optimasi desain cooling tower dalam sistim pendingin
TRANSCRIPT
Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 5 No. 2
106
Optimasi Desain Cooling Tower Dalam Sistim Pendingin Sekunder Reaktor Nuklir
Riset 2 MW Termal
Berbasis Computational Fluid Dynamics
Raden Wizdani Sodikin*, As Natio Lasman**
Cooper Energy Ltd*
Program Magister Teknik Mesin Universitas Pancasila Jakarta**
ABSTRACT
This research examines analysis and optimization of induced counterflow mechanical draught
cooling tower in secondary cooling system at the 2 MWth research nuclear reactor which has been planned to
be modified its fuel from cylindrical to plate type. The research is focusing thermohydraulic aspect in design
variation of cooling tower shapes which are effecting cooling capacity, efficiency and effectiveness of cooling
tower.
The analysis and optimization use Computational Fluid Dynamics (CFD) Code. One model of design
variation has been taken from existing cooling tower. Four models have been developed by changing the
effective shape of cooling tower. Then the models are analysed, optimized and benchmarked to find the
lowest outlet water temperature. The lowest temperature is the most cooling capacity, efficient and effective
of cooling tower in secondary cooling system at the modified 2 MWth research nuclear reactor.
The conclusion of this research is the optimum design within design variation of induced counterflow
mechanical draught cooling tower in secondary cooling system at the 2 MWth research nuclear reactor using
plate type fuel.
Key words: Computational Fluid Dynamics (CFD), induced mechanical draught cooling tower, counterflow.
ABSTRAK
Penelitian ini membahas analisa dan optimasi cooling tower tipe mekanis aliran berlawanan arah
pada sistim pendingin sekunder pada fasilitas reaktor nuklir riset 2 MW Termal yang rencananya akan di
modifikasi untuk di rubah dari teras berbahan bakar silinder menjadi teras berbahan bakar pelat. Adapun
kajian penelitian ini adalah aspek termohidrolika pada variasi desain bentuk (shape) cooling tower
pengaruhnya terhadap kapasitas, efisiensi dan efektifitas pendinginan cooling tower.
Analisa dan optimasi mempergunakan basis Computational Fluid Dynamics (CFD). Satu desain variasi
model mempergunakan model cooling tower existing. Empat desain variasi model dikembangkan dengan
merubah bentuk efektif cooling tower. Kemudian seluruh model di analisa, di optimasi dan di bandingkan
(benchmarking) untuk menentukan temperatur air keluaran terendah. Model dengan temperatur air
keluaran terendah merupakan cooling tower yang mempunyai kapasitas, efisiensi dan efektifitas pendinginan
yang tertinggi pada cooling tower dalam sistim pendingin sekunder reaktor nuklir riset 2 MW Termal
Hasil akhir dari penelitian ini adalah optimasi desain diantara variasi desain cooling tower tipe mekanik
aliran berlawanan arah pada sistim pendingin sekunder di reaktor nuklir riset 2 MW Termal yang telah di
modifikasi mempergunakan elemen bahan bakar pelat.
Kata kunci: Computational Fluid Dynamics (CFD), cooling tower tipe mekanis, berlawanan arah.
Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 5 No. 2
107
I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Perkembangan Nuklir di Indonesia
dimulai sejak 1954. Pada tahun tersebut di
bentuk suatu Panitia Negara untuk
melakukan penyelidikan terhadap
kemungkinan adanya jatuhan radioaktif dari
uji coba senjata nuklir di Asia Pasifik.
