## VERIFIKASI MODEL KONDENSASI PADA RELAP5/SCDAPSIM/MOD 3.4
Surip Widodo
Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir - Badan Tenaga Nuklir Nasional Kawasan Puspiptek Serpong, Gedung 80, Tangerang, 15310
Diterima editor 14 September 2009 Disetujui untuk dipublikasi  11 Januari 2010
ABSTRAK VERIFIKASI MODEL KONDENSASI PADA RELAP5/SCDAPSIM/MOD 3.4.
RELAP5/SCDAPSIM  /MOD3.4 merupakan salah satu program komputer yang sering digunakan untuk  menganalisis  sistem  keselamatan  reaktor  nuklir.  Untuk  mengetahui  keakuratan  program komputer  ini  dalam  memprediksi  koefisien  perpindahan  kalor  kondensasi  uap  yang  tercampur dengan gas tak-dapat terkondensasi, maka perlu dilakukan verifikasi model kondensasi yang ada di dalam program komputer tersebut. Verifikasi dilakukan dengan cara membandingkan prediksi nilai koefisien perpindahan panas kondensasi RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4 dengan nilai yang didapat dari  hasil  eksperimen.  Perbandingan  dilakukan  dengan  cara  mensimulasikan  fasilitas  eksperimen PCCS  ke  dalam  model  input  untuk  RELAP5.  Hasil  verifikasi  menunjukkan  bahwa  model kondensasi pada RELAP5 memprediksi koefisien perpindahan kalor kondensasi lebih rendah 20% dibandingkan dengan nilai hasil eksperimen walaupun mempunyai kecenderungan yang sama. Oleh karena  itu  diperlukan  korelasi  kondensasi  yang  lebih  baik  untuk  diterapkan  pada RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4  guna  memperbaiki  nilai  koefisien  perpindahan  kalor  kondensasi uap yang tercampur dengan gas tak-dapat terkondensasi.
Kata kunci: model kondensasi, perpindahan kalor, tak-dapat terkondensasi, RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4, fasilitas eksperimen  PCCS.
ABSTRACT VERIFICATION OF CONDENSATION MODEL IN RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4. RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4  is  one  of  computer  programs  that  is  often  used  for  performing nuclear reactor safety system analysis. In order to know the accuracy of this computer program in predicting  condensation  heat  transfer  coefficient  of  vapor  mixed  with  non-condensable  gas,  it  is necessary  to  perform  verification  of  the  condensation  model  in  the  computer  program.  The verification  is  done  by  comparing  prediction  of  condensation  heat  transfer  coefficient  value  of RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4  with  condensation  heat  transfer  coefficient  value  of  experiment result.. The comparison was done by performing simulation PCCS experiment facility into RELAP5 input  model.  The  verification  results  indicate  that  RELAP5’s  condensation  model  predicts  lower condensation heat transfer coefficient by 20 % compared to the experiment result although has the same  tendency.  Therefore,  a  new  better  condensation  correlation  is  needed  to  be  applied  in  the RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4  to  improve  the  heat  transfer  coefficient  value  of  vapor  with noncondensable gases.
Keywords:  condensational  model,  heat  transfer,  non-condensable,  RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4, PCCS experiment facility

## PENDAHULUAN
Fenomena  kondensasi  uap  yang  bercampur  dengan  gas  tak-dapat  terkondensasi memainkan  peran  yang  penting  di  dalam  keselamatan  industri  nuklir.  Fenomena  ini  dapat ditemukan  pada  sistem  pendingin  sungkup  pasif  ( passive  containment  cooling  system, PCCS ).  PCCS  merupakan  salah  satu  sistem  keselamatan  yang  beroperasi  selama  terjadi kecelakaan  yang  dipostulasikan  dan  berfungsi  untuk  mencegah  terjadinya  pemanasan  dan penekanan  berlebih  dan  patahnya  sungkup  yang  disebabkan  oleh  energi  panas.  Sistem keselamatan  ini  bekerja  dengan  cara  memindahkan  kalor  dari  sungkup  reaktor  dan melepaskannya ke lingkungan.
RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4 merupakan salah satu program komputer yang sering digunakan  untuk  menganalisis  sistem  keselamatan  reaktor  nuklir.  RELAP/SCDAPSIM menggunakan model-model RELAP/MOD3.3 [1] dan SCDAP/RELAP5/MOD3.2 [2] yang tersedia  secara  umum  dan  dikembangkan US  Nuclear  Regulatory  Commission-USNRC dengan kombinasi peningkatan berikut (a) metode pemrograman dan numerik yang maju, (b) opsi-opsi  pemakai,  dan  (c)  model-model  yang  dikembangkan  oleh Innovative  Systems Software-ISS dan  anggota-anggota  lain  dari SCDAP  Development  and  Training  Program- SDTP .  Peningkatan  ini  memungkinkan  kode  untuk  jalan  lebih  cepat  dan  lebih  dapat dipercaya dibanding dengan kode-kode aslinya. MOD3.4 juga dapat dijalankan untuk variasi transien  yang  lebih  luas  termasuk  transien kondisi  tekanan  rendah  dengan  keberadaan  gas- gas tak-dapat terkondensasi.
