Analisis Penyumbatan Pipa

7/22/2019 Analisis Penyumbatan Pipa

1/10

J. Tek. Reaktor. Nukl.

Vol. 9 No. 3 Oktober 2007, Hal. 132-141

ISSN 1411240X

Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007

ANALISIS PENYUMBATAN PIPA-PIPA PENUKAR KALOR

REAKTOR RSG-GAS

Sukmanto Dibyo 1) , Safrul 2)

1) Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir - BATAN, 2) Pusat Reaktor SerbaGuna - BATAN

ABSTRAK

ANALISIS PENYUMBATAN PIPA-PIPA PENUKAR KALOR REAKTOR RSG-GAS. Penukar

kalor berfungsi untuk memindahkan kalor dari air pendingin primer ke pendingin sekunder.

Penukar kalor reaktor RSG-GAS merupakan penukar kalor tipe shell-tube vertikal lintas 2-2.

Kebocoran batang pipa-pipa penukar kalor sangat mungkin terjadi karena usia operasi. Jika hal

tersebut terjadi, maka solusi awalnya adalah penyumbatan parsial pada ujung pipa yang bocor.

Penyumbatan dapat berakibat penurunan efisiensi karena berkurangnya luasan transfer kalor,

kenaikan kecepatan aliran dan rugi tekanan naik. Oleh karena itu perlu dilakukan analisis untuk

mendapatkan jumlah penyumbatan yang diijinkan agar kinerja penukar kalor masih di atas batas

yang diijinkan. Analisis dilakukan dengan cara menghitung rugi-tekanan dan transfer kalor akibatsejumlah penyumbatan batang pipa penukar kalor. Hasil analisis menunjukkan bahwa dari sisi rugi

tekanan maksimum yang disarankan yaitu 0,4 bar maka jumlah penyumbatan maksimum adalah 60

batang pipa, sementara penurunan transfer kalornya tidak signifikan, kenaikan temperatur

pendingin ke reaktor hanya 0,2oC. Ditinjau dari aspek keselamatan termohidrolika reaktor terhadap

margin yang ada maka reaktor masih aman.

Kata kunci: penyumbatan, transfer kalor, rugi tekanan.

ABSTRACT

ANALYSIS OF TUBE PLUGGING OF THE RSG-GAS REACTOR HEAT EXCHANGERS

Heat exchanger is useful to transfer the heat energy from the primary cooling to secondary coolant

system of RSG-GAS reactor. This exchanger is vertically shell-tube type of 2-2 passes. Leakage of

heat exchanger tubes are very possible occur caused by aging. In this case, early solution is partialplugging at the end of leakage pipes. The plugging may cause degradation of eficiency due to

decreasing of heat transfer area, increasing of flow velocity and pressure drops, so that the number

of plugging alowable should be analysed in order to heat exhanger performance still be in

permitted limit. In this analysis, the calculation of both pressure drop and heat transfer due to a

plugging are conducted.The analysis result shows that based on maximum pressure drop allowable

namely 0.4 bar therefore the maximum plugging are 60 tube-rods, meanwhile, the decreasing of

heat transfer indicated that it is not so significant. Increasing of coolant temperature to the reactor

only 0.2oC. Based on reactor thermohydraulic safety aspect to the existing margin so reactor

operation is under safely.

Keywords: plugging, heat transfer, pressure drop.

PENDAHULUAN

Di dalam sistem pendinginan, penukar kalor digunakan sebagai alat transfer kalor

dari aliran panas ke aliran pendingin. Alat penukar kalor reaktor RSG-GAS (kode JE01-

BC01 dan JE01-BC02) yang terletak pada sisi-discharge pompa pendingin primer berperan

memindahkan kalor dari pendingin primer ke pendingin sekunder. Bagian sisi-shell dilalui

oleh aliran pendingin primer (air demineral), sedang bagian sisi-pipa adalah pendingin

sekunder[1].

Beberapa penelitian sebelumnya yang berkaitan dengan penukar kalor reaktor RSG-

GAS telah dilakukan dan mengungkapkan berbagai hal, seperti perhitungan rugi-tekanan,

evaluasi kinerja penukar kalor RSG-GAS dan sebagainya [2].

132


2/10

ISSN 1411240X


Analisis Penyumbatan Pipa-pipa .........

(Sukmanto D.)

