PENELITIAN EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN PANAS PADA CELAH SEMPIT ANULUS: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN ALAT

Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), ISSN 1410-9565 Volume 10 Nomor 2 Desember 2007 (Volume 10, Number 2, December, 2007) Pusat Teknologi Limbah Radioaktif (Radioactive Waste Technology Center)

PENELITIAN EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN PANAS PADA CELAH SEMPIT ANULUS: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN ALAT Mulya Juarsa*, Efrizon Umar**, Andhang Widi Harto*** * Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir - BATAN ** Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri - BATAN *** Jurusan Fisika Teknik, Fak.Teknik, UGM ABSTRAK PENELITIAN EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN PANAS PADA CELAH SEMPIT ANULUS: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN ALAT. 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 ABSTRACT EXPERIMENTAL RESEARCH ON HEAT TRANSFER IN ANNULUS NARROW GAP: APPARATUS CONSTRUCTION AND TESTING. The 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

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 selanjutnya 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

36

Jurnal Teknologi Pengelolaan Limbah (Journal of Waste Management Technology), Vol.10 No.2 2007

ISSN 1410-9565

(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 dipindahkan 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 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 alat. 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.

37

Mulya Juarsa, Efrizon Umar, Andhang Widi Harto : Penelitian Eksperimental Perpindahan Panas Pada Celah Sempit Anulus: Konstruksi Dan Pengujian Alat

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. Didih Inti

q (W/m2)

Konveksi bebas

Didih Transisi

C

Didih Film

FKK

E

qmak

B

Kolom terisolasi

A

qmin D

Didih film minimum

∆ Ts (K) Gambar 2. Kurva pendidihan pada didih kolam [11] 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:

 k  q = Nu.  g  ∆ Ts  Dh 

(1)

Bromley[12] melakukan eksperimen didih kolam dengan menggunakan pelat vertikal panas untuk memahami perpindahan panas didih film dan menghasilkan korelasi, sebagai berikut

 k g3 g ρ g ( ρ f − ρ g ) H fg  hB = C   µ g ∆ Ts Le  

1

4

(2)

untuk pelat vertikal C = 0,667 – 0,943 Rejim Didih Transisi dan Didih Inti Pada rejim ini, korelasi Kutateladze (1952) dimodifikasi oleh Murase et al.[7],

 k f ∆ Ts  qH   L  = C        ρ g h fgν f  ∆ Ts   k f 

n1

  PL  n2      σ 

(3)

dengan menggunakan nila-nilai C, n1 and n2 berdasarkan data Henry and Hammersley[13] untuk ukuran celah 2,0 mm, sbb :

−

Didih inti (nucleate boiling) : Untuk air panas lanjut rendah Untuk air panas lanjut tinggi

C = 1,1; n1= 0,3; n2= 0,32 C = 2,2; n1= -0,1; n2= 0,32

38


−

Didih transisi (transition boiling) : C = 1,2x1014;

ISSN 1410-9565

n1= -5,5, n2= 0,32

Klasifikasi Ukuran Celah Sempit Sedangkan klasifikasi ukuran celah telah dikemukakan 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 Celah nano transisional

0,01 mm ≥ Dh > 0,001 mm

Celah nano molekular

0,0001 mm ≥ Dh

0,001 mm ≥ Dh > 0,0001 mm

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 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. 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

Keramik pemanas Plenum bawah Batang dipanaskan & tabung gelas kuarsa

support Kabel listrik

Kabel termokopel (14 bh)

Gambar 3. Foto Bagian Uji HeaTiNG-01 Komponen Utama (Bagian Uji HeaTiNG-1) : Plenum atas (tempat menampung air) 39


-

-

Tabung gelas quartz (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). Tabel 1. Konfigurasi ukuran batang pemanas berdasarkan ukuran celahnya Ukuran celah ID tabung quartz OD tabung pemanas SS304 [mm] [mm] δ [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) 3 termokopel (radial) 1 termokopel 1 termokopel 1 termokopel 1 termokopel 1 termokopel 1 termokopel

3 posisi radial

3 termokopel (radial)

1 termokopel (puncak)

Gambar 4. Posisi 14 termokopel pada batang pemanas Kompenen lainnya adalah flange-flange dan material pengikat antara tabung gelas kuarsa dengan batang pemanas. 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 dimasukka 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.

