rancang bangun perangkat sumber panas untuk - Digilib

PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
RANCANG BANGUN PERANGKAT SUMBER PANAS
UNTUK SIMULASI UNTAI UJI REAKTOR TEMPERATUR
TINGGI
Edy Sumarno, Kiswanta, Joko PW, Ainur Rosidi.
Pusat Teknologi Reaktor Dan Keselamatan Nuklir-BATAN, PUSPIPTEK Serpong, Tangerang, 15310
E-mail: [email protected]
ABSTRAK
RANCANG BANGUN PERANGKAT SUMBER PANAS UNTUK SIMULASI UNTAI
UJI REAKTOR TEMPERATUR TINGGI. Dalam rangka mengikuti perkembangan
teknologi, maka perlu dilakukan penelitian dan pengembangan berbasis reaktor
temperatur tinggi berpendingin gas. Dalam rangka inilah maka dikembangkan Untai
Uji Reaktor Temperatur Tinggi (UURTT) yang merupakan suatu simulator instalasi
reaktor temperatur tinggi berpendingin gas. Pembuatan disain sumber panas UURTT
dilakukan dengan program Catia versi 5R-16 dan Auto Cad 2010. Sistem pemanas
terdiri dari sepasang pemanas berbentuk segi empat ukuran insulating fire brick 65 x
115 x 75 mm sebanyak 24 buah, Kawat open coil heater dengan lilitan berdiameter 14
mm, dipasang secara memanjang vertikal dan memiliki satu jalur (satu buah open coil
heater) yang dipasang secara seri. Daya untuk satu sisi open coil heater adalah 3.32
kW, sehingga daya untuk dua sisinya adalah 6.64 kW. Hasil pengukuran temperatur
pada saat dilakukan komisioning dan UURTT dibungkus dengan glasswool dapat
dihasilkan temperatur sebesar 735.10°C.
Kata kunci : Rancang bangun, temperature tinggi, open-coil heater
ABSTRACT
HEATER DESIGN AND CONSTRUCTION FOR SIMULATION OF HIGH
TEMPERATURE REACTOR TEST LOOP. In order to follow developments in
technology, it is necessary to do research and development based on high
temperature gas cooled reactor. Within this framework it developed the High
Temperature Test Loop Reactor (UURTT) which is a simulator installation of high
temperature gas cooled reactor. The design of the heater of UURTT done using
program Catia version 5R-16 and Auto Cad 2010. Heating system consists of a pair of
rectangular shaped heater insulating fire brick size 65 x 115 x 75 mm were 24 pieces,
open coil heater coil wire diameter of 14 mm, mounted vertically elongated and has
one point (one open coil heater) is installed in series. Power to one side of the open
coil heater is 3.32 kW, so that power for the two sides is 6.64 kW. Results of
temperature measurement at the time of commissioning and UURTT wrapped with
glasswool can produce temperature of 735.10 ° C.
Keywords :design and construction, high temperature, open-coil heater
PENDAHULUAN
L
embaga penelitian memiliki tugas untuk
melakukan penelitian dan pengembangan
IPTEK yang sejalan dengan ARN (Agenda Riset
Nasional). Fasilitas dan SDM (Sumber Daya
Manusia) yang ada pada lembaga penelitian
merupakan perangkat dasar bagi pelaksanaan
Edy Sumarno, dkk.
program-program
yang
telah
ditetapkan.
Hubungan antara fasilitas (hardware dan
software) dan SDM merupakan syarat pokok yang
harus dipenuhi dalam setiap penyelenggaraan
penelitian dan pengembangan IPTEK. Sedangkan
peningkatan SDM akan berpengaruh terhadap
optimalisasi fasilitas IPTEK itu sendiri. Demikian
sebaliknya, peningkatan kemampuan fasilitas
ISSN 1410 – 8178
Buku I hal 49
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
IPTEK
akan
mengakselerasi
peningkatan
kemampuan SDM dengan sendirinya.[1]
Seiring dengan perkembangan teknologi,
reaktor temperatur tinggi berpendingin gas mulai
mendapatkan perhatian. Reaktor bertipe ini
menawarkan berbagai keunggulan dibandingkan
dengan reaktor bertipe PWR ataupun BWR. Di
samping menawarkan aspek keselamatan yang
lebih
tinggi,
reaktor
bertipe
ini
juga
memungkinkan penggunaan panas untuk proses
industri misalnya untuk pencairan batubara.
Reaktor seperti ini sangat cocok untuk dapat
dikembangkan di Indonesia khususnya di daerah
Kalimantan.
