SIMULASI PENGARUH DAYA TERDISIPASI TERHADAP SISTEM PENDINGIN PADA BEJANA TEKAN MBE LATEKS

Transkripsi

1 SISTEM PENDINGIN PADA BEJANA TEKAN MBE LATEKS Emy Mulyani, Suprapto, Sutadi Pusat Teknologi Akselerator Proses Bahan, BATAN ABSTRAK SISTEM PENDINGIN PADA BEJANA TEKAN MBE LATEKS. Simulasi pengaruh daya terdisipasi terhadap sistem pendingin pada bejana tekan MBE Lateks telah dilakukan. Simulasi dilakukan untuk mengetahui pendinginan serta temperatur gas isian bejana tekan ketika MBE seg dioperasikan. Sebagai pendingin dirancang koil pendingin dari bahan SS 304 dengan diameter luar 7 mm, panjang 0 meter media pendingin berupa air. Hasil perhitungan menunjukkan nilai koefisien konveksi fluida pendingin sebesar 4622,3 W/m 2 K, koefisien konveksi pada daerah fluida yang didinginkan sebesar 85,63 W/m 2 K koefisien perpindahan panas menyeluruh 83,5 W/m 2 K. Daya terdisipasi menyebabkan kenaikan temperatur gas di bejana tekan karena merupakan daya dari berkas elektron tabung pemercepat yang diubah menjadi panas tersimpan dalam bejana tekan saat MBE seg beroperasi. Temperatur gas isian (CO 2 +N 2 ) dalam kondisi normal yaitu 3,69 walaupun daya terdisipasi mencapai 50 watt. Kenaikan temperatur output fluida pendingin (To) memberi dampak kenaikan pada temperatur gas isian. Kata Kunci : Bejana Tekan, Pendinginan, Mesin Berkas Elektron ABSTRACT SIMULATION OF ENERGY DISSIPATION EFFECT ON COOLING SYSTEM AT ELECTRON BEAM MACHINE PRESSURE VESSEL. Simulation of energy dissipation effect on cooling system at electron beam machine pressure vessel for latex has been done. Simulation have been done to know the cooling and also the temperature of pressure vessel Electron Beam Machine when it s operated. Cooling coil of SS 304 with 7 mm outer diameter and 0 m length with water cooler has been designed. The calculation shows that coefficient convection of water cooler is 4622,3 W/m 2 K, at refrigerant is 85,63 W/m 2 K and the overall heat transfer coefficient is 83,5 W/m 2 K. The increasing temperature at pressure vessel caused by the energy dissipation. It s occurred when energy from electron beam and accelerator tube dissipated to be heat and kept on pressure vessel when MBE operated. In a normaly condition, temperature of filling gas at pressure vessel is 3,69 o C although the energy dissipation reached at 50 watt. The increasing of cooler output temperature (To) have an effect on increasing of filling gas temperature. Keyword : Pressure Vessel, Cooling, Electron Beam Machine PENDAHULUAN D alam rangka menunjang program rancang bangun MBE 300 kev/20 ma untuk industri lateks, dibutuhkan sistem isolasi pada lokasi me listrik tegangan tinggi di sekitar sumber elektron tabung akselerator. Sumber elektron tabung akselerator ini dirancang di dalam bejana tekan dengan gas isian N 2 +CO 2. Pada tahun 2005 telah dibuat rancangan detil bejana tekan sebagai media isolasi telah dilakukan konstruksi pengujian pada tahun 2007 []. Berdasarkan pertimbangan aspek keselamatan ekonomi telah dipilih gas isian bejana tekan berupa campuran N 2 (50%)+CO 2 (50%), dimana pada tekanan sekitar 7 atm (00 psi) mempunyai gradien tegangan dadal 640 kv/inchi. [] Ketika MBE seg beroperasi, memerlukan catu daya yaitu catu daya anoda katoda. Catu daya Prosiding Pertemuan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator Aplikasinya Vol. 0, Oktober 2008 : katoda (filamen) digunakan untuk mensuplai arus untuk memanaskan katoda sehingga dapat mengemisikan elektron. Segkan anoda digunakan untuk mengekstraksi berkas elektron. Dari catu daya ini dapat menghasilkan panas panas tersebut diradiasikan ke lingkungan yaitu di serap oleh gas N 2 CO 2. Di samping itu pada tabung pemercepat juga terjadi disipasi panas. Seluruh panas ini diserap oleh gas dalam bejana tekan sehingga dapat menaikkan temperatur gas. Untuk keperluan ini maka ditambahkan sistem pendingin untuk mencegah kenaikan temperatur gas terjadinya pelucutan (discharge) maupun tegangan dadal (breakdown voltage) yang dapat mengganggu keamanan selama mesin berkas elektron dioperasikan. [2] Untuk merencanakan sistem pendingin lebih lanjut perlu dilakukan perhitungan analisis 04

