponen Eksperimen

- Batang Anulus berbahan stainless steel (SS316), dengan panjang tabung luar 1000 mm, panjang tabung dalam 1050 mm, panjang heated length 800 mm, diameter luar batang luar 45 mm, diameter dalam batang luar 41 mm, dan diameter luar batang dalam 39 mm.

- Bagian Heater ; terdiri dari kawat open coil heater berdiameter 2 mm dan insulating ceramic brick.

- Slide regulator voltage berdaya maksimal 25000Watt

- Dataq Instrument (type DI-1000 TC-8 S/N: 653) DAS

- Termokopel tipe K [Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy) ]

Proses Pengolahan Data

Data temperatur setiap detik direkam oleh Data Acquition

System, kemudian ditampilkan ke Personal Computer (PC).

Membuat kurva distribusi temperatur secara transien pada

masing-masing titik termokopel (TC).

Menghitung fluks kalor dan Texcess dari data eksperimen pada

setiap titik TC, lalu kurva hasil eksperimen dibandingkan

dengan kurva pendidihan Nukiyama.

Diagram Alir Penelitian

Analisis Data dan Pembahasan 1. Kenaikkan Temperatur

Anul

us

SS31

6

He

ate

r He

ate

r

ATAS

BAWAH

Alira

n u

dara

masu

kA

lira

n u

dara

kelu

ar A

liran

ud

ara

kelu

ar

Alira

n u

dara

masu

k

0 100 200 300 400 500 600

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

TC10

TC9

TC8

TC7

TC6

TC5

TC4

TC3

TC2

TC1

V = 140.3 volt

I = 51.98 A

t = 6263 detik

Profil kenaikan temperatur (Tw = 600

oC)

Po

sis

i T

C p

ad

a H

ea

ted

Ro

d (

mm

)

Heated rod, Tw (oC)

Pada bagian bawah, temperaturnya paling rendah dikarenakan di bagian bawah berada pada daerah semburan aliran udara yang berasal dari udara lingkungan bertemperatur rendah dan fluks kalor yang kurang rapat dibandingkan pada bagian tengah (dan bagian atas).

Lanjutan . . . . 2. Transien Temperatur Selama Quenching pada Ti = 600 oC

0 100 200 300 400

0

100

200

300

400

500

600

Awal pembasahan TC3

Awal quenching

Temperatur Transien Pendinginan Quenching Ti=6000C

Tem

pera

tur

Bat

ang

Uji

(0 C

)

Waktu Pendinginan (detik)

TC-1

TC-2

TC-3

TC-4

TC-5

TC-6

TC-7

TC-8

TC-9

TC-10

Awal quenching Ti = 600 oC, waktu yang ditempuh untuk pendidihan film lebih lama dari temperatur awal quenching yang lain, yaitu 200 detik di TC3

Lanjutan . . . . 2. Transien Temperatur Selama Quenching

0 100 200 300 400

0

100

200

300

400

500

Akhir Pendidihan

Awal pembasahan TC3

Awal quenching


Tem

per

atur

Bat

ang U

ji (

0C

)

Waktu pendinginan (s)

TC-1

TC-2

TC-3

TC-4

TC-5

TC-6

TC-7

TC-8

TC-9

TC-10

Awal quenching Ti = 500 oC, waktu yang ditempuh untuk pendidihan film lebih cepat dari awal quenching Ti = 600 oC, yaitu < 200 detik di TC-3.

Lanjutan . . . . 2. Transien Temperatur Selama Quenching

0 100 200 300 400

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Awal pembasahan

Tem

per

atur

Bat

ang U

ji (

0C

)

Waktu pendinginan (s)

TC-1

TC-2

TC-3

TC-4

TC-5

TC-6

TC-7

TC-8

TC-9

TC-10


Awal quenching

Akhir Pendidihan

Awal quenching Ti = 400 oC, waktu yang ditempuh untuk pendidihan film lebih cepat dari awal quenching Ti = 500 oC, yaitu 30 detik di TC-3.

