PRAKIRAAN LAJU ALiR MASSA PADA MODEL - Digilib

Prakiraan Laju Alir Massa pada Model Fungsional
Sistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR
Priyanto Joyosukarto
PRAKIRAAN LAJU ALiR MASSA PADA MODEL FUNGSIONAL
SISTEM PENDINGINAN RELUNG REAKTOR (RCCS) MHTGR
Oleh: Priyanto Joyosukarto
j
Abstrak
PRAKIRAAN
LAJU
ALiR
MASSA
PADA MODEL
FUNGSIONAL
SISTEM
PENDINGINAN
RELUNG REAKTOR (RCCS) MHTGR. Prakiraan laju alir massa udara
masukan telah dilakukan untuk sistem pendinginan dengan konveksi udara secara alami
berupa peralatan eksperimen NADHRS. Sistem ini merupakan model fungsional sederhana dari
Reactor Cavity Cooling System (RCCS) MHTGR (Modular High Temparature Gas-cooled
Reactor), buatan General Atomic, yang komponen utamanya terdiri dari bagian masukan,
plenum-bawah, plenum-atas, sumber panas, kanal pendinginan annular, dan sepasang stack di
bagian atasnya. Pada sistem jenis ini, tersedianya laju alir massa udara masukan (mO) yang
cukup merupakan faktor keselamatan yang krusial. Beberapa faktor penentu besarnya mo
adalah: fluk panas, konfigurasi dan dimensi sistem, sifat permukaan dinding kanal, laju dan
arah angin, serta sumbatan penampang aliran. Prakiraan mo dilakukan pada kondisi
penampang aliran tersumbat sebagian
dan didasarkan pada penyelesaian persamaan
keseimbangan momentum aliran gas di dalam kanal berdimensi satu yang dipanasi. Prakiraan
dilakukan pada kondisi input listrik 3 x 100 Watt dengan tiga macam harga hambatan keluaran
(Ke), masing-masing dengan sebelas macam harga hambatan masukan (~eV. Besarnya
hambatan mencerminkan tingkat sumbatan aliran. Hasil studi menyimpulkan bahwa sembarang
sumbatan akan meningkatkan hambatan aliran, yang selanjutnya menurunkan mo. Pada
Ke=1,10 perubahan ~ef dari 2,00 menjadi 1114,60 (sumbatan 96,67%) telah menurunkan mo
dari 8,50x10-3 kg/detik menjadi 1,35x1 0.3 kg/detik. Perubahan yang sarna dari ~ef telah
menurunkan mo masing-masing dari 7,29x1 0-3 kg/detik menjadi 1,35x1 0-3 kg/detik pada Ke=6,20
dan 6,11 x1 0-3 kg/detik menjadi 1,35x1 0-3 kg/detik pada Ke=15,00. Hasil studi ini dapat menjadi
acuan yang berguna di tengah kelangkaan literatur sejenis untuk desain sistem pendinginan
dengan konveksi udara secara ala mi.
Abstract
PREDICTION
OF THE AIR INLET MASS FLOW IN THE MHTGR RCCS
FUNCTIONAL MODEL. A mass flow prediction has been carried out for the air natural
convection cooling system. The system, which is referred to as NADHRS experimental
apparatus, is a simple functional model of the General Atomic's MHTGR RCCS, equipped with
inlet channel, lower and upper plenum, heat source, annular cooling channel, and a twin stacks
at the upper part. In such a cooling system. the sufficiency of inlet air mass flow rate (mo) is a
crucial factor in view of safety. The factors determining mo are heat flux, system dimension and
configuration, channel surface characteristic, air velocity and direction, as well as flow blockage.
The mass flow prediction is carried out for the partly-blocked flow and was based on the solution
of the momentum balance of air flowing inside the heated channel. The prediction of mo was
carried out at the electric input of 3 x 100 Watt with three values of outlet flow resistance (Ke),
each with eleven values of inlet resistance (Kef), in which each value of K reflects a certain
level of blockage. It was found that any flow blockage tends to increase the flow resistance
which in turn decreases mo. At Ke=1.10, changes in Kef value from 2.00 to 1114.60 (96,67%
blockage) decreases mo from 8,50x10-3 kg/s to 1,35x10-3 kg/so The equal changes of Kef also
decreases mo from 7,29x1 0-3 kg/s to 1,35x10.3 kg/s at Ke=6,20, and from 6,11 x1 0.3 kg/s to
1,35x1 0.3 kg/s at Ke=15,OO. In the scarcity of relevant reference, the result of this study might
become a valuable one applicable to the design of air natural convection cooling system.
') Bidang
Parlisipasi
Industri
Nasional
P2EN
-BA TAN
"""7
Jumal Pengembangan
Energi Nuklir Vol. 2. No.3 September 2000.. 117 -134
I. PENDAHULUAN
Untuk menjawab tuntutan masyarakat pada era paska kecelakaan TMI-II tahun 1979,
beberapa
pabrik
PL TN telah
menghasilkan
rancangan
(desain)
Reaktor
Maju (advanced
reactor), baik dalam kategori desain evolusioner maupun inovatif untuk digelarkan pada awal
milenium ketiga ini. Desain baru ini dicirikan oleh diaplikasikannya
konsep
pasif untuk sistem
keselamatan reaktor, khususnya untuk kelancaran pembuangan panas luruh (decay heat) dan
panas sisa (residual
heat) dari teras reaktor. Sistem keselamatan
tenaga-tenaga
alam
dasar
sebagai
tenaga
penggerak
pasif ini mendayagunakan
bekerjanya
sistem,
yang
meliputi
evaporasi, gravitasi, konveksi, konduksi, dan radiasi untuk menjamin kelancaran dan keandalan
proses pembuangan panas sekaligus untuk menyederhanakan
Reactor
keselamatan
Cavity
pasif,
Cooling
System
desain keseluruhan sistem.