2 terhadap sumber-sumber panas yang ada dalam bejana tekan. Penyumbang panas terbesar pada bejana tekan dimungkinkan sumber elektron tabung pemercepat. Sebagai langkah awal telah disiapkan chiller sebagai komponen pendingin bejana tekan. Dalam bejana tekan terdapat koil pendingin sebagai media perpindahan panas, sebagai simulasi awal telah dikontruksi koil pendingin dari bahan SS 304 berdiameter luar 7 mm panjang 0 meter. Dipilihnya bahan SS adalah karena bahan ini kuat ulet, tahan terhadap korosi, mudah diperoleh di pasaran, serta secara teknis dapat dilakukan pembuatannya. Koil pendingin ini belum dilakukan analisis kapasitas pendinginnya sehingga diperlukan analisis kemampuan pendinginan agar dapat diketahui temperatur gas campuran N 2 +CO 2 di dalam bejana tekan saat MBE beroperasi. DASAR TEORI Pada bejana tekan perlu dibuat sistem pendingin yang akan mencegah kenaikan temperatur gas isian, karena kenaikan temperatur ini mempengaruhi terjadinya pelucutan (discharge) maupun tegangan dadal (breakdown voltage) yang dapat mengganggu keamanan selama mesin berkas elektron dioperasikan. [2] Perhitungan pembentukan termal bejana tekan didasarkan pada jumlah panas yang dibangkitkan oleh sumber elektron, tabung pemercepat disipasi panas pada elektroda. Dengan asumsi besar catu daya katoda (filamen) terdisipasi menjadi panas semua elektron terekstraksi tidak menumbuk anoda maka besar daya terdisipasi P = I E () f f dengan P adalah daya yang terdisipasi (watt), E f tegangan filamen (Volt) I f arus filamen (Ampere). Jika fluida pendingin menggunakan air yang didinginkan dengan chiller, maka laju pendinginan adalah [3] q = UA (2) m T m ( Ts Ti ) ( Ts To ) ( Ts Ti ) ln ( T T ) T = (3) s o dengan q adalah laju pendinginan (W), U koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m 2 K), A luas perpindahan panas (m 2 ), T m beda suhu rata rata fluida pendingin dengan bahan yang didinginkan, Ts temperatur gas isian ( o C), T o temperatur fluida yang keluar dari pipa pendingin ( o C), T i adalah temperatur fluida yang masuk pada pipa pendingin ( o C). Pada koil pipa pendingin yang diisi dengan fluida pendingin, untuk mengetahui beda temperatur fluida pendingin yang masuk keluar pipa pendingin, digunakan persamaan : Q = mc T (4) T = To Ti dengan Q adalah panas yang harus dipindahkan (Watt), m laju massa fluida pendingin (kg/s), c kalor jenis fluida (kj/kg.c). Pada sistem yang komplek, besar koefisien perpindahan panas sangat tergantung dari material penyusun serta bentuk geometrinya. Pada kasus ini air pendingin masuk ke dalam kumparan pipa pendingin yang terbuat dari SS 304. Dengan demikian koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) adalah [4] : U = t + + h k h 2 (5) dengan h adalah koefisien konveksi fluida pendingin (W/m 2 K), h 2 koefisien konveksi fluida yang didinginkan (W/m 2 K), k konduktivitas termal kumparan pipa pendingin yaitu dari bahan SS 304 (W/mK), t tebal pipa (m). Aliran paksa memotong pipa Untuk aliran fluida yang melewati silinder, besar koefisien perpindahan panas konveksi ditentukan berdasarkan besar bilangan Nusselt yang terjadi. Besar bilangan Nusselt ini ditentukan dengan persamaan [4] : N ud 2 ed ,62 Re Pr = 0, ,4 Pr 5 R 8 ed (6) ν = VD Re D (7) dengan Nu adalah bilangan Nusselt, R ed bilangan Reynold, v kecepatan aliran fluida (m/s), D diameter pipa (m), v viskositas dinamik (m 2 /s). SISTEM PENDINGIN PADA BEJANA TEKAN MBE LATEKS. Emy Mulyani, dkk 05

