Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitian Sains dan Tekrwlogi Menuju Era Tinggal Landa;, Bandung, 8- 10 Oktober 1991 PPTN - BATAN ~tlODEL NUMERIK PERHITUNGAN TEMPERATUR KANAL DAYA SIMULASI PLTN TIPE PWR Nur Adi Uddin Pusat Penelitian Teknologi Keselamatan Reaktor - Badan Tenaga Atom Nasional ABSTRAK MODEL NUMERIK PERHITUNGAN TEMPERATUR KANALDAYASIMULASI PLTN TIPE PWR. Telah disusun suatu model perhitungan temperatur kanal daya pada Untai Termohidrolika (simulasi PLTN tipe PWR dan PHWR) yangada di PPTKR. Karena terjadinya proses pendidihan dalam teras tipe PWR merupakan hal yang tidak diinginkan, maka telah dicoba untuk memperkirakan temperatur masukan pendingin yang masih diperbolehkan di- dalam teras (kana I uji) yang tidak menyebabkan teIjadi proses pendidihan. Perhitungan dilakukan berdasarkan data-data teknis dari fasilitas tersebut dengan menggunakan pro- gram komputer. Fenomena ketergantungan sifat-sifat fisis pendingin terhadap perubahan temperaturnya dihitung dengan metode iterasi untuk temperatur masukan 290° C sampai dengan 310° C. Dalam hal ini korelasi perpindahan panas yang digunakan untuk kondisi sub called adalah korelasi Dittus-Boelter sedangkan untuk kondisi pendidihan digunakan kore- lasi Jeans dan Lottes. Dari hasil perhitungan terlihat bahwa untuk sistem PWR, temperatur saturasi dicapai pada temperatur masukan 310° C. ABSTRACT NUMERIC MODEL OF TEMPERATURE DISTRIBUTION CALCULATION IN THE SIMULATED POWER CHANNELS OF PWR TYPE NUCLEAR POWER PLANT. The numeri- cal model ofcalculation oftemperature distribution in the power channels of Thermo hydraulic Loop in PPTKR - BATANSerpong has been developed. Because the boiling process is one of the unexpected events in the PWR type core, we have tried to predict the input temperature of the cooling water that is still allowed in the core which will not cause the boiling. This calculation have been carried out with the computer program which is based on the technical data from that facility. The dependently fenomena of the physical characteristic of coolant to the temperature variations were calculated by iteration method with input temperatures: 290°C, 29SoC and 310°C. In this case, the heat transfer correlation which is used for sub -' cooledcondition was calculated by Dittus-Boel ter correIation. While for boiling condition Jeans and Lottes correlation was used. The calculation results indicate that the temperature saturation in the power channel of the PWR system ofthe Thermohydraulic Loop was reached if 310° input temperature. PENDAHULUAN Untuk melakukan pengkajian dati pema- haman terhadap aspek teknologi reaktor khu- susnya untuk tipe PWR. BATAN membangun sebuah sarana berupa Untai Termohidrolika yang merupakan simulasi sebuah reaktor tipe PWR dan PHWR. Untuk simulasi tipe PWR, acuannya adalah pad a reaktor Westinghouse 1000 MWe type 312 dengan perbandingan daya 1: 1150. Sarana tersebutdirancanguntukdapat mensimulasikan kondisi mantap maupun kon- disi transien, serta antara lain dapat mensimu- lasikan fenomena termohidrolika dalam proses terjadinya kecelakaan kehilangan pen- dingin akibat pipa pecah. Untai Termohidrolika terdiri dari bebe- rapa komponen utama antara lain pompa sirku- lasi, bundel uji (simulasi bahan bakar), tabung tekan (pressurizer), pemanas awal, penukar pa- nas, tangki pendingin darurat dan perangkat sistem air pendingin. Fasilitas tersebut juga dilengkapi dengan berbagai pengindera untuk memantau dan mengendalikan parameter- parameter termohidrolika selama operasi dan juga dilengkapi dengan sistem pencatat data. Sebelum dilakukan pengoperasian pada fasilitas tersebut perlu dilakukan perhitungan matematis terhadap parameter-parameter termohidrolika untuk menentukan pengaturan (setting point) sistem pengendali sesuai dengan kondisi operasi yang diinginkan. Perhitungan yang teliti perlu dilakukan untuk menghindari terjadinya kesalahan dalam pengaturan sistem pengendali yang dapat menyebabkan kondisi yang tidak diinginkan selama operasi. Selain 73