(RCCS) merupakan
yang sa at ini tengah dikembangkan
salah
satu contoh
oleh General Atomic
sistem
Technology
sebagai sistem pembuangan panas luruh dan panas sisa dari teras Modular High Temparature
Gas-cooled Reactor (MHTGR) 450 MWt ke atmosfer yang bertindak sebagai pembenam panas
akhir (Ultimate Heat
disebut juga
sebagai
pengembangan
Sink, UHS) 1). Jenis reaktor
Modular
Helium
untuk menghasilkan
Desain RCCS mendayagunakan
yang termasuk
Reactor
kategori Reaktor Maju ini
(MHR) dan saat ini tengah
dalam
tahap
uap/panas dan listrik untuk berbagai macam aplikasi 2).
ketiga mode perpindahan panas, yaitu radiasi, konduksi, dan
konveksi dengan fluida kerja udara untuk membuang panas
luruh dan panas sisa dari teras
reaktor, dengan diperkuat oleh struktur menyerupai dua buah stack pada bagian atasnya yang
berfungsi pembangkit efek stack3.4).
Pemanfaatan
kombinasi tiga mekanisme
pasif
perpindahan
panas yang diperkuat
dengan efek stack seperti pada RCCS ini masih relatif baru sehingga masih banyak masalah
yang perlu diteliti
ketersediaan
tersedianya
agar diperoleh
kepastian
yang tinggi
untuk
menjamin
keandalan
sistem. Salah satu masalah yang cukup krusial adalah bagaimana
dan
menjamin
laju alir massa (mass flow rate) udara yang cukup untuk efektivitas pendinginan
sistem pad a segala kondisi operasi,
khususnya
pad a kondisi kecelakaan.
Beberapa faktor
internal sistem yang menentukan besarnya laju alir massa udara antara lain adalah fluk panas,
dimensi
dan konfigurasi
sistem,
ekstemal yang berpengaruh
serta
sifat permukaan
antara lain kemungkinan
dinding
aliran.
Sedangkan
faktor
sumbatan aliran (flow blockage) serta
laju dan arah angin. Faktor internal bersifat relatif tetap dan relatif lebih mudah diperkirakan,
namun tidak demikian halnya dengan faktor eksternal yang sangat tergantung kepada kondisi
lingkungan.
Untuk sifat dan arah angin mungkin bisa diperkirakan
dengan tingkat kepastian
yang tinggi, tetapi tidak demikian halnya dengan kemungkinan sumbatan aliran yang mungkin
tidak jelas pola terjadinya.
diakibatkan
antara
Sumbatan
lain oleh debu,
penampang
misil,
aliran masukan
dan serangga,
kesemuanya relatif sulit untuk memperkirakannya.
118
atau
dan keluaran
benda
terbang
ini dapat
lain yang
Meskipun begitu, kemungkinan kegagalan
Prakiraan Laju Alir Massa pada Model Fungsional
Sistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR
Priyanto Joyosukarto
fungsi
RCCS akibat sumbatan
aliran perlu diperkirakan
untuk diakomodasikan
ke dalam
desain.
Pad a makalah berikut, yang merupakan bagian pertama dari serial hasil studi tentang
sistem keselamatan
di dalam sistem
pasif Reaktor Maju, akan dibahas hasil prakiraan
pendinginan
dengan konveksi
udara secara alami, yaitu berupa peralatan
eksperimen NADHRS (Natural Air Draft Decay Heat Removal
fungsional sederhana dari RCCS MHTGR.
laju alir massa udara
System) yang merupakan model
Eksperimen NADHRS ini dilakukan
Penulis pada
saat mengikuti Program Research Student dan Program Master di Universitas Tokai, Jepang
beberapa waktu yang lalu. Prakiraan dilakukan pada kondisi sistem dengan input listrik 3 x 100
Watt, dan pada kondisi aliran dengan berbagai tingkat sumbatan
penampang
dengan
keluaran.
Pembahasan
pengembangan
dalam sistem NADHRS,
diawali dengan deskripsi
pendekatan
prakiraan
teoritis terhadap
perubahan
masukan dan
sistem NADHRS,
mekanisme
hambatan
penampang
konveksi
dilanjutkan
alami udara di
aliran akibat sumbatan,
prakiraan
perubahan laju alir massa udara akibat sumbatan, dan diakhiri dengan kesimpulan.
