Volume 10, Oktober 2008
ISSN 1411-1349
SIMULASI PENGARUH DAYA TERDISIPASI TERHADAP SISTEM PENDINGIN PADA BEJANA TEKAN MBE LATEKS Emy Mulyani, Suprapto, Sutadi Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, BATAN
ABSTRAK SIMULASI PENGARUH DAYA TERDISIPASI TERHADAP 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 sedang dioperasikan. Sebagai pendingin dirancang koil pendingin dari bahan SS 304 dengan diameter luar 17 mm, panjang 10 meter dan media pendingin berupa air. Hasil perhitungan menunjukkan nilai koefisien konveksi fluida pendingin sebesar 4622,3 W/m2K, koefisien konveksi pada daerah fluida yang didinginkan sebesar 85,63 W/m2K dan koefisien perpindahan panas menyeluruh 83,51 W/m2K. Daya terdisipasi menyebabkan kenaikan temperatur gas di bejana tekan karena merupakan daya dari berkas elektron dan tabung pemercepat yang diubah menjadi panas dan tersimpan dalam bejana tekan saat MBE sedang beroperasi. Temperatur gas isian (CO2+N2) dalam kondisi normal yaitu 31,69 walaupun daya terdisipasi mencapai 510 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 17 mm outer diameter and 10 m length with water cooler has been designed. The calculation shows that coefficient convection of water cooler is 4622,3 W/m2K, at refrigerant is 85,63 W/m2K and the overall heat transfer coefficient is 83,51 W/m2K . 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 31,69 oC although the energy dissipation reached at 510 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 medan listrik tegangan tinggi di sekitar sumber elektron dan tabung akselerator. Sumber elektron dan tabung akselerator ini dirancang di dalam bejana tekan dengan gas isian N2+CO2. Pada tahun 2005 telah dibuat rancangan detil bejana tekan sebagai media isolasi dan telah dilakukan konstruksi dan pengujian pada tahun 2007[1]. Berdasarkan pertimbangan aspek keselamatan dan ekonomi telah dipilih gas isian bejana tekan berupa campuran N2 (50%)+CO2 (50%), dimana pada tekanan sekitar 7 atm (100 psi) mempunyai gradien tegangan dadal 640 kV/inchi.[1] Ketika MBE sedang beroperasi, memerlukan catu daya yaitu catu daya anoda dan katoda. Catu daya Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 10, Oktober 2008 : 104 - 109
katoda (filamen) digunakan untuk mensuplai arus untuk memanaskan katoda sehingga dapat mengemisikan elektron. Sedangkan anoda digunakan untuk mengekstraksi berkas elektron. Dari catu daya ini dapat menghasilkan panas dan panas tersebut diradiasikan ke lingkungan yaitu di serap oleh gas N2 dan CO2. 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 dan 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 dan analisis 104
Volume 10, Oktober 2008
ISSN 1411-1349
terhadap sumber-sumber panas yang ada dalam bejana tekan. Penyumbang panas terbesar pada bejana tekan dimungkinkan sumber elektron dan 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 17 mm dan panjang 10 meter. Dipilihnya bahan SS adalah karena bahan ini kuat dan 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 N2+CO2 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 dan disipasi panas pada elektroda. Dengan asumsi besar catu daya katoda (filamen) terdisipasi menjadi panas dan semua elektron terekstraksi tidak menumbuk anoda maka besar daya terdisipasi P = If E f
(1)
dengan P adalah daya yang terdisipasi (watt), Ef tegangan filamen (Volt) dan If arus filamen (Ampere). Jika fluida pendingin menggunakan air yang didinginkan dengan chiller, maka laju pendinginan adalah[3] q = UA∆Tm
(2)
dan
(T − Ti ) − (Ts − To ) ∆Tm = s (T − Ti ) ln s (Ts − To )
Pada koil pipa pendingin yang diisi dengan fluida pendingin, untuk mengetahui beda temperatur fluida pendingin yang masuk dan keluar pipa pendingin, digunakan persamaan :
Q = mc∆T1
(4)
dan ∆T1 = 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=
(5)
1 ⎡1 t 1⎤ ⎢ + + ⎥ ⎣ h1 k h 2 ⎦
dengan h1 adalah koefisien konveksi fluida pendingin (W/m2K), h2 koefisien konveksi fluida yang didinginkan (W/m2K), k konduktivitas termal kumparan pipa pendingin yaitu dari bahan SS 304 (W/mK), dan 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]: 1
1
4
5 5 ⎡ ⎤ 2 0,62 Re eD Pr 3 ⎢ ⎛ R eD ⎞ 8 ⎥ N uD = 0,3 + 1 + ⎜ ⎟ 1 28200 ⎠ ⎥ 2 4 ⎢ ⎡ ⎤ ⎣ ⎝ ⎦ 3 0 , 4 ⎛ ⎞ ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ Pr ⎠ ⎥ ⎢⎣ ⎝ ⎦
(6)
dan (3)
dengan q adalah laju pendinginan (W), U koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2 K), A luas perpindahan panas (m2), ∆Tm beda suhu rata–rata fluida pendingin dengan bahan yang didinginkan, Ts SIMULASI PENGARUH DAYA TERDISIPASI TERHADAP SISTEM PENDINGIN PADA BEJANA TEKAN MBE LATEKS. Emy Mulyani, dkk
temperatur gas isian (oC), To temperatur fluida yang keluar dari pipa pendingin (oC), dan Ti adalah temperatur fluida yang masuk pada pipa pendingin (oC).