6
Embed
~tlODEL NUMERIK PERHITUNGAN TEMPERATUR …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File Prosiding/Energi/PPTN_91/Reak... · hidrolika. Sebagai contoh ... Menurut arah aliran air pen- dingin,
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitian Sainsdan Tekrwlogi Menuju Era Tinggal Landa;,
Bandung, 8 - 10 Oktober 1991PPTN - BATAN
~tlODELNUMERIK PERHITUNGAN TEMPERATUR KANAL DAYASIMULASI PLTN TIPE PWR
Nur Adi UddinPusat Penelitian Teknologi Keselamatan Reaktor - Badan Tenaga Atom Nasional
ABSTRAKMODEL NUMERIK PERHITUNGAN TEMPERATUR KANALDAYASIMULASI PLTN
TIPE PWR. Telah disusun suatu model perhitungan temperatur kanal daya pada UntaiTermohidrolika (simulasi PLTN tipe PWR dan PHWR)yangada di PPTKR. Karena terjadinyaproses pendidihan dalam teras tipe PWR merupakan hal yang tidak diinginkan, maka telahdicoba untuk memperkirakan temperatur masukan pendingin yang masih diperbolehkan didalam teras (kana I uji) yang tidak menyebabkan teIjadi proses pendidihan. Perhitungandilakukan berdasarkan data-data teknis dari fasilitas tersebut dengan menggunakan program komputer. Fenomena ketergantungan sifat-sifat fisis pendingin terhadap perubahantemperaturnya dihitung dengan metode iterasi untuk temperatur masukan 290° C sampaidengan 310° C. Dalam hal ini korelasi perpindahan panas yang digunakan untuk kondisi subcalled adalah korelasi Dittus-Boelter sedangkan untuk kondisi pendidihan digunakan korelasi Jeans dan Lottes. Dari hasil perhitungan terlihat bahwa untuk sistem PWR, temperatursaturasi dicapai pada temperatur masukan 310° C.
ABSTRACTNUMERIC MODEL OF TEMPERATURE DISTRIBUTION CALCULATION IN THE
SIMULATED POWER CHANNELS OF PWR TYPE NUCLEAR POWER PLANT.The numerical model ofcalculation oftemperature distribution in the power channels of Thermo hydraulicLoop in PPTKR - BATANSerpong has been developed. Because the boiling process is one ofthe unexpected events in the PWR type core, we have tried to predict the input temperatureof the cooling water that is still allowed in the core which will not cause the boiling. Thiscalculation have been carried out with the computer program which is based on the technicaldata from that facility. The dependently fenomena of the physical characteristic of coolant tothe temperature variations were calculated by iteration method with input temperatures:290°C, 29SoC and 310°C. In this case, the heat transfer correlation which is used for sub -'cooledcondition was calculated by Dittus-Boel ter correIation. While for boiling condition Jeansand Lottes correlation was used. The calculation results indicate that the temperaturesaturation in the power channel of the PWR system ofthe Thermohydraulic Loopwas reachedif 310° input temperature.
PENDAHULUAN
Untuk melakukan pengkajian dati pemahaman terhadap aspek teknologi reaktor khususnya untuk tipe PWR. BATAN membangunsebuah sarana berupa Untai Termohidrolikayang merupakan simulasi sebuah reaktor tipePWR dan PHWR. Untuk simulasi tipe PWR,acuannya adalah pad a reaktor Westinghouse1000 MWe type 312 dengan perbandingan daya1: 1150. Sarana tersebutdirancanguntukdapatmensimulasikan kondisi mantap maupun kondisi transien, serta antara lain dapat mensimulasikan fenomena termohidrolika dalam prosesterjadinya kecelakaan kehilangan pen- dinginakibat pipa pecah.