40


ISSN 1410-9565

2. Komponen Instrumentasi Terkait dengan pemotongan anggaran sebesar 14,5%, menyebabkan penggunaan Sistem Akusisi Data (DAS, Data Acquaition System) dengan laju perekaman data 100 data/detik tidak dapat digunakan. Sehingga, dalam eksperimen ini yang digunakan adalah DAS yang dimiliki Laboratorium Termohidrolika (Dataq Instruments, USA) , dengan laju perekaman data 5 data/detik dengan jumlah kanal 24 kanal. 3. Komponen lainnya Telah disiapkan kamera video digital dengan jenis NTSC, untuk kecepatan film 30 fps (frame persecon). Selain video kamera, digital kamera juga akan dipergunakan untuk memfoto proses pelaksanaan eksperimen dan keadaan-keadaan yang dianggap penting, selama eksperimen berlangsung. Selain itu penopang kamera bergerak dengan motor digunakan untuk mejaga kestabilan gambar dan konsistensi jarak antara kamera dengan objek yang direkam.

Akhir pengamatan/ perekaman

t = th

Air dimasukkan

Heater dimatikan

t=0

Keramik heater dibuka

Heater dihidupkan

Keramik heater ditutup

Pengujian Rencana pelaksanaan eksperimen untuk penelitian eksperimental perpindahan panas pada celah sempit anulus terbagi berdasarkan urutan kegiatannya (lihat Gambar 5).

t = to

Tahap 1. Pemanasan Awal

t = tin

t = tf

Tahap 3. Eksperimen Tahap 3. Pendinginan radiasi

Gambar 5. Diagram tahapan eksperimen perpindahan panas pada celah sempit 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 pertama kali 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.

41


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, sebagai berikut: 20000

Data perhitungan daya karakterisasi daya

18000

Daya, P [watt]

16000 14000 12000 2

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

10000 8000 6000 4000 2000 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Tegangan, V [volt] 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 diindikasikan dengan kenaikan temperatur batang dipanaskan tidak terlihat. Hal inimenunjukkan 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.

42

o

Temperatur, T [ C]


ISSN 1410-9565

Kurva temperatur pemanasan

900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

listrik dimatikan o temp. puncak = 845 C t = 7185 detik

TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 TC6 TC7 V = 160 volt I = 60,7 A P = 9,85 kWatt

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

waktu, t [detik] Gambar 8. Kurva kenaikan temperatur batang dipanaskan terhadap waktu Tahapan pemanasan berlangsung selama 7000 detik. Tahap uji pemanasan ini hanya 8 titik termokopel saja yang digunakan, dengan pertimbangan hanya bagian yang dipanaskan (heated length) saja yang datanya direkam.

o

Temperatur Batang Dipanaskan, T [ C]

Kurva Penurunan Temperatur Transien (Radiasi) 900 o

Tpuncak = 850 C

800

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

700 600 500 400 300 200 100 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Waktu, t [detik]

Gambar 9. Kurva penurunan temperatur batang dipanaskan terhadap waktu 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 bagaimana bentuk kurva penurunan 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:

43


TC-1

:

T (t ) = 41,4 + 421,2e − t / 2921, 2 + 385,7e − t / 766,8

TC-2

:

T (t ) = 41,2 + 425,2e − t / 2921, 2 + 385,1e − t / 771, 2

TC-3

:

T (t ) = 41,0 + 435,1e − t / 2945, 2 + 365,1e − t / 779,3

TC-5

:

T (t ) = 41,9 + 448,3e − t / 2960, 2 + 355,8e − t / 749,5

TC-6

:

T (t ) = 38,4 + 463,2e − t / 2942,82 + 327,3e − t / 732,8

TC-7

:

T (t ) = 8,3 + 339,6e − t / 1826, 4 + 119,2e − t / 8497 ,6

TC-8

:

T (t ) = 36,8 + 380,3e − t / 3051, 4 + 281,5e − t / 904,1

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 Gambar 10. Analisis mendalam belum dilakukan mengingat pengujian ini hanya untuk memastikan kemampuan bagain uji terhadap proses pendinginan oleh air.