Re D =
VD ν
(7)
dengan Nu adalah bilangan Nusselt, ReD bilangan Reynold, v kecepatan aliran fluida (m/s), D diameter pipa (m), dan v viskositas dinamik (m2/s).
105
Volume 10, Oktober 2008
ISSN 1411-1349
Berdasarkan bilangan Nusselt ini maka koefisien perpindahan panas konveksi (h) dapat ditentukan dengan persamaan[4]: h=
Nu D k D
(8)
dengan k adalah konduktivitas termal fluida (W/mK)
1. Spesifikasi koil pendingin, sifat-sifat fisik gas isian (CO2+N2 50%) dan air pendingin. Untuk perhitungan pendinginan didasarkan pada spesifikasi dari kumparan pendingin seperti ditunjukkan pada Tabel 1. Data–data sifat fisik gas isian dengan komposisi campuran 50% CO2 dan 50% N2 serta air pendingin pada bejana tekan ditunjukkan pada Tabel 2. dan Tabel 3.
Aliran dalam pipa Pada fluida yang mengalir dalam pipa, ada 2 jenis aliran yang dapat terjadi yaitu aliran laminar dan turbulen. Aliran laminar terjadi jika Re < 2300, sedangkan aliran turbulen terjadi jika Re > 2300.[4] Untuk aliran turbulen dalam pipa, besar bilangan Nusselt ditentukan dengan persamaan[4]: Nu d = 0,023 Re d
0 ,8
(9)
Pr n
dengan nilai eksponensial n ialah 0,4 untuk pemanasan dan 0,3 untuk pendinginan. Sedangkan untuk aliran laminar dapat ditentukan dengan persamaan[4] :
Nu d = 1,86(Re d Pr )
1
3
⎛D⎞ ⎜ ⎟ ⎝L⎠
1
3
⎛ µ ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ µω ⎠
0 ,14
(10)
dan Re D =
4m µDπ
(11)
dengan L adalah panjang pipa (m), D diameter pipa (m), µw viskositas dinamik yang ditentukan oleh suhu dinding (Ns/m2), dan µ viskositas absolut (Ns/m2).