Dalam
rangka
mengikuti
perkembangan teknologi inilah, maka perlu untuk
melakukan penelitian dan pengembangan berbasis
reaktor temperatur tinggi berpendingin gas. Hingga
kini, BATAN praktis belum mempunyai fasilitas
litbang untuk reaktor temperatur tinggi. Dalam
rangka inilah maka dikembangkan Untai Uji
Reaktor Temperatur Tinggi (UURTT) yang
merupakan suatu simulator instalasi reaktor
temperatur tinggi berpendingin gas. Panas
simulator ini berasal dari energi listrik. Dengan
adanya UURTT ini, berbagai pengujian dalam
kondisi aliran gas Helium dengan temperatur
diharapkan hingga 1000ºC dapat dilakukan dengan
menambah komponen bagian uji pada instalasi
tersebut.
daya yang ditarik tersebut akan didisipasikan
sebagai panas oleh resistansi rangkaian:
TEORI
Bahan
yang
digunakan
dalam
pembuatan sumber panas Untai Uji Reaktor
Temperatur Tinggi (UURTT) adalah menggunakan
insulating fire brick dengan ukuran 230 x 114 x 65
mm, mempunyai type C-3 yang mempunyai batas
maksimum 1400 oC, Ceramic fibre blanket/bulk
density 64/96/128 kg/m3 size 720/610/25 mm, Air
setting mortal SK-38, Kawat pemanas dengan
diameter 3 mm merk kanthal, yang mempunyai
ketahanan hingga 1200°C. Pelat Stainless Steel
SS-304, ukuran 200mmx200mmx1200mm, t =
4mm.
Daya listrik dalam rangkaian merupakan
perkalian dari nilai sesaat tegangan dan arusnya.
Gambar 1 menunjukkan gelombang tegangan dan
arus untuk induktor dan kapasitor murni.
Gelombang daya diperoleh dari perkalian antara
tegangan dan arus pada setiap titik siklus. Dapat
dilihat bahwa gelombang daya berbalik setiap
seperempat siklus. Hal ini menandakan bahwa
energi disuplaikan secara bolak balik ke dalam
ataupun ke luar dari induktor dan kapasitor. Untuk
satu siklus lengkap, jumlah bagian positip dan
negatip dari gelombang daya tersebut adalah sama
besar, menunjukkan bahwa nilai rata-rata daya
yang dikonsumsi oleh induktor atau kapasitor
murni adalah sama dengan nol. Hal ini
memperlihatkan bahwa induktor dan kapasitor
akan menyimpan energi selama satu bagian siklus
tegangan dan mengirimkannya kembali kepada
suplai pada siklus berikutnya.
Induktor menyimpan energi dalam bentuk
medan magnet sedangkan kapasitor dalam bentuk
medan listrik.
Dalam suatu rangkaian listrik, daya
yang diambil suplai akan lebih besar dari pada
daya yang akan dikembalikan karena sejumlah
Buku I hal 50
P = I2 R (Watt)
(1)
Untuk kasus dimana sumber tegangan
berasal dari slade regulator voltage, tegangan dan
arus menyatakan variabel fungsi daya, sehingga
persamaan (1) dapat diubah pula menjadi:
P = V2/R
(2)
Komponen tegangan yang sefasa ini
dirumuskan oleh persamaan V cos φ dan oleh
karenanya daya yang dikonsumsi ini dapat
dirumuskan melalui persamaan (3): [2]
P = VI cos φ (Watt)
(3)
Daya
Daya
I
Induktor murni
V
V
I
Kapasitor murni
Gambar 1. Kurva Induktor murni dan Kapasitor
murni.
TATA KERJA
Bahan
ALAT
Peralatan yang digunakan antara lain
gergaji besi, tang potong, tang kombinasi, obeng
plus, obeng minus, mesin las SMAW, meteran,
gerinda, bor listrik dan mata bor, mesin potong dan
mesin tekuk.
Tahap-tahap pekerjaan
1. Tahap I.
Pembuatan disain sumber panas
UURTT dilakukan dengan program Catia
versi 5R-16 dan Auto Cad 2010 adapun hasil
disain sumber panas Untai Uji Reaktor
Temperatur Tinggi adalah sebagai berikut:
ISSN 1410 – 8178
Edy Sumarno, dkk
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
Gambar
2.Disain Perangkat
UURTT.
Sumber
Panas
Gambar 3.Disain Support/Penopang Perangkat
Sumber Panas UURTT.
2.
Tahap II.