Lanjutan . . . . 3. Koefisien Heat Transfer (Konveksi) Selama Quenching

0 2 4 6 8 10

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000 Perubahan nilai koefisien h secara vertikal metode lumped capacitance

Ti = 400oC

Ko

efisie

n h

(W

/m2.K

)

Posisi TC (mm)

Koefisien h

0 2 4 6 8 10

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Ko

efisie

n h

(W

/m2.K

)

Posisi TC (mm)

Koefisien h

Perubahan nilai koefisien h secara vertikal metode lumped capacitance

Ti = 500oC

0 2 4 6 8 10

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000Perubahan nilai koefisien h secara vertikal metode lumped capacitance

Ti = 600oC

Ko

efisie

n h

(W

/m2.K

)

Posisi TC (mm)

Koefisien h

Nilai koefisien h terlihat semakin besar pada posisi termokopel yang semakin ke bawah, karena pada posisi tersebut (TC10) terkena air pendingin terlebih dahulu.

Lanjutan . . . . 4. Hasil Perhitungan Fluks Kalor Selama Quenching

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

6.30

6.32

6.34

6.36

6.38

qmin

qmax

Minimum

Heat Flux

Film

Bo

ilin

g

Transition

Boiling

Critical Heat Flux

Nucleate Boiling

Nature/free

convection

q" pada TC1 saat Tinitial

= 6000C log q"

log

q"

(W/m

2)

log (Tw-Tsat) (K)

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

6.30

6.32

6.34

6.36

6.38

qmin

qmax

Minimum

Heat Flux

Film

Bo

ilin

g

Tra

nsitio

n

Bo

ilin

g

Critical Heat Flux

Nucleate Boiling

Nature/free

convection


= 5000C

log q"

log

q"

(W/m

2)

log (Tw-Tsat) (K)

2.5 2.6 2.7 2.8

6.30

6.32

6.34

6.36

6.38

Minimum

Heat Flux

qmin

qmax

Critical Heat Flux

Nature/free

convection

Film

Bo

ilin

g

Transition

Boiling

Nucleate Boiling


= 4000C

log q"

log

q"

(W/m

2)

log (Tw-Tsat) (K)

Semakin tinggi temperatur awal, maka rejim pendidihan film yang berlangsung lebih lama dan rejim pendidihan inti lebih cepat. Nilai heat flux pada Ti = 600 oC di TC-1,adalah 𝒒"𝑪𝑯𝑭 = 2187.76 kW/m2.

KESIMPULAN

Nilai koefisien h terlihat semakin besar pada posisi TC yang semakin ke

bawah karena pada posisi tersebut terlebih dahulu terkena air pendingin,

dan kenaikan nilai h bertambah seiring perkembangan didih transisi karena

mulai bertemu muka antara permukaan heated rod dgn uap maupun air.

Semakin tinggi temperatur awal, maka rejim pendidihan film yang

berlangsung lebih lama dan rejim pendidihan inti lebih cepat dan sebaliknya.

Didapatkan nilai 𝒒"𝑪𝑯𝑭pada temperatur awal 600 oC adalah 2187.76

kW/m2 dan nilai temperatur wall superheat sebesar 588.84 K.

KESIMPULAN

Fenomena penggenangan air dari bawah ke atas (bottom flooding) memberikan

dampak pada waktu saat rewetting, dikarenakan aliran uap air searah dengan air

pendingin sehingga tidak terjadi peristiwa counter current flow (CCF). Adapun waktu

yang dibutuhkan selama rewetting dengan bottom flooding pada temperatur awal 400,

500 dan 600oC adalah 30, 50 dan 63 detik, sedangkan dengan falling water pada

temperatur awal 250, 450, 700, dan 800oC berturut-turut adalah 75, 200, 375, 475

detik. Dan fenomena lain adalah nilai critical heat flux (CHF) bertambah besar

dibandingkan dengan penelitian sebelumnya (falling water) jauh lebih besar.

TERIMA KASIH

“Barangsiapa yang mengerjakan kebaikan seberat dzarrahpun, niscaya dia akan melihat (balasan)nya. Dan barangsiapa yang mengerjakan kejahatan sebesar dzarrahpun, niscaya dia akan melihat (balasan)nya pula.” [QS. Az-Zalzalah: 7-8]

Dahsyatnya Si Kecil (Ad-Dzarrah = Atom)

studi eksperimental perpindahan kalor di dalam celah...

Documents