TATA KERJA Di dalam sistem bejana tekan MBE, bagian– bagian yang merupakan sumber pembangkitan panas adalah sumber elektron dan tabung pemercepat, dengan konstruksi ditunjukkan pada Gambar 1 Sebagai sarana pendingin tangki pada saat MBE dioperasikan akibat adanya disipasi panas dari sumber elektron dan komponen listrik lainnya, pada tutup bagian atas tangki dipasang kipas pendingin yang digerakkan oleh motor listrik dan koil pipa pendingin dari bahan SS-304 ukuran 3/8 inchi yang dialiri air pendingin yang berasal dari perangkat chiller. Berdasarkan konstruksi pada Gambar 1. selanjutnya dilakukan analisis pendinginan dengan langkah-langkah sebagai berikut:
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 10, Oktober 2008 : 104 - 109
Gambar 1. Konstruksi sumber elektron dan tabung pemercepat di dalam bejana tekan Tabel 1. Spesifikasi kumparan pipa pendingin Bejana Tekan MBE Spesifikasi Bahan Diameter dalam Φdalam Diameter luar Φluar Panjang L Konduktivitas k Debit air Q Laju massa
Keterangan SS 304 14,6 mm 17 mm 10 m 14,9 W/mK 0,25 L/s 0,25 kg/s
Kecepatan v
1,49 m/s
2. Menghitung koefisien konveksi air pendingin Perhitungan koefisien konveksi dengan menggunakan persamaan (8), (9) dan (11). Perhitungan nilai bilangan Reynold (Re) dengan menggunakan persamaan (11), yang didasarkan
106
Volume 10, Oktober 2008
ISSN 1411-1349
pada spesifikasi kumparan pendingin (Tabel 1.). Perhitungan nilai bilangan Nusselt dengan menggunakan persamaan (9) dan perhitungan nilai koefisien konveksi air pendingin dengan menggunakan persamaan (8). Tabel 2. Sifat- sifat fisik gas isian (CO2+N2 50%) dan air pendingin[4] Konstanta
CO2 + N2
Air
Rapat jenis ρ Viskositas absolut µ Viskositas dinamik ν Konduktivitas termal k Bilangan prandl Pr Kecepatan v
11,7576
997 1,23. 10-3
Satua n kg/m3 Ns/m2
12,13. 10-6
-
m2/s
21,22. 10-3
0,64
W/mK
6,62
-
-
m/s
163,6. 10
0,741 7
-7
3. Menghitung koefisien konveksi CO2+N2 Perhitungan koefisien konveksi CO2+N2 dengan menggunakan persamaan (6), (7) dan (8). Perhitungan nilai bilangan Reynold (Re) dengan menggunakan persamaan (7). Perhitungan nilai bilangan Nusselt dengan menggunakan persamaan (6) dan perhitungan nilai koefisien konveksi CO2+N2 dengan menggunakan persamaan (8). Perhitungan didasarkan pada sifat-sifat fisik gas CO2+N2 (Tabel 2.)
Gambar 2. Diagram alir proses simulasi pendinginan
4. Menentukan besar perpindahan panas dalam bejana tekan
HASIL DAN PEMBAHASAN
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 1.)
Untuk aliran di daerah air pendingin, didapatkan bilangan Reynold sebesar 17734,23. Hal ini berarti aliran yang terjadi dalam pipa adalah aliran turbulen, karena nilai Re > 2300 [4]. Nilai bilangan Nusselt sebesar 122,78 dan didapatkan nilai sebesar 4622,30 W/m2K.
5. Simulasi pendinginan bejana tekan
Pada daerah gas CO2+N2 didapatkan bilangan Reynold sebesar 9810, Nusselt 68,598 dan nilai koefisien konveksi sebesar 85,63 W/m2K. Koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) adalah sebesar 83,51 W/m2K. Hasil perhitungan dapat ditabelkan seperti ditunjukkan pada Tabel 4.
Perhitungan dengan menggunakan persamaan (2) didapatkan ∆Tm (Log Mean Temperature Differential) yang merupakan beda temperatur rata-rata antara fluida pendingin dan fluida yang didinginkan secara logaritmis. Dengan beda temperatur ini dan 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.
SIMULASI PENGARUH DAYA TERDISIPASI TERHADAP SISTEM PENDINGIN PADA BEJANA TEKAN MBE LATEKS. Emy Mulyani, dkk
Hasil perhitungan temperatur gas untuk variasi daya terdisipasi (pembangkitan panas) dengan menggu-nakan persamaan (1) sampai dengan (4), ditunjukkan pada Tabel 5. dan Gambar 3.
107
Volume 10, Oktober 2008
ISSN 1411-1349
Tabel 4. Hasil perhitungan konstanta perpindahan panas No
Konstanta perpindahan panas
Tahanan divider 15 MΩ menghasilkan daya sebesar 30 watt. Daya di tabung akselerator (Qaks)
Hasil perhitungan
Di daerah air pendingin 1.
Bilangan Reynold (Re)
2.
Bilangan Nusselt (Nu)
122,78
Koefisien konveksi (h)
4622,30 W/m2K
3.
17734,23
Di daerah gas CO2+N2 50% 4.
Bilangan Reynold (Re)
9810
5.
Bilangan Nusselt (Nu)
68,598
6.
Koefisien konveksi (h)
85,63 W/m2K
7.