Dari gambar disain tersebut diatas
kemudian dilakukan pabrikasi sehingga sesuai
dengan disain sehingga berbentuk kotak dengan
panjang 200mm, lebar 200mm dan tinggi 1200mm
yang terbuat dari bahan SS-304 dengan ketebalan
sekitar 4mm, serta dibuat juga kaki-kaki
penyangganya.
Edy Sumarno, dkk.
Gambar
4.Disain Perangkat Sumber Panas
UURTT Keseluruhan.
3. Tahap III.
Menyiapkan insulating fire brick dengan
ukuran 230mmx114mmx65mm dipotong menjadi
panjang 65mmx115mmx75mm sebanyak 24 buah,
sebelum dilakukan pekerjaan tersebut di atas
terlebih dahulu dilakukan pembuatan mal pada
insulating fire brick tersebut, untuk pembuatan
lubang pemanas pelubangan menggunakan mata
bor berukuran 14 mm, untuk pembuatan
pelubangan ini masing-masing insulating fire brick
terdapat satu buah lubang dan sebanyak 24 buah,
sedangkan pada bagian susunan atas dan bawah
tidak dilakukan pelubangan. untuk lebih jelasnya
dapat dilihat pada gambar 5 berikut ini.
Gambar 5. Insulating fire brick, bagian tengah dan
bagian atas maupun bawah.
Agar insulating fire brick menjadi satu
kesatuan selanjutnya dilakukan penggabungan
yang terdiri dari dua bagian. Bagian pertama
disusun sebanyak 12 buah, 1 buah ditaruh pada
bagian atas, 1 buah pada sisi bawah, dimana
bagian atas dan bawah ini digabungkan jika telah
dilakukan pemasangan open coil heater. Pekerjaan
tersebut juga dilakukan pada bagian kedua pada
insulating fire brick. Untuk dapat merekatkan
ISSN 1410 – 8178
Buku I hal 51
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
diantara insulating fire brick tersebut digunakan air
setting mortal SK-38 yang dicampur dengan air
sehingga membentuk adonan kental, selanjutnya
pada sisi kedua permukaan insulating fire brick
dibasahi terlebih dahulu agar menghasilkan
sambungan yang benar-benar kuat. Pada masingmasing sisi insulating fire brick diberi adonan air
setting mortal SK-38 secukupnya lalu direkatkan
pada masing-masing sisi tersebut dengan cara
ditekan dengan kekuatan tangan, dan pekerjaan
tersebut dilakukan hingga sebanyak 12 buah
insulating fire brick untuk sisi kiri, 12 buah
insulating fire brick untuk sisi kanan. Setelah
semua selesai maka kedua susunan insulating fire
brick dikeringkan pada suhu kamar selama 24
jam. Setelah yakin bahwa susunan insulating fire
brick benar-benar kering maka open coil heater
yang telah dibuat dipasang pada insulating fire
brick tersebut, dan pada sisi atas serta bawah dari
susunan insulating fire brick ditambah satu susun
insulating fire brick sebagai penutup atas dan
bawah, seperti tampak pada Gambar 6 dibawah ini.
Daya untuk satu sisi open coil heater
adalah 3.32 kW, sehingga daya untuk dua sisinya
adalah 6.64 kW.
5. Tahap V.
Insulating fire brick yang telah tersusun
tersebut dimasukkan ke dalam sumber panas
UURTT yang telah dibuat. Agar tidak terjadi
hubung singkat antara arus listriknya maka
dilakukan pemasangan isolator yang terbuat dari
bahan keramik diantara kawat pemanas dengan
tabung sumber panas UURTT tersebut. Agar panas
yang terbentuk tidak diserap oleh panas
lingkungan maka dilakukan pemasangan penyekat
dengan ceramic fiber blanket yang mampu
menahan panas hingga 1200oC, kemudian
dilakukan penyambungan pada sistem listrik, dan
supaya dapat dilakukan pengaturan dayanya maka
digunakan trafo rergulator yang mempunyai daya
maksimum sebesar 25 kVA[3].
HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah sumber panas UURTT telah
selesai dibuat, dan sistem pemanas telah dipasang
seperti Gambar 8, selanjutnya dilakukan
pengoperasian awal dari peralatan tersebut, untuk
diketahui karakteristiknya.
Gambar 6.
4.
Insulating fire brick yang telah
terpasang.
Tahap IV.
