Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Fluks Kalor Kritis

Termohidrolika Pembangkit Daya Nuklir (TKN 3283)

22 Mei 2007

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Fluks Kalor Kritis (Critical Heat Flux / CHF)

I Fenomena terkait dengan titik di mana kontak cairanyang kontinyu tidak dapat dipertahankan padapermukaan yang dipanasi.

I Istilah CHF mengacu kepada fluks kalor yangmenyebabkan terjadinya fenomena tersebut.

I Istilah lain yang sering dipakai:I burnoutI dryoutI boiling crisisI departure from nucleate boiling (DNB)

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Konsekuensi jika Melebihi CHF

I Laju perpindahan kalor antara permukaan denganpendingin menjadi berkurang secara tiba-tiba.

I Kenaikan yang kecil pada fluks kalor akan menimbulkankenaikan yang besar pada suhu permukaan untukpermukaan dengan fluks kalor yang diatur (misal padapemanas listrik).

I Kenaikan yang kecil pada suhu permukaan akanmenyebabkan berkurangnya fluks kalor untukpermukaan dengan suhu yang diatur (misal padakondenser uap).

I Permukaan menjadi terlalu panas dan dapat rusak.I Korosi mungkin terjadi pada daerah CHF.I Berkurangnya efisiensi operasi.

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Kurva Pendidihan

!"#$

!"#$#%&'()*+,

!"#$"%&'(%")

*+,'%+--".)/01'"#

2"&')3-(4)*+,'%+--".)/01'"#

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Mekanisme CHF Didih Kolam

!"#$

!""#$%"&#&'($)*+$,-./0'&121

!"##$%

&'()*$+,%)

-%+.%/01")2+(%-%+.%/01")2+(%

(a) Countercurrent flow(Helmholtz) instability

!"#$

!""#$%"&#&'($)*+$,-./0'&121

!"##$%

&'()*$+,%)

-%+.%/01")2+(%-%+.%/01")2+(%

(b) Micro-layer evaporation(highly subcooled conditiononly)

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Mekanisme CHF Didih Alir

!"#$

!"#$%&#'"'()%*+!%,-./0('121

!"#$"%&'()

*+,'$(&'()

!"#$"%-..$/$01/'2

!"#$"%&'()

1/'2

3(4'$5367 367

1/'2

(c) Collapse of liquidsub-layer

!"#$

!"#$%&#'"'()%*+!%,-./0('121

!"#$"%&'()

*+,'$(&'()

!"#$"%-..$/$01/'2

!"#$"%&'()

1/'2

3(4'$5367 367

1/'2

(d) Bubble crowding

!"#$

!"#$%&#'"'()%*+!%,-./0('121

!"#$"%&'()

*+,'$(&'()

!"#$"%-..$/$01/'2

!"#$"%&'()

1/'2

3(4'$5367 367

1/'2

(e) Film depletion

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Transisi Mekanisme CHF

!"#$$

!"#$%&'&($)(*)+,-)./01#$&%2%

!"#$%&'()*%+,-./*0+1(

2#3&4+1+&)-5&)1$&00#'6+0%-2#30#1+&)7/,0#*1+&)-8)'/,#'

9+:"-60&;

<)1$*+)%#)1-5&)1$&00#'6+0%-2#30#1+&)=/>>0(-?*(#$

?&;-60&;

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Model CHF Analitis

I Model analitis mempunyai daya tarik akademis, tetapibiasanya terbatas pada rentang kondisi yang sempit dimana relasi-relasi yang terkait dapat diukur.

I Annular Film Dryout Model (Hewitt, Whalley et al.)I memperhitungkan evaporasi, entrainment dan deposisi.I CHF terjadi karena deplesi lapisan cairan.

