78
ANALISIS DISTRIBUSI TEMPERATUR
PEMBAKAR LIMBAH RADIOAKTIF TIPE HK-2010
V. Indriati Sri Wardhani dan Henky Poedjo Rahardjo
Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri, Badan Tenaga Nuklir Nasional Jl. Tamansari No.71, Bandung, 40132
ABSTRAK
ANALISIS DISTRIBUSI TEMPERATUR PEMBAKAR LIMBAH RADIOAKTIF TIPE HK-2010. Kegiatan penelitian dan pengembangan di bidang nuklir dapat menghasilkan limbah yang bersifat radioaktif. Limbah tersebut harus cepat ditangani supaya tidak tejadi penimbunan yang akan membahayakan lingkungan. Salah satu cara penanganan limbah yang masih mempunyai radioaktivitas tinggi tersebut adalah dengan cara mereduksi melalui pembakaran di dalam tungku pembakar limbah radioaktif. Pembakaran dapat dianggap efektif jika limbah dapat terbakar secara sempurna. Agar efektif, maka dalam pembuatan pembakar limbah radioaktif perlu dirancang dengan baik. Bentuk pembakar limbah radioaktif dapat berupa kotak atau silinder. Untuk memilih bentuk pembakar limbah dilakukan analisis dengan bantuan program Computational Fluid Dynamics. Hasil dari analisis tersebut diharapkan dapat memprediksi distribusi temperatur pembakaran limbah sehingga dapat diketahui volume ruang bakar yang akan digunakan.
Kata kunci: pembakar limbah, limbah radioaktif, distribusi temperatur
ABSTRACT
THE ANALYSIS OF TEMPERATURE DISTRIBUTION OF HK-2010 TYPE RADIOACTIVE WASTE BURNER. Research and development activities in the nuclear field, may produce radioactive waste. The waste has to be handled to prevent accumulation of radioactive waste, which can endanger the environment. One of the methods to handle this high radioactive waste is by reducing the waste volume through burning it in the incinerator. The burning process is effective if the radioactive waste can completely be burned. To be effective, the incinerator has to be well designed. The incinerator may be in the form of box or cylinder. An analysis has been done with the aid of CFD program for selecting the incinerator form. The result of the analysis may predict the temperature distribution of the incinerator so the volume of the burning chamber can be known.
Keywords: waste burner, radioactive waste, distribution temperature
1. PENDAHULUAN
Untuk mereduksi volume limbah radioaktif padat salah satunya adalah dengan cara pembakaran. Oleh karena itu diperlukan suatu tungku pembakar limbah yang efektif [1]. Tungku pembakar limbah dianggap efektif jika seluruh limbah yang dibakar dapat terbakar seluruhnya menjadi abu. Supaya limbah dapat terbakar seluruhnya diperlukan ruangan yang mempunyai temperatur tinggi dan seragam.
Temperatur tinggi dapat dicapai dari sempurnanya reaksi pembakaran, sedangkan temperatur yang seragam terutama tergantung pada proses perpindahan panas yang terjadi di ruang bakar. Proses perpindahan panas ini akan mempengaruhi distribusi temperatur yang ada di ruang bakar. Oleh karena itu untuk merancang suatu tungku diperlukan data masukan tentang distribusi temperatur untuk dimensi ruang bakar tertentu, sehingga dapat
79
diprediksi keseragaman temperatur ruang bakar yang diperlukan untuk perancangan.2. TEORI
Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat lain seringkali terjadi dalam industri proses. Kalor mengalir dengan sendirinya dari suhu yang tinggi ke suhu yang lebih rendah akan tetapi gaya dorong untuk aliran ini berasal perbedaan suhu [2]. Bila suatu benda akan dipanaskan maka harus ada suatu benda lain yang lebih panas. Proses perpindahan energi dalam bentuk panas dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu pancaran (radiasi), hantaran (konduksi) dan aliran (konveksi)[3].