Model-model kondensasi di dalam RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4 dapat dikategorikan  menjadi  dua  kelompok.  Pertama  adalah  perpindahan  kalor  pada  dinding,  ini terjadi  ketika  dinding  berhubungan  dengan  campuran  dua-fase  melalui  kondensasi.  Kedua adalah  perpindahan  kalor  antar  muka  melalui  asumsi  antarmuka  sebagai  akibat  dari perbedaan  temperatur bulk dari  fase  cair  dan  fase  uap.  Model  yang  kedua  tidak  dibahas dalam  tulisan  ini.  Dua  model  kondensasi,  model  default  dan  alternatif,  digunakan  di RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4  standar.  Korelasi  Nusselt-Shah-Colburn-Hougen  [3,4,5] untuk  permukaan  tegak  digunakan  sebagai  model default ,  dan  korelasi  Nusselt-UCB  [6] digunakan  sebagai  model  alternatif  untuk  kondensasi  film.  Beberapa  peneliti  telah melakukan  studi  perbandingan  kondensasi  uap  yang  tercampur  dengan  gas  tak-dapat terkondensasi  dari  RELAP5  dengan  hasil  eksperimen.  Y.A.  Hassan  dan  S.  Banerjee  [7] melakukan  studi  perbandingan  RELAP5/MOD  3.2  dengan  percobaan  yang  dilakukan  oleh A.A.  Dehbi  dkk  [8].  Hasil  studi  tersebut  menunjukkan  bahwa  RELAP5/MOD  3.2 mempunyai over prediction terhadap korelasi hasil eksperimen Dehbi dkk. Untuk  mengetahui  keakuratan  program  komputer  RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4 dalam memprediksi koefisien perpindahan kalor kondensasi uap yang tercampur dengan gas tak-dapat terkondensasi, maka perlu dilakukan verifikasi model kondensasi yang dipakai di dalam  RELAP5.  Verifikasi  dilakukan  dengan  cara  membandingkan  hasil  perhitungan RELAP5  dengan  hasil  eksperimen.  Salah  satu  hasil  eksperimen  yang  tersedia  untuk keperluan  ini  adalah  seperti  yang  dipublikasikan  oleh  Kawakubo  dkk  [9,10].  Eksperimen tersebut telah dilakukan untuk mengetahui karakteristik perpindahan kalor PCCS disain baru, menggunakan  pipa  tegak  dengan  proses  kondensasi  di  sisi  luar  dari  pipa.  Eksperimen  ini menyerupai  apa  yang  dilakukan  oleh  Dehbi  dkk.  akan  tetapi  eksperimen  Kawakubo  dkk. mempunyai variasi dalam hal bilangan Reynolds dari aliran sistem pendingin.

## METODE PENELITIAN
Penelitian dilakukan dengan cara membandingkan hasil perhitungan RELAP5 dengan hasil eksperimen PCCS yang dilakukan oleh Kawakubo dkk [9,10].

## DISKRIPSI FASILITAS EKSPERIMEN PCCS [9,10]
Gambar  1  memperlihatkan  skematis  fasilitas  eksperimen  PCCS.  Komponen- komponen  utama  adalah  sebagai  berikut:  tangki  eksperimen  ( experimental  tank ),  sistem pendingin,  alat  penukar  panas  ( heat  exchanger ),  instrumentasi  dan  sistem  akuisisi  data. Tangki eksperimen yang mensimulasikan sungkup reaktor dalam kondisi kecelakaan, terbuat dari bahan baja  tahan  karat  dengan  diameter  dalam  500  mm  dan panjang  tegak  2700  mm. Tangki  eksperimen  diisi  dengan  air  sampai  pada  batas  ketinggian  yang  cukup  untuk merendam  enam  buah  pemanas  yang  mempunyai  daya  total  10  kW.  Pemanas  ini memanaskan  air  yang  berada  di  dalam  tangki  eksperimen  sehingga  mendidih  guna membangkitkan  uap  yang  akan  dikondensasikan.  Uap  ini  juga  digunakan  untuk mengendalikan tekanan total tangki eksperimen.