Kemudian dengan adanya perkembangan
kebutuhan pendayagunaan dan pemanfaatan
tenaga nuklir bagi kesejahteraan masyarakat
maka melalui Peraturan Pemerintah No. 65
Tahun 1958 dibentuk suatu Dewan Tenaga
Atom dan Lembaga Tenaga Atom yang
kemudian akhirnya disempurnakan menjadi
Badan Tenaga Atom Nasional atau disingkat
BATAN berdasarkan Undang-undang
Nomor 31 Tahun 1964 Jo Undang-undang
Nomor 10 Tahun 1997 tentang Ketentuan-
Ketentuan Pokok Tenaga Atom dan tentang
Ketenaganukliran Republik Indonesia
Perkembangan selanjutnya, BATAN
membangun fasilitas penelitian,
pengembangan dan rekayasa yang tersebar
di beberapa tempat, yaitu: Kawasan Nuklir
Bandung pada tahun 1965, Kawasan Nuklir
Pasar Jumat, Jakarta pada tahun 1966,
Kawasan Nuklir Yogyakarta pada tahun
1967, dan Kawasan Nuklir Serpong pada
tahun 1987.
Kawasan Nuklir Bandung merupakan
reaktor penelitian pertama yang di bangun di
Indonesia. Reaktor ini diresmikan oleh
Presiden pertama RI, yaitu: Dr. Ir. Sukarno.
Reaktor ini diberi nama Reaktor TRIGA
Mark II Bandung diresmikan dengan
kemampuan menghasilkan daya 250 kW
yang dikelola oleh Pusat Reaktor Atom
Bandung, Badan Tenaga Atom Nasional.
Kemudian pada tahun 1971 reaktor ini
ditingkatkan dayanya menjadi 1000 kW.
Terakhir pada tahun 1996 dimulai kegiatan
fisik peningkatan daya reaktor menjadi 2000
kW dan beroperasi pada tahun 2000.
Namanya kemudian dirubah menjadi
TRIGA 2000 Bandung. TRIGA merupakan
singkatan dari Training Research and Isotop
Production By General Atomic maka sesuai
namanya reaktor ini berfungsi sebagai
pelatihan, penelitian dan produksi
radioisotop.
Reaktor tipe TRIGA merupakan reaktor
nuklir non-daya dan mempergunakan
elemen bahan bakar berbentuk silinder.
Fasilitas dan teknologi yang dipergunakan
ini sudah tergolong berumur lanjut seiring
dengan waktu penggunaannya maka fasilitas
nuklir jenis ini sudah berumur rata-rata
diatas 25 tahun. Kendala yang sedang
dihadapi oleh reaktor TRIGA, baik
Indonesia maupun negara-negara lainnya
yang memiliki reaktor jenis ini adalah
keterbatasan jumlah bahan bakar berbentuk
silinder dan pemasok internasional bahan
bakar tipe silinder ini sudah di tutup. Hal ini
bisa mengakibatkan reaktor-reaktor TRIGA
akan berhenti beroperasi.
Mengingat Indonesia mempunyai
kemampuan dalam memproduksi elemen
bakar nuklir untuk reaktor riset berbahan
bakar pelat maka diusulkan untuk
memodifikasi teras reaktor TRIGA Bandung
dari teras berbahan bakar silinder menjadi
teras berbahan bakar pelat. [Mandala, G.A.,
2010]
Adanya rencana pengembangan untuk
memodifikasi teras reaktor TRIGA Bandung
dari teras berbahan silinder menjadi teras
berbahan bakar pelat maka perlu adanya
penelitian yang menyeluruh dan terintegrasi
dari sistim reaktor nuklir TRIGA Bandung,
dari komponen-komponen sampai dengan
aspek-aspek lainnya termasuk aspek sistim
pendingin, aspek keselamatan, aspek
ekonomi dan aspek non teknis atau sosial.
1.2. Perumusan Permasalahan
Perumusan masalah penelitian ini
adalah menentukan desain cooling tower
yang optimum, yaitu maksimum dari segi
kapasitas pendinginan, efisiensi dan
efektifitas cooling tower melalui variasi
desain terhadap aspek termohidrolika pada
cooling tower di sistim pendingin sekunder
fasilitas reaktor nuklir riset 2 MWth yang
telah mengalami perubahan reaktor dari
teras berbahan bakar silinder menjadi teras
berbahan bakar pelat maka penelitian ini
dimaksudkan untuk menjawab dua
pertanyaan utama, seperti berikut ini:
1. Berapa kapasitas, efisiensi dan
efektifitas pendinginan dari cooling
tower sebelum dilakukan perubahan
atau modifikasi dari reaktor dari teras
berbahan bakar silinder menjadi teras
berbahan bakar pelat (cooling tower
existing).