II. DESKRIPSI SISTEM NADHRS
Pad a Gambar 1 ditunjukkan
sedangkan
pad a Gambar
konsep dasar pembuangan
2 ditunjukkan
konfigurasi
RCCS.
panas dari teras MHTGR,
RCCS
merupakan
sistem
pendinginan udara secara konveksi alami yang didesain untuk memindahkan panas dari relung
(cavity) reaktor ke atmosfir dengan fluida kerja udara. Komponen utama RCCS meliputi: kanal
pendinginan,
panel
pendinginan,
plenum
atas
dan plenum
bawah,
serta
struktur
yang
menyerupai stack (chimney) di bagian atasnya yang berfungsi sebagai pembangkit efek stack
dan sekaligus bertindak sebagai bagian masukan dan bagian keluaran udara. Aliran udara
masuk RCCS semata-mata
dipicu oleh meningkatnya
suhu panel pendingin sebagai akibat
menerima panas dari bejana reaktor.
Gambar 2. Konfigurasi
Gambar 1. Konsep dasar pemindahan panas
pada RCCS 1)
119
RCCS 4)
Jumal Pengembangan
Sistem
Energi Nuklir Vol. 2, No.3 September 2000 : 117 -134
NADHRS seperti ditunjukkan
yang sederhana
pada Gambar 3 merupakan
dari RCCS5.6). Sebagai sumber
silinder tembaga berdiameter
160 mm, panjang
model fungsional
panas (guard vessel) digunakan
450
mm. dan tebal 2 mm yang dipanasi
bagian bagian dalamnya dengan tiga buah pemanas (stainless steel sheet heater)
masing
berdiameter
Silinder
ini dilapisi isolator panas pada bagian
sebuah
1,6 mm dan panjang 3600 mm,
masing-
dengan total input listrik 3x 100 Watt.
bawah, dalam,
dan bagian atasnya
untuk
mengurangi kebocoran panas sehingga diharapkan hanya terjadi perpindahan panas mendatar
ke luar ke arah kanal pendinginan.
Pad a jarak 20 mm dari permukaan luarnya,
dinding
acrylic
diperhitungkan
yang
tembus
pandang.
silinder sumber panas dilingkungi oleh
Selanjutnya,
jarak
sebagai lebar celah (gap) kanal pendinginan.
antara
permukaan
bagian masukan dan
Ruang kosong selebar celah dan berbentuk annular antara permukaan
silinder dengan permukaan dalam dinding acrylic bertindak sebagai kanal pendinginan
channel) yang berfungsi sebagai jalur pendinginan.
ini
Dinding acrylic ini memanjang ke
bawah sepanjang 600 mm dimana bagian ujung bawahnya membentuk
plenum-bawah.
dua
Pad a bagian masukan dipasang
luar
(cooling
papan
penyumbat aliran sehingga membentuk penampang masukan (A). Posisi sumbatan berskala ini
dapat diubah-ubah
sedemikian
rupa sehingga
luas penampang
masukan
berubah
terhadap luas penampang pads kanal pendinginan (Ao). Nilai awal (A/Ao) adalah 1,50.
Satuan: mm
120
relatif
Prakiraan Laju Alir Massa pada Model Fungsional
Sistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR
Priyanto Joyosukarto
Oi atas silinder dan kanal pendinginan terpasang
triplek ketebalan
10 mm,
diameter
acrylic. Pada sisi atas plenum-atas
plenum-atas
berbentuk annular dari
400 mm, dan tinggi 90 mm, serta berdinding
terdapat dua buah lubang
berdiameter
pintu masuk bagi dua buah stack dari bahan acrylic yang berdiri tegak
luar dari
100 mm sebagai
menjulang
ke atas
setinggi 1030 mm.
Untuk tujuan merubah hambatan keluaran, luas penampang keluaran stack (Ae) dapat
dipersempit dengan memasang
tertentu sedemikian
sumbatan berlobang di bagian tengahnya
dengan diameter
rupa sehingga Ae berubah relatif terhadap Ao. Pad a kondisi awal, nilai
(AJAo) adalah 1,23 yang memberikan harga hambatan keluaran (Ke=1,10).
III. PENOEKATAN
TEORITIS
TERHAOAP
MEKANISME
KONVEKSI
ALAMI
UOARA
01
OALAM SISTEM NAOHRS
Pada sistem konveksi alami seperti NADHRS, suhu udara di dalam kanal pendinginan
akan meningkat bila input listrik (panas) dialirkan ke dalam silinder tembaga.
Meningkatnya
suhu udara ini akan menurunkan densitasnya sehingga terjadi bed a tekanan antara udara di
setiap titik pada ketinggian yang sarna di dalam dan di luar sistem sehingga di dalam sistem
timbul gaya apung (buoyancy force). Gaya apung yang juga diperkuat oleh efek stack pad a
bagian atas sistem ini akan mengangkat massa udara ke atas meninggalkan kanal pendinginan
dan bergerak ke luar sistem. Sebagai akibatnya, pada saat yang sarna pada bagian masukan
akan timbul pumping power yang menghisap
Sebaliknya,
berbagai
maupun sumbatan
perubahan
penampang
masuk massa udara luar ke dalam sistem.
bentuk penampang
aliran,
aliran akan menimbulkan
karakteristik
hambatan
permukaan
kanal,
aliran dan penurunan
tekanan. Aliran udara masuk ke sistem akan terjadi bila gaya apung dapat mengatasi hambatan
aliran sepanjang kanal, atau tenaga dorong gaya apung (buoyancy driving head) harus dapat
mengatasi total penurunan tekanan (pressure losses) di dalam sistem agar terjadi aliran masuk
massa udara ke dalam sistem.
