Visualisasi Mekanisme Flooding Aliran Counter-Current Air

Prosiding Seminar Nasional XI “Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi 2016Sekolah Tinggi Teknologi Nasional Yogyakarta

280

Visualisasi Mekanisme Flooding Aliran Counter-Current Air-Udara pada Simulator Hotleg Dengan L/D=50

Suprianta Setiawan Putra4, Apip Badarudin2,5, Deendarlianto1, Indarto1, Sinung Tirtha3,Venti Yoanita3 dan Marcellinus Sindhu4

1Departemen Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada,Jl. Grafika No. 2 Yogyakarta 55281

[email protected] Studi S-3 Teknik Mesin, Departemen Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada

Jl. Grafika No. 2 Yogyakarta 552813Program Studi S-2 Teknik Mesin, Departemen Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada

Jl. Grafika No. 2 Yogyakarta 55284Program Studi S-1 Teknik Mesin, Departemen Teknik Mesin dan Industri, Universitas Gadjah Mada

Jl. Grafika No. 2 Yogyakarta 55285Jurusan Teknik Refrigerasi dan Tata Udara, Politeknik Negeri BandungJl. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga, Kotak Pos 1234, Bandung 40012

AbstractIn this study, the experiments used a hotleg simulator which consists of three parts: a horizontal

pipe, bend and riser. Geometry sizes of pipes in a scale of 1/30 of the actual hotleg geometry size inthe PWR, with ratio L/D = 50. Hotleg simulator has an inside diameter = 25.4 mm, the horizontalpipe length L = 1270 mm, and riser pipe length 20 mm with an angle of 50o. The visual data wascollected by using a high speed camera to observe the mechanism of flooding that occurred in hotlegsimulator. Flooding mechanism was identified by analyzing the phenomena that occur at the time ofthe flooding. From the observation of a high speed camera, it was found that the initiation offlooding coincided with the formation of liquid slug. At low superficial velocity of water, the onsetof slugging occurs near a bend. While at higher superficial velocity of water, the onset of sluggingoccurs away from the bend. Comparison of horizontal pipe length to the diameter of pipes (L/D)provide a significant effect on the flooding phenomenon.Keywords: pressurized water reactor, onset of flooding, onset of slugging, hydraulic jump, hotleg.

1. PendahuluanPada skenario LOCA (loss of coolant accident)

pada PWR, terjadi kebocoran pipa pada sirkuitprimer. Kebocoran pipa tersebut mengakibatkanpenurunan tekanan pada sirkuit primer. Hal iniakan memudahkan terjadi penguapan cairan dipemipaan primer. Uap yang dihasilkan akanmengalir ke SG melalui pipa hot-leg. Ketikasampai di SG (di dalam pipa primer), uap akanmengembun dan terbentuk kondensat kemudianmengalir kembali melalui pipa hot-leg menujuRPV. Akibatnya pada pipa hot-leg terjadi aliranberlawanan arah (counter-current) antara uap danair seperti terlihat pada Gambar 1.

Keberhasilan pendinginan reaktor nuklir padasirkuit primer tergantung pada perilaku aliran duafase counter-current yang terjadi. Laju massa airakan stabil pada laju massa udara tertentu. Apabilalaju massa udara mengalami kenaikan, kestabilandari aliran ini akan terganggu dan berakibat terjadifenomena flooding atau counter current flowlimitation. Apabila fenomena flooding tidak diatasimaka berakibat pendinginan reaktor tidak terjadi.

Gambar 1 Aliran dua fase counter-current padasirkuit primer PWR (Seidel, T. dkk., 2010)

Fenomena flooding pada aliran dua fase countercurrent air-udara menurut Deendarlianto dkk.,(2008), flooding diindikasikan sebagai lajumaksimum dari aliran massa udara yang mana lajualiran massa air yang mengalir turun sama denganlaju aliran massa air yang masuk pada inlet.Definisi flooding lainnya dikemukakan oleh Issadan Macian (2011) merupakan kondisi dimana


281

seiring peningkatan laju aliran udara, aliran airakan terhenti dan terbawa oleh aliran udara secaraparsial atau seluruhnya. Fenomena flooding dapatterjadi pada geometri saluran vertikal maupunhorisontal. Fenomena tersebut dapat diketahuidengan pengamatan visual, laju aliran cairan dangradien tekanan yang terjadi.

