Prosiding Mathematics and Sciences Forum 2014 Karakteristik Reaktor Ozon Tipe Penghalang
Peluahan...
41
ISBN 978-602-0960-00-5
Karakteristik Reaktor Ozon Tipe Penghalang Peluahan Dielektrik dengan Pembangkit Tegangan Tinggi Frekuensi Rendah dan Frekuensi Tinggi Mochammad Facta Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro
[email protected]
Abstrak Ozon dalam penggunaannya banyak dipakai sebagai sebagai desinfektan untuk pengolahan makanan, penyimpanan makanan, bau pengurangan, remediasi air tanah, dan minum pemurnian air. Metode pembangkitan ozon yang mulai dikembangkan akhir-akhir ini adalah metode berbasis peluahan dengan penghalang dielektrik atau dielectric barrier discharge. Dalam makalah ini akan disajikan karakteristik suatu reaktor ozon jenis peluahan penghalang dielektrik yang dicatu oleh pembangkit tegangan frekuensi rendan dan pembangkit frekuensi tinggi. Dari hasil karakteristik yang diperoleh kemudian dilakukan kajian matematis untuk menentukan nilai parameter listrik yang dapat digunakan sebagai rangkaian ekivalen dari reaktor tersebut. Dalam rangkaian ekivalen ditentukan nilai kapasitor dan resistor yang merupakan karakteristik reaktor ozon. Penyederhanaan formulasi juga dimungkinkan dalam memperoleh karakteristik reaktor ozon pada frekuensi tinggi dengan menggunakan persamaan daya dalam rangkaian listrik.Percobaan berhasil dilakukan untuk mengamati munculnya peluahan pada frekuensi rendah 50 Hz dengan tegangan 6 kV, dan pada frekuensi tinggi 27 kHz dengan tegangan 3 kVpp.
I. PENGENALAN Penggunaan peluhaan dengan tegangan tinggi telah mengghasilkan suatu terobosan yakni produksi ozon yang dapat diperoleh melalui molekul udara atau oksigen. Ozon dalam penggunaannya banyak dipakai sebagai sebagai desinfektan untuk pengolahan makanan, penyimpanan makanan, bau pengurangan, remediasi air tanah, dan minum pemurnian air. Metode pembangkitan ozon yang mulai dikembangkan akhir-akhir ini adalah metode berbasis peluahan dengan penghalang dielektrik atau dielectric barrier discharge. Dalam praktek pembangkitan ozon diperlukan suatu reaktor yang tersusun atas elektroda dan isolator yang dicatu oleh suatu sumber tegangan tinggi. Sumber tegangan tinggi yang tersedia dapat berupa sumber dengan frekuensi rendah atau frekuensi tinggi. Dalam makalah ini akan disajikan karakteristik suatu reaktor ozon jenis peluahan penghalang dielektrik yang dicatu oleh pembangkit tegangan frekuensi rendan dan pembangkit frekuensi tinggi. Dari hasil karakteristik yang diperoleh kemudian dilakukan kajian matematis untuk menentukan nilai parameter listrik yang dapat digunakan sebagai rangkaian ekivalen dari reaktor tersebut. Dalam rangkaian ekivalen ditentukan nilai
kapasitor dan resistor yang karakteristik reaktor ozon.
merupakan
II. METODA PEMBUATAN REAKTOR A. Konstruksi Dasar Reaktor Peluahan Penghalang Dielektrik
Ozon
Jenis
Prinsip dasar pembangkitan ozon seperti yang dijelaskan adalah dengan menerapkan tegangan tinggi antara dua elektroda paralel yang diletakkan berhadapat dengan celah udara diantaranya, terdapat tegangan tinggi yang menghasilkan fenomena peluahan atau sering disebut juga peluahan diam (silent discharge). Peluahan jenis ini akan memecah molekul oksigen dan menggabungkan dengan molekul oksigen lain untuk menghasilkan ozon. Lapisan dielektrik melekat pada salah satu atau kedua elektroda. Lapisan dielektrik dimaksudkan untuk menghindari terjadinya busur api [1]. Konstruksi Reaktor Ozone dalam percobaan ini dapat dilihat pada Gbr.1. Dalam percobaan ini kotak reaktor dibangun menggunakan jaring aluminium sebagai elektroda dan lembaran mika muskovit sebagai bahan dielektrik. Celag udara berada diantara elektroda. Dengan lebar 1,5 mm.
