ANALISIS TERMOHIDROLIKA SISTEM PENDINGINSEKUNDER RSG-GAS

MENGGUNAKAN PROGRAM CATHENA

Riyandi 1, Dhandhang Purwadi, Suroso

1Teknik Mesin, Fakultas Teknik dan Sains, Universitas Nasional, Jl. Sawo Manila No.61 Pejaten, Pasar Minggu Jakarta Selatan 12520

Lembaga Ilmu Pengetahuan IndoneiaE-mail :

Abstrak - ANALISIS TERMOHIDROLIKA SISTEM PENDINGIN SEKUNDER RSG-GAS MENGGUNAKAN PROGRAM CATHENA. Keselamatan operasi RSG-GAS sangat bergantung kepada keandalan system dengan komponen-komponen penduungnya. RSG-GAS telah beroperasi selama 13 tahun lebih, dalam kondisi seperti itu suatu rencana pembebanan terhadap system pendingin perlu dievaluasi secara seksama sebelum dilaksanakan. Untuk melakukan estimasi kondisi system pada pembebanan tertentu telah dibuat pemodelan system yang mendekati model system pendingin sekunder yang sesungguhnya. Dari pemodelan system tersebut dilakukan simulasi system pendingin sekunder RSG-GAS dengan menggunakan program CATHENA (Canadian Algorithm for THErmalhydraulics Network Analysis). Simulasi program dijalankan dengan satu jalur utama pada daya operasi 10 MW. Hasil dari simulasi diperoleh sifat termohidrolika system pendingin sekunder yang meliputi: parameter tekanan, temperature, laju aliran, entalpi dan lainnya. Perbandingan hasil simulasi dengan pengukuran yang dilakukan untuk kondisi yang sama diperoleh perbedaan masing-masing temperatur masuk dan keluar alat penukar kalor terdapat perbedaan 9,8 % dan 11,9 % laju aliran masuk dan keluar menara pendingin terdapat perbedaan 6,3 % serta tekanan tekanan isap masuk pompa harganya sama dan masih dibawah batas operasi. Faktor koreksi yang diperoleh dari hasil pengukuran tersebut digunakan untuk menghitung kodisi sesungguhnya seperti temperatur pada setiap titik yang dibutuhkan untuk analsis unjuk kerja yang sebenarnya.

Kata kunci : analisis system termohidrolika, system pendingin sekunder RSG-GAS, program CATHENA

I. PendahuluanPusat Pengembangan Teknologi Reaktor Riset (P2TRR) merupakan salah satu bagian

dari Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN) yang mempunyai tugas melaksanakan penelitian dan pengembangan teknologi reactor, pengoperasian Reaktor Serba Guna GA.Siwabessy (RSG-GAS) dan melakukan pelayanan iradiasi serta tanggung jawab terhadap keselamatan yang ditetapkan oleh pimpinan Batan. Keselamatan dari pengoperasian reaktor nuklir sangat tergantung kepada keandalan sistem dan komponen yang mendukungnya. RSG-GAS sudah beroperasi cukup lama untuk ukuran suatu reaktor nuklir, yaitu lebih kurang tiga belas tahun. Dengan umur operasi yang hampir setengah umur disain ini, tentu kinerja system dan komponen RSG-GAS tentu akan menurun. Penurunan kinerja ini akan mempengaruhi keadaaan sistem secara keseluruhan. Disamping itu adanya rencana untuk mengganti bahan bakar RSG-GAS menjadi bahan bakar jenis silisida[l] yang mempunyai kemampuan penyediaan energi yang lebih tinggi. Maka keandalan system pendingin reactor perlu dievalusai kembali guna kesinambungan proses operasi reactor.

II. Motode Penelitian2.1 Deskripsi Paket Program

CATHENAPakt program CATHENA (Canadian Algorithm for THErmallhydraulics Network

Analysis) adalah program computer untuk menganalisis suatu system yang memiliki proses yang berkaitan dengan masalah termal dan hidrolika dengan simulasi. Untuk dapat mensimulasikan system dengan program computer ini, system nyata dimodelkan ke dalam system maya yang ekivalen.

2.2 Deskripsi Sistem Pendingin Sekunder

System pendingin sekunder adalah subsistem dari system pendingin RSG-GAS. System ini berfungsi untuk mengambil energi panas dari system pendingin primer dan membuangnya ke lingkungan melalui menara pendingin (cooling tower).

Secara skematis proses aliran panas yang terjadi di dalam system reactor RSG-GAS diberikan seperti Gamabar 3.2

Model pemipaan pemipaan system pendinginan sekunder diberikan pada gambar 3.3

Data teknis system pendingin sekunder yang terdiri dari pompa pendingin sekunder, alat penukar kalor, menara pendingin dan filter mekanik diberikan sebagai berikut:

A. Pompa pendingin sekunderJumlah : 3 x 50% Tipe : sentrifugalRancangan tekanan : 8 barRancangan temperature : 60 °CHeat total : 28 mDebit aliran : 2000 m/hTemperatur operasi : 50 °CTenaga motor : 220 kWTegangan : 380 V Hz

B. Alat penukaran kalor (HE)Jumlah : 2 x 50% Tipe : multi pass. Shell and tubeSuhu air pendingin : - suhu air pendingin masuk primer 49 °C

- suhu air pendingin keluar primer 40 °C - suhu air pendingin masuk sekunder 40 °C

