Prosiding Seminar ke-7 Teknologi don Keselamatan PLTN Serlo Fasilitas Nuklir Bandung, 19 Februari 2002
ISSN: 0854 -2910
PERHITUNGAN LAJU PENGUAPAN AIR KOLAM PENDINGIN REAKTOR RSG-GAS SukmantoDibyo Pusat PengembanganTeknologi Reaktor Riset -BATAN
ABSTRAK PERHITUNGAN LAJU PENGUAPAN AIR KOLAM PENDINGIN REAKTOR RSG-GAS. Laju penguapan kol3Il1 reaktor perlu diketahui karena berkaitan dengan proses pengendalian humiditas ruangan clan pen3Il1bahan air kol3Il1. Telah dihitung besarnya laju penguapan air daTi kol3Il1 reaktor clan kol3Il1 penyimpan bahan bakar pada balai operasi reaktor RSG-GAS. Laju penguapan dapat dihitung berdasarkan data suhu, tekanan, koefisien transfer massa clan par3Il1eter pendukung lainnya. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa suhu kol3Il1 reaktor sangat berpengaruh terhadap laju penguapan air kol3Il1, sedangkan suhu udara tidak memberikan d3Il1pak yang cukup signifikan terhadap penguapan. Berdasarkan data yang tersedia clan dengan mengganggap suhu sistem air hangat sebesar 46 °c menunjukkan laju penguapan adalah :i:8 kg/j3Il1. Penguapan ini 13Il1bat-laun dapat menyebabkan tingginya humiditas balai operasi bil3Il1ana suhu sistem pendingin ventilasi senantiasa berada di atas titik embun. Penurunan ketinggian air kol3Il1 akibat penguapan relatif kecil, meskipun tanpa pen3Il1bahan air kol3Il1 reaktor. Batas minimum ketinggian air kol3Il1 akan tercapai setelah 46 hari.
Kata kunci : laju penguapan,reaktor
ABSTRACT EVAPORATION RATE CALCULATION OF THE RSG-GASREACTOR COOLING POOL WATER: Evaporation rate is necessary to be known becauseit is closelyrelated to humidity control and make-upofpool water. Thispaper calculates the evaporation ratefrom the reactor pool to the operation hall of the RSG-GAS.Theevaporation rate was calculated based on temperature,pressure,mass-transfercoefficient and other complementdata. Calculation result indicates that the reactor pool temperaturehas a great influenceto the evaporationrate. Whereasair temperaturegives very small effect to the evaporation. Basedon the collecting data and warm water layer temperature of 4~C, the evaporation rate wasfound to be 8 kglhr. This evaporationcausesgradually humidity increase at the operation hall if temperature of ventilation cooling systemis mostlyhigher than its dewpoint. As the consequenceof evaporation, the decrease of pool water level is relatively small even without the pool make-upsystemoperation. The minimum level ofpool waterwill be reachedafter 46 days. Kevwords: Evaporation Rate, Reactor.
234
Prosiding Seminar ke-7 Tekn%gi don Kese/amatanPLTN Serlo Fasi/itas Nuk/ir Bandung, 19 Febrnari 2002
ISSN.. 0854 -2910
PENDAHULUAN Reaktor RSG-GAS merupakanjenis reaktor kolam terbuka yang mempunyai sistempendingin untuk mengambil kalor yang dibangkitkan oleh teras reaktor dengan menggunakan pompa-pompa sirkulasi. Energi kalor ini dipindahkan oleh sistem pendingindan dilepaskanke lingkunganmelalui menarapendingin. Salah satulangkahpenting untuk mengoperasikanreaktor denganarnanadalah mengetahuilaju besamyapenguapanair kolam ke udara balai operasi(operation hall) reaktor RSG-GAS. Ada 2 faktor utama yang berperan dan berpengaruhterhadap kandungan air di balai operasi yakni penguapan air kolam dan kandungan air yang dibawa oleh pasokanudaraluar. Penguapanadalahprosesterjadinyatransfermassauap air daTi kolam reaktor dan kolam penyimpanbahan bakar bekas ke udara yang dapat memberikan sumbangsihpada kandunganair di ruang tersebut. Laju penguapandapat dihitung denganmenggunakanhukum Fick yang disusun daTipersamaankontinyuitas massa koordinat tegak (z). Kandungan air yang tinggi di suatu ruangan dapat berdampaknegatif sepertipeningkatanlaju korosi pada komponenyang ada di ruang tersebut, yang selanjutnya dapat mengakibatkan terganggunya operasi