Pipa  pendingin  (bagian  uji, test  section )  yang  merupakan  bagian  sistem  pendingin terbuat  dari  baja  tahan  karat  yang  berdiameter  dalam  10  mm  dan  berdiameter  luar  12  mm dengan  tinggi  bagian  tegak  adalah  1200  mm  dan  panjang  bagian  mendatar  256  mm.  Air pendingin  disirkulasi  di  dalam  sistem  pendingin  dengan  menggunakan  pompa  yang mempunyai kapasitas maksimum 4800 cm 3 /menit. Alat penukar panas mempunyai diameter dalam 500 mm dan tinggi 755 mm. Alat penukar panas mengendalikan temperatur masuk air pendingin dan tekanan sistem pendingin.
G ! " #$ % &'$ ( ) ' * '&) %$ )+ % ' %, -. . #
/ 0 123 0 4 253 67 80 9 :3 ; 0 Vol. 12 No. 1 Pebruari 2010, Hal. 55-63

## PROSEDUR EKSPERIMEN
Campuran uap dan udara diasumsikan dalam kondisi saturasi selama percobaan dan karenanya  temperatur  campuran  uap-udara  (T g )  ditentukan  dengan  temperatur  jenuh  uap. Eksperimen dilakukan dengan melakukan variasi tekanan total (P t ), fraksi massa udara (W nc ), dan  temperatur  sub-dingin  dinding.  Hal  yang terakhir  diprediksi  dengan  melakukan  setting laju alir volumetrik pendingin (G) dan variasi temperatur air pendingin masuk (T ci ). Kondisi uji ditampilkan di dalam Tabel 1.
Tabel 1. Kondisi uji [9,10] Parameter. Jangkauan Tekanan total (MPa) 0,2 - 0,5 Fraksi massa udara (%) 5 - 25 Temperatur inlet pendingin (ºC) 30 - 70 Bilangan Reynolds pendingin 4000 – 13000

## PEMODELAN DAN NODALISASI RELAP5
Gambar  2  memperlihatkan  skema  nodalisasi  dari  RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4 untuk eksperimen PCCS. Nodalisasi RELAP5 yang digunakan untuk simulasi ini terdiri dari PIPE dengan 34 control volume yang mewakili pipa bagian uji yaitu 20 buah control volume diantaranya  berhubungan  dengan heat  structure .  Sebanyak  2  (dua)  buah time-dependent volume (TMDPVOL)  bertindak  sebagai  sumber  dan  pembuangan  yang  tidak  terbatas, digunakan  untuk  mewakili  kondisi  batas  air  pendingin  yang  masuk  ke  pipa  bagian  uji. Sebuah time-dependent  junction (TMDPJUN)  mewakili  pompa  untuk  mengalirkan  air pendingin. Sebuah junction berfungsi untuk menghubungkan pipa bagian uji ke alat penukar panas,  yang  dimodelkan  dengan  TMDVOL  520.  Satu heat  structure mewakili pipa bagian uji sebagai penghubung antara air pendingin dengan ruangan campuran uap dan udara dari tangki  percobaan.  Satu heat  structure lainnya  berfungsi  sebagai  pemanas  untuk  menyuplai uap  ke  ruangan  tangki  eksperimen  dengan  cara  mendidihkan  air  yang  berada  di  tangki eksperimen  menjadi  uap.  Satu  buah  komponen  PIPE  (PIPE-130)  mewakili  tangki eksperimen.  PIPE-130  hanya  mempunyai  2  (dua) control  volume .  Hal  ini  dilakukan  untuk mensimulasikan percampuran yang merata antara uap air dengan udara sebagai gas tak-dapat terkondensasi  di  ruangan  tangki  eksperimen.  Nilai-nilai  parameter  simulasi  disesuaikan dengan nilai-nilai parameter yang ada dalam eksperimen.
<== > ?@ ? ? AB@ CD Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007
EFH K FL M N OP Q F RST F T S U VWXYZ [ \ ] [ ^ T S H [ R F TS _ F T SRS] F T `^ T a `L S H ` \ Yb b c

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Koefisien  perpindahan  panas  kondensasi  hasil  simulasi  RELAP5  dibandingkan dengan eksperimen berdasarkan kondisi sebagai berikut:
1. Variasi  temperatur  masukan  pendingin  dan  bilangan  Reynolds  pendingin untuk  kondisi  tekanan  0,4  MPa  dan  fraksi  gas  tak-dapat  terkondensasi
12,5%,
2. Variasi  fraksi  gas  tak-dapat  terkondensasi  dan  variasi  bilangan  Reynolds pendingin  untuk  kondisi  tekanan  0,4  MPa  dan  temperatur  masukan pendingin 50°C dan,
3. Variasi  tekanan  sistem  tangki  eksperimen  dan  variasi  bilangan  Reynolds pendingin  untuk  kondisi  fraksi  gas  tak-dapat  terkondensasi  12,5%  dan temperatur masukan pendingin 50°C.