Untai Termohidrolika terdiri dari bebe
rapa komponen utama antara lain pompa sirkulasi, bundel uji (simulasi bahan bakar), tabung
tekan (pressurizer), pemanas awal, penukar panas, tangki pendingin darurat dan perangkatsistem air pendingin. Fasilitas tersebut jugadilengkapi dengan berbagai pengindera untukmemantau dan mengendalikan parameterparameter termohidrolika selama operasi danjuga dilengkapi dengan sistem pencatat data.
Sebelum dilakukan pengoperasian padafasilitas tersebut perlu dilakukan perhitunganmatematis terhadap parameter-parametertermohidrolika untuk menentukan pengaturan(setting point) sistem pengendali sesuai dengankondisi operasi yang diinginkan. Perhitunganyang teliti perlu dilakukan untuk menghindariterjadinya kesalahan dalam pengaturan sistempengendali yang dapat menyebabkan kondisiyang tidak diinginkan selama operasi. Selain
73
Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitian So1nsclan Teknologi Menuju Era Tinggal Landas
Bandung, 8 -10 Oktober 1991PPTN - BATAN
Q = panas yang diberikan batang uji antaraposisi 1dan posisi 2 (Watt); m = debit pendinginyang menerima panas (kg/det); Cp = kapasitaspanas pendingin (J/kg C); Tf2 - Tf1 = kenaiknntemperatur pendingin pada suatu segmen.
Pada mulanya harga Cp dihitung denganmengasumsikan kenaikan temperatur padaharga tertentu. Cp asumsi tersebut digunakanuntuk menghitung kenaikan temperatur dengan persamaan (2). Apabila masih terdapatperbedaan yang cukup berarti dengan harga kenaikan temperatur asumsi awal maka diasurnsi kan kembali harga kenaikan temperaturyangbaru. Demikian seterusnya hingga diperolehharga yang sesuai.
oleh pendingin yang mengalir di dalam kanaldan kenaikan temperatur pendingin akibat menerima panas. Besaran- besaran fisis yang menentukan laju perpindahan panas dari batanguji ke pendingin adalah sifat-sifat fisis pendingin (densitas, kapasitas panas, kondukt.ivitas, viskositas) dan konfigurasi batanguji dalamkana!. Sifat-sifat fisis pendingin akan sangattergantung pada temperaturnya. Untuk memperoleh hasil perhitungan yang cukup teliti dapat digunakan metode iterasi sebagai berikut:
1. Menentukan temperatur saturasi dalam kana/.Temperatur saturasi terendah akan teIjadi
pada posisi dengan tekanan yang paling rendahdi dalam kanal. Penurunan tekanan di dalamkanal dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
p = 0,84L 172
ReO,2 De 2g
P = penurunan tekanan (m), L = panjang kanal(m), De = diameter ekivalen (m), Re = bilanganReynold, V = kecepatan alir pendingin (m/det),g = percepatan gravitasi m/det2. Bilangan Redalam hal ini dihitung dengan harga viskositaspendingin pada temperatur rata-rata.
II. Menghitung temperatur pendingin dalam kanalPerhitungan dilakukan dengan membllgi
panjang kanal menjadi beberapa segmen. Hargakapasitas panas pendingin dihitung pada temperatur dalam segmen tersebut.