Pada
menjelaskan
Selanjutnya
bagian
proses
berikut
timbulnya
berdasarkan
akan
dikembangkan
gaya
apung
dan
sebuah
penurunan
pendekatan
tekanan
teoritis
di dalam
untuk
sistem.
pendekatan tersebut akan dilakukan prakiraan besarnya perubahan
hambatan aliran dan perubahan laju alir massa udara di dalam sistem NADHRS
sebagai akibat
terjadinya sumbatan pada penampang aliran.
III. 1. Distribusi
Suhu Udara di Dalam Kanal Pendinginan
Pada Gambar 4 ditunjukkan
proses pemanasan
udara di dalam kanal pendinginan
dengan panjang H (m). Dengan menganggap bahwa udara secara termal merupakan gas ideal
(a thermally perfect gas), maka pada kondisi ini berlaku persamaan berikut.7)
p = p/RT = 353,12fT
(01 )
121
Jumal Pengembangan
Energi Nuklir Vol. 2. No.3 September 2000 : 117 -134
Berturut-turut p adalah densitas udara (kg/m3), p adalah tekanan udara (N/m1,
T adalah suhu
absolut (oK), R adalah konstanta gas universal (N M/ kg. oK).
Selanjutnya,
bila dianggap
tidak terjadi perubahan tekanan di dalam kana! pendingin,
maka berlaku persamaan berikut.
PoT 0 = P1 T 1 = P2T 2 = P T
Untuk
satuan
panjang
z (m), maka rapat daya panas liniernya,
q'(z) dinyatakan
sebagai
berikut.
q' (z) = qo Cos (7t/H) z
dimana qo adalah fluk panas (W/m3). Selanjutnya, input panas Q diasumsikan dikenakan secara
merata sepanjang kana! pendinginan
sehingga diperoleh distribusi suhu yang uniform yang
dapat dinyatakan sebagai berikut.
ql(Z)=g
Selanjutnya,
kecepatan
H
Z
bila Ao (m1 dan Vo (m/detik) masing-masing adalah penampang aliran dan
aliran udara masuk kanal pendinginan,
To adalah suhu mutlak (oK), Cp adalah
kapasitas panas udara (kJ/kg oK) yang berharga 1,0057 kJ/kg oK pada 300 oK, maka kenaikan
suhu (~Tb) pada ketinggian z (m) dinyatakan sebagai berikut.
dimana
Sedangkan suhu bulk (Tb) pada ketinggian z (m) dinyatakan sebagai berikut.
Tb = To + LlTb
122
Prakiraan Laju Alir Massa pada Model Fungsional
Sistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR
Priyanto Joyosukarto
Ao, To, PO,PO, Cp
Gambar 4. Pemanasan Udara di Dalam Kanal Pendinginan
III. 2. Perhitungan Gaya Apung Udara OJOalam Sistem
111.2.1. Gaya Apung Udara di Dalam Kanal Pendinginan
Sebagai
akibat pemanasan
udara di dalam kanal pendinginan.
maka akan terjadi
penurunan densitas udara yang pada akhirnya menimbulkan gaya apung (Zp). Besarnya gaya
apung L\Zp(z) yang bekerja di dalam kanal pendinginan
sepanjang
~z dapat diturunkan dari
Persamaan (02) sebagai berikut:
p(z) =
To
(07)
Po
T(z)
To
(Po-~
= Po 9 (1 --)
Po)9 LlZ
To
To+
Llz
a
-z
Vo
123
(08)
Jumal
Pengembangan
Energi
Nuklir
Vol. 2, No.3
September
2000..
117 -134
Integrasi Persamaan ( 08 ) akan diperoleh keseluruhan gaya apung yang bekerja di sepanjang
kana! pendingin (Zp).
H
J
H-
1
-az
dz
°1+-
VoTo
Bila suku
Maka Persamaan (09) dapat ditulis sebagai berikut.
Selanjutnya,
besarnya
Zp=
Po9 (H-H*)=
gaya
apung
Po9 H (1-
sebagai
H*
H
fungsi laju alir
massa udara yang masuk ke
kanal pendinginan dapat dinyatakan sebagai berikut.
Zp=
Q
Po 9 H
moC pTo-
111.2. 2. Gaya Apung Udara di Bagian Stack
Bila suhu udara masuk ke stack adalah T H (oK) dan massa jenisnya PH (kg/m3) maka
besarnya gaya apung (Zs) di bagian stack dengan panjang L (m) dapat dinyatakan
sebagai
berikut.
Zs=
(po -PH)
9 L=
Po9 L
l-E!!Po
Mempertimbangkan
Persamaan (02) tentang sifat gas ideal maka Persamaan (13) dapat ditulis
sebagai berikut.