reaktor. Disamping itu hat tersebut,juga berakibatburuk pada ketahanandan usia komponen instrumentasi pengendali reaktor. Perlu diketahui bahwa umumnya komponen elektronik mempunyaisensivitasyang tinggi terhadapkelembaban. Telah dilaporkan bahwa kinerja pendingin sistem ventilasi balai operasi tidak bekerja secaramaksimalsehinggahurniditaspada ruangantersebutseringkalimencapai batas maksimum(70%), sementaraitu untuk menurunkannyatelah dilakukan langkahlangkah sementarayaitu dengan cara menaikkan suhu udara ruangan.II)Beberapa detektor neutronjuga telah diupayakanuntuk menghindarihumiditasyang tinggi. Tujuan perhitungan ini adalah untuk memperkirakanbesarnyalaju penguapan uap air daTipermukaankolam reaktor yangterlepasdi balai operasireaktor RSG-GAS. Dengan diketahuinya laju penguapanini, maka salah satu faktor penyebabkenaikan hurniditas ruangan ini dapat diidentifikasi, selanjutnya langkah solusi yang tepat diharapkandapatdilakukan terhadapproseskondensasipada sistemventilasi.
235
}
Prosiding Seminarke-7 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir Bandung. 19 Februari 2002
ISSN: 0854 -2910
SISTEMKOLAM REAKTOR Ruangan Balai Operasi
Gambar IlustrasiPenguapanair kolam Kolam terdiri dari dua bagianyakni kolam reaktordan kolam penyimpanbahan bakar bekassebagaimanaditampilkan pada Gambar 1. PadaGambar ini diperlihatkan bahwapenguapanbisa terjadi pada ke dua kolam tersebut.Udara di ataskolam adalah ruangan tertutup (balai operasi) yang dilengkapi dengan sistem ventilasi. Tekanan ruangansekitar1 mbar lebih rendahdaripadatekananudaraluar. Data geometrikolam ditunjukkan sebagaiberikut : [2) .Diameter
Kolam Reaktor: 5,00 m. (luas permukaan: 19,64 m2)
KedalarnanKolarn Reaktor: 13,75 m PanjangKalam PenyimpanBahanBakar: 5,70 m Lebar Kalam PenyimpanBahanBakar : 5,00 m .Kedalaman
Kolam PenyimpanBahanBakar : 6,60 m
.Ketinggian
Normal Air Kolam Reaktor: 12,5 m
Luaspemlukaan: 28,5 m2
Data pendukunguntuk melengkapiperhitungansebagaiberikut: .Tekanan .Suhu
udara0,999 bar. (llPudara=O,1 mbar)
sistemair hangatsampai46°C.
SuhuudaraBalai Operasisampai2SoC. Penguapan dapat berlangsung ketika udara berada dalam keadaan tidak jenuh (unsaturated) dan disertai dengan proses transfer kalor. Transfer kalor merupakan fenomena yang senantiasa dapat terjadi akibat perbedaan suhu media dan kalor laten. 236
Prosiding Seminar ke-7 Teknologi dan Keselamafan PLTN Serfa Fasilifas Nuklir Bandung, 19 Februari 2002
ISSN.. 0854 -2910
Sistemkolam reaktor memiliki lapisan air hangat(warm water layer) pada permukaan kolam di mana suhunyalebih tinggi daripada suhu air kolam, dengankedalaman air hangatsekitar 1,5 m daTipermukaanair. Sistemair hangatini berfungsi untuk menjaga naiknya impuritas aktivasi material ke permukaan kolam. Sementara suhu udara ruangan balai operasi dipengaruhi oleh sistem pendingin ventilasi dan larnpu-Iampu
mangan. Di atas peffilukaan kolam reaktor dilengkapi dengan sistem ventilasi kolam reaktor KLA-60 sehinggadapatmengurangiudara kontarninansebagaiakibat produk penguapanterlepasdi balai operasi. METODA PERHITUNGAN Apabila udaratidak jenuh beradadi perrnukaanair makaakanterjadi penguapan air ke udara, hat ini kemudian berakibatterhadapkenaikanhumiditasudara. Perbedaan suhu antaraudara dan perrnukaanair juga mengakibatkantransferkalor. Padakeadaan kesetimbangan,kalor yang ditransfer merupakan energi yang terbawa ketika proses penguapan terjadi. Jadi laju penguapanmerupakanproses laju transfer massa pada interfaceantaraair denganudara. Penguapanair adalahprosestransferantarfasayang dapatterjadi secara"difusi molekuler" maupun transfermassasecara"konveksi". Hukum Fick untuk kejadian ini adalahmenyusunsuatufluks massamolar dari persamaankontinuitas sistemkoordinat yang diturunkan menjadi persamaansebagaiberikut: [4]
NQ =-cDQuVxQ
+xQ(NQ
+N.
