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: ptrkn@batan.go.id
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
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
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
L
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.
TEORI
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
daya yang ditarik tersebut akan didisipasikan sebagai panas oleh resistansi rangkaian:
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 I V Daya I V
Induktor murni Kapasitor murni
Gambar 1. Kurva Induktor murni dan Kapasitor murni.
TATA KERJA Bahan
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.
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:
Gambar 2.Disain Perangkat Sumber Panas UURTT.
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.
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
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 masing-masing 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.
Gambar 6. Insulating fire brick yang telah terpasang.
4. 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.
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 8. Hasil Fabrikasi Perangkat Sumber Panas UURTT.
Tahapan pengoperasiannya adalah sebagai berikut: 1. Melakukan pengecekan pada sumber
regulator tegangan (slide regulator Voltage) dengan daya maksimum 25 kWatt.
2. 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). 3. Setiap kenaikkan tegangan, perubahan arus
diukur dengan Tang Amper digital kemudian dicatat pada lembar isian yang telah tersedia.
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.
Tabel 1. Data Pengukuran Tegangan dan arus.
No. Durasi (menit)
Hasil Pengukuran (1) Hasil Pengukuran (2) 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.
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.
Tabel 2 Data hasil perhitungan temperatur terhadap daya.
No. Tegangan (Volt)
Arus (Amp) Daya (Watt) Temperatur (oC) 1 10.30 2.58 26.57 28.30 2 20.40 5.21 106.28 28.70 3 30.10 7.91 238.09 29.20 4 40.10 10.67 427.87 32.00 5 50.00 13.42 671.00 38.80 6 60.30 16.10 970.83 51.10 7 70.40 18.84 1326.34 72.30 8 80.20 21.32 1709.86 103.70 9 90.40 23.90 2160.56 143.50 10 100.20 26.52 2657.30 193.40 11 110.50 29.90 3303.95 251.90 12 120.20 31.63 3801.93 319.70 13 130.10 34.03 4427.30 389.20 14 140.40 36.70 5152.68 465.50 15 150.20 39.12 5875.82 547.50 16 160.50 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
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.
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
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:
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
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.
KESIMPULAN
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
1. AGENDA RISET NASIONAL, Tahun 2006-2009, 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
