hendro tjahjono
TRANSCRIPT
Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitian Sainsdart Tekrwlogi Menuju Era Tinggal Landas
Bandung, 8 - 10 Oktober 1991PPTN-BATAN
PENGUKURAN FLUKSI PANAS LOKAL DENGAN SENSOR FLUKSIPANAS METODE NOL ATAU METODE KOMPENSASI
Hendro TjahjonoPus at Penelitian Teknik Nuklir - Badan Tenaga Atom Nasional
ABSTRAKPENGUKURAN FLUKSI PANASLOKALDENGAN SENSOR FLUKSI PANAS METO
DE NOL ATAU METODE KOMPENSASI. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologidalam disain Reaktor Nuklir tidak bisa dipisahkan dari permasalahan perpindahan panas.Tuntutan untuk mencapai kesempurnaan dalam disain suatu produk teknologi, khususnyauntuk komponen-komponen dimana permasalahan perpindahan panas merupakan bagianyang penting, mendorong kebutuhan akan pengukuran-pengukuran yang lebih rinci.Makalah ini mencoba terlebih dahulu mengemukakan secara umum metode-metode yangdigunakan untuk mengukur besaran panas secara lokal (fluksi panas lokal) serta permasalahan-permasalahannya maupun saran-saran pemecahannya, kemudian secara khususmembahas suatu metode pengukuran dengan sensor fluksi panas metode nol atau metodekompensasi. Studi tentang karakteristik dan permasalahan sensor fluksi panas ini telah kamilakukan di Laboratoire de Thermohydrauliques des Systemes-Service de Thermohydrauliques des Reacteurs - Centre d'Etudes Nucleaires de Grenoble, Prancis.
ABSTRACTMEASUREMENT OF LOCAL HEAT FLUX BY HEAT FLUX SENSORS USING NUL
METHODE OR COMPENSATION METHODE. The development of science and Technologyin nuclear reactor design can not be separated from heat transfer problems. The needs ofachieving the perfect design of a technology product, especially for the components in whichthe heat transfer problems are an important part, leads to more detailled measurements. Thispaper describes the general methods to measure the local heat flux and then to explore thenul or compensation methode. Study ofthe characteristics of this methode and the problemsof flux sensors has been done by the authors in Laboratoire de Thermohydrauliques desSystemes-Service de Thermohydrauliques des Reacteurs Centre d'Etudes Nucleaires deGrenoble France.
PENDAHULUAN
Pengukuran fluksi panas semakin menjadisuatu kebutuhan dasar di dalam studi keseimbangan panas dari suatu sistem dengan lingkungan sekitarnya.
Di dalam perpindahan panas, fluksi panasdidefinisikan sebagai panas (dalam watt) yangmelewati suatu penampang tertentu. Kita jugabisa mendifinisikan 'kerapatan fluksi panas',yaitu besarnya fluksi panas per satuan luastertentu (watt/m2). Dalam hal pengukuran fluksi panas lokal, yang diukur tidak lain ada:.lhkerapatan fluksi panas di tempat/lokal tersebut.
Untuk memberikan gambaran lebih jelastentang perbedaan fluksi panas 'lokal' darifluksi panas 'global' yang dipertukarkan padasuatu sistem, kita bisa mengambil contoh darisebuah setrika listrik. Fluksi panas globalyangdikeluarkan setrika listrik (dalam hal ini merupakan sistem yang kita amati) dengan mudahdapat kita ukur dengan mengukur daya listrik
16
yang diserap oleh setrika tersebut. Jika yangingin kita ketahui adalah distribusi panas yangdikeluarkan pada seluruh permukaan setrika(untuk keperluan disain yang optimal misalnya), kita harus melakukan pengukuran fluksipanas secara mendetail pada permukaan setrika tersebut. Dalam hal ini kerapatan fluksi panas lokallah yang kita ukur.
