PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

DESAIN DAN KONSTRVKSI BAGIAN VJI HEATING-OJ

Ismu Handoyo, Joko Prasetio W, Kiswanta, Edy Sumarno, Ainur Rosidi, M. JuarsaLaboratorium Termohidrolika Eksperimental

Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan NuklirGd.80 Kawasan PUSPIPTEK Serpong Tangerang /53/0

ABSTRAK

DESAIN DAN KONSTRUKSI BAGIAN UJI HeaTiNG-01. Untuk memenuhi kebutuhanpenelitian perpindahan panas pada celah sempit anulus dan sekaligus pelaksanaantugas pengembangan pada bidang operasi fasilitas, telah didesain dan dikonstruksibagian uji yang diberinama Bagian Uji HeaTiNG-O1. Bagian uji tersebut akanmengalami perlakuan panas pada temperatur tinggi, yakni hingga 900°C. Sehinggapemilihan bahan material untuk bagian uji harus sesuai dengan spesifikasinya. Bahanutama yang terdiri dari SS316, tabung gelas kuarsa, dan baja karbon merupakandasar konstruksi. Tiga batang panas berbentuk silinder berbahan SS316 dengan 3variasi diameter luar yaitu 40 mm, 39 mm dan 37 mm telah dikonstruksi untukmevariasikan 3 macam ukuran geometri celah anulus, yaitu 0,5 mm, 1,0 mm dan 2,0mm. Konstruksi telah dilakukan dan telah diuji selama eksperimen.Kata kunci: bagain uji, konstruksi, HeaTiNG-01.

ABSTRACT

CONSTRUCTION AND DESIGN ON HeaTiNG-01 TEST SECTION. To fulfill a

needed for research on heat transfer in annulus narrow gap and also to perform thedevelopment duties in facility operation division, a test section named by Hea TiNG-01has been designed and constructed. The test section will be work in high temperaturecondition, almost 90ifc. Then, the selection of material must be appropriate to theirspecification. The main materials of the test section consisting from SS316 material,quartz glass tube, carbon steel as a basic construction. Three. heated rod withcylindrical form made from SS316 cylinder with three variations of outer diameter,respectively 40 mm, 39 mm and 37 mm has been constructing to make threevariations of gap sizes, respectively 0.5 mm, 1.0 mm and 2.0 mm. Construction hasbeen done and it has been tested during experiment.Keywords: test section, construction, HeaTiNG-Ot.

PENDAHULUAN

Da'am rangka meningkatkan penguatankelembagaan, dalam hal ini laboratoriumtermohidrolika eksperimental yang berada di bawahBidang Operasi Fasilitas pada Pusat TeknologiReaktor dan Keselamatan Nuklir, memiliki tugasuntuk melakukan pengoperasian, perbaikan,perawatan dan pengembangan, fasilitastermohidrolika. Fasilitas termohidrolika terbagidalam dua kategori, yang pertama adalah fasilitasdengan skala besar yang ditujukan untukmemahami keadaan umum selama kecelakaan di

PLTN melalui simulasi eksperimental. Sekain itufasilitas skala besar dapat digunakan pengujian

kemampuan suatu alat yang akan diperasikan pad atekanan dan temperatur tinggi. Fasilitas penelitianskala besar terdiri dari Untau Uji TermohidrolikaReaktor Modifikasi-I (UUTR Mod-\), Untai UjiKorosi (Primray Loop), Untai Uji Komponen (TestComponent Rig) dan Emergency Cooling WaterSystem (ECWS). Sedangkan fasilitas dengan skalakecil adalah peralatan eksperimen ditujukan untukmeneliti keadaan kecelakaan khusllsnya untukmemahami fenomena yang terjadi secara loka!.Fasilitas penelitian berskala kecil ini terdiri dari,Untai Uji BETA (UUB), Bagian Uji yang terdiridari QUEEN-I dan QUEEN-II untuk simulasikecelakaan reaktor pada keadaan Post-LOCA,

430 ISSN 1410 - 8178 Ismu Handoyo, dkk.

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

termasuk Sarana Eksperimental Kondensasi Uap(SEKONOEN). Sehingga untuk melayanikebutuhan penelitian terkait simulasi keeelekaanparah, maka mulai tahun 2007 dibuat bagian ujiuntuk penelitian dan memahami fenomenaperpindahan panas pada keadaan keeelakaan parah,khususnya yang terjadi diantara lelehan teras dandinding bejana reaktor yang membentuk eelahsempit.