Zs=
PoQ L
1-- To
TH
)
=
(14)
PoQ L
124
~
Prakiraan Laju Alir Massa pads Model Fungsional
Sistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR
Priyanto Joyosukarto
Selanjutnya,
gaya apung di bagian stack sebagai fungsi laju alir massa udara masuk ke kana I
pendingin (mo) dinyatakan sebagai:
Zs=
To
Po9 L
(15)
Po9 LI
r;;)
1+-2-moCpro
III. 2. 3. Total Gaya Apung Udara di Dalam Sistem
Gaya apung di dalam sistem merupakan gabungan dari gaya apung di dalam kanal
pendinginan dan di bagian stack, yaitu:
z = Zp + Zs
+--~
=PoQH
+
Jj
moC pro
Po9 L
+ -_JL
moC pTo
Bila selanjutnya didefinisikan parameter baru berikut,
aH
Q
To
CppoAoTo
=b
maka
z=
Selanjutnya,
Po9 H [ 1 -
digunakan
b
t~l+
parameter
number, He) dan intensitas
+
PogL
Vn
baru yang disebut sebagai angka
pemanasan
pemanasan
(heating intensity, HJ yang masing-masing
(heating
dinyatakan
sebagai berikut.
b
Q
H e =-=
V
"
C pPoAoToVo
Q
yr.-
Hi =
Q
m"
atau
H
H,
.=~
-I
(21 )
125
--1
Jumal Pengembangan
Energi Nuklir Vol. 2, No.3 September 2000.. 117 -134
Dalam hal ini, intensitas
pemanasan
massa udara yang mengalir
menunjukkan jumlah panas yang diserap oleh per satuan
di dalam kanal pendinginan.
Sedangkan
angka
pemanasan
menunjukkan perbandingan jumlah panas yang diserap oleh per satuan massa udara terhadap
entalphi stagnasi awalnya.
111.3. Penurunan
Tekanan Udara di Dalam Sistem
Pemahaman
terhadap perubahan tekanan sepanjang sistem merupakan faktor yang
sangat penting yang mendasari
antara lain disebabkan
perhitungan
laju alir massa udara. Penurunan
tekanan ini
oleh perubahan kecepatan akibat perubahan penampang aliran serta
akibat kenaikan suhu akibat gesekan dan pemanasan.
aliran udara di dalam kanal pendinginan
Gambar 5 mendeskripsikan
NADHRS sebagai sebuah
kondisi
pipa sepanjang
L (m)
dengan penampang aliran A (m1, yang dipanasi dengan fluk panas Q (W/m3), panjang basah
Pf (m), koefisien
turun tekanan
karena perubahan
penampang
K, dan koefisien
gesekan
permukaan (friction loss) f.
L
PI
TI
Pz
Tz
Kz
pz
KI
PI
Pr
Gambar 5. Aliran Udara di Dalam Kanal yang Dipanasi Beserta Parameter Terkait.
Dengan memandang aliran udara di dalam sistem NADHRS sebagai aliran dengan angka Mach
rendah maka besarnya penurunan tekanan
stat is (Ps) dapat dinyatakan
dengan persamaan
berikut.8)
\
+2( L
(22)
~
111.3.1. Penurunan
Tekanan Udara di Bagian Kanal Pendinginan
Seperti ditunjukkan
pada Gambar 3, bagian masukan
kanal pendinginan
berada di
dalam sistem, dan berada pada suatu ketinggian di atas bagian masukan sistem. Pada item
111.2.1 telah
digunakan
index 0 untuk parameter
126
aliran udara di bagian
masukan
kanal
Prakiraan Laju Alir Massa pada Model Fungsional
Sistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR
Priyanto Joyosukarto
pendinginan.
yaitu A01 Too Vo. dan mo- Dengan menerapkan
Persamaan
(22) untuk kondisi
bagian masukan kanal pendinginan maka besarnya penurunan tekanan udara sepanjang kanal
pendinginan dapat dinyatakan sebagai berikut.
2po
OPP=~
( -.m )
T
1--'-+2
Ks1
+1¥1
[
Ao
(--1T2
~
T1
Bila udara dianggap sebagai gas ideal maka RT 0 = pJp1 sehingga berlaku persamaan berikut.
RT
(m J
2
=
2P:- A:-
~( ~
Po
Mempertimbangkan
2
= 0,5 Po Vo 2
Ao
bentuk dari kanal pendinginan
luar O2 dan diameter
din ding dalam
yang
annular
dengan diameter
01 maka berlaku persamaan
dinding
berikut untuk koefisien
gesekan aliran sepanjang kanal pendinginan.
f [ !.!!!-. =
AD
Selanjutnya dari Persamaan (4) diperoleh persamaan-persamaan
berikut.
a
TH =To +-H
Vo
~=l+ aH
To
VATo
T
aH
~=1+0,5n
Too
0
Bila keseluruhan
koefisien turun tekanan sepanjang
bagian masukan
dinyatakan
sebagai
Ki~r' dan koefisien turun tekanan karena perubahan penampang aliran menuju ke plenum alas
dinyatakan
sebagai
Ks.
maka
dengan
Persamaan (23) akan diperoleh persamaan
memasukkan
Persamaan
(24)
sampai
(29) ke
berikut untuk penurunan tekanan di dalam kanal
pendinginan.
oP p = O,5poVo
+0,5~
VaTu
) +2{(
127
+
aH
-1
VoTo,
+KS(
+-
aH
VtJTtJ
)
r
:1
Jumal
Pengembangan
Energi
Nuklir
Vol. 2, No.3
September
2000..
