PERHITUNGAN DAN PENENTUAN SPESIFIKASI KOMPONEN- KOMPONEN UTAMA SISTEM PENGANGKAT SUMBER GAMMA PADA IRADIATOR GAMMA BATAN 2X250 KCI

Transkripsi

1 SEMINAR NASIONAL PERHITUNGAN DAN PENENTUAN SPESIFIKASI KOMPONEN- KOMPONEN UTAMA SISTEM PENGANGKAT SUMBER GAMMA PADA IRADIATOR GAMMA BATAN 2X250 KCI Ari Satmoko 1, Sutomo Budihardjo 1, Tri Harjanto 1 dan Sanda 1 1 Pusat Rekayasa Perangkat Nuklir, Kawasan Puspiptek Gd. 71, Serpong, Tangerang Selatan, ABSTRAK PERHITUNGAN DAN PENENTUAN SPESIFIKASI KOMPONEN-KOMPONEN UTAMA SISTEM PENGANGKAT SUMBER GAMMA PADA IRADIATOR GAMMA BATAN 2X250 KCI. Instalasi iradiator gamma BATAN 2x250 kci dirancang untuk proses pengawetan bahan pangan dan atau hasil pertanian. Desain ini dikembangkan oleh PRPN BATAN dengan harapan dapat meningkatkan kandungan lokal serta menggunakan sumberdaya manusia dan fasilitas yang ada di BATAN. Biaya yang dibutuhkan untuk membangun fasilitas iradiator gamma ini, diharapkan dapat lebih ekonomis tanpa mengurangi faktor keselamatan. Ketika produk pertanian akan diiradiasi, produk tersebut disusun dan digantung pada rantai konveyor yang berjalan dan memasuki area radiasi. Pada kondisi standby sumber radiasi yang disusun dalam rak diletakkan di dasar kolam berkedalaman sekitar 7 m. Ketika akan meradiasi produk yang akan diawetkan, sumber dan rak diangkat dan dipertahankan berada di atas kolam. Sistem untuk mengangkat sumber inilah yang akan dibahas dalam makalah ini. Serangkaian perhitungan telah mengantarkan pada spesifikasi komponen-komponen utama seperti motor 2,2 kwatt, seling 1x7 dengan ukuran 5/32,, drum penggulung seling dengan panajng 50 mm dan sistem transmisi dua tingkat 1:20 dan 1:7. Katakunci: iradiator, desain, spesifikasi, perhitungan, sumber ABSTRACT CALCULATION AND SPECIFICATION DETERMINATION FOR PRINCIPAL COMPONENTS ON THE GAMMA SOURCE LIFTING SYSTEM IN THE GAMMA IRRADIATOR BATAN 2X250 KCi.. Gamma irradiator installation BATAN 2x250 kci is designed for preservation of food or agricultural product. The design is developed by PRPN BATAN by expecting to increase the local containment and to use both manpower and facility in BATAN. The cost for constructing the irradiator is expected lwer withous decreasing the safety. When the agricultural products will be irradiated, the products are arranged and hanged on the conveyor chain moving into the radiation chamber. Under standby condition, gamma sourced positioned on the rack are located on the bottom of the water pool having 7 m of in depth. When the product will be irradiated, the source rack is lifted and maintained upper the pool. The system for lifting the source will be discussed in this paper. A serie of calculation leads to the technical specification for principal components such as motor 2.2 kwatt, wire 1x7-5/32, wire drum of 50 mm in length and transmission system in two stages (1:20 and 1:7).. Keywords: irradiator, design, specifiction, calculation, source 1. PENDAHULUAN Instalasi iradiator gamma BATAN 2x250 kci, dirancang untuk proses pengawetan bahan pangan dan atau hasil pertanian menggunakan sumber radioaktif Cobalt-60 tipe pensil dengan aktivitas 2 x 250 kci atau 500 KCi [1]. Desain ini dibuat, dengan harapan dapat dibangun di lokasi dekat dengan sumber penghasil bahan pangan dan atau hasil pertanian atau di daerah yang memungkinkan dioperasikan suatu instalasi iradiator gamma yang ditentukan oleh instansi yang akan membangun. Dengan meningkatkan kandungan lokal serta menggunakan sumberdaya manusia dan fasilitas yang ada di BATAN (Badan Tenaga Nuklir Nasional), diharapkan biaya yang dibutuhkan untuk membangun fasilitas iradiator gamma ini, dapat lebih ekonomis dengan tidak mengurangi faktor keselamatan. Ketika produk pertanian akan diiradiasi, produk Ari Satmoko dkk 263 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