42
[FISIKA]
Gas Inlet
Hole for Phase Terminal
Dielectric sheet
Tegangan tinggi yang diberikan adalah 6 kV dengan frekuensi 50Hz
Insulation Tape
gap
Hole for Neutral Terminal
Electrode
Okssigen
katub
Flow meter
Gas Outlet
Transformator 50 Hz
Gbr. 1. Reaktor Ozon
Ototrafo Jarin gan listrik
.
O3 reaktorr Penghancur O3 q Cm
B. Pembangkitan Tegangan Tinggi uuntuk Reaktor Ozon Dalam rangkaian listrik, reaktor ozon (RO) dianggap sebagai beban. Nilai dan model beban perlu diketahui untuk memudahkan desain konverter daya. Untuk menemukan nilai dan model beban, ada dua jenis pengujian untuk RO, pertama adalah pada frekuensi rendah (di bawah 1 kHz) [2] dan kedua adalah pada frekuensi tinggi (di atas 1 kHz) [3]. Model beban ini berdasarkan Gbr Lissajous yang terjadi ketika RO dipasok oleh tegangan arus bolak balik pada frekuensi rendah dan tinggi. Diharapkan rangkaian ekuivalen RO dapat membantu untuk memfasilitasi desain dan simulasi catu daya RO.
Keluaran Osiloskop
Monitor O3
Gbr. 2. Percobaan pada Frekuensi Rendah Gbr 3.a. dan 3.b menunjukkan pola Lissajous ketika ozon tidak terdeteksi dan terdeteksi pada tegangan tertentu.
D Non discharge
B
C
Discharge
A B
III. KARAKTERISTIK REAKTOR PADA FREKUENSI RENDAH Pengaturan percobaan untuk menemukan parameter RO diGbrkan dalam Gbr 2.. Sebuah transformator tegangan tinggi digunakan sebagai transformator utama untuk mengkonversi tegangan rendah frekuensi rendah ke tegangan tinggi yang selanjutnya diteruskan ke RO. Untuk mengukur muatan yang mengalir di dalam RO maka kapasitor yang dihubungkan secara seri ke RO. Berdasarkan rumus berikut:
q = CVcap
(1)
Tegangan yang terdeteksi pada pengukuran kapasitor ini adalah sama dengan muatan mengalir, dimana C adalah nilai kapasitansi, VCAP adalah tegangan pada pengukuran kapasitor, dan q adalah muatan. Perilaku RO selama peluahan dengan osiloskop yang terhubung ke terminal RO untuk mengukur tegangan terminal dan tegangan kapasitor. Ozon monitor dipasang di pipa output RO. Pengaturan rangkaian percobaan dapat dilihat pada Gbr 2.
Gbr. 3. Pola Lissajous pada (a) Ozon Tidak Terdeteksi (b) Ozon Terdeteksi Dalam Gbr 4, perilaku ruang ozon diwakili oleh rangkaian sederhana yang berisi kapasitor yang mewakili kapasitansi karena dielektrik (Cd) dan kapasitansi karena celah udara (Cg) dan dioda Zener juga yang merupakan ambang tegangan peluahan Vz [2, 4]. Dalam model ini, ketika tegangan pada OG bawah tegangan peluahan Vz, rangkaian kapasitif murni yang hanya berisi Cd dan Cg. Selama waktu ketika tegangan OG sama atau lebih besar dari tegangan discharge Vz, maka debit listrik yang dihasilkan dan efek Cg juga menghilang [1, 5].
Cd Cg
Vz
43
Karakteristik Reaktor Ozon Tipe Penghalang Peluahan...
Gbr. 4. Model Percobaan pada Frekuensi Rendah Hubungan kapasitansi dielektrik (Cd), kapasitansi celah udara (Cg) dan pengukuran Capacitor (Cd) adalah mungkin untuk dirumuskan dengan mengacu ke Gbr 5. Garis AD dan BC berhubungan dengan kapasitansi pada kondisi tanpa peluahan (non discharge) dan itu adalah sama dengan Cd, dan Jalur AB dan DC berhubungan dengan kapasitansi total pada periode terjadi peluahan (discharge).
dipasang di pipa output. Tegangan tinggi yang diberikan adalah 3 kVpp dengan frekuensi 27 kHz. Oxygen
Flow meter
valve
High Votage High Frequency Transformer D C
O3 Chamber O3 Destructor
A C
q Cm
Inverter
Exhaust Oscilloscope V q A
O3 Monitor
DVod
DVmd
D
Gbr. 6. Menentukan kapasitansi selama non debit dan periode discharge
Non discharge 2V
2Vmin DVoc Discharge DVmc
Gbr 7.(a) dan 7.(b) menunjukkan pola Lissajous ketika ozon tidak terdeteksi dan terdeteksi pada tegangan tertentu.