2. Optimasi kapasitas, efisiensi dan
efektifitas pendinginan cooling tower
melalui variasi desain cooling tower di
sistim pendingin sekunder pada reaktor
nuklir riset 2 MWth dengan basis
Computational Fluid Dynamic.
Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 5 No. 2
108
II METODOLOGI PENELITIAN
2.1 Sistematika penelitian
Metode yang digunakan dalam
penyelesaian masalah termohidrolika pada
cooling tower tipe mekanis aliran
berlawanan arah di sistim pendingin
sekunder Reaktor Nuklir Riset 2 MWth yang
mempergunakan bahan bakar berbentuk
pelat ini dilakukan melalui pendekatan
analitik, komparatif dan optimasi yang
mempergunakan metoda CFD.
Survey dan pengumpulan
data-data serta Referensi
Data experimen
terdahulu
Simulasi
CFD
Hasil
experimen
terdahulu
(Data-1)
Hasil
Simulasi CFD
(Data-2)
Mulai
Metoda CFD
(Data-3)
Benchmarking & Analisa
Data-1 & data-2
Analisa data experimen
terdahulu yang relevan
Analisa
Cooling Tower Existing
(Obyek Penelitian)
Menentukan data-data yang
relevan dan kondisi boundary
Kalkulasi
Analitik
(CT Existing)
Simulasi CFD
(CT Existing)
Hasil
Kalkulasi
(Data-4)
Hasil
Simulasi CFD
(Data-5)
Data
Efisiensi & Efektivitas
exsisting CT
(Data-6)
Benchmarking
Efisiensi & Efektivitas
exsisting CT
Desain CT Optimum
(Optimasi)
Membuat Model a,b,c,d
Kriteria : luas dan volume yang
sama dengan CT existing
Penentuan variasi desain
(variabel bebas) :
∆, □,⌬, Ä, variabel tetap, variabel terikat
Simulasi CFD
(Model a, b, c, d)
Hasil
Simulasi CFD
(Data-7a,7b, 7c, 7d)
Membandingkan
Data-7a, 7b, 7c,7d
(Benchmarking)
Optimum ?
Tw (out) < Tw(exist)
Tidak
Ya
Analisa
Efisiensi & Efektivitas
Model Optimum
Berhenti
Membandingkan dan analisa
data-6 dan data-8
Data
Efisiensi &
Efektivitas
(Data-8)
Data Variasi Desain
Optimum
(data-9)
Pelaporan
Penelitian
Selesai
Gambar 1. Diagram alir sistematika
penelitian
2.2. Sistematika Computational Fluid
Dynamics
Membuat Model 1,2,3,4
Kriteria : luas dan volume
yang sama dengan CT
existing
Mulai
Penentuan variasi
desain : ∆, □,⌬, Ä
Meshing (min)
800.000 elements
70.000 nodes
400.000 cells
Menentukan
bidang batas
(inlet & outlet)
Meshing benar ?
Tidak
Ya
Setting Modeling
(Metode Simulasi)
(VoF, Energy, Viscous)
Setting Material
(Air, Udara, Baja)
Setting Phase
(Phase 1 = Air, Phase 2
= Udara)
Setting Zona Cell
(default)
Setting Boundary
(inlet, outlet)
Tw (in) = 37ºC
Ta (in) = 27ºC
Va = 2.50 m/s
Vw = 0.0045 m/s
Setting
Reference value
(Water Inlet-default)
Setting
Methods
(default)
Setting
Monitor
(1e-06)
Setting
Initialization
(default)
Setting
Calculation
(1000 literasi)
Run Calculation
Convergent ?