2 tersebut disusun dalam tote-tote yang kemudian dimasukkan dalam rak carrier. Dengan bantuan rantai konveyor, carrier mengikuti lintasan rantai melalui kamar radiasi gamma sehingga produk pertanian mengalami proses irradiasi. Untuk mengiradiasi produk pertanian, sumber gamma Cobalt-60 bertipe pensil digunakan. Sumber-sumber berbentuk pensil tersebut ditempatkan pada rak sumber. Dalam keadaan tidak digunakan atau stand by, rak dengan sumber disimpan di dalam dasar kolam air. Ketika akan digunakan, rak sumber diangkat ke atas permukaan kolam sehingga dapat mengiradiasi produk pertanian yang digerakkan mendekati sumber tersebut. Sistem untuk mengangkat sumber inilah yang akan dibahas dalam makalah ini. Serangkaian perhitungan dilakukan dalam rangka menentukan spesifikasi komponen-komponen utama untuk mengangkat sumber seperti motor, sistem transmisi, seling dan drum penggulung. 2. TEORI Ruang iradiasi adalah ruang yang digunakan untuk mengiradiasi produk. Bagian utama dalam ruang iradiator adalah kolam sumber tempat menyimpan sumber Co-60 serta perangkat-perangkat sistem mekanik seperti sistem naik turun sumber dari kolam, sistem penggerak produk dan lain lain [1]. Ruang iradiasi didesain berdasarkan dimensi kolam, pergerakan sistem mekanik (carriers), dan pergerakan sumber ketika akan dimasukkan atau dikeluarkan. Dimensi ruang iradiasi sekitar 15,6x12,6x4,0 m 3, diperoleh secara kasar dari perhitungan perputaran sistem mekanik dan dimensi dari kolam sumber. Bentuk atau skema ruang iradiasi ditunjukkan pada Gambar 1. Dalam keadaan standby, sumber gamma Co-60 disimpan di dasar kolam yang terendam dalam air dengan kedalaman sekitar 7 m. Air kolam berfungsi sebagai perisai radiasi sehingga radiasi gamma yang dikeluarkan oleh Co-60 tidak berbahaya bagi operator yang melakukan perbaikan di sekitar daerah radiasi. Namun, ketika iradiator akan digunakan, sumber gamma Co-60 diangkat dari kolam dan dipertahankan pada ketinggian tertentu sehingga produk yang akan diawetkan terkena iradiasi pada saat didekatkan. 3. TATAKERJA SEMINAR NASIONAL Gambar 1. Skema Ruang Iradiasi Kegiatan penentuan spesifikasi komponenkomponen mekanik utama pada iradiator dilakukan dengan tahapan berikut: - pemodelan persamaan matematika - perhitungan numerik - penentuan spesifikasi komponen 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Secara umum sistem pengangkat sumber gamma terdiri dari komponen-komponen utama berupa motor, seling, drum penggulung seling dan sistem transmisi. Motor berfungsi sebagai sumber tenaga penggerak mekanik. Seling berfungsi sebagai komponen penahan dan penarik rak sumber. Drum disediakan untuk tempat seling menggulung dan sistem transmisi digunakan untuk mengurangi kecepatan sekaligus menaikkan kekuatan angkat. Berikut penentuan spesifikasi komponen per komponen MOTOR Perhitungan daya motor (P motor ) penggerak rak sumber dilakukan dengan menggunakan persamaan berikut: P motor = F seling * V rak (1) di mana F seling adalah gaya yang bekerja pada seling untuk mengangkat rak sumber dan V rak adalah kecepatan naik rak sumber. Gaya tarik seling (F seling) sama dengan gaya yang digunakan untuk melawan berat rak sumber dan diperoleh dengan persamaan berikut: F seling = m rak * g (2) di mana g adalah percepatan gravitasi sebesar 9,8 m/det 2 dan m rak adalah massa rak sumber. Perhitungan secara detil massa rak sumber relatif komplek karena adanya berbagai komponen dengan bentuk aneka ragam. Untuk mempermudah perhitungan dan sekaligus dalam rangka alasan Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 264 Ari Satmoko dkk