I Bubbly-Layer Model (Weisman et al.)I CHF terjadi ketika void di dekat dinding mencapai 82%

I Persamaan berdasar instabilitas HelmholtzI Didih kolam: CHF terjadi ketika aliran yang berlawanan

arah (cairan masuk, uap keluar) menjadi tidak stabil

CHF = K Hfg ρ1/2g (σg[ρl − ρg])

1/4

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Korelasi

I Terdapat lebih dari 500 korelasi untuk air yang mengalirdi dalam pipa

I Overall power hypothesisI Local conditions hypothesis

I Akurat hanya terbatas pada rentang data yang tersediaI Setiap korelasi mempunyai rentang penggunaan yang

terbatasI Korelasi bersifat empiris — ekstrapolasi tidak

direkomendasikanI Secara umum, korelasi empiris hanya berlaku untuk

satu fluida saja.

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Overall Power CorrelationsI Daya kritis dinyatakan dalam parameter-parameter

sistem (tekanan, laju aliran massa, suhu masukan atauderajat subcooling masukan, panjang yang dipanasidan diameter)

Daya kritis = f (p, m,∆Hin, geometri)

I Formulasi acuan didasarkan pada trend linear dayakritis (atau CHF) terhadap suhu masukan (atau derajatsubcooling)

I Suku tambahan diikutkan untuk efek yang terpisah(misal distribusi fluks kalor aksial dan radial)

I Akurasinya bagusI Contoh:

I Korelasi Bowring untuk pipa (lihat Todreas & Kazimi,hal. 564–566).

I Korelasi CISE-4 untuk bundel bahan bakar (lihatTodreas & Kazimi, hal. 566–567).

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Local CHF Correlations

I CHF dinyatakan dalam parameter-parameter lokal(tekanan, fluks massa, kualitas termodinamika dandiameter)

CHF = f (p, G, x , dh)

I Formulasi acuan berdasar pada trend linear CHFterhadap kualitas kritis.

I Suku tambahan diikutkan untuk efek yang terpisah(misal distribusi fluks kalor aksial dan radial)

I Digunakan bersama dengan persamaan neraca energiuntuk menentukan daya kritis dan lokasi CHF (perluiterasi)

I Contoh:I Korelasi Biasi untuk pipa (lihat Todreas & Kazimi hal.

563–564).

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Korelasi yang Biasa Digunakan oleh Vendor

I Korelasi W-3 (lihat Todreas & Kazimi, hal. 558–560).I Korelasi Janssen-Levy (lihat Todreas & Kazimi, hal.

560–561).I Korelasi Bettis Atomic Power Laboratory (lihat Tong &

Weisman, hal. 207–208).I Korelasi Willson-Ferrel (lihat Tong & Weisman, hal.

208).I Korelasi Bell (lihat Tong & Weisman, hal. 208).

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Aplikasi Metode Prediksi CHF

I Untuk menentukan daya operasi dengan marjin yangcukup untuk menghindari terjadinya CHF.Marjin dinyatakan dengan

I MCHFR/MDNBR — pada tekanan, fluks massa dankualitas kritis yang konstan.

I MCHFPR — pada tekanan, fluks massa dan suhu fluidamasukan yang konstan.

I MCPR — pada tekanan, karakteristik pompa dan suhufluida masukan yang konstan.

I Untuk mengevaluasi suhu kelongsong selama LOCA,LOFA atau LORA.

I Untuk mengevaluasi respons termohidrolik danneutronik terhadap terjadinya CHF di teras reaktor.

I Perlu diketahui bagaimana CHF menyebar di terasreaktor.

I Perlu prediksi best-estimate tentang CHF sebagaifungsi daya.

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

CHF pada Analisis Reaktor

I Menentukan daya reaktor pada kondisi operasi normalI Kriteria lisensi:

I Tidak boleh ada burnout/dryout selama operasi (padasemua kondisi, termasuk di dalamnya ketidakpastian)

I Suhu kelongsong di bawah nilai yang sudah ditentukan(misal 600 ◦C).

I Suhu bagian tengah bahan bakar di bawah titik leleh.I Burnout/Dryout adalah kriteria pembatas.

I Menentukan suhu kelongsong dan bahan bakar padaanalisis transien.

I CHF dianggap sebagai titik acuan untuk analisis pascadryyout.

I Skenario kecelakaan yang dipostulasikan:loss-of-regulation, loss-of-flow, loss-of-coolant (patahkecil maupun besar).