Penelitian perpindahan panas pada eelahsempit untuk geometri anulus merupakan tahapawal dalam rangkaian penelitian sejenis dengangeometri berbeda (pelat dan setengah bola) selamakurun waktu 2007 hingga 2009, yang dibiayaimelalui OIPA KNRT. Penelitian dilakukan untuk

memahami karaklteristik perpindahan panas padaeelah sempit. Sehinga, mulai tahun 2007 telahdikonstruksi alat eksperimen untuk penelitianperpindahan panas pada eelah sempit berbentukanulus, dan dinamakan HeaTiNG-OI (Heat Transferin Narrow Gap). Bagian uji HeaTiNg-Ol inidiraneang untuk mampu dioperasikan padatemperatur tinggi (sampai 900°C) selamaeksperimen, namun dengan tekanan atmosfer dantemperatur air pendingin yang digunakan padatemperatur saturasi. Tulisan ini akan menjelaskandesain dan konstruksi bagian uji HeaTiNG-O\.

Setelah penentuan bahan yang akandigunakan untuk bagian uji HeaTiNG-OI, makatahapan berikutnya adalah menentukan desain yangakan dibuat. Oesain dasar adalah bagaimanamembentuk eelah sempit berbentuk annulus. Yangdimasud anulus adalah ruang yang terbentukdiantara 2 silinder yang memiliki pusat sarna, yaituantara bagian luar silinder dan bagian dalam silinderseperti yang dijelaskan pada Gambar 1.

Gambar 1. Celah Anulus

TAT A KERJA

TEORI

Untuk membuat desain alat yang mampudioperasikan pada temperatur tinggi (hingga900°C), maka perlu dipikirkan bahan-bahan yangakan digunakan memiliki spesifikasi yang sesuaidengan kondisi yang ditetapkan dalam eksperimen,yakni dengan temperatur 900°C. Selain itu adabagian yang terpenting dalam alat eksperimen yangakan dibuat, yaitu bagian yang bersifat tranparanuntuk tujuan pengamatan selama eksperimenberlangsung. Sedangkan pemanasan dilakukanmelalui sumber panas, yang memanaskan bagian ujiseeara radiasi. Sehingga berdasarkan penearian datateknisl'], diperoleh spesifikasi bahan yang akandigunakan untuk membuat bagian uji, sebagaiberikut:

Tabel 1. Bahan-bahan utama untuk pembuatanBagian Uji HeaTiNG-O 1

Titik Massa

Jenis Bahan I Leleh Jenis IKeterangan°Cl fk!!lm3

Stein less Steel

316 (SS3161Gelas kuarsaGrafoilCarbon Steel

161020001537

Untuk bagianuji utamaVisualisasiPaekinPenooan

Desain Alat!2]

Silinder bagian dalam merupakan bagianuji utama dengan bahan SS316, sedangkan silinderbagian luar merupakan bahan transparan yangdigunakan untuk visualisasi terhadap fenomenayang terjadi pada bagian anulus selama eksperimenberlangsung. Silinder bagian dalam akandipanaskan hingga temperatur maksimal, yaitu900°C. Pemanasan dilakukan melalui eara radiasi

dari sumber panas di sekeliling silinder dalam,sehingga silinder luar selain berfungsi untukvisualisasi juga untuk melewatkan panas seeararadiasi menuju bagian dalam silinder. Tabung gelaskuarsa, yang memiliki temperatur leleh tinggidipilih sebagai silinder bagian luar.

Parameter ukuran eelah untuk penelitianperpindahan panas pada eelah sempit anulus telahditetapkan, yaitu 0,5 mm, 1,0 mm dan 2,0 mm.Sehingga berdasarkan beberapa pertimbangan,khususnya ketersediaan bahan kuarsa dankemudahan dalam desain, maka diputuskan bahwauntuk mevariasikan eelah, maka silinder bagiandalam (silinder SS316) dibuat tiga buah dengan 3perbedaan diameter luar dan silinder bagian luar(tabung gelas kuarsa) hanya disediakan satu.Sehingga berdasarkan bahan kuarsa yang tersediadipasaran, diperoleh data geometeri untuk 3 variasieelah anulus (diperlihatkan pad a Tabel 2).

Ismu Handoyo, dkk. ISSN 1410 - 8178 431

PROSIDING SEMINAR

PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

KETERANGAN1.

Boiler

2.

Heater

3.

Katup tefton

4.

Termokopel

5.

Plenum atas

6.

Inlet/outlet (atas)

7.

TC-01 (0 mm)

8.

TC-02,11,12 (50mm)

9

TC-03 (150 mm)

10.

TC-04 (250 mm)

11.