Pancaran (radiasi) adalah perpindahan kalor melalui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain, semua benda memancarkan kalor dan keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya proses perpindahan kalor radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnet. Hantaran (konduksi) adalah pengangkutan kalor melalui satu jenis zat, sehingga perpindahan kalor secara konduksi merupakan satu proses pendalaman karena proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi kalor dari titik yang besuhu tinggi ke titik yang bersuhu rendah. Laju perpindahan panas secara konduksi per satuan luas penampang sebanding dengan perbedaan suhu dalam arah perpindahan panas [4]. X T A q (1) dengan :
q = jumlah energi yang dipindahkan (W) A = luas penampang (m2)
ΔT = beda suhu dalam arah perpindahan panas (oC)
ΔX = jarak dalam arah perpindahan panas (m) Tidak semua bahan dapat menghantar kalor sama sempurnanya, sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor adalah koefisien konduksi termal (k) , sehingga Persamaan (1) dapat dituliskan sebagai Persamaan (2) [4]. X T A k q (2)
k = konduktivitas termal bahan (J/m.s. oC)
Aliran (konveksi) adalah pengangkutan kalor oleh gerak dari suatu zat yang dipanaskan. Proses perpindahan kalor secara konveksi suatu fenomena permukaan artinya proses konversi hanya terjadi di permukaan bahan, oleh karena itu konveksi hanya dapat terjadi melalui zat yang mengalir maka bentuk pengangkutan kalor ini hanya terdapat pada zat cair dan gas. Dalam pengamatan proses perpindahan panas konveksi, masalah yang utama terletak pada cara mencari metode penentuan nilai koefisien h dengan tepat. Persamaan dasar untuk menentukan besarnya panas yang merambat tiap satuan waktu dapat dituliskan dalam bentuk Persamaan (3) [4].
qh.A..T (3) h = koefisien perpindahan panas konveksi
(J/m.s. oC)
A = luas permukaan pemindah panas (m2) ΔT = beda suhu antara permukaan padat
dengan fluida di sekelilingnya (oC) q = jumlah panas yang merambat persatuan
waktu (W)
Pada perpindahan kalor secara konveksi, energi kalor dipindahkan ke sekelilingnya dengan perantaraan aliran fluida yang melibatkan pengangkutan massa, sehingga selama pengaliran fluida bersentuhan dengan permukaan bahan yang panas maka suhu fluida akan naik.
Simulasi aliran fluida yang melibatkan perpindahan panas dapat dilakukan dengan mencari solusi persamaan Navier-Stokes yang selama ini belum ada solusi analitiknya, oleh karena itu dilakukan perhitungan metode numerik. Persamaan Navier-Stokes terdiri dari persamaan kontinuitas (Persamaan 4), persamaan momentum dan persamaan energi yang dituliskan (Persamaan 5-8) [5].
Persamaan kontinuitas :
0
z w y v x u t (4) Persamaan kekekalan momentum arah x, y, z dan persamaan kekekalan energi diberikan pada Persamaan (5 – 8).80
Persamaan kekekalan momentum :Momentum arah x :
z
y
x
x
p
z
uw
y
uv
x
u
t
u
xx xy xz f
Re
1
2 (5) Momentum arah y :
z y x y p z vw y v x uv t v xy yy yz f
Re 1 2 (6) Momentum arah z :
z y x z p z w y vw x uw t w xz yz zz f
Re 1 2 (7) Persamaan kekekalan energi :
x xx xy xz y xy yy yz z xz yz zz
z q q x q z wp y vp x up z wE y vE x uE t Ew
v
u
w
v
u
w
v
u
f z y y x f f T T T T
Re 1 Pr Re 1 (8)Perangkat lunak Computatianal Fluid Dynamics (CFD) adalah salah satu program yang dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan tersebut.
3. METODE DAN TATA KERJA
Untuk memprediksi distribusi temperatur ruang bakar dilakukan pemodelan dengan bantuan program CFD dengan memberi masukan (input) berupa dimensi, sifat material dan kondisi batas. Kondisi batas aliran yang diberikan adalah:
- Inlet ada 16 faces dengan diameter 10 cm
- Outlet bawah dengan diameter 20 cm
- Outlet atas dengan diameter 70 cm
- Pressure inlet = 102000 Pa
- Pressure outlet = 101325 Pa
- Ruang bakar berbentuk silinder dengan diameter = 50 cm (Gambar 1 dan 2)
- Tinggi = 50 cm
- Temperatur awal ruang bakar = 200 oC
- Material ruang bakar = Steel
Distribusi temperatur yang diperoleh kemudian digunakan sebagai data masukan untuk perancangan ruang bakar tungku. Hasil yang diharapkan adalah diperolehnya distribusi temperatur pembakaran yang sesuai titik bakarnya dan seragam.
Bentuk pembakar limbah radioaktif dapat berupa kotak atau silinder. Dari teori perpindahan panas dinyatakan bahwa bentuk silinder akan lebih baik untuk ruang bakar, karena distribusi panas di dalam ruang bakar akan lebih merata. Hal ini dimungkinkan karena tiap titik pada sisi silinder mempunyai jarak yang sama ke garis pusat silinder. Bentuk silinder juga mempunyai pengaruh yang baik bagi pengendalian radiasi yang dipancarkan limbah radioaktif.