Saat ini sistem pendingin telah berusia 20 tahun, salah satu efek penuaan yang

mungkin terjadi terhadap pipa-pipa penukar kalor adalah kebocoran. Pada umumnya

kebocoran pipa penukar kalor memerlukan perbaikan secara menyeluruh, memakan waktu

lama dan prosedur yang rumit dan mahal. Oleh karena itu, langkah penyumbatan merupakanlangkah yang efektif dan umum dilakukan [3]. Beberapa jenis penyumbat (plug) yang biasa

dipakai misalnya high pressure tube plugs, low pressure condenser plugs dan tapered/two

piece tube plugs[4].

Namun demikian, langkah penyumbatan ini akan menurunkan efisiensi penukar

kalor, sehingga sejauh mana penyumbatan masih dapat dilakukan, perlu dilakukan analisis

awal.

Penyumbatan mengakibatkan kenaikan rugi tekanan aliran dan berkurangnya luasan

transfer kalor. Akan tetapi dapat menaikkan kecepatan aliran sehingga koefisien transfer

kalor naik[5]. Dari hipotesa ini maka perlu dianalisis untuk memastikan jumlah penyumbatan

maksimum di mana rugi tekanan tidak melebihi batas dan kinerja terhadap transfer kalor

masih memenuhi syarat. Analisis dilakukan dengan cara menghitung rugi-tekanan dan

transfer kalor akibat sejumlah penyumbatan batang pipa penukar kalor. Hal ini tentunya

dimaksudkan untuk mempertahankan kinerja penukar kalor reaktor RSG-GAS secara

handal. Analisis ini merupakan penelusuran lanjutan terhadap karakteristik Penukar kalor

reaktor RSG-GAS yang diharapkan dapat melengkapi data dukung dokumen yang telah ada.

Proses analisis berdasarkan data input temperatur pendingin sekunder dari menara pendingin,

laju alir masing-masing jalur primer dan sekunder. Dari data kondisi ini temperatur

pendingin primer ke teras reaktor dapat dihitung. Ditinjau dari aspek keselamatan

termohidrolika teras, temperatur pendingin ke reaktor merupakan parameter yang sangat

vital. Temperatur ini harus tidak lebih dari batasan temperatur yang telah ditentukan oleh

Reactor Protection System (RPS).

Berdasarkan uraian yang dikemukakan sebagai latar belakang masalah, maka tujuan

makalah ini adalah menghitung kinerja yang menyangkut koefisien transfer kalor dan rugi-

tekanan akibat sejumlah penyumbatan batang pipa penukar kalor reaktor RSG-GAS. Dari

hasil perhitungan tersebut, diharapkan dapat diketahui sejauh mana memungkinkan bisa

disumbat sehingga masih dapat berfungsi sebagaimana mestinya.

TEORI

Penukar Kalor Reaktor RSG-GAS[1]

Sistem pendingin primer reaktor RSG-GAS berfungsi mengambil kalor yang

dibangkitkan di teras reaktor dengan menggunakan pompa sirkulasi. Alat penukar kalor yang

terletak pada sisi-dorong pompa primer, berperan memindahkan kalor dari sistem pendinginprimer ke pendingin sekunder. Sisi-shell penukar kalor ini dilalui oleh pendingin primer dan

sisi-pipa dilewati oleh pendingin sekunder.

Dua unit alat yang dioperasikan, dirangkai secara paralel masing-masing memiliki

data geometri dan kapasitas yang sama, beban nominal 15 MW setiap alat. Jenis alat penukar

kalor ini adalah shell-tube lintas 2-2 posisi vertikal. Terdapat penyekat longitudinal pada

bagian garis tengah shell dan arah aliran antara sisi-shell dengan sisi-pipa adalah berlawanan.

Sistem pendingin sekunder dialirkan melalui sisi-pipa, air pendingin sekunder disirkulasikan

melalui sistem menara pendingin. Untuk mengatasi timbulnya deposit atau kerak pada sisi-

pipa, maka bola-bola spon dilewatkan bersama air pendingin sekunder pada sisi-pipa.