C
A B
Gbr. 5. Menentukan kapasitansi selama non debit dan periode discharge Kehadiran pengukuran kapasitor Cm akan digunakan untuk mendapatkan nilai Cd dan Cg sebagai berikut: ΔVmd Cd saat discharge = Cm ΔVod (2) ΔVmc Ctotal saat non discharge = Cm ΔVoc (3)
1 1 1 = + Ctotal Cg Cd
(3)
Gbr. 7 Pola Lissajous pada saat (a) Ozon Tidak Terdeteksi (b) Ozon Terdeteksi Sebuah model linear terdiri dari kapasitor dan resistor yang dipasang secara paralel adalah model yang cocok untuk peluahan pada frekuensi tinggi. Model ini ditunjukkan pada Gbr 8. ichamber
Vchamber Cp
iCp
Rp
iRp
IV. KARAKTERISTIK REAKTOR PADA FREKUENSI TINGGI Percobaan diatur untuk mengamati karakteristik RO pada frekuensi tinggi ditunjukkan pada Gbr 6. Sebuah inverter frekuensi tinggi terhubung ke transformator tegangan tinggi frekuensi tinggi yang dibuat ferit. Transformator ferit ini memberikan tegangan tinggi dalam bentuk sinusoidal ke RO. Sebuah kapasitor pengukuran seri terhubung ke RO untuk mengukur muatan yang mengalir. Probe – probe dipasang untuk mengukur tegangan di terminal RO, dan arus yang mengalir melalui RO. Ozon monitor juga
Gbr. 8 Model reaktor ozon saat frekuensi tinggi Di dalam beberapa referensi [3, 6] bahwa model ini hanya berlaku untuk frekuensi tinggi di atas 15 KHz. Dalam frekuensi tinggi, penyearah dan sumber tegangan peluahan pada model tegangan rendah diganti oleh resistor paralel, Rp. Dua kapasitansi Cd dan Cg yang terintegrasi dalam kapasitansi tunggal Cp yang terletak secara paralel dengan resistansi R p. Model ini dapat
44
[FISIKA]
diimplementasikan dalam simulasi komputer seperti PSPICE dan memungkinkan untuk perancangan konverter daya seperti inverter resonan. Ketika tegangan diterapkan pada adalah sinusoidal, adalah mungkin ditulis sebagai:
VRO (t ) = Vmaks sin ωt
ruang untuk
Xp =
1 ωC p
(16)
Cp =
iRO (ketika VRO = 0) ωVmaks
(4)
Dan arus yang mengalir di dalam ruangan adalah jumlah arus yang mengalir pada kapasitansi dan resistansi:
iRO (t ) = iCp (t ) + iRp (t )
(5)
dV RO (t ) VRO (t ) i RO (t ) = C p + dt Rp
(6)
iRO (t ) =
Vmaks V cos ωt + maks sin ωt ωC p Rp
(7)
Karena
Xp =
1 ωC p
(8)
Z p = R 2p + X 2p ϕ p = arctan
(9)
Xp
(10)
Rp
maka
iRO (t ) =
Vmaks sin(ωt + ϕ p ) Zp
iRO (t ) =
Vmaks sin ωt 1 2 2 ± Vmaks − Vmaks sin 2 ωt Rp Xp
V (t ) 1 2 2 iRO (t ) = RO ± Vmaks − VRO (t ) Rp Xp
(11)
(12)
(13)
(14)
Selanjutnya untuk nilai Rp,
iRO (t ) = iCp (t ) + iRp (t )
(18)
dV (t ) V (t ) dq(t ) = C p RO + RO dt dt Rp
(19)
1 Vmaks sin ωt Rp ∫
1 q(t ) = C pVmaks sin ωt + V cos ωt ω Rp maks
(20) (21)
Jika diasumsikan bahwa:
1 ωR p
C E = C p2 + C R2 C ϕ Q = arctan R Cp
(22) (23) (24)
maka
VRO (t ) = 0 Maka
Karena
Gbr. 9 Pola Lissajous dan arus reactor ozon saat frekuensi tinggi
CR =
Ketika
iRO (at VRO = 0) = ±
IRO
q(t ) = C pVRO (t ) +
Selanjutnya
V sin ωt 1 2 iRO (t ) = maks + Vmaks cos2 ωt Rp Xp
(17)
Vmaks Xp
(15)
q (t ) = C pVmaks sin ωt + CRVmaks cos ωt
(25)
q(t ) = CEVmaks sin (ωt − φQ )
(26)
2 q(t ) = C pVRO (t ) + CR Vmaks cos 2 ωt
(27) atau
Karakteristik Reaktor Ozon Tipe Penghalang Peluahan...