Dari hukum kekekalan energi yang menyatakan bahwa panas yang diberikanbatanguji akan sarna dengan panas yang diterima olehpendingin, dapat disusun persamaan :
dari itu juga untuk menghindari pengulanganlangkah prosedur yang tidak efisien akibat kesalahan pengaturan sistem pengendali. Sebagaicontoh penentuan setting point tekanan operasidalam tabung tekan harus mengacu pada kondisi daya atupun temperatur maksimum yangdapat dicapai di dalam kanal daya. Demikianjuga penentuan setting point daya pemanasawal harus dibatasi sehingga temperatur masukan, pendingin ke kanal daya tidak terlalutinggi demi mencegah teIjadinya pendidihansesuai dengan kriteria kondisi operasi reaktortipe PWR.
Makalah ini mencoba menyajikan salah satu model numerik untuk menghitung distribusitemperatur dalam kanal daya Untai Termohidrolika. Sebagai contoh aplikasi model numerik tersebut akan dihitung distribusi temperatur pada kondisi nominal dengan daya 3.2 MW.Temperatur masukan kanal daya diambil antara 2900 C sampai dengan 3100 C. Hal ini untukmengetahui sampai batas temperatur masukanberapa akan teIjadi proses pendidihan pada kanal uji dan berapa temperatur permukaan bundel uji pada saat dicapai temperatur saturasi.
Berikut ini adalah data-data teknis bundeluji untuk tipe PWR yang digunakan dalamperhitungan :Daya termal = 3,2 MW (dianggap merata sepanjang batang uji); tekanan operasi = 150bar,jumlah batang = 36 (6x6), panjang batang uji =
3,66m, diameter batang uji = 0,0095 m, penampang tabung = (0,0787 x 0,0787) m, debitpendingin = 11,81 kg/det.
00000000000000000Q[]9.smm000000000000000000
I 78,7 mm r
Gambarl. Penampang lintang simulasi bundelbahan bakar tipe PWR.
METODE PERHITUNGAN
Didalam kanal daya akan terjadi prosesfisika yaitu pengambilan panas dari batang uji
74
Q = m Cp ( Tf2 - Tf1 )
(1)
(2)
Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitian Sainsdarl, Tekrwwgi Menuju Era Tinggal Landas
Bandung, 8 - 10 Oktober 1991PPTN - BKl'AN
atau
h = 0,023k/De (De V p/Vis )0,8.( Cp Vis/k )0,4(4)
III. M enghitung temperatur din ding batang ujiSebagai contoh dalam perhitungan ini di
gunakan korelasi perpindahan panas DittusBoelter untuk menentukan koefisien konveksi(h) sebagai berikut :
Nu = 0,023 ReO,8 Pr°,4 (3)
HASILPERHITUNGAN DAN ANALISA
Dari perhitungan tersebut di atas diperolehgrafik seperti terlihat pada Gambar 2.
Dari perhitungan diperoleh bahwa denganasumsi tekanan operasi 150 Bar, korelasiDittus-Boelter menyatakan bahwa temperatursaturasi di dalam kanal dicapaijika temperaturmasukan 310°C. Pendidihan mulai teIjadi padatemperatur saturasi 343,2 DC,pada posisi yang
= untuk
*** *
T l'.tU1"IS,--
p 50 Bar•
G• 00• 000
0
0
o
•!
T (C)
310 I 360350
*3<0
'001290
1f •
0.2 0." 0,6 0,8 1,0PO"li------
o
Gambar 2. Posisi/panjang kanal vs. Temperatur (OC).
•
mempunyai tekanan paling rendah yakni padaposisi keluaran kana!. Untuk kondisi saturasitersebut korela~i Jeane dan Lottes memberikanhasil bahwa temperatur permukaan batang ujimencapai 345,4 DC.
Dari grafik terlihat bahwa temperatur permukaan batang uji menurun pada sa at tercapaikondisi saturasi. Hal ini disebabkan karena dalam kanal mulai terbentuk uap yang membutuhkan kalor uap, sehingga panas dari permukaan batang uji akan diserap lebih banyak.Kenaikan temperatur pendingin terlihat liniersepanjang kanal pendingin karena distribusidaya listrik sepanjang batang uji linier, tidakseperti batang bahan bakar pada PLTN yangsesungguhnya dimana distribusi panas tergantung pada distribusi fluks neutron.