Gabungan koefisien perpindahan panas menyeluruh (U)
83,51 W/m2 K
Tabel.5 Hubungan variasi nilai daya terdisipasi Q terhadap temperatur gas isian Q (watt )
Ti (°C)
To (°C)
∆Tm (°C)
Ts (°C)
5
510
20
20,49
11,44
31,69
4
450
20
20,43
10,09
30,31
3
390
20
20,37
8,74
28,94
2
330
20
20,32
7,40
27,56
1
270
20
20,26
6,06
26,19
Q aks (%)
Daya terdisipasi menyebabkan kenaikan suhu gas di dalam bejana tekan karena merupakan energi yang terdisipasi dan diserap oleh gas isian di dalam bejana tekan. Energi ini terutama dari catu daya sumber elektron, tahanan divider dan berkas elektron yang menumbuk dinding/elektroda pemercepat saat MBE dioperasikan. Besar daya terdisipasi (Q) merupakan panas yang berasal dari sumber elektron, tahanan divider, dan disipasi daya di tabung akselerator (Qaks). Untuk menghitung besar daya yang terdisipasi menjadi panas digunakan persamaan (1). Daya terdisipasi pada sumber elektron dengan tegangan 12 volt dan arus filamen 15 A, menghasilkan daya sebesar 180 watt.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 10, Oktober 2008 : 104 - 109
Gambar 3. Hubungan temperatur gas sebagai fungsi daya terdisipasi diasumsikan 1%-5% dari spesifikasi MBE (300keV/20mA) sehingga menghasilkan daya bervariasi antara 60 watt sampai dengan 510 watt. Dari grafik dapat ditunjukkan bahwa pada saat daya terdisipasi mencapai 510 watt, temperatur gas isian (CO2+N2) dalam kondisi normal yaitu 31,69 Laju pendinginan bejana tekan ini secara garis besar ditentukan oleh 3 faktor yaitu koefisien perpindahan panas menyeluruh (U), luasan perpindahan panas (A) dan beda temperatur rata-rata (∆Tm). 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 dan 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 dan panjang pipa.
108
Volume 10, Oktober 2008
Sedangkan 1 faktor yaitu ∆Tm yang tergantung pada temperatur gas isian (N2+CO2) dan air pendingin. ∆Tm (Log Mean Temperature Differential) adalah merupakan beda temperatur rata-rata antara fluida pendingin dan 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 (N2+CO2) 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.
ISSN 1411-1349
UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada Bapak Prof.Drs. Darsono,M.Sc atas saran dan masukkannya sehingga terselesaikannya makalah ini.
DAFTAR PUSTAKA [1] SUTADI dkk, ”Konstruksi dan 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, 1954 [3] SUPRAPTO dkk “Rancangan Bejana Iradiasi Lateks Karet Alam untuk Vulkanisasi dengan iradiasi berkas electron”, Yogyakarta : Seminar Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Ilmiah Penelitian Dasar IPTEK Nuklir, 2007 [4] FRANK. P.INCROPERA, “Fundamental of Heat Transfer”, John Wiley & Sons, 1981 [5] HOLMAN, J.P, “Heat Transfer Seventh Edition in SI Units”, McGraw-Hill Companies, Inc., 1991
Gambar 4. Hubungan temperatur gas isian sebagai fungsi temperatur output fluida pendingin
TANYA JAWAB
Dari hasil perhitungan menujukkan kenaikan temperatur output fluida pendingin memberi dampak kenaikan pada temperatur gas isian.
Agus Dwiatmaja
KESIMPULAN
Emy Mulayani
Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa :
− Motor listrik penggerak blower juga merupakan beban karena membangkitkan panas akibat adanya efisiensi dari motor tersebut dan besarnya tergantung pada cos φ.
1.
2.
Koefisien konveksi fluida pendingin sebesar 4622,30 W/m2K, dan koefisien konveksi pada daerah fluida yang didinginkan sebesar 85,63 W/m2K. Sehingga diperoleh koefisien perpindahan panas menyeluruh 83,51 W/m2K. Daya terdisipasi menyebabkan kenaikan suhu gas di bejana tekan karena merupakan daya berkas elektron dan tabung pemercepat yang diubah menjadi panas dan tersimpan dalam bejana tekan saat MBE sedang beroperasi.
3.
Temperatur gas isian (CO2+N2) dalam kondisi normal yaitu 31,69 oC walaupun daya terdisipasi mencapai 510 watt.
4.
Kenaikan temperatur output fluida pendingin (To) memberi dampak kenaikan pada temperatur gas isian (Ts)
SIMULASI PENGARUH DAYA TERDISIPASI TERHADAP SISTEM PENDINGIN PADA BEJANA TEKAN MBE LATEKS. Emy Mulyani, dkk
− Apakah motor listrik penggerak kipas bisa dianggap sumber panas?
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 dan mempengaruhi temperatur ruang (gas) di dalam bejana tekan.
109