Penelitian mengenai fenomena flooding padaaliran counter-current air-udara telah banyakdilakukan oleh peneliti sebelumnya. Banyakpeneliti melakukan penelitian dengan memodelkanpipa hotleg dengan berbagai variasi geometri danukuran untuk mengamati fenomena flooding yangterjadi. Semua penelitian tersebut mempunyaitujuan yang sama yaitu untuk memprediksimekanisme terjadinya flooding terjadi mengingatakan bahaya apabila fenomena tersebut terjadi.

Untuk memperoleh nilai faktor keselamatanreaktor yang tinggi maka fenomena flooding padapipa hot-leg perlu dikaji lebih dalam lagi untukmenyempurnakan desain reaktor tersebut. Padapenelitian ini dilakukan pengamatan terhadapfenomena flooding pada pipa hot-leg denganukuran yang lebih kecil. Tujuan penelitian iniadalah untuk mengidentifikasi secara visualmekanisme terjadinya onset of flooding, posisihydraulic jump dan zero penetration pada seksi uji.Proses identifikasi tersebut mengadopsi cara yangsudah dilakukan oleh Issa dan Macian (2014).

2. Metode dan PeralatanPengamatan CCFL pada pipa hot-leg ini

dilakukan di regime stable counter-current Flowdan partial delivery. Pada regime partial deliverydiamati kondisi antara onset of flooding sampaizero-liquid penetration seperti terlihat padaGambar 2. Keseluruhan kondisi tersebut dikenalsebagai CCFL.

Gambar 2 Karakter aliran air-udara counter-current [5]

Secara garis besar, desain instalasi percobaanyang digunakan pada penelitian ini terbagi menjadiempat bagian besar, yaitu bagian seksi uji , alatuntuk menyuplai udara, alat untuk menyuplai airdan peralatan elektronik. Skema alat uji penelitianini dapat dilihat pada Gambar 3.

Menurut skema alat pada Gambar 3, airdipompa dari lower water container menuju upperwater container.

Gambar 3 Skema alat penelitian

Pompa beroperasi hanya untuk menaikkan airdari lower water container menuju upper watercontainer dan dimatikan setelah upper watercontainer terisi air penuh. Selanjutnya air dialirkandari upper water container menuju rotameter airuntuk diatur debit air kemudian diinjeksikanmenuju upper tank (sebagai simulator dari steamgenerator). Air mengalir dari upper tank melewatisimulator hotleg menuju lower tank (sebagaisimulator dari reactor pressure vessel).

Dalam waktu bersamaan udara dari kompresordialirkan menuju regulator untuk diatur tekananudara pada kondisi konstan 3 bar. Setelah melewatiregulator udara dialirkan melewati rotameterkemudian diinjeksikan kedalam lower tank. Udaramengalir melewati simulator hotleg menuju uppertank secara berlawanan arah dengan arah aliran air.Eksperimen dilakukan dengan kecepatansuperfisial cairan dijaga konstan kemudiankecepatan superfisial udara dinaikkan secaraperiodik sampai dicapai kondisi onset of floodingdan zero liquid penetration. Mekanisme floodingdiperoleh dari hasil pengambilan gambar dengankamera berkecepatan tinggi.

3. Hasil dan Pembahasan

3.1 Mekanisme Flooding Aliran Counter-CurrentAir-Udara pada HotlegMenurut hasil pengolahan data visual dari

eksperimen dengan kecepatan superfisial airJL=0,0033m/s (0,1 LPM) – 0,1 m/s (3 LPM),fenomena flooding yang terjadi pada simulatorhotleg dapat dibedakan menjadi 3 wilayah.Penggolongan wilayah tersebut berdasarkanmekanisme pada saat terjadinya flooding.