(1)
Pa1
Gambar2. TransferMassaSistemBiner Koordinat z
237
Prosiding Seminar ke-7 Tekn%gi don Kese/amalan PLTN Serlo Fasi/ilas Nuk/ir Bandung, 19 Februari 2002
ISSN: 0854 -2910
Persamaan fluks penguapan dengan meninjau koordinat sumbu z (tegak lurus) sebagaimanaditunjukkan padaGambar2 adalah:
t
t
Fluks dng Meninjau
-+
Difusi
Bulk flow
sb,z
Oleh karena transfer massaudara (gas) ke air sangatkecil (NaZ»>NuZ) maka laju transfermassamelalui interfaceair-udaramenjadi, Naz = -~
cD au ~ dz
N az I z = z! = -
.(3)
~!!-ln (Z2 -Zl)
~.
.(4)
Xa)
Pemyataanini menunjukkanbahwa transfer massaberhubungandenganfraksi molar (x), kemudian persamaanini dapatjuga dinyatakandalam tekanantotal daD tekanan parsialsebagaiberikut : pDau
N az I z = zl = -
RT (Z2 -ZI)
Infu
.(5)
Pili
Keterangan: NaZ: Fluks penguapan(gmol/detik.cm1; Dau: koefisiendifusi air denganudara(0,28 cm2/detik)[5). R : konstantagas (84784 gr.cm/gmol.K). T: suhuudara (OC+273); p: tekanan(gr/cm1, Laju Penguapan: NaZx LuasPermukaanKolam x BeratMol.H20 Penguapanair ke udara selaluberkaitandenganhumiditas,kenaikankandungan uap air (moisture) di udara adalal1merupakanproseshumidifikasi. Dalam prosesini, uap air ditransfer oleh air ke udara melalui penguapanclan difusi clansecarasimultan mentransferkalor dan massauap air. Unit massauap air yang adapada unit massaudara kering (disebut humiditas) ini diungkapkandalam grafik yang lazim digunakan untuk menemukan watak campuran udara-uap air. Grafik ini dikenal sebagai grafik psikrometrik (Psychrometricchart)yang disajikanpada Gambar3(6).
238
.
Prosiding Seminar ke- 7 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serra Fasilitas Nuklir Bandung, 19 Februari 2002
ISSN: 0854 -2910
Hubungan suhuudara sebagaisumbu aksisterhadaphurniditasditunjukkan oleh gambar ini. Suhu titik embun (dew point) dapat diperolehdengancara menarik garis daTigrafik hu~ditas udara (X%) menujugarisjenuh (hurniditas100%) [71.
Gambar 3. Grafik Psikrometri
Berdasarkan deskripsi sistem kolam reaktor dan data yang tersedia dapat dihitung besamya laju penguapanmemakai persamaan(5). Peubah (variable) suhu udara daD suhu kolam reaktor digunakan dalam perhitungan,denganmaksud untuk mengetahui berbagaipengaruhsuhuterhadapbesarankuantitatiflaju penguapan.Untuk perhitungan ini dikerjakan denganmembuatprogram komputer. Selanjutnyapenguapanberdampak pactakenaikanhumiditas, oleh karena itu kondisi humiditas udara perlu diketahui lebih lanjut denganbantuangrafik Gambar3. Beberapaasurnsilogis yang dipakai dalamperhitunganlaju penguapanadalah: Koefisien difusi uap air ke udara relatiftetap. Penguapanberlangsungmelalui difusi ketebalanlapisan (superimpose)dan transfer massakonveksi antar fasa (air ke udara). GerakanUdara di ruangandiabaikan.
239
.