Batang uji sistem PWR menggunakan material INCONEL 600 dengan temperatur disain500°C. Apabila perhitungan tersebut teliti berarti bahwa pada temperatur masukan 310°Cmeskipun di dalam kanal sudah mulai terjadi
Keterane'an:= untuk Tin = 290°c, = untuk Tin = 300°C;
Tin = 310°C; = temp. permukaan batang uji
(5)q" = h ( Tw - Tf)
h :: koefisien konveksi (W/m2K); k = konduktivitas panas pendingin; p = densitas pendingin(kg-jm3); Vis = viskositas pendingin (Ns/m2); q"= fluks panas (w/m2)
Pertama kali diasumsikan harga temperatur permukaan batang uji pada harga tertentu (Tw). Kemudian dihitung harga koefisienkonveksi pada temperatur rata-rata (Tw-Tf>l2sesuai dengan korelasi Dittus-Boelter. HargaTw kemudian dihitung dengan persamaan (5).Apabila masih terdapat perbedaan yang cukupberarti dengan harga asumsi Tw awal makadiasumsikan kembali harga Tw baru. Demikianseterusnya sampai didapatkan harga yang sesuai. Semakin kecil selisih antara asumsi denganharga perhitungan maka hasil yang diperolehakan sernakin teliti.
IV. Menghitung temperatur dinding pemanas padakondisi saturasi.
Sebagai contoh aplikasi model numerik inidigunakan korelasi Jeans dan Lottes untuk perhitungan temperatur permukaan batang uji sebagai berikut :
Tw = Ts + 4,45 e-P162 q" 0,25 (6)
Tw = temperatur dinding pemanas (C); Ts =temperatur saturasi (C); P = tekanan (bar); q"= fluks panas (Kw/m2)
Metode perhitungan di atas dapat dituangkan ke dalam bentuk diagram alir seperti terlihat pada Lampiran 1.
75
Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitian Sainsdan Tekrwlogi MenuJu Era Tinggal Landas
pendidihan tetapi temperatur permukaan batang uji masih jauh dibawah batas temperaturdisain.
Ketidaktelitian perhitungan dapat berasaldari pendekatan yang terlalu kasar dari hargasifat fisis air pendingin terhadap perubahantemperatur. Selain dari itu ketidak tepa tan pemakaian korelasi perpindahan panas denganbentuk geometri kanal juga dapat memberikanhasil perhitungan yang kurang tepat.
Tekanan operasi yang diasumsikan sebesar150Bar, sebenarnya adalah tekanan pada posisimasukan kanal, sehingga tekanan sepanjangkanal akan terhitung menjadi lebih rendah akibat friksi maupun pengaruh gravitasi. Hal tersebut akan berpengaruh pada perhitungan temperatur saturasi dalam kanal. Pada kenyataannya apabila kita mengatur tekanan operasiUntai Termohidrolika tersebut sebesar 150 Barmaka posisi yang berlekanan 150 Bar ada- lahpada pressurizer (tabung tekan), karena sensorpengindera tekananyangmemberikan signal keruang kontrol terletak pada ruang tabungtekan. Menurut arah aliran air pen- dingin,
DAFfAR PUS TAKA
Bandung, 8- 10 Oktobe, 1991PPTN - B/iTAN
posisi kanal uji adalah sebelum tabung tekan,maka tekanan pada posisi kanal uji PWR nkanlebih tinggi sebesar penurunan tekanan dariposisi kanal uji sampai ke posisi tabung tekan.Untuk dapat menentukan penurunan te- kunantersebut harus dihitung hambatan yang adaantara kanal dengan tabung tekan secarakeseluruhan sesuai dengan banyaknya belokanmaupun geometri pipa-pipa pendingin. Hasilperhitungan dalam makalah ini menga:mbilangka- angka pesimis yang akan menghasilkantingkat resiko perhitungan yang lebih tinggidibanding tingkat resiko yang sesungguhnya.