3.1.1 Mekanisme Flooding Aliran Counter-Current pada JL=0,023 m/s (QL=0,7 LPM)

Wilayah pertama pada kecepatan superfisial airJL=0,0033 m/s (0,1 LPM) – 0,042 m/s (1,3 LPM).Pada pembahasan hasil visualisasi pada wilayah ini


282

diwakili data penelitian pada JL=0,023 m/s (QL=0,7LPM).

Pada wilayah ini mekanisme flooding ditandaidengan terjadinya fenomena onset of sluggingdengan pembentukan liquid slug. Liquid slug yangterbentuk terdorong oleh laju aliran udara menujubelokan membentuk small roll wave. Selanjutnyasmall roll wave terpecah di belokan tanpa diikutipembentukan droplet pada upper tank sepertiterlihat pada Gambar 4.

Gambar 4 Perkembangan liquid slug menjadi small rollwave pada JL=0,023 m/s

Small roll wave terjadi berulang-ulang padabelokan dan berkembang menjadi large roll wave.Large roll wave terdorong oleh laju aliran udaramenuju pipa miring dan terpecah menuju uppertank terbentuk droplet seperti terlihat pada Gambar5.

Gambar 5 Pembentukan large roll wave padaJL=0,023m/s

3.1.2 Mekanisme Flooding Aliran Counter-Currentpada JL=0,059 m/s (QL=1,8 LPM)

Wilayah kedua pada kecepatan superfisial airJL=0,046 m/s (1,4 LPM) – 0,075 m/s (2,3 LPM).Pada pembahasan hasil visualisasi pada wilayah ini


Pada wilayah ini mekanisme flooding ditandaidengan terjadinya fenomena onset of sluggingdengan pembentukan liquid slug. Liquid slugmengalami pemanjangan seiring terdorong olehaliran udara menuju belokan membentuk large rollwave seperti terlihat pada Gambar 6.

Gambar 6 Perkembangan liquid slug pada JL=0,059m/s

Selanjutnya large roll wave terdorong oleh lajualiran udara menuju pipa miring dan terpecahmenuju upper tank terbentuk droplet sepertiterlihat pada Gambar 7.


3.1.3 Mekanisme Flooding Aliran Counter-Current pada JL=0,085 m/s (QL=2,6 LPM)

Wilayah ketiga pada kecepatan superfisial airJL=0,078 m/s (2,4 LPM) – 0,1 m/s (3 LPM). Padapembahasan hasil visualisasi pada wilayah ini


283


Pada wilayah ini mekanisme flooding ditandaidengan terjadinya fenomena onset of sluggingdengan pembentukan liquid slug. Liquid slugmengalami pemanjangan seiring terdorong olehaliran udara menuju pipa miring tanpa diikutipembentukan droplet pada upper tank sepertiterlihat pada Gambar 8.

Gambar 8 Perkembangan liquid slug pada JL=0,085m/s

Selanjutnya pada belokan terjadi large rollwave. Large roll wave terdorong oleh laju aliranudara menuju pipa miring dan terpecah menujuupper tank terbentuk droplet seperti terlihat padaGambar 9.


3.2Hubungan Kecepatan Superfisial Airdan Udara terhadap MekanismeFlooding Aliran Counter-Current Air-Udara pada Hotleg

Fenomena hydraulic jump terjadi akibat transisialiran superkritis menjadi aliran subkritis. Padakecepatan superfisial air yang rendah tampakhydraulic jump terjadi pada dekat dengan belokan,sedangkan pada kecepatan superfisial air yanglebih tinggi hydraulic jump menjauh dari belokanseperti terlihat pada Gambar 10. Fenomena initerjadi karena semakin besar kecepatan superfisialair mengakibatkan laju aliran air lebih cepat padabagian pipa miring. Hal ini menyebabkanperlambatan air pada pipa horisontal membutuhkanjarak dan waktu lebih panjang. Karena itulah posisihydraulic jump menjauh dari belokan.