.*~ ~ ~
Prosiding Seminar ke-7 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir Bandung. 19 Februari 2002
ISSN: 0854 -2910
HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 4 menyajikanhasil perhitunganlaju penguapanair yangteras di ruang balai operasi, laju penguapantampak sedikit berkurangsebagaiakibat kenaikan suhu udara Apabila
suhu ruangan naik 2°C maka kenaikan suhu tersebut hanya akan
mengurangilaju penguapansekitar 0,7%. Gambar4 juga menunjukkanlaju penguapan ketika reaktor sedangdioperasikanmaupunketika reaktordalam keadaanpadam, ada kenaikan suhu pada sistem air hangatkolam reaktordenganlaju penguapansebesar8 kg/jam. Dalam kondisi reaktor tidak dioperasikan,jumlah penguapanair daTi kolam relatif sedikit (sekitar 38% lebih rendah dibanding kondisi operasi). Namun demikian hal ini dapat memberikan kontribusi yang cukup berarti terhadapkondisi hurniditas ruangan balai operasi. Pengaruh ini terjadi karenajumlah uap yang dikondensasikan tidak sebesarjumlah uapyang dibangkitkan.
-Operasi ...~
Tdak
Operasi
~t. 20
18
22
24
Suhu Udara (Ruangan)
26
28
oC
Garnbar 4. Laju Penguapan vs. Suhu Udara
Penguapanair yang terus-menerusdari kolam menyebabkankenaikanhumiditas udara, hal ini didukung dengan kondisi suhu sistem ventilasi di balai operasi yang cukup tinggi, sementaraitu humiditas udara di balai operasibertluktuasi pada kisaran 60% sampai 70%[1]. Kondisi yang dikehendaki adalah apabila sistem pendingin ventilasi yang mampu menurunkan suhu udara di dalam pengembun (condenser)di bawah suhutitik embun. Grafik Psikrometri dapat digunakan untuk menentukansuhu titik embun, pada suhu udara 26°C denganhumiditas 60% titik embunnyaadalah 16°C, sehinggadalam 24C
Prosiding Seminar ke-7 Teknologi don Keselamafan PLTN Serra Fasilifas Nuklir Bandung, 19 Februari 2002
ISSN: 0854 -2910
hal ini dapat difahami bahwa kondensasidapat terjadi bilamana suhu udara beradadi bawah titik embunnya. Kondensasiyang tidak sempumadapat mengakibatkanmassa uap air yang tidak terkondensasi bertambah sebagai fungsi waktu, kondisi ini mengakibatkanmudah tercapainyabatas humiditas yang disyaratkandi balai operasi reaktor. Pada sisi lain, data pengamatanmenunjukkan bahwa humiditas udara luar cukup tinggi yaitu sekitarantara85% hingga 91%[8). Telah dilaporkan dalam penelitian sebelumnnya bahwa basil pengukuran volume air kondensatdaTisistemventilasi "daerahradiasi" menunjukkankisaranantara 4,4 hingga 9,0 liter/jam [9). Angka ini tentunya dapat dikatakan rendah dibandingkan denganbasil perhitunganlaju penguapan,mengingatpasokanudaraluar juga membawa kandunganair denganhumiditastinggi. 10 ~Peng\JapaI1TQtal
E .~
7
-c,
~
c
6
m 0m
:J
5
C Q)
4
'" Q. :J
-''to'
3
:0 t:
;,-.;,-.;.;,
:c.;._.;,-",.,-.-;;;.;-.;;;;,;,,;-;;.--;;;."~
--
...~..~ 20
24
,.-_.;_.., 28
32
;.-~
40
36
Suhu Air Hangat Kolam Reaktor
44
(oC)
Gambar 5. Laju Penguapan vs. Suhu Air hangat Kolam
Padabagian di ataskolarn reaktor, kondensathasil pendinginansistemventilasi kolarn reaktor (KLA 60) di kembalikanke kolarn penyimpananbahanbakar bekas(JAA 02). Sistem ventilasi KLA 60 ill juga dapat memicu laju transfer massakonveksi. Berdasarkandata ventilasi menunjukkan bahwa sekitar 60% udara di ataspermukaan kolarn reaktor melalui sistem ventilasi ini!l). Oari keadaanini maka dapat dikatakan sumberpenguapanadalahdari kolarn reaktor sekitar 40% ditarnbahpenguapankolam penyimpananbahanbakar. Besamyapenguapanair kolam dapatdilihat padaGambar5. Gambar ill
menampilkan pengaruh suhu sistem air hangat kolam terhadap laju
241
Prosiding Seminar ke-7 Teknologi dan KeselamatanPLTN Serta Fasilitas Nuklir Bandung, 19 Februari 2002
ISSN: 0854 -2910
penguapan.Grafik penguapanmenunjukkanpeningkatanpenguapanuap air yang sangat berarti oleh kenaikansuhukolam. Penguapanuap air kolam juga berakibat berkurangnyaketinggian (level) air kolam tetapi angka penurunanini relatif kecil sekalipuntanpa penambahanair, batas minimum ketinggian 12,245 m akantercapaisetelah46 hari (Gambar6).
