Optimasi Desain Cooling Tower Dalam Sistim Pendingin ...

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.


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.


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


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


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


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)


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.


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.


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


desain kedua


desain ketiga


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.


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.


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.

Optimasi Desain Cooling Tower Dalam Sistim Pendingin ...

Documents

Transcript of Optimasi Desain Cooling Tower Dalam Sistim Pendingin ...