Pembuatan open coil heater diawali
dengan membuat mal dari pipa yang berdiameter
10 mm selanjutnya pipa dijepit dengan tanggem
dan diusahakan agar pipa tidak bergerak. Kawat
pemanas berdiameter 4 mm dililitkan pada pipa
berdiameter 10 mm dengan menggunakan sebuah
kayu yang diberi lubang pada ujungnya. Kawat
open coil heater lilitan berdiameter 14 mm,
dipasang secara memanjang vertikal dan memiliki
satu jalur (satu buah open coil heater). Gambar 7
adalah kawat open coil heater yang telah selesai
dillilit.
Gambar 7. Open coil heater yang telah selesai
dililit.
Buku I hal 52
Gambar 8. Hasil Fabrikasi Perangkat Sumber
Panas UURTT.
ISSN 1410 – 8178
Edy Sumarno, dkk
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
Tahapan pengoperasiannya adalah sebagai berikut:
1.
2.
3.
4.
Ketika temperatur maksimal pada pemanas
tercapai, selanjutnya regulator tegangan
dikembalikan ke posisi nol dan selanjutnya
dimatikan.
Pengoperasian sumber panas UURTT
dilakukan hingga temperatur yang dikehendaki
dengan cara menaikkan tegangan listrik setahap
demi tahap dengan dengan besarnya kenaikan 10
Volt tiap 10 menit hingga tegangan 160 Volt. Hal
ini bertujuan agar kekuatan pemanas dapat
bertahan lama sehingga memperpanjang umur
pemanas tersebut.
Adapun data hasil pengukuran tegangan
dan arus dapat dilihat pada Tabel 1 berikut ini.
Melakukan pengecekan pada sumber
regulator tegangan (slide regulator Voltage)
dengan daya maksimum 25 kWatt.
Regulator tegangan (25 kWatt) dihidupkan,
kenaikan tegangan diatur secara bertahap,
pengaturan tegangan diawali dari 10 Volt,
setiap 10 menit selaki dilakukan penambahan
tegangan hingga mencapai temperatur yang
diinginkan pada batang uji (tegangan
maksimal dapat mencapai hingga 240 Volt).
Setiap kenaikkan tegangan, perubahan arus
diukur dengan Tang Amper digital kemudian
dicatat pada lembar isian yang telah tersedia.
Tabel 1. Data Pengukuran Tegangan dan arus.
No.
Durasi
Hasil Pengukuran (1)
Hasil Pengukuran (2)
(menit)
Tegangan (Volt)
Arus (Amp)
Tegangan (Volt)
Arus (Amp)
1
10
10.30
2.56
10.30
2.58
2
10
20.30
5.31
20.40
5.21
3
10
30.00
8.00
30.10
7.91
4
10
40.00
10.88
40.10
10.67
5
10
50.00
13.53
50.00
13.42
6
10
60.00
16.51
60.30
16.10
7
10
70.00
18.98
70.40
18.84
8
10
80.50
21.58
80.20
21.32
9
10
90.40
24.21
90.40
23.90
10
10
100.20
26.75
100.20
26.52
11
10
110.20
29.24
110.50
29.90
12
10
120.60
32.00
120.20
31.63
13
10
130.10
34.42
130.10
34.03
14
10
140.20
37.05
140.40
36.70
15
10
150.50
39.72
150.20
39.12
16
10
160.00
42.12
160.50
41.61
Pengoperasian dilakukan dua kali, untuk
pengoperasian yang kedua UURTT dibungkus
dengan glasswool, dari hasil pengukuran tegangan
dan arusnya tidak adanya perbedaan yang
signifikan, sedangkan temperaturnya mengalami
perubahan yang sangat menyolok. Untuk lebih
jelasnya dapar dilihat pada Gambar 10 dan
Gambar 11.
Edy Sumarno, dkk.
Dari data tersebut di atas maka dapat
dilakukan perhitungan untuk dayanya dengan
menggunakan persamaan (2) dan (3), dimana cos
φ dianggap mendekati 1 mengingat beban yang
dipergunakan adalah pemanas (heater), yang
merupakan beban resitif sedangkan hasill
perhitungan tahapan kenaikan temperatur dan
dayanya seperti terlihat pada Tabel 2 berikut ini.
ISSN 1410 – 8178
Buku I hal 53
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
Tabel 2 Data hasil perhitungan temperatur terhadap daya.
No.