waktu (hari)
Garnbar6. Grafik KetinggianAir Kolarn
KESIMPULAN Dari uraian yang dikemukakan pada pembahasandapat dituliskan beberapa pokok kesimpulansebagaiberikut : Laju penguapan air dari kolam ketika reaktor beroperasi adalah 8 kg/jam, sedangkanpada kondisi reaktor tidak beroperasi,laju penguapanturun sebesar 38 %. Pada rentang suhu udara antara 20°C sampai 28°C, perbedaan terhadap laju penguapan kolam tidak signifikan. Untuk itu disarankan perlunya pengendalian humiditas dengan peningkatan kinerja condenser pada sistem ventilasi di balai operasi. Kondensasi yang sempurna tidak dapat terjadi bilamana suhu pendingin di dalam sistem ventilasi dengan humiditas mendekati nilai batas ini berada di atas titik embunnya. Massa uap yang tidak terkondensasi di udara balai operasi akan bertambah sebagai fungsi waktu.
242
5. N.Y.
Prosiding Seminar ke-7 Teknologi don KeselamalanPLTN Serlo Fasililas Nuklir Bandung, 19 Febroari 2002
ISSN: 0854
DAFTARPUSTAKA SLAMET WlRANTO dkk, 'Pengaruh Pemadaman Lampu Besar Terhadap Kelembaban Udara Balai Operasi', Prosiding Seminar Hasil Penelitian P2TRR Th.2000, hat 96. 2. BATAN, 'SafetyAnalysis Report', chapterS,Rev.8,1999.
3. SRIAWAN dkk., RancanganSistentSaluran KondensasiKLA-60, Prosiding SeminarHasil PenelitianP2TRRTh.2000, hall 05. 4
BIRTH
RB eta.,' Interphase Transport in Isothermal Systems', Transport
Phenomena,Chapter 6, Dept.of Chem.Eng.Univ.ofWisconsin, J.Wiley & Sons,
CUSSLER EL,'Mass Transfer In
Fluid System', Part II-Diffusion,
CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS,1984
6.
PERRY HR, 'Chentical Engineer's Hand Book', 6 Edition, Sect. 10, Mc.Graw Hill Book Co, New York, 1984.
7. CABE MC-SMITH J, 'Mass Transfer', Unit Operationof Chemical Engineering, Chapter 10, InternationalStudentEdition, Mc.Graw Hill Book Co, 1958. 8. SENTOT A.H, Evaluasi Unjuk Kerja Sistem Ventilasi RSG-GAS Setelah 10 Th. Operasi, ProsidingSeminarHasil PenelitianP2TRRTh.1999, hal.94. 9. SUDIYONO dkk., Evaluasi Linlpahan Limbah Cair Aktivitas Rendah Basil Kondensasi, ProsidingSeminarHasil PenelitianP2TRRTh.2000, hal 98.
Prosiding Seminar ke- 7 Teknologi don Keselama/anPLTN Serlo Fasili/as Nuklir Bandung, 19 Februari 2002
ISSN: 0854 -2910
DISKUSI: PERTANYAAN: (Jati Susilo -P2TRR) CJ Mengapapada hasil perhitunganpenguapanair di kolam penyimpananbahanbakar menunjukangaris turns padahalsuhu semakinnaik? JAWABAN : (SukmantoDibyo) Q Saya mengasumsikansuhu kolam penyimpanan bahan bakar bekas tetap ( tidak dipengaruhi adanya warmwater layer kolam reaktor)
244 Kembali Ke Daftar Isi
