Analisis Penyumbatan Pipa

J. Tek. Reaktor. Nukl. Vol. 9 No. 3 Oktober 2007, Hal. 132- 141

ISSN 1411–240X 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 Serba Guna - 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 akibat sejumlah 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 0,2 oC. 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 energy from the primary cooling to secondary 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 partial plugging at the end of leakage pipes. The plugging may cause degradation 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 conducted.The analysis result shows shows that based on maximum pressure 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 o only 0.2 C. 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 JE01BC01 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 RSGGAS telah dilakukan dan mengungkapkan berbagai hal, seperti perhitungan rugi-tekanan, evaluasi kinerja penukar kalor RSG-GAS dan sebagainya [2]. 132


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 merupakan langkah 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 [4] piece tube plugs . 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 rugitekanan 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 pendingin primer 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



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 primer sisi-pipa : air dingin sekunder fasa pendingin : air - air diameter pipa ID/ 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 : 0,3102 m2 flow area sisi-pipa / pass 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



Rugi Tekanan

Rugi tekanan (∆P) aliran di dalam penukar kalor, berasal dari perubahan bentuk kontraksi menuju pipa- pipa, friksi pada saluran pipa dan aliran balik (return loss). Untuk menghitung ∆P di sisi-pipa penukar kalor, digunakan persamaan Fanning berikut : [7] 2

2. f .Gt L . . Np ∆Pt = µ 0,14 ) D.g. ρ .( µ w

(1)

Fluida yang memiliki rentang beda temperatur yang besar, diperlukan faktor koreksi viskositas µ sebagaimana ditunjukkan pada persamaan (1). Pada aliran dari satu arah ke arah pembalikan terjadi pada kanal head yang berbalik arah, meskipun area aliran pada kanal head tidak lebih kecil dari total area aliran di sisi-pipa namun perubahan arah aliran (return loss) ini dapat mengakibatkan kenaikan ∆P. Besarnya return loss oleh Kern sebagai berikut [8] :

∆Pr =

2. Np.V 2

(2)

g. ρ

∆P juga dapat berasal dari bentuk kontraksi yang dinyatakan sebagai berikut : ⎛ V 2 ⎞ ∆Pk = 1,5 ρ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 2 g ⎠

(3)

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

∆Ptotal = ∆Pk + ∆ Pt + ∆ Pr

(4)

dengan :

∆Pk ∆Pr : ∆Pt Gt V a , L t ρ D f K nt Np Fv g

: : : : : : : : : : : : : :

rugi tekanan aliran masuk/keluar pipa rugi tekanan oleh aliran balik rugi tekanan sepanjang pipa kecepatan massa = Fv/(nt . at ) kecepatan volumetrik luas aliran, panjang pipa densitas diameter dalam pipa faktor friksi koefisien resistan jumlah pipa jumlah pass laju alir volumetrik percepatan gravity

135



Dalam perhitungan ∆P suatu aliran, faktor friksi f sangat penting, karena untuk fluida mengalir melalui pipa- pipa penukar kalor secara isotermal mengakibatkan tekanan akan menurun. Pada aliran turbulen, f adalah fungsi bilangan Reynolds berikut: [9] f = 0,0014 +

0,125

(5)

0, 32

(Re)

Transfer Kalor Untuk perhitungan kemampuan pemindahan kalor, perlu ditinjau persamaan energi pada alat penukar kalor seperti ditunjukkan pada Gambar 2 :

T Pi

t so

Sisi-pipa

Sisi-shell

T Po

t si

Gambar 2. Skema temperatur sistem penukar kalor : : : :

T Pi T Po t si t so

temperatur masuk sisi-shell (pendingin primer dari reaktor) temperatur keluar sisi-shell (pendingin primer ke reaktor) temperatur masuk sisi-pipa (pendingin sekunder dari menara pendingin) temperatur keluar sisi-pipa (pendingin sekunder ke menara pendingin)

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

= Q pipa = M sC s (∆t s ) = M p C p ∆T p

(1)

jadi,

t so

=

Q M s C s

+ t si

(2)