- suhu air pendingin keluar sekunder 32 °CDebit aliran : 485 kg/sLuas permukaan : 780 m²Diamater masing-masing pipa : 0,022 mPanjang tiap pipa : 7,410 mJumlah pipa tiap satu satuan : 816 batangDiameter luar shell : 1,300 mPanjang total tiap alat : 9 m

C. Menara PendinginJumlah : 6 + 1Jumlah blok : 2 x 50%Beban Termal tiap blok : 16.500 kWJumlah modul tiap blok : 3Beban termal tiap mdul : 5.500 kWTemperatur air masuk : 39 ºCTemperatur air keluar : 32 ºCTemperatur udara (Wet bulb) : 28 ºCDaya blower : 34 kW

D. Filter mekanikJumlah : 3 buahTipe : filter mekanikMedia aliran rancangan : air pendingin sekunderTekanan rancangan : 0,6 Mpa (gauge)Lubang-lubang filter : 60 ºC

2.3 Model Perhitungan2.4.1 Model Perhitungan Koefisien Friksi (Sambungan)

D2

Data-data system yang digunakan untuk perhitungan koefisien friksi di setiap sambungan meliputi katup, elbow, dan difusi lainnya. Data yang ada pada system sebenarnya yaitu debit=0,542 m³/s dengan diameter pipa 0,50 m, maka luas tampang lintangnya adalah 0,1963 m². Temepratur masuk menara pendingin adalah 39 ºC, dan temperature keluar dari menara pendingin 32 ºC sehingga temperatur rata-rata yang terjadi adalah 35,5 ºC.

Dengan menggunakan μ dan ρ yang ada dilapangan, maka bilangan Reynolds dapat diperoleh yaitu Re=727952,3. dengan asumsi smooth pipes untuk permukaan saluran, maka dari diagram Moody pada lampiran B diperoleh ƒ=0,012.

Perhitungan koefisien friksi (K) menurut CRANE untuk elbow standar 90 °, diberikan pada Tabel 3.1

Di mana R/D perbandingananatara jari-jari dari elbow dengan diameter pipa.

Sistem pendingin sekunder merupakan system pemipaan yang komponennya terdapat pipa lurus, elbow, katup serta reduser, diantara komponen tersebut terdapat pipa lurus, elbow, katup serta reduser, diantara komponen tersebut terdapat elbow dengan sudut lekukan 90° dengan jari-jari lekukan (R)=0,762 m diameter (D)=0,50 m, maka koefisien friksi (K) menurut Tabel 3.1 dan Tabel 3.2 adalah K=0,168. Untuk komponen katup (valve), system pemipaan pendingin terbanyak menggunakan katup jenis kupu-kupu (butterfly valve). Komponen resedur terpasang pada sisi isap pompa dan sisi luaran pompa. Diameter pipa resedur (D2) serta (D1) seperti diberikan pada Gambar 3.4 dan Gambar 3.5 berturut-turut adalah 0,50 m dan 0,30 m dengan sudut = 60°, sehingga harga koefisien fraksi K sesuai dengan rumus:

Untuk = 60° dan = D2/D1 didapatkan harga koefisien (K)=0,359

R/D K R/D K R/D K11,523

20 ƒ14 ƒ12 ƒ12 ƒ

46810

14 ƒ17 ƒ24 ƒ30 ƒ

12141620

34 ƒ38 ƒ42 ƒ50 ƒ

Sedangkanuntuk harga K arah balik(diffuser) sesuai dengan rumus:

Didapatkan harga koefisien friksi (K) sebesar 3,16

Koefisien friksi pada perubahan

III. Hasil dan PembahasanHasil simulasi system pendingin RSG-GAS yang terdiri dari system primer dan

sekunder dioperasikan secara bersamaan. Reactor diasiumsikan beroperasi pada 10 MW dengan menggunakan satu jalur utama. Data awal yang dibutuhkan dalam simulasi meliputi harga tekanan, temperature serta laju aliran pada setiap nodal yang ada, slain itu data awal dapat berupa tekanan dan entalpi (fase cair dan atau gas).

Data-data hasil perhitungan computer CATHENA yaitu temperature (terkoreksi), tekanan pada setiap titik nodal komponen, entalpi pada setiap titik nodal komponen diberikan pada table 4.2

Distribusi temperature pada setiap titik (nodal) disepanjang system pendingin sekunder yang ditemukan diberikan pada gambar 4.2

IV. KesimpulanHasil pengukuran operasi reactor dibandingkan dengan hasil simulasi menggunakan

paket program CATHENA dengan pemodelan yang dibuat diperoleh: temperatur masuk dan keluar alat penukar kalor berturut-turut mempunyai perbedaan 9,8% dan 11,9%, laju aliran masuk dan keluar menara pendingin (cooling tower) mempunyai perbedaan harga 6,3%, dan tekanan isap masuk pompa hasil perhitungan simulasi menunjukan harga yang sama penunjukkan data operasi reactor dan masih dalam batas yang diizinkan.

Hasil yang diperoleh dari simulasi dengan menggunakan program CATHENA pada system pendingin sekunder RSG-GAS yang dioperasikan satu jalur dengan daya operasi 10 MW diperoleh: nilai temperature masuk dan keluar sisi sekunder pada alat penukar kalor berturut-turut adalah 35,12 ºC dan 39,2 ºC, nilai tekanan di sisi isap pompa adalah 0,02184 MPa, dan nilai laju aliran masuk dan keluar menara pendingin adalah 2042 m³/h.

V. Daftar Pustaka