117 -134
+ O,5aH
VoTo
111.3.2. Penurunan
,
Tekanan Udara di Bagian Stack
Penurunan tekanan di bagian stack terjadi karena perubahan penampang aliran masuk
ke stack ( K les), karena sifat permukaan bahan stack
aliran
keluar
disesuaikan
Dengan
meninggalkan
kondisi
setempat,
menganggap
besarnya
stack
aliran
laju alir massa
(Ke
yaitu
masuk
udara
s ), dan karena perubahan penampang
Persamaan
(21) tetap
A, = As I T = T, = T2 = T H
ke stack adalah aliran
m = AoVop"
= A.,Vsp.,
berlaku
dan dianggap
mantab
sehingga
di sini,
(steady
diperoleh
dengan
uniform.
state) maka
persamaan
untuk
penurunan tekanan di bagian stack sebagai berikut.
RTs ms
8Ps = -=--
PfSL
fS+Ke+K
/.'
As
2
=O,5Po(~)
111.3.3. Penurunan
(vo2+~Vo)(%fs+Ke+KiS)
Tekanan Udara di Bagian Masukan
Dalam kaitan ini, yang dimaksud
penampang masukan yang berhubungan
bagian masukan adalah bagian sistem mulai dari
dengan udara luar sampai pada pintu masuk kanal
pendinginan. Penurunan tekanan pada bagian masukan ini utamanya terjadi karena perubahan
penampang
aliran
masuk
ke sistem
(K i '),
gesekan
(/' ) sepanjang H' dan karena perubahan penampang
permukaan
bahan
plenum
aliran masuk ke kanal
bawah
pendingin-
an (K $, ). Dengan menerapkan Persamaan (22) pada kondisi bagian masukan akan diperoleh
persamaan berikut untuk penurunan tekanan di bagian masukan.
2
8Pd
=
RTo
:.-1
"1-
2
Ks'
RTo
+-:--
m
RTo( m
+--2po lA; )K I
Ad)
Suku pertama dari Persamaan
(32) adalah turun tekanan
menuju kanal pendinginan
yang
timbul akibat percepatan aliran masuk ke kana! pendinginan. Suku ke dua adalah turun tekanan
128
(t)'(
K'or
+
Prakiraan Laju Alir Massa pede Model Fungsional
Sistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR
Priyanto Joyosukarto
di tern pat yang sarna yang tirnbul akibat perubahan penarnpang aliran pada kanal pendingin.
Suku ke tiga adalah turun tekanan di bagian plenum bawah. Suku terakhir adalah turun tekanan
yang diakibatkan oleh aliran rnasuk udara luar ke dalarn sistern NADHRS. Penyelesaian
lebih
lanjut terhadap Persarnaan (32) akan diperoleh:
OPd=O,SPoVo2(1 + Ks')+
Bila digunakan
koefisien
Kie! yang dinyatakan
efektif penurunan
sebagai
tekanan
.,
Ao
K;ef= l+Ks +(~)
penurunan
sepanjang
K
1
bagian masukan sebagai
berikut.
I
Maka besarnya
A
H'
(4/') + I
D'e
Ai
Ao
O,SpoVo2
tekanan
-H'
(~ ) K,
2
~A.+
I
sepanjang
Ao
bagian masukan
dapat dinyatakan
sebagai
berikut.
III. 3. 4. Total Penurunan Tekanan Udara di Dalam Sistem
Total penurunan tekanan sepanjang sistem (oP) bisa diperoleh dengan menjumlahkan
penurunan
tekanan
di bagian masukan.
kanal pendinginan,
dan stack sehingga
persamaan berikut.
oP =OPd + OPp+ OPS
Is +Ke +K,
=O,5p
H
Ki~f + Kp + De"(j H
+~(js)+KeJ
As
(aH
o,SPol-r:-,
129
+
diperoleh
~
Jumal Pengembangan
Energi Nuklir Vol. 2, No.3 September 2000 : 117 -134
IV. PERHITUNGAN
LAJU ALIR MASSA UDARA
Kecepatan
menyamakan
aliran
udara
masuk
ke kanal
pendinginan
(Va) ditentukan
besarnya tenaga dorong gaya apung pada Persamaan
dengan
(18) dengan besarnya
penurunan tekanan pada Persamaan (36) sebagai berikut.
z=
oP
1
+
Po9 to
PogL
b ,',
+~..
V-
[
aH
H
Ao
(- ) Kp +2+-(2fH)+
(- ] ( KiS +-(4fS')+K.
O.Spo
To
]
.,
.PjSL
De
As
)
V~
A.S'
Selanjutnya harga Vo ditentukan dengan cara iterasi di dalam komputer dengan menentukan
batas ketelitian.
Laju alir massa udara masuk ke kanal pendinginan (mo. kg/detik) ditentukan dengan
persamaan berikut.
mo = PoAoVo
dimana Po dihitung dengan Persamaan (01) pada suhu To.