3 Berdasarkan bilangan Nusselt ini maka koefisien perpindahan panas konveksi (h) dapat ditentukan dengan persamaan [4] : Nu Dk h = (8) D dengan k adalah konduktivitas termal fluida (W/mK) Aliran dalam pipa Pada fluida yang mengalir dalam pipa, ada 2 jenis aliran yang dapat terjadi yaitu aliran laminar turbulen. Aliran laminar terjadi jika Re < 2300, segkan aliran turbulen terjadi jika Re > [4] Untuk aliran turbulen dalam pipa, besar bilangan Nusselt ditentukan dengan persamaan [4] : 0,8 n Nu d = 0,023 Re d Pr (9). Spesifikasi koil pendingin, sifat-sifat fisik gas isian (CO 2 +N 2 50%) air pendingin. Untuk perhitungan pendinginan didasarkan pada spesifikasi dari kumparan pendingin seperti ditunjukkan pada Tabel. Data data sifat fisik gas isian dengan komposisi campuran 50% CO 2 50% N 2 serta air pendingin pada bejana tekan ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 3. dengan nilai eksponensial n ialah 0,4 untuk pemanasan 0,3 untuk pendinginan. Segkan untuk aliran laminar dapat ditentukan dengan persamaan [4] : D µ Nu ( ) 3 d =,86 Red Pr L (0) µ ω 4m Re = () D µ D π dengan L adalah panjang pipa (m), D diameter pipa (m), µ w viskositas dinamik yang ditentukan oleh suhu dinding (Ns/m 2 ), µ viskositas absolut (Ns/m 2 ). TATA KERJA Di dalam sistem bejana tekan MBE, bagian bagian yang merupakan sumber pembangkitan panas adalah sumber elektron tabung pemercepat, dengan konstruksi ditunjukkan pada Gambar Sebagai sarana pendingin tangki pada saat MBE dioperasikan akibat aya disipasi panas dari sumber elektron komponen listrik lainnya, pada tutup bagian atas tangki dipasang kipas pendingin yang digerakkan oleh motor listrik koil pipa pendingin dari bahan SS-304 ukuran 3/8 inchi yang dialiri air pendingin yang berasal dari perangkat chiller. Berdasarkan konstruksi pada Gambar. selanjutnya dilakukan analisis pendinginan dengan langkah-langkah sebagai berikut: 3 0,4 Gambar. Konstruksi sumber elektron tabung pemercepat di dalam bejana tekan Tabel. Spesifikasi kumparan pipa pendingin Bejana Tekan MBE Spesifikasi Keterangan Bahan SS 304 Diameter dalam Φ dalam 4,6 mm Diameter luar Φ luar 7 mm Panjang L 0 m Konduktivitas k 4,9 W/mK Debit air Q 0,25 L/s Laju massa 0,25 kg/s Kecepatan v,49 m/s 2. Menghitung koefisien konveksi air pendingin Perhitungan koefisien konveksi dengan menggunakan persamaan (8), (9) (). Perhitungan nilai bilangan Reynold (Re) dengan menggunakan persamaan (), yang didasarkan Prosiding Pertemuan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator Aplikasinya Vol. 0, Oktober 2008 :

4 pada spesifikasi kumparan pendingin (Tabel.). Perhitungan nilai bilangan Nusselt dengan menggunakan persamaan (9) perhitungan nilai koefisien konveksi air pendingin dengan menggunakan persamaan (8). Tabel 2. Sifat- sifat fisik gas isian (CO 2 +N 2 50%) air pendingin [4] Konstanta CO 2 + N 2 Air Satua n Rapat jenis ρ, kg/m 3 Viskositas 63,6. 0-7, Ns/m 2 absolut µ Viskositas 2, m 2 /s dinamik ν Konduktivitas 2, ,64 W/mK termal k Bilangan 6,62-0,74 prandl Pr Kecepatan v 7 - m/s 3. Menghitung koefisien konveksi CO 2 +N 2 Perhitungan koefisien konveksi CO 2 +N 2 dengan menggunakan persamaan (6), (7) (8). Perhitungan nilai bilangan Reynold (Re) dengan menggunakan persamaan (7). Perhitungan nilai bilangan Nusselt dengan menggunakan persamaan (6) perhitungan nilai koefisien konveksi CO 2 +N 2 dengan menggunakan persamaan (8). Perhitungan didasarkan pada sifat-sifat fisik gas CO 2 +N 2 (Tabel 2.) 4. Menentukan besar perpindahan panas dalam bejana tekan Perhitungan nilai koefisien perpindahan panas secara keseluruhan dengan menggunakan persamaan (5). Konstanta-konstanta yang digunakan didapatkan dari perhitungan tahap sebelumnya serta spesifikasi kumparan pendingin (Tabel.) 