TINJAUAN UMUM TENTANG METODE
l\):ETODE PENGUKURAN FLUKSI PANASLOKAL
Berbagai metode telah banyak digunakanuntuk mengukur fluksi panas lokal yang penerapannya disesuaikan dengan kondisi- kondisi pengukurannya (geometri sistemnya, caraperpindahan panasnya, batas temperaturnya,tersedianya peralatannya, dsb.). Untuk itu kitabisa mengelompokkan secara garis besar duagrup metode yang berbeda, yaitu:
Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalwn Penelitian Sainsdan Tekrwlogi Menuju Era Tinggal Landas
- Metode-metode pengukuran yang langsungmenggunakan sensor fluksi panas (fluksimeter panas)
- Metode-metode yang tidak menggunakansensor fluksi panas; dalam hal ini pengukuran fluksi panas biasanya dilakukan secara tidak langsung, misalnya : fluksi panasyang melewati suatu jendela kaca yang tebalnya (e) dan koefisien perambatan panasnya diketahui (k) diukur dengan cara mengukur temperatur di masing- masing permukaannya (T1 dan T2). Maka kerapatan fluksipanas (Ip) di titik tersebut bisa dihitung dengan formula Fourier:
Demikianlah pada umumnya di dalampengukuran fluksi panas, prinsip-prinsip yangdigunakan seringkali sangat sederhana, tetapitidaklah demikian dalam disain dan aplikasinya, dimana seringkali kita dihadapkan padakondisi yang tidak memungkinkan untuk menerapkan prinsip-prinsip yang sederhana tersebut.
Mengenai sensor fluksi panas (fluksimeterpanas), pada umumnya mereka berukuran sangat kecil dibanding dimensi sistem yang diukur dengan tujuan antara lain untuk memperoleh pengukuran yang lebih mendetail danjuga untuk mengurangi gangguan pengukuranyang ditimbulkan oleh sensor itu sendiri. Padaprinsipnya, kerapatan fluksi panas yang diukurdiperoleh dengan mewakilkan besaran tersebutke dalam besaran lain yang bisa dipresentasikan dalam bentuk sinyal, pada umumnya sinyallistrik, yang sebanding dengan besaran tersebut. Besaran-besaran yang dipresentasikandalam bentuk sinyal bisa berupa , misalnya:perbedaan temperatur antara dua permukaanyang dilalui fluksi panas, perubahan temperatur sebagai fungsi waktu, atau besaran-besaranlain yang semuanya disesuaikan dengan tipesensornya.
Di dalam realisasi suatu sensor fluksi panas, beberapa besaran yang penting dalam penentuan karakteristiknya antara lain adalah:
dimensi, yaitu luas permukaan dan ketebalannya,
- Kelenturan, yang dinya takan dalam jari-jarilengkungan maksimum, dimana semakinrendah besaran ini, semakin tinggi kemampuan sensor untuk mengikuti bentuk permukaan yang lengkung,
Bandung, 8 -10 Oktober 1991PPTN-BATAN
sensibilitas, yaitu perbandingan antarabesar sinyal yang dihasilkan dengan fluksiyang diukur,
- waktu respon, yaitu waktu yang diperlukandari saat mana fluksi panas ditangkap olehsensor sampai terbaca oleh alat ukur (dalam .bentuk sinyal). Waktu respon yang pendekakan memberikan kemungkinan lebih baikuntuk mengikuti setiap perubahan fluksiterhadap waktu,
- range temperatur penggunaannya, dan- range fluksi panas yang diukur.
Tiga jenis sensor fluksi panas yang dibedakan berdasarkan prinsip yang digunakan bisakita tinjau di sini, yaitu :- Sensor-sensor fluksi panas tipe gradient,
yang mengeksploitir gradient temperaturyang ditimbulkan oleh fluksi panas dalamsuatu bahan konduktor. Sensor-sensor jenisini merupakan yang paling terhadulu dikenaI dan digunakan.
- Sensor-sensor fluksi panas tipe inersi, yangmengeksploitir kenaikan temperatur darisuatu bahan akibat penyerapan fluksi panasoleh bahan tersebut.
- Sensor-sensor fluksi panas metode nol ataumetode kompensasi, yang mengenolkan gradient temperatur yang disebabkab oleh fluksi panas yang diukur dengan fluksi kompensasi yang melawan fluksi yang diukur.
PRINSIP KERJA PLUKSIMETER PANASMETODE NOL
Secara garis besar prinsip kerja fluksimeter-fluksimeter panas metode nolbisa digambarkan dalam skema berikut ini:Keterangan gambar:
cI
~/)
-o-'~', 'I I, '"
Gambar 1. Prinsip kelja sensor fluksi metodenol
G
17
Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dnlam Penelitian Scrinsdan Teknowgi Menuju Era Tinggal Landas
Bandung, 8 - 10 Oktober 1991PPTN - BATAN
Keterane:an e:ambar:Cu, Cn = termokopel cuivre/constantanF = film pelindungG = galvanometerI = bahan isolasiP = elemen pemanasSu = lempeng penyangga (support)cp = fluksi yang diukur
Gambar 2. Realisasi dari fluksimeter metodenol
keharusan seperti halnya pada sensor-sensor tipe gradient.
b) Kita bisa menggunakan sensor ini sebagaisensor fluksi panas tipe gradient denganmengkalibrasinya terlebih dahulu. Kalibrasi ini bisa dilakukan dengan mengisolasisisi luar elemen pemanas; kemudian denganmenggunakan elemen pemanas itu sendirisebagai sumber fluksi, kita cacat gradienttemperatur yang terdeteksi pada galvanometer.