4. ANALISIS DAN PEMBAHASAN Tungku pembakar limbah akan memperoleh hasil pembakaran yang sempurna bila mempunyai ruang bakar yang bersuhu tinggi dan seragam. Untuk mengetahui homogenitas temperatur dan temperatur maksimum yang terjadi pada saat pembakaran perlu dilakukan uji coba pembakaran limbah radioaktif. Uji coba dilakukan sebanyak tiga kali berdasarkan banyaknya limbah dan dari hasil uji coba dipilih temperatur pada titik-titik yang mewakili untuk dibandingkan dengan hasil perhitungan meggunakan CFD. Dari hasil perhitungan menggunakan CFD diperoleh distribusi temperatur seperti telihat pada Gambar 3, dan bila digambarkan dalam bentuk kurva diperoleh Gambar 4-6.
81
Gambar 1. Irisan vertikal tungku.
82
Gambar 3. Distribusi temperatur pada ruang bakar dan sekitarnya.
Gambar 4. Kurva temperatur total pada Z=0 arah aksial.
Gambar 5. Kurva temperatur total pada X=0 arah aksial.
Hasil perhitungan temperatur menggunakan CFD dibandingkan dengan hasil uji coba dengan jumlah limbah sedikit. Data hasil uji coba dan hasil perhitungan CFD
ditampilkan pada Tabel 1 dan 2. Perbandingan hasil perhitungan menggunakan CFD dengan uji coba digambarkan dalam bentuk kurva seperti diperlihatkan pada Gambar 7.
Gambar 6. Kurva temperatur total arah aksial pada bidang Z = 0,6 di atas ruang bakar.
Tabel 1. Data hasil perhitungan CFD
Posisi (cm) Temperatur (oC) 51,2408 82,741 62,2723 80,955 80,2874 27,401 88,7294 27,002 100 27,002
Tabel 2. Data hasil perhitungan uji coba
Posisi (cm) Temperatur (oC)
50 100,4
62 99,3
77 26,7
89 26,3
Posisi 50 cm terletak di antara dinding primer dalam ke arah dinding sekunder luar (89 cm) sesuai dengan dimensi tungku pada Gambar 1.
5. KESIMPULAN
Dari kurva perbandingan perhitungan menggunakan CFD dengan uji coba dapat disimpulkan bahwa harga temperatur yang diperoleh dari perhitungan CFD lebih rendah daripada temperatur pada waktu eksperimen Hal ini berarti bahwa bentuk pemodelan sesuai dengan kondisi sebenarnya, sedang perbedaan harga di posisi (50 – 80) cm disebabkan adanya
83
Gambar 7. Kurva perbandingan perhitungan menggunakan CFD dengan uji coba.
beberapa asumsi yang diberikan dalam perhitungan.
Temperatur dari dinding primer dalam ke arah dinding sekunder luar semakin menurun mendekati temperatur lingkungan.
6. DAFTAR PUSTAKA
1. ANONIM, Insinerator Umum Alat Pengolahan Sampah, Maxpell Technology, Solusi Alternatif Penanganan Sampah, Available:http://www.maxpelltechnology.c om (2008).
2. CULP, J.R., ”Principles of Energy Conversion”, Mc. Graw-Hill, Ltd., USA (1979).
3. REYNOLDS, W. C. anf PERKINS, H. C., “Engineering Thermodynamics”, 2 nd Ed., Mc-Graw-Hill, Inc. USA (1982). 4. MASYITHAH, Z. dan HARYANTO, B.,
”Buku Ajar Perpindahan Panas Kegiatan Hibah Kompetisi Konten Mata Kuliah e-learning USU-inherent 2006”, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik – USU, Medan (2006).
5. GLENN RESEARCH CENTER, Navier Stokes Equation 3 – dimensional – unsteady,
Available:http://www.grc.nasa.gov/WWW /K- 12/airplane/Images/nseqs.gif
7. DISKUSI
Dr. Chaerul Rochman:
Apabila dimesni diperbesar, apakah akan mempengaruhi efektivitas pembakaran? V.I.S. Wardhani:
Apabila dimensi diperbesar maka efektivitas akan semakin besar (volume limbah yang terbakar semakin banyak) dengan memperhatikan desain dan tekanan dari luar. Namun dalam analisis menggunakan program CFD masih ada kekurangan karena sifat termohidroliknya dianggap sama.