5. Simulasi pendinginan bejana tekan Perhitungan dengan menggunakan persamaan (2) didapatkan Tm (Log Mean Temperature Differential) yang merupakan beda temperatur rata-rata antara fluida pendingin fluida yang didinginkan secara logaritmis. Dengan beda temperatur ini dilanjutkan perhitungan menggunakan persamaan (4) didapatkan nilai temperatur fluida yang didinginkan (Ts). Secara umum tata kerja dari proses analisis pendinginan bejana tekan dinyatakan dalam diagram alir sesuai Gambar 2. Gambar 2. Diagram alir proses simulasi pendinginan HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk aliran di daerah air pendingin, didapatkan bilangan Reynold sebesar 7734,23. Hal ini berarti aliran yang terjadi dalam pipa adalah aliran turbulen, karena nilai Re > 2300 [4]. Nilai bilangan Nusselt sebesar 22,78 didapatkan nilai sebesar 4622,30 W/m 2 K. Pada daerah gas CO 2 +N 2 didapatkan bilangan Reynold sebesar 980, Nusselt 68,598 nilai koefisien konveksi sebesar 85,63 W/m 2 K. Koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) adalah sebesar 83,5 W/m 2 K. Hasil perhitungan dapat ditabelkan seperti ditunjukkan pada Tabel 4. Hasil perhitungan temperatur gas untuk variasi daya terdisipasi (pembangkitan panas) dengan menggu-nakan persamaan () sampai dengan (4), ditunjukkan pada Tabel 5. Gambar 3. SISTEM PENDINGIN PADA BEJANA TEKAN MBE LATEKS. Emy Mulyani, dkk 07

5 Tabel 4. Hasil perhitungan konstanta perpindahan panas No Konstanta perpindahan panas Di daerah air pendingin Hasil perhitungan. Bilangan Reynold (Re) 7734,23 2. Bilangan Nusselt (Nu) 22,78 3. Koefisien konveksi (h) Di daerah gas CO 2 +N 2 50% 4622,30 W/m 2 K 4. Bilangan Reynold (Re) Bilangan Nusselt (Nu) 68, Koefisien konveksi (h) 85,63 W/m 2 K 7. Gabungan koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) 83,5 W/m 2 K Tabel.5 Hubungan variasi nilai daya terdisipasi Q terhadap temperatur gas isian Q aks (%) Q (watt ) T i ( C) To ( C) T m ( C) T s ( C) ,49,44 3, ,43 0,09 30, ,37 8,74 28, ,32 7,40 27, ,26 6,06 26,9 Daya terdisipasi menyebabkan kenaikan suhu gas di dalam bejana tekan karena merupakan energi yang terdisipasi diserap oleh gas isian di dalam bejana tekan. Energi ini terutama dari catu daya sumber elektron, tahanan divider berkas elektron yang menumbuk dinding/elektroda pemercepat saat MBE dioperasikan. Besar daya terdisipasi (Q) merupakan panas yang berasal dari sumber elektron, tahanan divider, disipasi daya di tabung akselerator (Q aks ). Untuk menghitung besar daya yang terdisipasi menjadi panas digunakan persamaan (). Daya terdisipasi pada sumber elektron dengan tegangan 2 volt arus filamen 5 A, menghasilkan daya sebesar 80 watt. Tahanan divider 5 MΩ menghasilkan daya sebesar 30 watt. Daya di tabung akselerator (Q aks ) Gambar 3. Hubungan temperatur gas sebagai fungsi daya terdisipasi diasumsikan %-5% dari spesifikasi MBE (300keV/20mA) sehingga menghasilkan daya bervariasi antara 60 watt sampai dengan 50 watt. Dari grafik dapat ditunjukkan bahwa pada saat daya terdisipasi mencapai 50 watt, temperatur gas isian (CO 2 +N 2 ) dalam kondisi normal yaitu 3,69 Laju pendinginan bejana tekan ini secara garis besar ditentukan oleh 3 faktor yaitu koefisien perpindahan panas menyeluruh (U), luasan perpindahan panas (A) beda temperatur rata-rata ( T m ). Faktor perpindahan panas menyeluruh (U) merupakan konstanta yang nilainya tergantung dari spesifikasi kumparan pipa pendingin, fluida pendingin serta fluida yang harus didinginkan. Dengan mengacu pada persamaan (5), koefisien perpindahan panas dipengaruhi oleh besar koefisien konveksi air pendingin, koefisien konveksi gas isian serta konduktivitas termal dari bahan kumparan pendingin (SS 304). Berdasarkan pada konstuksi bejana