Gambar 10 Posisi hydraulic jump pada QG = 5 L/m(JG=0,164 m/s)

Pada kecepatan superfisial air yang sama, seiringmeningkatnya kecepatan superfisial udarafenomena hydraulic jump semakin mendekatibelokan seperti terlihat pada Gambar 11. Fenomenaini terjadi karena tegangan geser interfasial air-udara semakin besar. Semakin besar tegangangeser interfasial air-udara mengakibatkan aliran airmengalami perlambatan lebih besar sehingga aliransuperkritis akan lebih cepat mengalami transisi.Akibatnya perlambatan laju aliran pada pipahorisontal dibutuhkan jarak dan waktu yang lebihpendek. Karena itulah fenomena hydraulic jumpbergeser mendekati belokan.

Gambar 11 Posisi hydraulic jump pada pada QL = 1,8L/m (JL=0,059 m/s)

Ketika kecepatan superfisial udara dinaikkanberakibat batas antarmuka fase gas dan fase cairmenjadi tidak stabil dan muncul gelombang.Ketidakstabilan batas antarmuka fase pada aliran


284

ini dikarenakan gesekan antarmuka fase semakinbesar. Kenaikan kecepatan superfisial udara jugaberakibat gelombang-gelombang kecil berkembangmenjadi gelombang yang lebih besar sehinggaterbentuk pola aliran gelombang (wavy).

Semakin besar kecepatan superfisial udara,gelombang yang terbentuk semakin besar.Akibatnya ruang aliran udara di dalam pipasemakin berkurang. Pada kondisi ini alirangelombang (wavy) yang terbentuk semakin tidakstabil. Seiring peningkatan kecepatan superfisialudara, puncak gelombang yang besar menyentuhbatas atas bagian dalam pipa kemudian terjadionset of slugging dengan terbentuknya liquid slug.Pada kondisi ini pola aliran yang terbentuk berupapola aliran slug.

Posisi onset of slugging pada kecepatansuperfisial air yang rendah terjadi dekat denganbelokan, sedangkan pada kecepatan superfisial airyang lebih tinggi terjadi menjauh dari belokanseperti terlihat pada Gambar 12.

Gambar 12 Posisi onset of slugging terhadap kecepatansuperfisial air

Onset of slugging merupakan inisiasi terjadinyafenomena flooding pada aliran counter-current air-udara. Fenomena flooding pada kecepatansuperfisial air yang rendah terjadi pada kecepatansuperfisial udara yang besar, sedangkan padakecepatan superfisial air yang lebih besar terjadipada kecepatan superfisial udara yang lebih kecilseperti tergambar pada kurva onset of floodingpada Gambar 13.

Fenomena ini terjadi karena semakin besarkecepatan superfisial air, ketinggian hydraulicjump semakin besar sehingga area aliran udaradalam pipa menjadi lebih kecil. Seiringmeningkatnya kecepatan superfisial udara, areaaliran udara dalam pipa menjadi lebih kecilsehingga aliran udara lebih cepat mengenaipermukaan puncak hydraulic jump. Akibatnya,pertumbuhan gelombang di permukaan puncakhydraulic jump semakin cepat. Gelombang yangterbentuk semakin besar sehingga puncakgelombang mengenai permukaan atas bagian dalampipa atau terjadi slugging. Hal ini yangmenyebabkan inisiasi terjadinya flooding lebihcepat.

Gambar 13 Hubungan kecepatan superfisial airterhadap Onset of flooding dan zero liquid penetration

Semakin besar kecepatan superfisial udaramaka jumlah aliran air yang kembali menuju uppertank (steam generator simulator) semakin banyak,hingga pada suatu titik dimana aliran air sudahtidak dapat mengalir melewati pipa horisontaluntuk menuju (lower tank). Kondisi ini disebutzero liquid penetration. Gambar 13 menunjukkanbatas zero liquid penetration untuk setiapkecepatan superfisial air dimana pada berbagaikecepatan superfisial terjadi fluktuatif dan dapatdikatakan tidak ada hubungan kecepatan superfisialair terhadap zero liquid penetration. Hal ini samaseperti penelitian sebelumnya yang dilakukan olehKang dkk (1999).