d e fgh e i gjh kl me n oh p e
Vol. 12 No. 1 Pebruari 2010, Hal. 55-63
4000 6000 8000 10000 12000 14000 500 1000 1500 2000 2500 Bilangan Reynolds Pendingin h c ( W /m 2 K ) R ELAP5; 30 Temperatur Air Masuk ( O C) R ELAP5; 50 R ELAP5; 70 Eks perimen;  30 Eks perimen;  50 Eks perimen;  70 Konsentrasi udara : 12,5 % Tekanan sistem : 0,4 MPa
Gambar 3. Perbandingan nilai h c untuk pengaruh variasi bilangan Reynolds pendingin dan temperatur pendingin masuk
Hasil perbandingan untuk masing-masing kondisi ditunjukkan di dalam Gambar 3, 4 dan 5. Pengaruh bilangan Reynolds dan temperatur air pendingin masuk terhadap koefisien perpindahan  kalor  dapat  dijelaskan  sebagai  berikut.  Nilai  koefisien  perpindahan  kalor kondensasi menurun dengan naiknya temperatur sub-dingin dinding. Temperatur sub-dingin dinding adalah beda temperatur antara temperatur saturasi uap dengan temperatur permukaan dinding.  Untuk  tangki  dengan  kondisi  temperatur  saturasi  uap  yang  sama,  begitu  juga temperatur air pendingin masuk, maka semakin besar bilangan Reynolds aliran air pendingin akan mengakibatkan semakin kecil perubahan temperatur air pendingin yang melewati pipa bagian uji. Hal ini akan mengakibatkan semakin besarnya beda temperatur sub-dingin pada dinding pipa bagian uji. Untuk kasus bilangan Reynolds yang sama dan temperatur saturasi di tangki eksperimen yang sama, maka semakin rendah temperatur air pendingin masuk akan memperbesar temperatur sub-dingin dinding.
Pengaruh  konsentrasi  udara,  sebagai  gas  tak-dapat  terkondensasi  adalah  semakin tinggi konsentrasi udara maka semakin besar jumlah permukaan kontak uap dengan dinding kondensasi  yang  tertutupi.  Kondisi  ini  akan  menurunkan  nilai  koefisien  perpindahan  kalor kondensasi.
qrr s tu t t vwu xy Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007
4000 6000 8000 10000 12000 14000 1000 2000 3000 4000 Bilangan Reynolds Pendingin h c ( W /m 2 K ) R ELAP5;  5% Konsentrasi Udara (% ) R ELAP5; 12,5% R ELAP5; 25% Eks perim en;  5% Eks perim en;  12,5% Eks perim en;  25% T emperatur air masuk : 50 o C T ekanan sistem : 0,4 MPa
Gambar 4. Perbandingan nilai h c untuk pengaruh variasi bilangan Reynolds pendingin dan konsentrasi udara
4000 6000 8000 10000 12000 14000 500 1000 1500 2000 2500 3000 Bilangan Reynolds Pendingin h c ( W /m 2 K ) R ELAP5;  0, 2 Tekanan Sistem (MPa Abs) R ELAP5;  0, 4 R ELAP5;  0, 5 Eks perimen;   0,2 Eks perimen;   0,4 Eks perimen;   0,5 Temperatur air masuk : 50 o C Konsentrasi udara : 12,5%
untuk pengaruh variasi bilangan Reynolds pendingin dan tekanan sistem Gambar 5. Perbandingan nilai h c
Pengaruh  tekanan  sistem  terhadap  nilai  koefisien  perpindahan  kalor  menunjukkan bahwa semakin tinggi tekanan semakin tinggi kepadatan uap yang mana akan meningkatkan kemungkinan  terjadinya  kontak  antara  uap  dengan  permukaan  dinding  sehingga  akan menaikkan nilai koefisien perpindahan kalor dari tangki eksperimen ke permukaan dinding pipa  bagian  uji  seperti  yang  terlihat  di  Gambar  5.  Secara  detail  pengaruh  tekanan  sistem terhadap koefisien perpindahan kalor kondensasi uap yang tercampur dengan gas tak-dapat terkondensasi dapat dilihat di Widodo [11].