3 SEMINAR NASIONAL konservatif, sebagian rak diasumsikan pejal dengan bahan stainless steel. Dari perhitungan pendahuluan [2], diperoleh bahwa massa rak sumber adalah 420 kg. Dengan mengaplikasikan Pers. (2), gaya tarik seling menjadi: F seling = 420 * 9,8 N = 4116 N keberadaan produk di pasar, motor berdaya 2,2 kwatt dan berkecepatan putar 1400 rpm dapat digunakan. Karena bersinggungan dengan kolam air, material motor harus tahan terhadap korosi misalnya dengan penggunaan bahan stainless steel. Pilihan tipe ini bukan keputusan akhir karena dapat diganti dengan model lain sepanjang tetap memperhatikan spesifikasi yang diperlukan SELING Gambar 2. Rak sumber di dalam kolam Dari desain dasar yang telah dihasilkan, tinggi kolam air sekitar 7 m [1]. Ketika belum digunakan rak sumber berada di dasar kolam, dan ketika akan digunakan untuk mengiradiasi suatu produk rak sumber diangkat hingga sekitar 2 m. Dengan demikian dari posisi stand by hingga posisi siap iradiasi, rak sumber menempuh jarak sekitar 9 m. Kecepatan rak sumber tidak perlu cepat karena gerakan sumber pada tahap ini belum terkait dengan proses radiasi. Begitu pula ketika turun, kecepatan tidak boleh terlalu tinggi untuk menghindari benturan antara rak sumber dengan benda lainnya. Dari berbagai pertimbangan, jarak ketinggian 9 m diperkirakan ideal untuk ditempuh dalam waktu 1 menit atau 60 detik. Dengan demikian, kecepatan rak sumber dapat diperkirakan dengan Pers. (3) berikut: V rak =L jarak /t tempuh (3) = (9 / 60) m/det = 0,15 m/det. Dengan diperolehnya gaya tarik seling dan kecepatan rak sumber yang diinginkan maka daya motor (P motor) pengangkat rak sumber dapat dihitung. Untuk alasan konservatif, faktor pengali (FP) sebesar 2 kali dimasukkan ke dalam Pers. (1) sehingga: P motor = FP * F seling * V rak = (2 * 4116 * 0,15 ) Watt = 1,23 kwatt. Daya hasil perhitungan ini merupakan daya mekanik. Sementara, untuk perkiraan daya listrik motor harus mempertimbangkan efisiensi motor. Dengan asumsi efisiensi 0,70 maka diperoleh daya motor sebesar 1,764 kwatt listrik. Menilik pada Seling berfungsi untuk menahan dan mengangkat rak sumber. Seling terdiri dari berbagai tipe. Dalam desain ini, seling yang digunakan adalah tipe 1x7 dengan bahan SS304. Tipe 1x7 mengandung arti sebagai seling yang terdiri dari satu untaian yang terdiri dari 7 kawat-kawat kecil. Dengan tipe seperti ini, ukuran seling tinggal ditentukan dengan mengacu pada beban dan faktor keamanan. Dengan mengambil faktor keamanan dua kali lipat maka beban yang harus ditanggung menjadi 840 kg. Salah satu standar seling yang tersedia di pasaran ditunjukkan oleh tabel dalam Lampiran 1 [3]. Dari Tabel ini diperoleh bahwa tipe seling 1x7 SS304 dengan ukuran standar 5/32 dapat digunakan secara aman karena dapat menahan beban hingga 2900 pounds atau 1316 kg DRUM PENGGULUNG SELING Kegiatan berikutnya adalah menentukan dimensi drum penggulung seling. Diameter drum seling telah ditetapkan pada 30 cm. Dengan asumsi seperti ini, jumlah gulungan seling (n) pada drum adalah: n = P / K (4) di mana P adalah panjang seling yang akan digulung dan K adalah keliling drum. Dengan mengaplikasikan nilai-nilai pada P sebesar 9 m dan diameter drum 30 cm, diperoleh jumlah gulungan sebagai berikut: n = 9 / ( * 0.30) = 10 gulungan (pembulatan ke atas) Dengan demikian lebar drum (L) dapat dihitung dengan melakukan perkalian antara jumlah gulungan dengan diameter seling (d) seperti ditunjukkan dalam Pers. (5) berikut: L = n d (5) = 10 * 3,97 = 39,7 mm Untuk mengakomodasi kemungkinan tambahan panjang pada seling maka panjang drum ditetapkan ditambah menjadi 50 mm SISTEM TRANSMISI Kecepatan putar drum penggulung ( drum) dapat dihitung menggunakan persamaan berikut: Ari Satmoko dkk 265 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