Untuk memperoleh perhitunganyang lebihteliti kita dapat memilih korelasi perpindahanpanas yang lebih sesuai dengan bentuk geometri kanaljuga dengan memperhitungkan pengaruh grade spacer pada bundel uji terhudappenurunan tekanan.
Hasil perhitungan ini nantinya dapat dibandingkan dengan hasil percobaan untuk dapat dianalisis terhadap tingkat ketelitian darialat pengindera yang terpasang pada fasilitasUntai Uji Termohidrolika tersebut.
1.Ansaldo, Technical Specification General Loop, Italia (1988).
2. El-wakil, MM. Nuclear Power Engineering, Mc. Grow Hill Book Company, New York (1988).
3. Todd, J.P. & Ellis H.B. Applied Heat Transfer, Harper & Row Publisher, New York (1982).
4. Khan, L.A. & Nabbi, R. Heat Transfer Analysis of Existing Heu and Proposed Leu Cores ofPakistan Research Reactor, Pakistan (1987).
DISKUSI
Riyanto:Apakah program anda sudah diuji denga program standar (paket) yang sejenis dan atau hasilpenelitian/data yang sesungguhnya dari penelitian orang/peneliti lain.Nur Adi Uddin:Sampai saat ini belum, dan akan diuji bila paket program tersebut sudah kami peroleh sl:!rtakarena penelitian terhadap fasilitas simulasi tersebut belum dapat dilaksanakan.
Hendro:Mengingat bahwa penelitian ini menyangkut studi tentang keselamatan, apakah tidak sebaiknyaprogramnya diperluas sampai menjangkau daerah pendidihan.NurAdi Uddin:Kalau daerah pendidihan yang dimaksud adalah daerah fluks panas kritis hingga burn-out,memang akan lebih baik, sebab dal~m percobaan nantinya akan dikaji kondisi sepertri tersebutterutama dalam simulasi percobaan LOCAakibat pipa pecah.
76
Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam PeTlRlitian Sainsclan Tekrwwgi MenuJu Era Tinggal Land.as
LAMPlRAN 1.
Z = 0; T. PEND = T. MASUK
Bandung, 8 -10 Oktober 1991PPTN - BATAN
MENGHITUNG PENURUNAN TEKANAN DALAM
r .- ASUMSI TEMPERATUR PENDINGIN
MENGHITUNG Cp (T,P)
MENGHITUNG TEMPERATUR PENDINGIN
4-TlDAK~I
ASUMSI TEMPERATUR PERMUKAAN BATANG UJI
MENGHITUNG HARGA Cp (T,P), Vis (T,P), Rho (T,P), K (T,P)
MENGHITUNG TEMPERATUR PERMUKAAN BATANG UJI
TIDAK
T. PEND. > T. SAT. ?
Z = PANJANG KANAL ?
T. MASUK = T. MASUK + dT
MENGHITUNG TwYA-I KONDISI SATURASI
Diagram alir metode perhitungan temperat.ur dinding pemanas pada kondisi saturasi
77
Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitian Sainsdan Tekrwlogi Menuju Era Tinggal Landas
LAMPlRAN 2.
Listing program perhitungan
Bandung, 8 -10 Oktober 1991PPTN-Bl\TAN
C 1'1: It II 1 T tJ ,,,; AII n: II r r:It " T II It XA II AL IJAYA I' \I It II II T A I T 11r:It II ,Dlllf:II$IOII 7.(101/1), TF(10\1), IFC(lQl\,». TI'<.:(I"''')rOlll:n = ::17."''''00'',~r: ::; 20.rLf:lIG ' ::1,66onOD : 0,0Q195rSIlr.l •• \'>. f/l7e'ior.eIT· 11.61FLOII , 0. 0J 5(13SUHnOD = 36,G • 9.6PilI • 3, 14Wn I TE ( •• 5)