Tegangan (Volt)
Arus
Daya
Temperatur
(Amp)
(Watt)
(oC)
1
10.30
2.58
20.40
26.57
28.30
2
5.21
28.70
3
30.10
106.28
7.91
40.10
238.09
29.20
4
10.67
32.00
5
50.00
427.87
13.42
38.80
6
60.30
671.00
16.10
51.10
7
70.40
970.83
18.84
72.30
8
80.20
1326.34
21.32
90.40
1709.86
103.70
9
23.90
143.50
10
100.20
2160.56
26.52
110.50
2657.30
193.40
11
29.90
251.90
12
120.20
3303.95
31.63
319.70
13
130.10
3801.93
34.03
389.20
14
140.40
4427.30
36.70
465.50
15
150.20
5152.68
39.12
16
5875.82
547.50
160.50
41.61
6678.41
735.10
Berdasarkan Tabel 2 di atas, kemudian
dilakukan pembuatan kurva temperatur terhadap
daya yang diperlihatkan pada Gambar 9 sebagai
berikut:
Gambar 9. Kurva temperatur terhadap perubahan daya.
Dari Gambar 9 kurva temperatur terhadap
daya bersifat linear, hal ini dapat terlihat pada nilai
penyimpangannya (R2) sebesar 0,961.
Pada saat dilakukan uji coba pertama,
permukaan kotak sumber panas UURTT tidak
Buku I hal 54
dibungkus, sedangkan pada komisioning kedua
dibungkus dengan glasswool (Ceramic Fiber
Blanket) secara menyeluruh dari seluruh
permukaannya. Hasil komisioning dapat dilihat
pada Gambar 10 dan 11.
ISSN 1410 – 8178
Edy Sumarno, dkk
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
Gambar 10. Kurva Pemanasan Komisioning Pertama Sumber Panas UURTT.
Gambar 11. Kurva Pemanasan Komisioning Kedua Sumber Panas UURTT.
Dari Gambar 10 terlihat bahwa pada
komisioning
pertama
proses
pemanasan
berlangsung dari waktu awal hingga detik ke-7791
hingga mencapai temperatur 488,49 °C dengan
kenaikan tegangan listrik 10 Volt tiap 10 menit
hingga 160 Volt. Selanjutnya ditahan pada
tegangan 160 Volt hingga pada detik 8570 heater
dimatikan dan direkam, terjadi proses pendinginan
Edy Sumarno, dkk.
secara radiasi hingga temperatur ruangan sekitar
30°C. Tampilan kurva TC-A, TC-C, TC-D normal,
sedangkan TC-B abnormal cenderung turun
setelah detik ke-7012 karena disebabkan oleh
kerusakan isolasi selongsong kabel termokopel.
Penomeran dan pemasangan termokopel dimulai
dari bawah pemanas sesuai Tabel 3 berikut ini:
ISSN 1410 – 8178
Buku I hal 55
PROSIDING SEMINAR
PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan
Yogyakarta, 27 Juli 2011
KESIMPULAN
Tabel 3. Penomoran dan posisi termokopel.
No.Termokopel
Posisi dari bawah
(mm)
No. Kanal DAS
TC-A
500
1
TC-B
500
2
TC-C
700
3
TC-D
700
4
TC-Outlet
1200
5
TC-Dinding plat
1000
6
Setelah dilakukan pengoperasian dengan
tegangan listrik 160.50 Volt, dan arus sebesar
41.61Amper, pemanas menyerap daya sebesar
6678.41Watt (6.68 kWatt). Sedangkan temperatur
maksimal yang dihasilkan sebesar 735.10°C. Dari
hasil pengoperasian sistem kelistrikan tidak
diketemukan
adanya
penyimpangan
baik
pengukuran tegangan dan arusnya. Dari hasil
komisioning didapat kurva temperatur terhadap
daya yang bersifat linear. Dengan demikian
perangkat sumber panas untuk simulasi UURTT
dapat dipergunakan untuk eksperimen berikutnya.
DAFTAR PUSTAKA
Pada Gambar 11 komisioning kedua,
dimana kenaikan tegangannya sama dengan
komisioning pertama, tetapi permukaan UURTT
dibungkus dengan glasswool hingga kenaikan
temperatur yang didapat lebih tinggi sebesar
735.10°C pada detik ke-10.484, sedangkan proses
pendinginan radiasi membutuhkan waktu lebih
lama karena terbungkus rapat oleh glasswool
tersebut.
Buku I hal 56
1. AGENDA RISET NASIONAL, Tahun 20062009, KNRT, 2006.
2. TREVOR LINSLEY, “ Inastalasi Listrik
Tingkat Lanjut”, ERLANGGA, Tahun 2004.
3. EDY SUMARNO DKK, “Modifikasi Bagian
Pemanas QUEEN-II pada Untai Uji BETA”,
Seminar Nasional Pengelolaan Perangkat
Nuklir, Tahun 2009
ISSN 1410 – 8178
Edy Sumarno, dkk