M s : laju aliran sisi-shell, M p: laju aliran sisi-pipa. Persamaan transfer kalor dari sisi-shell ke sisi-pipa pada penukar kalor dituliskan sebagai berikut,

dengan : A

136

:

luasan transfer kalor


LMTD =


Q

(3)

U o A

: beda temperatur logaritmik antara sisi-shell dan sisi-pipa LMTD : koefisien transfer kalor yang pada langkah awal nilainya diasumsikan Uo LMTD dapat dihitung dari : LMTD =

(T Po − t so ) (T Pi − t si ) ln(T Pi − t so ) / (T Pi − t si )

(4)

Dari penyelesaian persamaan (1), (3) dan (4) maka T Po, T Pi dapat dihitung. Dengan diketahuinya temperatur pendingin di atas, maka nilai U o baru dapat dihitung kembali, 1 U o = (5) (1 / hshell ) + (1 / h pipa ) + Rw + Rd Dengan : hshell , h pipa Rw, Rd

: :

koefisien film sisi-shell dan sisi-pipa koefisien resistansi dinding dan film

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 pada persamaan (3) akan tetapi koefisien film hshell, h pipa , naik pada persamaan (5). INPUTk a Hitung t so (pers.2)

Asumsi Uo Uo=Uo baru

Hitung LMTD (pers.3) Hitung T Po ,T Pi

Hitung Uo, baru (pers.5)

tidak Uo, baru -Uo

≈ 10

-6

ya

Selesai

Gambar 3. Alur perhitungan

137



METODA PERHITUNGAN

Metoda yang digunakan untuk menghitung jumlah penyumbatan maksimum yang masih diijinkan dari sisi transfer kalor dan rugi tekanan ditunjukkan dalam alur metoda proses perhitungan ditunjukkan seperti Gambar 4.

Penyumbatan

Perhitungan transfer kalor dan rugi tekanan ( ∆P)

Tidak Penambahan penyumbatan

Apakah Temperatur .air ke reaktor > Temperatur. RPS dan ∆P > ∆Pmaksimum Ya Jumlah penyum-batan maksimum

Gambar 4. Diagram metoda perhitungan Hasil Dan Pembahasan Rugi Tekanan Analisis kenaikan rugi tekanan (∆P) yang melalui pipa- pipa penukar kalor ditunjukkan pada Gambar 5, dalam perhitungan ∆P ini divariasikan untuk jumlah pipa yang disumbat 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, kenaikan ∆P 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. Ini merupakan angka rugi tekanan yang mendekati angka data desain. Laju aliran yang melalui sisi-pipa diinputkan pada 1950 dan 2000 m 3/jam, hal ini karena laju aliran pendingin sekunder yang menuju sisi-pipa penukar kalor berada pada rentang angka tersebut.

138



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 MW Pendingin Primer Verifikasi Data Pengukuran Hasil perhitungan (*)

Pendingin Sekunder

Temperatur ke penukar kalor (oC)

Temperatur dari penukar kalor (oC)

Aliran (m3/jam)

Temperatur dari penukar kalor (oC)

Temperatur ke penukar kalor (oC)

42,00

36,50

1550

38,50

35,0

1950

41,89

36,65

1550

38,54

35,0

1950

Aliran (m3/jam)

: Temperatur pendingin menuju reaktor ( oC)

Gambar 6. Grafik koefisien Uo

139



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 turun sekitar 0,2 % . Oleh karena itu dapat dikatakan bahwa penurunan ini relatif kecil. Gambar 7 adalah grafik yang mengindikasikan hubungan antara jumlah pipa yang 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 36,850oC atau 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.Freepatents online.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



5. BELL K.J, ‘Heat Exchanger Design Hand-Book (HEDH), Bab 3, Hemisphere Publishing Corp, Washington DC, 1983. 6. PRSG, Data Operasi Reaktor 2007. 7. PERRY HR, ‘Chemical Engineer's Hand Book’, 6 Edition, Section 10, Mc.Graw Hill Book 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

Recommend Documents