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Definisi Marjin CHF I

I Dryout / CHFI Kelongsong bahan bakar tidak lagi terkena cairan

secara kontinyu.I Kriteria lisensi saat ini: tidak boleh terjadi burnout atau

dryout di sembarang lokasi.I Critical Heat Flux Ratio (CHFR) / Departure from

Nucleate Boiling Ratio (DNBR)I Rasio CHF/DNB terhadap fluks kalor lokal

CHFR =CHF

qlocal at operating power

I Critical Heat Flux Power Ratio (CHFPR)I Rasio daya ketika terjadi CHF awal terhadap daya

operasi pada tekanan, fluks massa dan suhu masukanyang konstan.

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Definisi Marjin CHF II

CHFPR =critical power

normal operation power=

∫qbPhdl∫qaPhdl

!"#$%

!"#$%&'()*$+,-)*).)/*0

! !"#$%&'()$(*$+,-(.,+$&*

&'$/).*'&.'$'0,%1)+2.&1(/$34&5('2

! !%('(/&5$6)7,%$%&'()$(*$+,-(.,+$

&*

&'$/).*'&.'$(.5,'8-54(+$',16,%&'4%,

!"#"$%$&'()*+,"-

./01$-23#+$"45%+6",3

&'(

76-4+6)+,)41","4+68-901

&1","4+65%+6",3

76-4+6)+,-801+,"#:8-901

;#60,5%+6",3

&-#<,+#,)810<<%10=)$+<<)>6%?)+#2)"#60,)7%+6",3

8-901@801+,"#:

A-901&1","4+6*+,"-&A "

8-901-801+,"#:+,7

&'(*+,"-&'(

6-4+6

"

qa(l) qb(l)

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Definisi Marjin CHF III

I Critical power (CP)I CP terkait dengan terjadinya CHF pertama kali (pada

head pompa yang konstan),I Memerlukan pengetahuan dari berbagai disiplin ilmu

(fisika, bahan bakar, kanal bahan bakar, termohidrolika,dsb).

I Critical Power Ratio (CPR)I Rasio daya reaktor atau saluran bahan bakar ketika

terjadi dryout awal terhadap daya operasi normal.

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Definisi Marjin CHF IV

!"#

$%&'#()*#+)%,-#-,./,0(-&0,12#30#4+)+.&.#50+-+6(%#738,0#9(-+3#:45792#-;,#0(-+3#3$#

0,(6-30# 30# $&,%# 6;()),%# /38,0# (-# +)+-+(%# *0<3&-# 366&00,)6,# -3# )30.(%# 3/,0(-+)=#

/38,0#$30#-;,#>(.,#><>-,.2#/0,>>&0,#()*#+)%,-#-,./,0(-&0,1?#-;,#*,$+)+-+3)#3$#-;,>,#

0(-+3># +># +%%&>-0(-,*# +)# @+=A# BA!A# C# *,-(+%,*# *+>6&>>+3)# ;(># D,,)# /03E+*,*# D<#

F03,),E,%*# :!GGH1A# 43>-# 5I@# /0,*+6-+3)# .,-;3*># (**0,>># -;+># 63)6,0)?# -;,>,#

/0,*+6-+3)#.,-;3*>#/03E+*,#D,>-J,>-+.(-,#E(%&,>#3$#-;,#!"!#!$%&'()#366&00,)6,#+)#(#

0,(6-30#630,#30#$&,%#D&)*%,A#

#

#

#

)*+,&-,.,&/01!"!#!2"&21&3$45!"6&#2&'()&$6&701!"07&89&:'();<&:'()=;&$"7&:'=;,&

Fluks Kalor Kritis

TermohidrolikaPembangkit DayaNuklir (TKN 3283)

Introduction

Mekanisme

Metode PrediksiCHFModel Analitis

Korelasi

Aplikasi

Reading

Further reading

I Thermohydraulic Relationships for Advanced WaterCooled Reactors, TECDOC-1203, IAEA (dapatdidownload di elisa.ugm.ac.id, 12 MB)

I Raldi Artono Koestoer dan Sasanti Proborini, AliranDua Fase dan Fluks Kalor Kritis, PT. Pradnya Paramita,Jakarta, 1994.