REALISASI DARI FLUKSIMETER PANASMETODE NOL
Realisasi dari fluksimeter panas jenis inirelatif masih sangat baru, itupun belum melangkah ke produksi dalam skala besar. Menurut sepengetahuan kami baru satu realisasiyang telah dipublikasikan dan diproduksi dalam skala laboratorium, yaitu yangdikembangkan oleh Laboratorium Elektronika Dasar dariUniversitas Paris VI di Orsay, Perancis. Pengujian karakteristik dan keandalan fluksimeterpanas ini (prototipenya) telah kami lakukan diLaboratoire de Thermohydrauliques des Systernes, Centre d'Etudes Nucleaires de Grenoble.
Dalam fluksimeter panas ini, termokopeltermokopel pengukur temperatur yang mengapit lempeng bahan B pada gambar 1,ditempatkan pada satu bidang sehingga memudahkanrealisasinya (lihat gambar 2).
A = ampermeter (pengukur arm! listrik),B= lempeng bahan dimana perbedaan temperatur dideteksiC = fluksimeter panas (sensor fluksi panas)G = galvanometer (untuk mendeteksi/mengukur perbedaan temperatur pada lempeng B),P = elemen pemanas (pembangkit fluksi panas kompensasi),RT = pengatur dan penstabilisasi tegangan,S = sumber listrik,V = voltmeter,cp = kerapatan fluksi panas yang diukur,TIT2 = Temperatur-temperatur yang terukur di masingmasing permukaan lempeng B..
Dengan terlaluinya lempeng B oleh fluksipanas yang diukur, maka sesuai dengan hukumperambatan panas secara konduksi, akan timbul perbedaan temperatur di antara kedua permukaan lempeng B yang bisa dideteksi olehgalvanometer G. Dengan kata lain, yang terjadipada lempeng B adalah identik dengan prinsipkeIja fluksimeter panas metode 'gradient' (sensor fluksi panas tipe 'gradient').
Jika pada lempeng pemanas P kemudiandialirkan arus listrik, maka sebagian fluksi panas yang ditimbulkannya akan melawan aliranfluksi panas Ip. yang diukur sehingga menyebabkan berkurangnya fluksi panas yang melalui lempeng B. Hal ini bisa terdeteksi olehpenunjukkan pada galvanometer G. jika aruslistrik terus kita naikkan, kita akan sampaipada suatu kondisi penunjukkan nol pada galvanometer. Kondisi ini menunjukkan bahwa kerapatan fluksi panas yang melawan fluksi Ip.
(kita namakan saja 'fluksi panas kompensasi' Ip)
telah sarna besarnya dengan Ip .Jika kerapatanfluksi panas Ip diketahui maka berarti kerapatan fluksi Ip bisa diukur. Untuk mengetahuiIp, hanya bisa dilakukan dengan pendekatanterhadap besarnya daya listrik W yang kitasuntikkan pada lempeng pemanas P, yaitu dengan cara membagi daya listrik W dengan luaslempeng pemanas (S).Agar harga Ip. benar- benar mendekati W/S haruslah di dalam pengukuran diusahakan agar tahanan panas padasisi dalam dari elemen pemanas (sisi yang menyongsong fluksi panas yang diukur) bisa diabaikan terhadap tahanan panas pada sisi lainnya.