z { |}~ {  }~  {  ~  { Vol. 12 No. 1 Pebruari 2010, Hal. 55-63
Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007
Secara  keseluruhan  perbandingan  prediksi  kondensasi  uap  yang  bercampur  gas  tak- dapat terkondensasi hasil perhitungan RELAP5 dan hasil eksperimen ditunjukkan di Gambar 6. Hasil RELAP5 tersebar di sekitar 20% lebih kecil dibanding hasil eksperimen. Salah satu kemungkinan penyebabnya  adalah  RELAP5  menggunakan  korelasi  untuk  kondensasi  film. Sementara  di  dalam  eksperimen,  sebagaimana  dipublikasikan  oleh  Kawakubo  dkk.[10], terjadi  kondensasi  droplet  yang  mempunyai  koefisien  perpindahan  kalor  lebih  tinggi dibandingkan dengan kondensasi jenis film.
1000 2000 3000 1000 2000 3000  c Eksperimen (W /m 2 K) h c R E L A P 5 ( W /m 2 K ) - 20% - 50% + 20% + 50% Tekanan sistem= 0,4 MPa, konsentrasi udara= 12,5% , temperatur air masuk ( O C)
Tekanan sistem=0,4 MPa, temperatur air masuk=50( O C), konsentrasi udara (% )                    Temperatur air masuk=50( O C), konsentrasi udara=12,5% , tekanan sistem (MPa)                        Re = 4000 - 13000
Gambar 6. Perbandingan koefisien perpindahan panas kondensasi antara hasilperhitungan RELAP5 dan hasil eksperimen

## KESIMPULAN.
Model kondensasi pada RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4 memprediksi nilai koefisien perpindahan  kalor  kondensasi  uap  yang  tercampur  dengan  gas  tak-dapat  terkondensasi adalah  tersebar  di  antara  –40%  dan  +10%  dan  nilai  rerata  adalah  lebih  rendah  20% dibandingkan  dengan  nilai  hasil  eksperimen  walaupun  mempunyai  kecenderungan  yang sama.  Diperlukan  korelasi  yang  lebih  baik  untuk  diterapkan  pada  model  kondensasi RELAP5/SCDAPSIM/MOD3.4  guna  memperbaiki  nilai  koefisien  perpindahan  panas kondensasi uap yang tercampur dengan gas tak-dapat terkondensasi.

## DAFTAR PUSTAKA
1. RELAP5  Code  Development  Team.  RELAP5/MOD  3.3  Code  Manual: NUREG/CR-5535/Rev1; 2001.
2. SCDAP/RELAP5 Development Team. SCDAP/RELAP5/MOD3.2 Code Manual: NUREG/CR-6150, INEL-96/0422; 1998.
3. W. Nusselt. Die Oberflachenkondensation des wasserdampfes. Ver. Deutsch. Ing.; 1916; 60.
4. M.  M.  Shah.  A  general  correlation  for  heat  transfer  during  film  condensation inside pipes. International Journal of Heat and Mass Transfer 1979;2: 547-556.
       Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007
Verifikasi Model Kondensasi Pada ......... (Surip Widodo)
5. A.  P.  Colburn  and  O.  A.  Hougen.  Design  of  cooler  condensers  for  mixtures  of vapors with non-condensing gases. Industrial and Engineering Chemistry ; 1934
6. Vierow,  K.M.  Condensation  in  a  natural  circulation  loop  with  noncondensation gases. Proc. of the International Conference on Multiphase Flows 91. Japan; 1991.
7. Y.A.  Hassan,  S.  Banerjee.  Implementation  of  a  non-condensable  model  in RELAP5/MOD3.2. Nuclear Engineering and Design 1996; 162: 281-300
8. A.A.  Dehbi,  M.W.  Golay  and  M.S.  Kazimi,  Ph.D.  Desertation:  The  effects  of noncondensable  gases  on  the  steam  condensation  under  turbulent  natural convection conditions:  Report No. MITANP- TR-004; 1990
9. M.  Kawakubo.  Fundamental  research  on  the  cooling  characteristic  of  passive containment  cooling  system.  Proc.  of  12 th International  Conference  on  Nuclear
Engineering;  2004  April  25-29;  Arlington,  Virginia  USA:  ASME  and  JSME; 2004 10. M. Kawakubo, et al. Fundamental research on the cooling characteristic of PCCS with  dropwise  condensation.  Proc.  of  13 th International  Conference  on  Nuclear
Engineering; 2005 May 16-20; Beijing, China: ASME and JSME; 2005.
11. S.  Widodo.  Korelasi  baru  koefisien  perpindahan  panas  kondensasi  uap  yang tercampur dengan gas tak-terkondensasi. Jurnal Teknologi Reaktor Nuklir   2009; Vol 11: No 1,