V. PRAKIRAAN
PERUBAHAN
HAMBATAN
UDARA AKIBAT SUMBATAN
ALl RAN DAN PERU BAHAN LAJU ALIR MASSA
PENAMPANG
Pada bagian sebelumnya
digunakan
ALiRAN
notasi K untuk menunjukkan
koefisien
turun
tekanan akibat perubahan penampang aliran. Dalam pengertian yang lebih umum, parameter K
ini juga dapat dipandang sebagai koefisien hambatan aliran. Dengan menggunakan Persamaan
(34) telah diperkirakan besarnya perubahan hambatan bagian masukan untuk berbagai tingkat
sumbatan sebagaimana
perbandingan
pendinginan
sumbatan
masukan
antara
ditunjukkan
penampang
(A/Ao). Perubahan
sebesar
96,67%
pada Gambar 6. Tingkat sumbatan dinyatakan
masuk
harga
ke sistem
terhadap
penampang
(A/Ao) dari 1,50 menjadi
dari kondisi awal telah meningkatkan
0,05,
harga
atau
masuk
aliran dihitung
berdasarkan
metode yang diperoleh
130
kanal
peningkatan
efektif hambatan
(~ef) dari 2,00 menjadi 1114,60. Dalam hal ini harga ~ef untuk berbagai
penampang
sebagai
bentuk
dari Referensi 9. Analisis
Prakiraan Laju Alir Massa pada Model Fungsional
Sistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR
Priyanto Joyosukarto
terhadap Gambar 6 menunjukkan
seiring dengan
Persamaan
meningkatnya
bahwa hambatan aliran pada bagian masukan
sumbatan
(37) telah diperkirakan
pendinginan
penampang
besarnya
aliran.
Selanjutnya,
meningkat
dengan
bantuan
laju alir massa udara (mo) masuk ke kanal
sistem NADHRS dengan input listrik 3x100 Watt, pada berbagai tingkat sumbatan
pada bagian masukan, dan pada tiga kondisi hambatan penampang keluaran stack (Ke), yaitu
RUN-1 untuk kondisi panampang
kondisi penampang
kondisi
penampang
keluaran stack tanpa sumbatan
(Ke=1,10),
RUN-2 untuk
keluaran stack disumbat sebagian sehingga Ke=6,20, dan RUN-3 untuk
keluaran
stack disumbat
sebagian
sehingga
disajikan harga beberapa parameter lain yang digunakan
Ke=15,00. Pada Tabel-1
sebagai masukan untuk prakiraan
harga mo. Prakiraan harga mo diawali dengan proses iterasi untuk menghitung
ketelitian 0,001.
berbagai
Hasil prakiraan
macam harga hambatan
perubahan
harga mo ditunjukkan
masukan
Vo dengan
pada Gambar
(~er> dengan hambatan
keluaran
7 untuk
(Ke) sebagai
parameter.
1200
c:
~
~
--Series
1000
1
In
co
E
c:
800
.!
OJ
~ ~ 600
c:~
co~
...
-;
400
c:
S
co
E
'"
200
co
:I:
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Tingkat
0.3
sumbatan
0.35
0.4
0.5
0.75
1.5
(A1/Ao)
Gambar 6. Pengaruh Sumbatan Terhadap Hambatan Aliran pada Bagian Masukan
131
~
I~Panas
WILumiah
lLJ
0.4
Jumal Pengembangan
Energi Nuklir Vol. 2, No.3 September 2000.. 117. 134
Tabel 1. Harga Beberapa Parameter yang Dipakai Sebagai Masukan Dalam Prakiraan Harga
Laju Alir Massa Udara.
No
Parameter (satuan)
6T-I~~p_~~
(kW)
bocorkeluarsistem(~}
HL
03 I Koefisien gesekan p~~ukaan stack
04 I Koefis~~esekan permukaan kanal D~dlnginan
05 _I~fisien
f~
RUN-!
RUN-2
RUN-3
0.3000
10.0000
0.0040
0.3000
] 0.0000
0.0040
0.0258
0.6500
6.2000
293.200
].0300
0.]000
0.3000
] 0.0000
0.0040
0.0258
0.0258
turun tekanandi D~~ masukstack
06 I Koefisien turun tekanan di Dintu KeJUarstack-
07 I SUhuud~luar (OK)
~
L
08
09
slack (buah)
11
Koefisienturun tekanandi pintu keluarkana!
pendi~~an
Diametersilinder sumberp~s{m)
13 I~~er
dinding luar kana!pendingi~(!!!L
N
Kp
~
!:?J
H
[II
16
Harga
Simbol
Koefisienturuntekananefektif sepanjangbagian
masukan
Kief
0.6500
1.1000
293.200
1.0300
0.1000
2
1.2933
0.1600
0.2000
0.4000
0.0261
2
] .2933
0,]600
0.2000
0.4000
0.026]
8
IV
IV
~ ~
~
41
"C
IV
U)
U)
'C
IV "CI
~
E
..
~
~
'b
...
~
'CU'
-J
7
6
5
4
3
2
1
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Tingkat sumbatan
0.35
0.5
0.75
1.5
(AlAo)
Gambar 7. pengaruh Sumbatan Masukan Terhadap Laju Alir Massa Udara
(Hambatan Keluaran Sebagai Parameter)
132
]5.000
293.100
1.0300
0.1000
2
1.2933
0.1600
0.2000
0.4000
0.0261
SepertidisajikanpadaGambar6
9
..