Plotting
(temperatur Statis)
Ya
Tidak
Pendataan &
Pelaporan
Hasil Simulasi
Membuat Geometri
a = 16.97 m²)
h a (in) = 1.0m
da (out) = 2.5m
Selesai
Hasil
Kalkulasi
(Data-4, 5, 6, 7)
Analisa
&
Komparasi seluruh data
Variasi Desain
Optimum
Gambar 2. Diagram alir sistematika CFD
III STUDI LITERATUR
3.1 Teori dan aplikasi cooling tower
Landasan teori dan aplikasi Cooling
Tower di ambil dari referensi buku, yaitu:
Mass-Transfer Operations karangan Robert
E. Treybal edisi ke tiga tahun 1981, Perry's
Chemical Engineers' Handbook edisi ke
tujuh tahun 1999 dan ASHRAE 2001
Fundamentals Handbook tahun 2001.
3.2 Teori dan aplikasi Computational
Fluid Dynamics
Landasan teori dan aplikasi
Computational Fluid Dynamics di ambil dari
referensi buku, yaitu: Computational Fluid
Dynamics – The Basic with Application
karangan John D Anderson Jr. Tahun 1995,
Computational Fluid Dynamics karangan
Abdulnaser Sayma edisi pertama tahun
2009, dan Ansys Fluent Theory Guide oleh
Ansys tahun 2013.
3.3. Referensi hasil penelitian yang
relevan
Mandala (2010) melakukan
penelitian untuk mensimulasikan reaktor
riset Triga 2000 Bandung yang
mempergunakan pelat dengan metode
numerik. Salah satu tujuannya adalah
menghitung parameter neutronik dan termal
hidrolik. Hasilnya menunjukan bahwa
analisa numerik mampu untuk melakukan
riset, perhitungan dan test desain reaktor
beserta analisanya berupa fluks neutron
termal.
Navaro, dkk. (2011) melakukan riset dan
penelitian tentang studi numerik tentang
kolam reaktor nuklir riset Brazil untuk daya
30 MWth, dengan menggunakan variasi
desain atau model yang berbeda yang
berbeda dengan menggunakan CFD versi
13.0 sebagai validasi data desain kolam
reaktor nuklir riset termasuk core dan sistim
pendingin primer. Penelitian ini berhasil
membuat variasi pre-desain dan mampu
memperlihatkan fenomena aliran fluida dan
temperatur terhadap waktu di kolam reaktor
nuklir riset.
Subekti, dkk (2014) melakukan penelitian
analisa distribusi kecepatan pendingin dalam
elemen bakar tipe pelat menggunakan CFD
untuk Reaktor Riset RSG-Gas. Riset dan
penelitian ini dilakukan untuk perhitungan
untuk memperkirakan distribusi kecepatan
pendingin dalam sub-kanal. Hasil riset
menunjukan bahwa perhitungan kecepatan
pendingin tiga dimensi dalam sub-kanal
lebih rendah 4,06% dibanding dengan satu
dimensi dengan menggunakan CFD.
S.Parimala Murugaveni, P. Mohamed
Shameer (2015) melakukan penelitian
tentang analisa performansi cooling tower
Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 5 No. 2
109
melalui variasi inlet udara dengan
menambahkan suatu nozzle terpusat
(convergent nozzle) pada berbagai sudut
aliran udara masuk pada Pioneer Cooling
Tower tipe mekanis aliran paksa berlawanan
arah kapasitas 50 ton. Performansi cooling
tower dianalisis mempergunakan metoda
Computational Fluid Dynamics yang
ditinjau dari hasil pencapaian temperatur air
pada keluaran cooling tower (cooling tower
water outlet temperature). IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Model CT existing
Berikut ini merupakan model aktual
CT Existing.
Gambar 3. Model CT existing
Berdasarkan data operasi maka aliran fluida
atau volume efektif CT existing dapat di
gambarkan seperti berikut ini.
Gambar 4. Model aliran fluida efektif CT
existing
Adapun data-data CT existing lengkap dapat
di lihat pada table berikut ini.
Tabel 1. Data awal CT existing
Secara diagram dapat digambarkan sebagai
berikut.