4 drum = V rak / R drum (6) = 0,15 / 0,15 rad/det = 57,296 /det = 9,549 rpm Karena motor mempunyai kecepatan putar 1400 rpm maka sistem transmisi digunakan untuk menurunkan kecepatan tersebut. Adapun rasio penurunan kecepatan adalah: rasio = 9,549 : 1400 (7) = 1: 146. Berbagai sistem transmisi dapat digunakan untuk menurunkan kecepatan seperti gearbox, sabuk atau rantai. Namun dalam desain ini, pemilihan gearbox dianggap sebagai ideal karena membutuhkan ruangan yang relatif kecil. Di samping itu perawatan dan resiko kegagalan pada gearbox jauh lebih menguntungkan dibandingkan dengan rantai atau sabuk. Sistem transmisi satu tingkat untuk rasio kecepatan di atas sangat sulit diperoleh. Sebagai solusinya, sistem transmisi dilakukan melalui dua tingkat. Tingkat pertama menggunakan gearbox dengan rasio 1:20 dan penurun kecepatan tingkat ke dua dengan rasio 1:7. Sehingga secara total penurunan kecepatan yang diperoleh adalah 1: 140. Datasheet gearbox ditunjukkan dalam Lampiran 2 [4]. Dengan menggunakan dua tingkat gearbox ini maka kecepatan putar drum penggulung menjadi 10 rpm. Dan kecepatan naik rak sumber terkoreksi menjadi: V rak = drum * R drum (8) = 0,157 m/det. Nilai ini masih sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan asumsi awal sebesar 0,150 m/det. Perbedaan ini tidak menjadi masalah karena kecepatan akhir rak sumber masih dapat dikontrol dengan menggunakan inverter. Meskipun kecepatan motor pada hakekatnya dapat direduksi melalui pengaturan inverter, keberadaan gearbox menjadi pengaman untuk menghindari kecepatan yang berlebihan dan sekaligus untuk meningkatkan kekuatan putar drum penggulung seling. SEMINAR NASIONAL Tabel 1. Hasil Spesifikasi Komponenkomponen Utama No Komponen Spesifikasi minimum 1 Motor Daya 1,764 KW, tahan korosi 2 Seling Jenis 1/7, diameter 5/32, kekuatan 840 kg, bahan SS, fleksibel 3 Drum Silinder, diameter 30 cm, lebar 50 cm, bahan SS 4 Sistem transmisi 6. DAFTAR PUSTAKA Daya input 1,764 KW, dua tingkat (rasio 1:20 dan 1:7), bahan SS 1. BUDIHARDJO S., Rancang Bangun Disain Dasar Irradiator Gamma Batan 2x250 kci untuk Pengawetan Hasil Pertanian, PRPN-BATAN, Jakarta, BATAN-RPN-T , SATMOKO A., Perhitungan-perhitungan untuk Penentuan Spesifikasi Komponen-komponen Mekanik Iradiator Gamma BATAN 2X250 KCi, PRPN-BATAN, Serpong, TD03-WP0-WBS2- RPN , ANONYMOUS, Datasheet: 1x7 Preformed Stainless Steel Strand Non-Flexible Type 302/304, Loos & Co., Inc. Pomfret, CT 06258, Available: ANONYMOUS, Stainlessteel-Gears, Worm gearboxes and Coaxial gearboxes, Hydro-Mec, Italy Cat.: CT-SSM-I-HM KESIMPULAN Telah dilakukan perhitungan dan evaluasi penentuan spesifikasi beberapa komponen utama pada sistem penggerak rak sumber. Berdasarkan hasil perhitungan ini maka usulan tipe dan model komponen-komponen utama dirangkum dalam Tabel di bawah. Evaluasi juga menunjukkan bahwa komponen-komponen tersebut tersedia di pasaran dan dapat memenuhi persyaratan-persyaratan yang ditentukan. Dengan telah ditentukannya komponenkomponen utama tersebut, maka kegiatan desain rinci sistem penggerak rak sumber dapat dilakukan. Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 266 Ari Satmoko dkk

5 SEMINAR NASIONAL Lampiran 1. Standar ukuran seling [Ref. 3] LAMPIRAN Ari Satmoko dkk 267 Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN

6 Lampiran 2. Spesifikasi gearbox SEMINAR NASIONAL Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN 268 Ari Satmoko dkk