TC-05 (350 mm)

12

TC-06 (450 mm)

13

TC-07 (550 mm)

14. TC-08 (650 mm)

15.

TC-09, 13, 14 (750 mm)

16.

Tabung gelas kuarsa,OD: 45mm,ID 41 mm17.

Satang panas

18.

Keramk pEmanas

19.

Termokopa tipe K

20.

Beanng luncur

21

Kel uaran air

22

Termokopel kabel

23.

TC-10 (900 mm)

24.

Inlet/outlet (bawah)

25.

Plenum bawah

26.

Keluaran air

Gambar 2. Oesain Bagian Uji HeaTiNG-OJ

KETERANGAN DAN PENAMAAN TERMOKOPEL

TC-01 ( 0 mm, btik puncak batang panas)

2. TC-02A (50 mm, 3 posisi rooiaI12(0)

3.

TC-03 (150 mm)

4.

TC-04 (250 mm)

5

TC-05 (350 mm)

6

TC-06 (450 mm)

7.

TC-07 (550 mm)

8.

TC-08 (650 mm)

9

TC-09P. (750 mm, 3 posisi radial 120")

10

TC-10(900mm)

11

TC-02B (50 mm, 3 pOSISIroolaI12(0)

12.

TC-02C (50 mm, 3 posisi radial 120")

13

TC-09B (750 mm, 3 posisi radial 120")

14.

TC-09C (750 mm, 3 pOSlSIradial 12(0)

Gambar 3, Oesain Satang Panas

432 ISSN 1410 - 8178 Ismu Handoyo, dkk.

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan ProsesBahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

Tabel 2. Ukuran celah dan diameter batang panas

ID tabung00 silinder

UkurangelasSS316

celahkuarsa[mm]

8 [mm] mm40

0,539

1,037

2,0

Catatan : ID = diameteram, 00 = diameter luar

Berdasarkan kebutuhan penelitian, panjangtabung gelas kuarsa yang diperlukan adalah 1000mm (I meter), dan panjang batang panas (silinderdalam, SS316) adalah 1100 mm.

Silinder bagian dalam (dapat disebutkansebagai batang panas), akan dipasangi flange yangakan ditt:mpatkan pada flange yang terletakdipenopang bagian uji. Sedangkan tabung gelaskuarsa akan diikat oleh keping yang bagiantengahnya dilubang sesuai dengan kebutuhan,dalam hal ini tabung gelas kuarsa terlebih dahuludiikat oleh cincin SS316, sehingga ketika kepinglogam dikencangkan dengan flange penopang, gelaskuarsa tidak pecah. Kemudian diantara cincinSS316 akan dipasangi bahan sekat berupa grafoilbubuk yang elastis dan mampu bertahan padatempertaur tinggi. Oiantara keping logam dan cincinSS316 dipasang packing berbentung ring (0 ring)untuk menghindari kebocoran air pendingin yangakan mengalir ke bagian dalam anulus. Berdasarkanpertimbangan-pertimbangan tersebut maka mulaidibuat desain bagian uji HeaTiNG-OI seperti padaGambar 2 dan Gambar 3.

Konstruksi Alat

Komponen Peralatan Eksperimen bagianuji HeaTiNG-OI terdiri dari 2 bagian pokok, yaitukomponen utama dan komponen pendukung.Uraian komponen bagian uji HeaTiNG-OI, sepertidigambarkan pada desain dalam Gambar 2 danlampiran, komponen utama (Bagian Uji HeaTiNG­01)adalah sebagai berikut:a. Plenum atas (tempat menampung air) dengan

diameter 300 mm dibuat dari pelat SS316dengan ketebalan 3 mm dan disambung denganpipa SS316 dengan diameter 3 inch, kemudiandilas dengan flange yang akan dipasang padabagian penopang (Gambar 2).

b. Boiler (tempat pendidihan air pendingin). Boilerdibuat dari pelat SS316 dengan ketebal 3 mm,berbentuk siilinder (diameter = 200.mm) denganbagian bawah berkerucut dengan lubangkeluaran air pada bagian dasarnya (diameter =50 mm). Boiler dipasangi heater dengan daya2000 Watt dan 2 termokopel untuk mengukurtemperatur air (Gambar 2).

c. Tabung gelas kuarsa dengan ukuran p=IOOOmm, 00 = 45mm, 10=41 mm (Gambar 2).