tekan yang telah dilakukan, pada bagian atas bejana tekan dipasang kipas pendingin yang digerakkan oleh motor listrik kumparan pipa pendingin dari bahan SS-304 ukuran 3/8 inchi yang dialiri air pendingin yang berasal dari perangkat chiller. Mengacu pada persamaan (7), maka tujuan dipasangnya kipas ini adalah untuk memperbesar bilangan Reynold gas yang didinginkan, yang pada akhirnya nanti akan memperbesar koefisien konveksi gas. Luasan perpindahan panas (A) berbanding lurus dengan laju pendinginan, berdasarkan pada persamaan (2) semakin besar luasan perpindahan panas maka semakin besar laju perpindahan panas, dalam hal ini A adalah perkalian antara keliling penampang pipa pendingin panjang pipa. Prosiding Pertemuan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator Aplikasinya Vol. 0, Oktober 2008 :

6 Segkan faktor yaitu T m yang tergantung pada temperatur gas isian (N 2 +CO 2 ) air pendingin. Tm (Log Mean Temperature Differential) adalah merupakan beda temperatur rata-rata antara fluida pendingin gas yang didinginkan secara logaritmis seperti yang tunjukkan pada persamaan (3). Dari hasil perhitungan menunjukkan bahwa kenaikan beda temperatur rata-rata yang merupakan variabel potensial pada proses pendinginan memberikan dampak kenaikan temperatur gas isian. Temperatur gas isian (N 2 +CO 2 ) juga dipengaruhi oleh temperatur fluida pendingin yang keluar dari pipa (To). Hubungan antara temperatur gas (Ts) dengan temperatur output fluida pendingin (To) ditunjukkan pada Gambar 4. UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada Bapak Prof.Drs. Darsono,M.Sc atas saran masukkannya sehingga terselesaikannya makalah ini. DAFTAR PUSTAKA [] SUTADI dkk, Konstruksi Pengujian Tangki Bertekanan untuk Sistem Pemercepat pada MBE Industri Lateks, Laporan Teknis Bejana Tekan, 2007 [2] J.D. CRAGGS, High Voltage Laboratory Technique, Butter worths Scientific, 954 [3] SUPRAPTO dkk Rancangan Bejana Iradiasi Lateks Karet Alam untuk Vulkanisasi dengan iradiasi berkas electron, Yogyakarta : Seminar Pertemuan Presentasi Ilmiah Penelitian Ilmiah Penelitian Dasar IPTEK Nuklir, 2007 [4] FRANK. P.INCROPERA, Fundamental of Heat Transfer, John Wiley & Sons, 98 [5] HOLMAN, J.P, Heat Transfer Seventh Edition in SI Units, McGraw-Hill Companies, Inc., 99 Gambar 4. Hubungan temperatur gas isian sebagai fungsi temperatur output fluida pendingin Dari hasil perhitungan menujukkan kenaikan temperatur output fluida pendingin memberi dampak kenaikan pada temperatur gas isian. KESIMPULAN Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa :. Koefisien konveksi fluida pendingin sebesar 4622,30 W/m 2 K, koefisien konveksi pada daerah fluida yang didinginkan sebesar 85,63 W/m 2 K. Sehingga diperoleh koefisien perpindahan panas menyeluruh 83,5 W/m 2 K. 2. Daya terdisipasi menyebabkan kenaikan suhu gas di bejana tekan karena merupakan daya berkas elektron tabung pemercepat yang diubah menjadi panas tersimpan dalam bejana tekan saat MBE seg beroperasi. 3. Temperatur gas isian (CO 2 +N 2 ) dalam kondisi normal yaitu 3,69 o C walaupun daya terdisipasi mencapai 50 watt. 4. Kenaikan temperatur output fluida pendingin (To) memberi dampak kenaikan pada temperatur gas isian (Ts) TANYA JAWAB Agus Dwiatmaja Apakah motor listrik penggerak kipas bisa dianggap sumber panas? Emy Mulayani Motor listrik penggerak blower juga merupakan beban karena membangkitkan panas akibat aya efisiensi dari motor tersebut besarnya tergantung pada cos φ. Budi Santoso Mengapa yang diamati daya terdisipasi vs temperatur ruang, bukan dinamika temperatur ruang vs waktu? Emy Mulyani Karena beban pendinginan tergantung pada daya terdisipasi mempengaruhi temperatur ruang (gas) di dalam bejana tekan. SISTEM PENDINGIN PADA BEJANA TEKAN MBE LATEKS. Emy Mulyani, dkk 09