Kurang lebih sebanyak 50 bola disirkulasikan untuk satu unit penukar kalor. Untuk

menghindari lepasnya zat radioaktif ke pendingin sekunder maka dirancang bahwa tekanan

133


3/10



ISSN 1411240X


aliran pada sisi-shell lebih rendah dari sisi-pipa. Gambar 1. menunjukkan penampang

penukar kalor sistem pendingin RSG-GAS. Data spesifikasi dan parameter geometri penukar

kalor dari SAR RSG-GAS sebagai berikut :

sisi-shell : air panas primersisi-pipa : air dingin sekunder

fasa pendingin : air - air

diameter pipaID/ OD : 22 mm, 23 mm

jumlah pipa per pass : 816 batang pipa

panjang pipa : 7410 m

lay-Out : square

luasan transfer kalor : 780 m2

tipe : shell-tube

flow area sisi-pipa / pass : 0,3102 m2

Hasil pengukuran dari data operasi reaktor adalah sebagai berikut :

Aliran pendingin sisi-pipa : 1950 m3/jam [6]

Aliran pendingin sisi-shell : 1550 m3/jam [6]

Temperatur pendingin sekunder masuk : 35,0 oC [6]

Gambar 1. Penampang penukar kalor RSG-GAS

Sebagai fungsi usia dan akibat pergerakan bola spon dapat berakibat menipisnya

permukaan batang pipa sehingga pada kondisi tertentu pipa tersebut dapat bocor. Seperti

uraian sebelumnya, salah satu solusi untuk mengatasi kebocoran pipa adalah penyumbatan.

Namun demikian penyumbatan akan berakibat pada perubahan karakteristik penukar kalor

seperti rugi tekanan dan kemampuan untuk transfer kalor. Berikut ditunjukkan korelasi

penyumbatan terhadap karakteristik tersebut:

134


4/10

ISSN 1411240X



(Sukmanto D.)

Rugi Tekanan

Rugi tekanan (P) aliran di dalam penukar kalor, berasal dari perubahan bentukkontraksi menuju pipa-pipa, friksi pada saluran pipa dan aliran balik (return loss). Untuk

menghitungP di sisi-pipapenukar kalor, digunakan persamaan Fanning berikut : [7]

(1)14,0

2

).(..

....2

wgD

NpLGfP tt

=

Fluida yang memiliki rentang beda temperatur yang besar, diperlukan faktor koreksi

viskositas sebagaimana ditunjukkan pada persamaan (1). Pada aliran dari satu arah ke arahpembalikan terjadi pada kanal headyang berbalik arah, meskipun area aliran pada kanal

headtidak lebih kecil dari total area aliran di sisi-pipa namun perubahan arah aliran (return

loss) ini dapat mengakibatkan kenaikan P. Besarnya return loss oleh Kernsebagai berikut[8] :

(2).

..2 2

g

VNpPr =

P juga dapat berasal dari bentuk kontraksi yang dinyatakan sebagai berikut :

(3)

=

g

VPk

25,1

2

Oleh karena itu penentuan rugi tekanan total di sisi-pipa penukar kalor dapatdituliskan sebagai berikut :

(4)rtktotal PPPP ++=

dengan :

Pk : rugi tekanan aliran masuk/keluar pipaPr: : rugi tekanan oleh aliran balikPt : rugi tekanan sepanjang pipaGt : kecepatan massa = Fv/(nt. at)

V : kecepatan volumetrik

at,L : luas aliran, panjang pipa : densitas

D : diameter dalam pipa

f : faktor friksi

K : koefisien resistan

nt : jumlah pipa

Np : jumlahpass

Fv : laju alir volumetrik

g : percepatan gravity

135


5/10



ISSN 1411240X


Dalam perhitungan P suatu aliran, faktor friksifsangat penting, karena untuk fluidamengalir melalui pipa-pipa penukar kalor secara isotermal mengakibatkan tekanan akan

menurun. Pada aliran turbulen, fadalah fungsi bilanganReynolds berikut: [9]

(5)32,0(Re)

125,00014,0 +=f

Transfer Kalor

Untuk perhitungan kemampuan pemindahan kalor, perlu ditinjau persamaan energi

pada alat penukar kalor seperti ditunjukkan pada Gambar 2 :

Sisi-shell

tso

tsi

Sisi-pipa

TPi

TPo

Gambar 2. Skema temperatur sistem penukar kalor

TPi : temperatur masuksisi-shell (pendingin primer dari reaktor)

TPo : temperatur keluar sisi-shell (pendingin primer ke reaktor)

tsi : temperatur masuk sisi-pipa (pendingin sekunder dari menara pendingin)

tso : temperatur keluar sisi-pipa (pendingin sekunder ke menara pendingin)

Pada kondisi tunak, dan mengabaikan heat loss di sepanjang lintasan, laju transfer

kalor adalah,

(1)( ) pppssspipashell TCMtCMQQ ===

jadi,

(2)siss

so tCM

Qt +=

Ms : laju aliran sisi-shell,Mp: laju aliran sisi-pipa. Persamaan transfer kalor dari sisi-shell ke

sisi-pipa pada penukar kalor dituliskan sebagai berikut,

dengan :

A : luasan transfer kalor

136


6/10

ISSN 1411240X



(Sukmanto D.)