Φ4,65m
3,28
m
Tw2 = 29ᵒCρW=998.2 kg/mᶾCp(w)=4182 J/kg.ᵒC
Air (In)
Air (out)
Udara(In)
Udara (Out)
Tw1 = 37ᵒCGw = 75.7 L/s
Ta1 (Tdb) = 27ᵒCTwb = 23ᵒC
Ta2 = 31ᵒC(rata-rata)
Gambar 5. Diagram kerja CT existing
Berdasarkan data-data tersebut di atas maka
dapat di lakukan analisa analitik seperti
berikut ini.
Menghitung kapasitas CT.
Dikarenakan CT berjumlah 2 unit maka
kapasitas CT menjadi 1.26 MW.
Menghitung Range (R)
Menghitung Approach (A)
Menghitung Efisiensi (ɛ)
Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 5 No. 2
110
Menghitung Efektivitas (Ƞ)
Menghitung make up air (Wm)
Menghitung make up air perlu
menghitung terlebih dahulu beberapa
variable lainnya seperti berikut ini.
a. Kehilangan di evaporasi (We)
b. Kehilangan di pergeseran (Wd)
c. Kehilangan di udara akibat angin
(Ww)
d. Kehilangan dip roses blowdown
(Wb)
maka make up air yang dibutuhkan
adalah sebagai berikut.
Berdasarkan hasil kalkulasi analitik tersebut
di atas maka dapat disusun tabel sebagai
berikut.
Tabel 2. Data hasil kalkulasi analitik CT
existing
Hasil CFD dapat dilihat seperti berikut ini.
Gambar 6. Contour temperature CT
existing
Hasil analisa komparatif antara
analisa analitik dan analisa numeric (CFD)
seperti grafik dan table berikut ini.
Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 5 No. 2
111
Gambar 7. Perbedaan hasil kalkulasi
analitik dengan CT existing
Tabel 3. Data hasil komparasi kalkulasi
analitik dan analisa numerik CT existing
4.2 Model variasi desain untuk optimasi
Berikut ini merupakan model yang
dipergunakan di dalam variasi desain untuk
analisa numerik (CFD).
Gambar 8. Model variasi desain kesatu
Gambar 9. Model variasi desain kedua
Gambar 10. Model variasi desain ketiga
Gambar 11. Model variasi desain
keempat
Adapun parameter yang dipakai di dalam
analisa numerik seperti tercantum pada tabel
berikut ini.
Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 5 No. 2
112
Tabel 4. Variabel tetap optimasi desain CT
Dengan mempergunakan metoda dan
langkah yang samadilakukan analisa
numeric untuk variasi optimasi desain,
seperti gambar-gambar berikut ini.
Gambar 12. Temperature Contour variasi
desain kesatu
Gambar 13. Temperature Contour variasi
desain kedua
Gambar 14. Temperature Contour variasi
desain ketiga
Gambar 15. Temperature Contour variasi
desain keempat
Adapun hasil lengkap seluruh model dapat
dilihat pada table berikut ini.
Tabel 5. Hasil analisa numeric CT existing
dan semua model variasi desain
4.3 Pemilihan desain CT optimum
Berdasarkan hasil-hasil tersebut di
atas maka disusun tabel dan grafik seperti
berikut ini.
Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 5 No. 2
113
Tabel 6. Hasil analisa numerik untuk CT
existing dan semua model variasi desain
untuk kapasitas, efisiensi dan efektifitas
Gambar 16. Grafik Hasil analisa numerik
optimasi cooling tower
V. KESIMPULAN
a) Hasil analitik komparatif untuk CFD
antara hasil penelitian lainnya yang
relevan dengan hasil re-simulasi
terhadap temperatur air keluaran (Tw2)
CT Pioneer adalah 304 K dan 303,26 K
sehingga deviasi hasil adalah 0,2444%.
b) Hasil analitik komparatif untuk CFD
antara data operasi dengan CFD
terhadap temperatur air keluaran (Tw2)
CT existing adalah 29 ºC dan 28,99984
ºC sehingga deviasi hasil adalah
0,00055%.