3.3Korelasi Kecepatan SuperfisialTerhadap Onset of FloodingPada penelitian ini mekanisme terjadinya

flooding seperti terlihat pada Gambar 14 dimanakecepatan superfisial udara untuk terjadinyaflooding menurun seiring meningkatnya kecepatansuperfisial air. Grafik onset of flooding yangterbentuk jika dibandingkan dengan penelitiansebelumnya maka grafik yang terbentuk cenderungsama dengan grafik pada penelitian Badarudin dkk.(2014), hanya saja kemiringan garis pada penelitianini lebih kecil dan posisi kurva berada di atas.

Gambar 14 Overview onset of flooding

Pada penelitian ini dengan L/D=50, fenomenahydraulic jump selalu terjadi di sepanjang pipahorisontal. Gesekan yang dialami oleh aliran air


285

akan lebih besar ketika pipa lebih panjang sehinggafenomena hydraulic jump lebih mudah terjadi.Berbeda dengan penelitian sebelumnya Kang danWongwises dkk. (1996) tidak ditemui hydraulicjump pada kecepatan superfisial yang tinggi.

Ketinggian hydraulic jump yang terbentuksemakin besar seiring meningkatnya kecepatansuperfisial air. Seiring meningkatnya kecepatansuperfisial udara, area aliran udara dalam pipamenjadi lebih kecil sehingga aliran udara lebihcepat mengenai permukaan puncak hydraulic jump.Akibatnya, pertumbuhan gelombang di permukaanpuncak hydraulic jump semakin cepat. Gelombangyang terbentuk semakin besar sehingga puncakgelombang mengenai permukaan atas bagian dalampipa atau terjadi slugging. Hal ini yangmenyebabkan inisiasi terjadinya flooding lebihcepat dibandingkan dengan hasil penelitianWongwises, Kang dan Navarro. Kondisi inidipengaruhi oleh perbandingan panjang horisontalpipa terhadap diameter dalam pipa (L/D). Padapenelitian ini perbandingan panjang pipa horisontalterhadap diameter dalam pipa sebesar L/D=50.

Maka geometri untuk perbandingan panjanghorisontal terhadap diameter dalam pipa sangatmempengaruhi mekanisme flooding yang terjadi.Hal ini ditunjukkan dengan perbedaan grafikhubungan dan yang terbentuk dalam masingmasing penelitian berbeda-beda. Untuk L/Dsebesar 50 yang digunakan dalam penelitian ini,membuat mekanisme flooding terjadi dalamkondisi kecepatan superfisial udara menurunseiring kecepatan superfisial air meningkat.

4. KesimpulanBerdasarkan hasil penelitian yang telah

dilakukan untuk mengamati mekanisme terjadinyaflooding pada aliran berlawanan arah (counter-current) air-udara pada simulator hotleg, makadapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:1. Fenomena flooding yang terjadi pada simulator

hotleg memiliki mekanisme yang berbedaterhadap perubahan kecepatan superfisial airyang diamati.a. Wilayah pertama pada kecepatan

superfisial air rendah dengan JL=0,0033m/s (0,1 LPM) – 0,042 m/s (1,3 LPM),mekanisme flooding ditandai denganterjadinya fenomena onset of sluggingdengan pembentukan liquid slug. Liquidslug yang terbentuk terdorong oleh lajualiran udara menuju belokan membentuksmall roll wave. Selanjutnya small rollwave terpecah di belokan tanpa diikutipembentukan droplet pada upper tank.Small roll wave terjadi berulang-ulangpada belokan dan berkembang menjadilarge roll wave. Large roll wave terdorongoleh laju aliran udara menuju pipa miring

dan terpecah menuju upper tank terbentukdroplet.

b. Wilayah kedua pada kecepatan superfisialair menengah dengan JL=0,046 m/s (1,4LPM) – 0,075 m/s (2,3 LPM), mekanismeflooding ditandai dengan terjadinyafenomena onset of slugging denganpembentukan liquid slug. Liquid slugmengalami pemanjangan seiring terdorongoleh aliran udara menuju belokanmembentuk large roll wave. Selanjutnyalarge roll wave terdorong oleh laju aliranudara menuju pipa miring dan terpecahmenuju upper tank terbentuk droplet.

c. Wilayah ketiga pada kecepatan superfisialair tinggi dengan JL=0,078 m/s (2,4 LPM)– 0,1 m/s (3 LPM), mekanisme floodingditandai dengan terjadinya fenomena onsetof slugging dengan pembentukan liquidslug. Liquid slug mengalami pemanjanganseiring terdorong oleh aliran udara menujupipa miring tanpa diikuti pembentukandroplet pada upper tank. Selanjutnya padabelokan terjadi large roll wave. Large rollwave terdorong oleh laju aliran udaramenuju pipa miring dan terpecah menujuupper tank terbentuk droplet.