1000

o

Temperatur TC, Tw [ C]

o

Ti = 850 C

δ = 2,0 mm

900 800 700

posisi radial TC2

600 500 400 300 posisi radial TC9

200 100

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

0 0

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

waktu, t [detik]

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 wall superheat (selisih temperatur pengukuran dengan temperatur saturasi air). 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 44


ISSN 1410-9565

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 disebabkan 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 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 Current Flow Limitation, CCFL) pengaruhnya semakin kuat.

1000

δ= 2,0 mm

o

Tinitial= 850 C, TC6

2

2

M

ur

as

e

un

tu

k

N

B

TB

100

n tu k se u

Fluks Kalor, q [kW/m ]

M u ra

qCHF = 264.93 kW/m

Br

10

La

1 1

10

m

i

r na

va

po

om

rf

lo

le y

w

,N

u=

4.

0

100

1000

o

Wall Superheat, ∆Twall [ C]

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 thermal schock, gangguan temperatur tinggi, dan pendingin batang pemanas dengan air tidak menimbulkan letupan air yang berlebih. KESIMPULAN Kegiatan ini telah dilaksanakan selama kurun waktu 10 bulan, sehingga kesimpulan yang dapat disampaikan dari konstruksi dan pengujian adalah ;

− −

−

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. Sarana untuk melakukan penelitian kecelakaan parah, khususnya geometri celah sempit anulus tealh dikonstruksi dan diuji 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).

45


DAFTAR PUSTAKA 1. U.S. NRC (2007) The Accident At Three Mile Island, http://www.nrc.gov/reading-rm/doccollections/fact-sheets/3mile-isle.pdf, USA 2. Broughton, J.M. et al (1989) A Scenario on The Three Mile Island Unit 2 Accident,” Nuclear Technology, Vol. 87, No. 1, USA. 3. Sehgal, B. R. et al (1999) Investigation on Melt-Structure-Water Interaction (MSWI) During Severe Accident”, SKI Report 99 :42, Stockholm. 4. Monde, M., Kusuda, H. and Uehara, H (1982) Critical Heat Flux During Natural Convective Boiling in Vertical Rectangular Channels Submerged in Saturated Liquid, Transactions of the ASME, 104: 300-303 5. Chang, Y. and Yao, S. C (1983) Critical Heat Flux of Narrow Vertical Annuli with Closed Bottoms”, Trans of ASME, 105:192-195. 6. Ohtake, H., Koizumi, Y. and Takahashi, A (1998) Study on Rewetting of Vertical-Hot-Thick Surface by a Falling Film, JSME 64(624):181-189 7. Murase, M., Kohriyama, T., Kawabe, Y., Yoshida, T. And Okano, Y (2004)“Heat Transfer Models in Narrow Gap”, Proceeding of ICONE-9, Nice, France 8. Tanaka, F., Juarsa, M., Mishima, K (2003) 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 (2003)“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 (1994) Maximum and Minimum Values of Heat Transmitted from Metal to Boiling Water under Atmospheric Pressure, Journal of the Japanese Society of Mechanical Engineering, 37:367 11. Kandlikar, S.G. et al (1999) Handbook of Phase Change: Boiling and Condensation, Taylor and Francis”, p.64,. 12. Bromley, L.A (1950)., Heat Transfer in Stable Film Boiling, Chemical Engineering Program, 46:.221. 13. Henry, R.E. and Hammersley, R.J (1999) Quenching of Metal Surfaces in a Narrow Annular Gap, 5th International Conference on Methods in Nuclear Engineering, Montréal 14. Satish G. Kandlikar (2002), Heat Transfer Mechanisms during Flow Boiling in Microchannels, Journal of Heat Transfer 8(26).

46

PENELITIAN EKSPERIMENTAL PERPINDAHAN PANAS PADA CELAH SEMPIT ANULUS: KONSTRUKSI DAN PENGUJIAN ALAT

Recommend Documents