c) Optimasi kapasitas, efisiensi dan
efektifitas pendinginan CT melalui
variasi desain bentuk (shape) CT tipe
mekanis, aliran berlawanan arah pada
sistim pendingin sekunder reaktor nuklir
riset 2 MWth maka hasil penelitian
mendapatkan bentuk (shape) CT yang
optimum adalah pada variasi-1, yaitu
bentuk segitiga dengan hasil kapasitas
pada 1.264,241 kW atau 1,264241
MWth per unit CT atau 2.528,482 kW
atau 2,528482 MWth per seluruh sistim,
efisiensi pada 57.1449% dan efektifitas
pada 80.0028% per unit CT. Terjadi
peningkatan kapasitas sebesar
0.00149997% per unit CT atau
0,00299994% untuk seluruh sistim, dan
peningkatan efisisensi serta efektifitas
sebesar 0,0015%.
d) Hasil penelitian ini menghasilkan
peningkatan sistim pendingin primer
atau kemampuan maksimum menyerap
panas pada sistim pendingin sekunder
pada reaktor nuklir riset 2 MWth sebesar
37 ºC menjadi 41,62634ºC atau terjadi
peningkatan atau kemampuan
maksimum CT adalah sebesar 12,5%.
e) Hasil perhitungan ini dapat digunakan
sebagai bahan pertimbangan untuk
perekayasaan cooling tower pada sistim
pendingin sekunder pada sistim teras
reaktor TRIGA 2 MW Termal.
Referensi
a) Mandala, G. A., 2010, Simulasi
Modifikasi Reaktor TRIGA 2000
Bandung Dengan Bahan Bakar Jenis
Pelat, Seminar Nasional VI SDM
Teknologi Nuklir, ISSN: 1978-0176,
Yogyakarta.
b) Navarro, M. A., et al, 2011, Numerical
Investigation in The Brazilian
Multipurpose Reactor Pool,
International Nuclear Atlantic
Conference, ISBN: 978-85-99141-04-5.
c) Tri Nugroho H.S., Sigit P., 2012,
Analisis Termohidrolik Tempat
Penyimpanan Bahan Bakar Di Bulk
Shielding Menggunakan CFD Fluent,
Prosiding Seminar Penelitian dan
Pengelolaan Perangkat Nuklir, PTAPB-
BATAN, ISSN 1410-8178, Yogyakarta.
d) Subekti, M., dkk, 2014, Validasi
Pemodelan Kode FLUENT 6.3 Untuk
Perhitungan Aliran Pendingin Darurat
dalam Kanal Sempit PLTN-PWR, Jurnal
Sains dan Teknologi Nuklir Indonesia,
Vol. 15 No 2, ISSN: 1411-3481.
e) Parimala Murugaveni, P. Mohamed
Shameer, 2015, Analysis of Forced
Draft Cooling Tower Performance
Using Ansys Fluent Software,
International Journal of Reserach in
Engineering and Technology, eISSN :
2319-1163, pISSN :2321-7308.
f) Kamajaya, K., et al, ----, The Current
Status of Bandung TRIGA Mark-II
Reactor, Indonesia, Bandung.
Jurnal Ilmiah TEKNOBIZ Vol. 5 No. 2
114
g) Robert E. Treybal, 1981, Mass-Transfer
Operations, International Edition –
Third Edition, McGraw-Hill, Singapore.
h) John D Anderson Jr., 1995,
Computational Fluid Dynamics – The
Basic with Application, McGraw-Hill,
USA.
i) Robert H. Perry, et al, ---, 1999, Perry's
Chemical Engineers' Handbook,
International Edition – Seventh Edition,
McGraw-Hill, USA.
j) ASHRAE, 2001, ASHRAE 2001
Fundamentals Handbook, ASHRAE
publication, Atlanta, USA.
k) Abdulnaser Sayma, 2009,
Computational Fluid Dynamics, first
edition, ISBN 978-87-7681-430-4.
l) Ansys, 2013, Ansys Fluent Theory
Guide, Ansys Inc., Southpointe,
Canonsburg, PA 15317.
m) Ramadhan, A. I, 2012, Perpindahan
Panas Fluida Pendingin Nano fluida di
Teras Reaktor PWR (Pressurized Water
Reactor) dengan Computational Fluid
Dynamics, Tesis Program Magister,
Universitas Pancasila, Jakarta.