(3)AU

QLMTD

o

=

LMTD : beda temperatur logaritmik antara sisi-shell dan sisi-pipa

Uo : koefisien transfer kalor yang pada langkah awal nilainya diasumsikan

LMTD dapat dihitung dari :

(4)( ) ( )

( )siPi

siPi

soPi

soPo

tT

tT

tT

tTLMTD

=/)ln(

Dari penyelesaian persamaan (1), (3) dan (4) maka TPo, TPi dapat dihitung. Dengan

diketahuinya temperatur pendingin di atas, maka nilai Uo baru dapat dihitung kembali,

(5)

( ) ( ) dwpipashello

RRhh

U

+++

=

/1/1

1

Dengan :

hshell , hpipa : koefisien film sisi-shell dan sisi-pipa

Rw, Rd : koefisien resistansi dinding danfilm

Persamaan (5) digunakan untuk menghitung kembali persamaan (3). Koefisien Rd

harus diperoleh hingga tercapai hasil perhitungan. Diagram perhitungan transfer kalor

tersebut disajikan pada Gambar 3 [10].

Data pengukuran aliran pendingin sisi-pipa, pendingin sisi-shell dan temperatur masuk

pendingin sekunder dipakai sebagai input untuk menghitung koefisien transfer kalor. Pada

perhitungan ini, penyumbatan mengakibatkan luasan transfer kalor A berkurang padapersamaan (3) akan tetapi koefisien film hshell, hpipa,naikpada persamaan (5).

Selesai

Hitung Uo, baru (pers.5)

Uo=Uo baru

Hitung tso (pers.2)

Hitung TPo,TPi

Uo, baru -Uo 10-6

ya

tidak

HitungLMTD (pers.3)

Asumsi Uo

INPUTka

Gambar 3. Alur perhitungan

137


7/10



ISSN 1411240X


METODA PERHITUNGAN

Metoda yang digunakan untuk menghitung jumlah penyumbatan maksimum yang

masih diijinkan dari sisi transfer kalor dan rugi tekanan ditunjukkan dalam alur metodaproses perhitungan ditunjukkan seperti Gambar 4.

Penyumbatan

Apakah Temperatur .air ke reaktor> Temperatur. RPSdanP >

Pmaksimum

Perhitungan transfer

kalor

dan rugi tekanan (P)

Penambahanpenyumbatan

Ya

Tidak

Jumlah penyum-batan

maksimum

Gambar 4. Diagram metoda perhitunganHasil Dan Pembahasan

Rugi Tekanan

Analisis kenaikan rugi tekanan (P) yang melalui pipa-pipa penukar kalorditunjukkan pada Gambar 5, dalam perhitungan P ini divariasikan untuk jumlah pipa yangdisumbat dari 1 sampai 60 batang pipa. Hal ini didasarkan pada hasil perhitungan terhadap

P sisi-pipa penukar kalor yang mengindikasikan bahwa pada jumlah penyumbatan tersebut,kenaikanP cukup berarti.

Pada kondisi awal (belum dilakukan penyumbatan) menunjukkan besaran P= 0,353

bar (pada kurva 2000 m3/jam), angka ini sedikit lebih rendah dari data desain yakni 0,4 bar

[1]. Sementara itu perhitungan P pada penyumbatan 60 batang pipa adalah 0,398 bar. Inimerupakan angka rugi tekanan yang mendekati angka data desain. Laju aliran yang melalui

sisi-pipa diinputkan pada 1950 dan 2000 m3/jam, hal ini karena laju aliran pendingin

sekunder yang menuju sisi-pipa penukar kalor berada pada rentang angka tersebut.

138


8/10

ISSN 1411240X



(Sukmanto D.)

Gambar 5. Grafik kenaikan rugi tekanan

Transfer Kalor

Tabel 1 menunjukkan hasil perbandingan antara data pengukuran dengan hasil

perhitungan. Tabel ini dimaksudkan sebagai langkah verifikasi sebelum analisis kinerja

penukar kalor akibat penyumbatan dilakukan. Hasil verifikasi telah menunjukkan cukup

kesesuaian. Dalam perhitungan ini telah dilakukan penentuan koefisien fouling dan faktor

koreksi untuk memperoleh ketelitan pada verifikasi perhitungan kinerja penukar kalor pada

daya reaktor 15 MW.