d. Satang panas (heated rod) yang merupakansimulasi debris untuk geometri anulus, materialyang digunakan adalah SS316 dengan panjang1000 mm dan bagian panas aktifnya (heatedlength) 800 mm. Batang panas dibuat dari tubeSS316 dengan diameter luar 41 mm dan tebal ±II mm. Untuk memvariasikan ukuran celah,tube SS316 digerus pada bagian luarnya hinggadiameter luar menjadi 40, 39 dan 37 mm.Kemudain tube SS316 yang telah digerus,masing-masing dilubangi pada bagiansilindernya sebanyak 14 buah dengan diameter 3mm untuk dipasangi termokopel. Bagian atastube ditutup dengan penutup SS316 dan bagianbawah dilas dengan blind flange dengan ukuran228 mm (Gambar 3).

e. Penomoran dan pemasangan termokopel dimulaidari titik tertinggi (puncak) dari batang panas.Titik ke-O adalah puncak batang pemanas,kemudian 50 mm kebawahnya dipasang 3 titiktermokopel yang dipasang secara radial, I buahtermokopel dipasang setiap 100 mm ke bawahdan kemudian terdapat 3 termokopel lagi yangdipasang secara radial pada titik ke 750 mm dariatas (Iihat Gambar 3).

Komponen Pendukung

1. Komponen elektrik.2. Komponen Instrumentasi.3. Semi-silinder keramik pemanas yang dapat

dibuka dan ditutup seperti pada Gambar 4.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Setelah konstruksi dilakukan, diperolehbagian uji HeaTiNG-OI seperti foto pada Gambar 5.Konstruksi dilaksanakan selama kurun waktu 10bulan, dimulai dari kriteria desain, desain awal,pemilihan bahan atau material dan desain detail(Iihat lampiran). Tahap berikutnya adalahkonstruksi. Konstruksi ini telah diuji melaluieksperimen yang dilakukan sebanyak 8 kali untuktiga variasi temperatur batang panas, dari 6500C,7500C dan 9000C. Hasil eksperimen menunjukkanbahwa desain dan konstrkusi bagian uji HeaTiNG­01 telah memenuhi kriteria yang diharapkan selamaeksperimen. Tidak terjadi tabung gelas kuarsa yangpecah membuktikan bahwa ekspansi termal kacatelah diantisipasi melalui desain celah antara gelaskuarsa dengan cincin SS316 yang diisi oleh grafoil.Kebocoran dari plenum atas tidak terjadi, karenatelah diantisipasi melalui pemasangan packing 0ring tipe Viton. Namun perlu diperhatikan bahwa,setelah dilakukan eksperimen sebanyak 3 kali 0ring perlu diganti. Hal tersebut dilakukan untukmencegah agar kebocoran dapat dihindari.

Ismu Handoyo, dkk. ISSN 1410 - 8178 433

PRO SIDING SEMINAR NASIONALPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

POSISITERTUTUP

POSISITERBUKA

Garnbar 4. Posisi tutup dan buka pernanas kerarnik

Batang dipanaskan& tabung gelas kuarsa

support

Garnbar 5. Foto Bagian Uji HeaTiNG-Ol[2]

penelitian perpindahan panas pad a celah sernpitanulus.

Kabellistril<

KESIMPULAN

Oesain dan konstruksi bagian ujiHeaTiNG-O I telah dilakukan. Penentuan bahan

untuk bagian uji perlu dilakukan dan disesuaikandengan syarat yang diinginkan untuyk eksperirnen,khususnya kernarnpuan bahan pada ternperaturtinggi. Hasil konstruksi telah teruji rnelaluieksperirnen pada ternperatur tinggi (900°C), bagianuji telah rnernenuhi kriteria yang diinginkan untuk

Kabel termokopel (14 bh)

UCAPAN TERIMAKASIH

Ucapan terirnakasih disarnpaikan kepadapihak-pihak yang telah rnernbantu dalarn kegiatanini, kepada ternan-ternan di Sub BidangTermohidrolika. Kepada Ka. BOFa, Bp. AriSatrnoko atas saran dan diskusi teknisnya

434 ISSN 1410 - 8178 Isrnu Handoyo, dkk

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan ProsesBahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

Terimakasih atas dukungan dana dari D1PA KNRTT.A. 2007 untuk Program InsentifRiset Dasar.

DAFTAR PUSTAKA

I. FRANK P. INCROPERA & DAVID P. DE

WITT, "Fundamental of Heat Transfer", JohnWiley & Sons, Inc., 1981.

2. MUL YA JUARSA, "Studi Perpindahan Panaspada Celah Sempit (Geometri Celah Anulus)",Laporan Akhir Program Insentif Riset DasarKNRT,2007.

Ismu Handoyo, dkk. ISSN 1410 - 8178 435