2 2 q(t ) = C pVRO (t ) ± CR Vmaks − Vmaks sin 2 ωt 2 maks
q(t ) = C pVRO (t ) ± CR V
2 RO
− V (t )
(28) (29)
Dengan menggunakan Grafik Lissajoeous hubungan q-V sebagaimana Gbr 8 maka ketika Vchamber (t ) = 0
q(saat VRO = 0) = ±CRVmaks q(saat VRO = 0) =
Rp =
Vmaks ω Rp
Vmaks ( 2π f ) q(at VRO =0)
(30) (31)
(32)
2qreaktor
45
IV. KESIMPULAN Dari percobaan dan analisis yang dilakukan maka dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Studi tentang karakteristik reaktor ozon ketika disuplai oleh pembangkit tinggi frekuensi rendah dan frekuensi tinggi telah dilakukan melalui percobaan. 2. Pada percobaan dengan frekuensi rendah bentuk karakteristik peluahan dalam reaktor adalah jajaran genjang. 3. Pada percobaan dengan frekuensi rendah bentuk karakteristik peluahan dalam reaktor adalah elips disertai munculnya lucutan peluahan. 4. Kajian matematis telah dilakukan untuk mendapatkan nilai parameter kapasitansi dan resistansi pada karakteristik reaktor ozon dengan frekuensi tinggi dan rendah. Karakteristik ini diharapkan berguna untuk mendesain catu daya atau menganalisis lebih lanjut kondisi peluahan yang terjadi pada suatu reaktor ozon. PUSTAKA RUJUKAN
Gbr. 10 Pola Lissajous dan muatan reactor ozon saat frekuensi tinggi Pendekatan lain juga dimungkinkan untuk mencari parameter RO dalam frekuensi tinggi dengan melihat gambae tegangan dan arus yang melalui RO sebagaimana ditunjukkan oleh Gbr 10. Arus mendahului tegangan sebesar θ derajat, sehingga dengan memanfaatkan sudut ini maka hubungan daya aktif, daya reaktif, arus dan tegangan dirumuskan sebagai berikut [7]:
PRO = iRO cos(θ ) × VRO
(33)
QRO = iRO sin(θ ) ×VRO
(34)
sehingga 2
Rp = Xp
(VRO ) PRO
2 ( VRO ) =
Cp =
QRO
1 ωX p
(35)
(36)
(37)
[1] U. Kogelschatz, "Dielectric-barrier Discharges: Their History, Discharge Physics, and Industrial Applications," Plasma Chemistry and Plasma Processing, vol. 73, 2003. [2] T. C. Manley, "The Electric Characteristic of the Ozone Discharge " Transaction on Electrochemical Society, pp. 83-96, 1943. [3] J. M. Alonso, M. Valdés; A. J. Calleja; J. Ribas; J. Losada, "High Frequency Testing and Modeling of Silent Discharge Ozone Generators," Ozone: Science and Engineering, Taylor and Francis Ltd, vol. Volume 25, Number 5, pp. 363-376, October 2003 [4] U. Kogelschatz, "Filamentary, Patterned, and Diffuse Barrier Discharges," IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, vol. VOL. 30, NO. 4, AUGUST 2002. [5] A. Fridman, A. Chirokov; A. Gutsol, "Nonthermal atmospheric pressure discharges," Journal of Physics D: Applied Physics, pp. R1-R24(1), 21 January 2005. [6] A. Chikorov, et al., "Atmospheric Pressure Plasma of Dielectric Barrier Discharge," Pure Appl. Chem., vol. 77, 2005.
46
[7] C. K. Alexander and M. N. O. Sadiku, Fundamentals of electric circuits, , 3 ed.: Mc Graw Hill, 2007.
[FISIKA]