0.6500
Prakiraan Laju Alir Massa pada Model Fungsional
Sistem Pendinginan Relung Reaktor (RCCS) MHTGR
Priyanto Joyosukalto
Analisis
terhadap
Gambar
7 menunjukkan
bahwa laju alir massa
udara semakin
menurun seiring dengan meningkatnya sumbatan aliran pad a bagian masukan. Disamping itu,
laju alir massa udara juga menurun seiring dengan meningkatnya
keluaran (penampang
keluaran stack). Peningkatan
96,67% kondisi awal telah meningkatkan
2,00 sampai
1114,60. Selanjutnya,
sumbatan
sumbatan
penampang
pada bagian
masukan sampai
besarnya harga-efektif hambatan masukan (Kied dari
pada kondisi Ke=1,10 (RUN-1),
Ke=6,20 (RUN-2),
dan
Ke=15,00 (RUN-3), perubahan harga ~ef terse but telah menurunkan besarnya laju alir massa
udara
berturut-turut
1,35x10-3 kg/detik,
dari
8,50x10-3 kg/detik
dan 6,11x10-3 kg/detik
massa udara pada harga ~ef =
ke 1 ,35x1 0-3 kg/detik,
ke 1,35x10-3 kg/detik.
1114,60 lebih disebabkan
7,29x1 0-3 kg/detik
ke
Kesamaan harga laju alir
karena pada sa at penghitungan
harga Va digunakan batas ketelitian iterasi 0,001 dengan pertimbangan
efisiensi dan tingkat
ketelitian hasil iterasi.
VI. KESIMPULAN
Telah dilakukan
pengembangan
pendekatan
teoritis (analitis) terhadap
mekanisme
konveksi alami udara di dalam sistem pendinginan yang diperkuat dengan efek stack, dengan
contoh sistem berupa peralatan ekperimen NADHRS yang merupakan model fungsional dari
RCCS
MHTGR.
memperkirakan
Selanjutnya,
persamaan-persamaan
yang
dihasilkan
digunakan
untuk
besarnya perubahan hambatan aliran dan laju alir massa udara pada sistem
tersebut pad a kondisi penampang aliran yang tersumbat (blockage).
Hasil
prakiraan
menunjukkan
bahwa
sembarang
penyumbatan
pada
penampang
masukan dan, atau pada penampang keluaran akan meningkatkan hambatan aliran yang pada
akhirnya
akan menurunkan
laju alir massa
udara yang masuk
ke sistem.
Pad a sistem
NADHRS, dengan input listrik sebesar 3 x 100 Watt, maka peningkatan sumbatan penampang
masukan sampai
96,67% kondisi awal telah meningkatkan
masukan
(K1.f) dari 2,00 sampai 1114,60. Selanjutnya,
K.=15,00
perubahan harga K;et terse but telah menurunkan
berturut-turut dari
kg/detik,
8,50x10-3 kg/detik
dan 6,11 x1 0-3 kg/detik
berkurangnya
hambatan
pada kondisi K.=1, 10, K.=6,20,
ke 1 ,35x1 0-3 kg/detik,
dan
besarnya laju alir massa udara
7,29x1 0-3 kg/detik
ke 1 ,35x1 0-3
ke 1 ,35x1 0-3 kg/detik
Dengan demikian kemungkinan
terhadap
besarnya harga-efektif
meningkatnya hambatan aliran serta potensi risikonya
pasokan massa udara merupakan
secara serius ke dalam desain sistem pendinginan
hal yang
dengan konveksi
harus diperhitungkan
udara secara ala mi.
Pendekatan teoritis dalam studi ini, khususnya Persamaan (34) dan (37) dapat menjadi acuan
untuk maksud terse but sekaligus melengkapi literatur dalam bidang ini yang nampaknya masih
langka.
133
5.
8.
Jumal
PengembanganEnergi
Nuklir
Vol. 2, No.3
September
2000:
117 -134
DAFTAR PUSTAKA
DILLING,
D.A., et. al., Passive
Decay and Residual
Heat Removal
Sponsored by the US DOE, under contract No. DE-AC03-89SF1788,
2. SHENOY, A., Modular Helium Reactor for non-electric Application,
in MHTGR,
Washington,
Work
1990.
IAEA-Advisory
Group
Meeting, Jakarta, 1995.
3. HILLS, R.P., Air Natural Circulation Decay Heat Removal for Small Gas-cooled
Study Sponsored
GCRA/BEC/81-202,
by the US DOE and Gas-cooled Reactor Associates,
Reactor,
under contract no.
Washington, 1990.
4. GENERAL ATOMIC TECHNOLOGY,
Seminar on Modular High Temperature
Gas-cooled
Reactor, Tokyo, October 30,1992.
JOYOSUKARTO,
P., Fenomena Aliran Terbalik Pad a Sistem Pendinginan
Udara Secara
Konveksi Alami, Seminar Keenam Teknologi dan Keselamatan PL TN serta Fasilitas Nuklir,
Jakarta, 10-11 Oktober 2000.
6.
JOYOSUKARTO,
P., Investigasi Eksperimental Terhadap Fenomena Aliran Terbalik Pada
Sistem Pendinginan Udara Secara Konveksi Alami, Seminar Reaktor Temperatur Tinggi Ke
V, Yogyakarta, 22 Nopember 2000.
7. FU, G. et. al., Heat Transfer and Friction Factor Behaviour in the Mixed Convection Regime
for Air Up-flow in a Heated Vertical Pipe, AIChE Heat Transfer Confrence, Minneapolis, MN,
Symp. Series 382, Vol. 87, pp. 326-335, 1993.
MELESE,
G. and KATS, R., Thermal and Flow Design of Helium-Cooled
Reactor, ANS,
Illinois, 1984.
9.
IDELCHICK,
I.E., Handbook
of Hydraulic Resistance,
Hemisphere
Publishing
Co., New
York, 1986.
134
Kembali ke Jurnal