2. Posisi terjadinya fenomena hydraulic jumpdan onset of slugging pada simulatorhotleg berbeda terhadap perubahankecepatan superfisial air dan udara.a. Pada kecepatan superfisial air yang

rendah hydraulic jump terjadi dekatdengan belokan, sedangkan padakecepatan superfisial air yang lebihtinggi hydraulic jump terjadi menjauhdari belokan

b. Pada kecepatan superfisial air yangsama, seiring meningkatnya kecepatansuperfisial udara fenomena hydraulicjump semakin mendekati belokan.

c. Pada kecepatan superfisial air yangrendah onset of slugging terjadi dekatdengan belokan, sedangkan padakecepatan superfisial air yang lebihtinggi onset of slugging terjadimenjauh dari belokan.

3. Kecepatan superfisial air memberikanpengaruh yang signifikan terhadapterjadinya fenomena flooding, namun tidakmemberikan pengaruh terhadap fenomenazero liquid penetration.

Ucapan Terima KasihPenelitian ini dibiayai oleh Dana Hibah Bersaingtahun anggaran 2016, serta menggunakan fasilitasperalatan di Lab. Mekanika Fluida, DepartemenTeknik Mesin FT UGM dan Jurusan TeknikRefrigerasi Politeknik Negeri Bandung.


286

Daftar Pustaka

Badarudin, A., Indarto, Deendarlianto, Hermawan,Saka, A., M. Fikri Haykal Syarif, M.F.H,Wicaksono, A., 2014, Observasi karakteristikCCFL pada pipa kompleks, ReTII IX, hal371-375.

Deendarlianto, Vallée, C., Lucas, D., Beyer, M.,Pietruske, H., Carl, H., 2008, ExperimentalStudy on the Air/water Counter-current FlowLimitation in a Model of the Hot Leg of aPressurized Water Reactor. NuclearEngineering and Design, Vol. 238 (12), 3389-3402.

Deendarlianto, Höhne, T., Lucas, D., Vierow, K.,2012. Gas–liquid countercurrent two-phaseflow in a PWR hot leg: A comprehensiveresearch review, Nuclear Engineering andDesign, Elsevier, Vol. 234, 214-233.

Issa, S., Macian, R., 2011. A review of CCFLphenomenon, Annals of Nuclear Energy,Elsevier, Vol. 38, pp. 1795-1819.

Issa, S., Macian, R., 2014. Experimentalinvestigation of countercurrent flow limitation(CCFL) in large-diameter hot-leg geometry :A detailed description of CCFL mechanism,flow pattern and high quality HSC imaging ofthe interfacial structure in a 1/3.9 scale ofPWR geometry, Nuclear Engineering andDesign, Elsevier, Vol. 280, pp. 550-563.

Kang, S.K., Chu, I.C., No, H.C., Chun, M.H.,1999, Air–water countercurrent flowlimitation in a horizontal pipe connected to aninclined riser. Journal of the Korean NuclearSociety, Vol. 31 (6), 548–560.

Seidel, T., Vallée, C., Lucas, D., Beyer, M.,Deendarlianto, 2010, Two-Phase FlowExperiments in a Model of the Hot Leg of aPressurised Water Reactor, Wissenschaftlich-Technische Berichte/ ForschungszentrumDresden- Rossendorf; FZD-531.

Wongwises, S., 1996, Two-phase countercurrentflow in a model of a pressurized water reactorhot leg, Nuclear Engineering and Design Vol.166, pp. 121-133

Visualisasi Mekanisme Flooding Aliran Counter-Current Air

Documents

Transcript of Visualisasi Mekanisme Flooding Aliran Counter-Current Air