Tabel 1. Verifikasi perhitungan pada daya 15 MWPendingin Primer Pendingin Sekunder

Verifikasi Temperaturke penukarkalor (oC)

Temperaturdari penukar

kalor (oC)

Aliran(m3/jam)

Temperaturdari penukar

kalor (oC)

Temperaturke penukar

kalor (oC)

Aliran(m3/jam)

Data

Pengukuran42,00 36,50 1550 38,50 35,0 1950

Hasil

perhitungan41,89 36,65 1550 38,54 35,0 1950

(*): Temperatur pendingin menuju reaktor (oC)

Gambar 6. Grafik koefisien Uo

139


9/10



ISSN 1411240X


Gambar 6. adalah perolehan hasil perhitungan untuk beberapa variasi jumlah pipa

yang disumbat. Data masukan yang dipakai dalam perhitungan ini pada laju alir pendingin

primer dan sekunder masing-masing 1550 m3/jam dan 1950 m3/jam. Hasilnya menunjukkan

bahwa terjadi penurunan kinerja penukar kalor yang mana secara kuantitatif nilai Uo turunsekitar 0,2 % . Oleh karena itu dapat dikatakan bahwa penurunan ini relatif kecil.

Gambar 7 adalah grafik yang mengindikasikan hubungan antara jumlah pipayang

disumbat terhadap temperatur pendingin primer yang menuju reaktor. Seperti halnya pada

penurunan angka Uo, terlihat bahwa kenaikan temperatur ini tidak cukup signifikan yakni

naik dari 36,645oC menjadi 36,850oCatau naik 0,21oC. Dengan demikian, ditinjau dari aspek

keselamatan termohidrolika reaktor maka margin yang ada untuk kenaikan ini masih aman.

Pernyataan tersebut didasarkan pada temperatur pendingin primer yang menuju reaktor

masih dibawah temperatur RPS.

Gambar 7. Grafik kenaikan temperatur pendingin ke reaktor

Kesimpulan

Berdasarkan hasil perhitungan dapat disimpulkan bahwa dari sudut pandang rugi

tekanan maksimum yang disarankan maka jumlah penyumbatan maksimum adalah 60

batang. Sementara itu perhitungan terhadap dampak penurunan koefisien transfer kalor

tidaklah signifikan. Begitu pula terhadap kenaikan temperatur pendingin ke reaktor di mana

ditinjau dari aspek keselamatan termohidrolika reaktor, margin yang ada masih aman.

Daftar Pustaka

1. BATAN, Safety Analysis Report Chapter-6/Rev.9, 2002.2. SUKMANTO D.dkk,Analisa kemampuan penukar kalor moda operasi Satu jalur Sistem

Pendingin RSG-GAS, Prosiding Seminar Sains & Teknologi Nuklir, Bandung 11-12

Juli 2000.

3. DUDEK-MATTHEW, Expandable Pipe Plug, Clark-NJ, US, www.Freepatentsonline.com /4310029.html, akses Juni 2007.

4. KEN DFR,Tube Plugging, Forum, http://www.eng-tips.com/viewthread.cfm?qid=203299&page=4, akses Feb 2008.

140


10/10

ISSN 1411240X



(Sukmanto D.)

5. BELL K.J, Heat Exchanger Design Hand-Book (HEDH), Bab 3, Hemisphere PublishingCorp, Washington DC, 1983.

6. PRSG, Data Operasi Reaktor 2007.7. PERRY HR, Chemical Engineer's Hand Book, 6 Edition, Section 10, Mc.Graw HillBook Co, New York, 1984.8. KERN DQ, Process Heat Transfer, International Student Edition, Mc.Graw Hill Book

Co, New York, 1965.

9. GREGORY A.G, Alternate to standard Friction Factor Equation, Technology-Oil &GAS Journal, p.120., April 1985.

10.COKER KAYODE, Chemical Process Design, Analysis, and Simulation, Chapter 8(Heat Transfer), p.610, Gulf Publ.Co, HOUSTON, 1995.

141

Analisis Penyumbatan Pipa

Documents

Transcript of Analisis Penyumbatan Pipa