Dua keuntungan yang menonjol dari metode ini adalah :a) Ketebalan dan koduktivitas panas bahan B,
serta sensibilitas dari termokopel-termokopel yang digunakan tidaklah penting untukdiketahui, tambahan lagi kalibrasi terhadapjenis sensor ini bukan merupakan suatu
F
~
!p
~J
18
Proceedings Seminar ReaRtor Nuklir dalam Penelitian Sainsclan Tekrwlogi Menuju Era Tinggal Landas
Agar perbedaan temperatur tetap bisa diperoleh dengan adanya fluksi panas yang diukur, maka salah satu dari dua termokopel ditutup dengan bahan isolasi (resine) secaraberselang-seling. Termokopel yang digunakanadalah darijenis Cu/Cn yang mempunyai sensibilitas sekitar 41 uV/oC. Mengingat tipisnyasensor ini (bahan isolasi tersebut di atas hanyasetebal 25!.l m), maka perbedaan temperaturyang dihasilkannyapun sangat kecil sehinggasulit terdeteksi oleh galvanometer. Masalah inidiatasi dengan memperbanyak jumlah termokopel yang dirangkai secara serio Berkat perkembangan teknologi mikroelektronik, telahberhasil ditempatkan tidak kurang dari 400termokopel untuk luas sekitar 1cm2 dan dengantebal total tidak lebih dari 200 !.lm.Sistem inimampu mengukur dengan baik rapat fluksipanas yang hanya sebesar 1 W/m2.
Satu alternatifyang lain dari realisasi sensor fluksi panas jenis ini adalah dengan mengganti termokopel-termokopel pendeteksi bedatemperatur dengan satu rangkaian jembatan(jembatan Wheat Stone misalnya) dari tahanantahanan termometrik (gambar 3). Kedua gruptahanan dalam rangkaian ini masing-masingdiletakkan pada kedua permukaan lempeng bahan B pada gambar 1. Dengan adanya perbedaan temperatur yang ditimbulkan oleh fluksi panas, maka keseimbangan jembatan ini menjaditerganggu sehingga galvanometer akan mencatat penunjukkan tidak no!. cara keIja selanjutnya identik dengan model yang terdahulu.
'I-jf--j U
a
,(' tit
r, -W7P&;;;;;;t/~~E>~+--- p
b
a) Jembatan tahanan-tahanan termometrikb) Penampang fluksimeter
Gamb~r 3. Fluksi metode nol dengan tahanantermometrik
Bandung, 8 -10 Oktober 1991PPTN - BATAN
Sebagai contoh perhitungan bisa diberikandi sini bahwa jika rangkaian jembatan diberisumber tegangan sebesar E, maka ketidakseimbangan yang teIjadi adalah :
l1.V = E dR2 R
dengan dR adalah beda tahanan antara keduagrup tahanan yang disebabkan oleh timbulnyaperbedaan temperatur antara kedua permukaan lempeng B.
Dengan memasukkan koefIsien temperatur dari tahanan yaitu :
1 dRa=--l1.T R
kita peroleh
dR = a l1.TR
Sebagai contoh, untuk tahanan termometrikdari nikel dengan harga a = 4 x 10-3K"l; makauntuk lempeng B setebal e = 0,1 mm dengankonduktivitas panas sebesar k = 0,1 W.m-1K-lserta untuk kerapatan fluksi panas sebesar cj>
= 1 W.m-2, beda tegangan relatif yang dihasilkan adalah
l1.V a e 6- = - <p - = 2 x 10- atau 2!.lVIVE 2 k
Harga ini cukup memadai untuk dideteksioleh perala tan yang digunakan pada umumnya.
MASALAH DAIAM PENGUKURAN FLUKSI PANAS DENGAN FLUKSIMETER
Mengingat penempatannya sebagai interface ( di antara permukaan sistem dan lingkungan sekitarnya ). makajelas bahwa seluruhtipe sensor fluksi panas akan memodifIkasi keadaan dari permukaan tersebut, yaitu antaralain yang menyangkut :- koefIsien perpindahan panas secara radiasi,
haruslah diusahakan agar keadaan permukaan fluksimeter panas sarna dengan keadaan permukaan sistem yang diukur;
- koefIsien perpindahan panas secara konveksi,antara lain dengan adanya ketebalan lebih,kekasaran pemukaan yang berbeda, dsb.
- tahanan panas yang berlebih yang baik disebabkan oleh ketebalan dari fluksimeter itusendiri maupun adanya tahanan kontakantara fluksimeter dan permukaan sistem,yang terakhir ini sangat bergantung daripemasangan fluksimeter itu sendiri.
19
Proceedings Seminar Real<tor Nuklir dalam PenelitialL Sainsd(1l£Teknologi Menuju Era TinggaJ Landas
Khusus mengenai f1uksimeter panas metode nol, dari hasil pengujian dan kalibrasi lebihmendalam tentang karakteristik dan teknikteknik penggunaannya yang telah kami lakukan di Centre d'Etudes Nucleaires de Grenoble,bisa diangkat dua problem utama yaitu :- Selama kompensasi f1uksi panas bel'lang
sung, dimana kedua f1uksi saling menghilangkan, maka f1uksiyang diukur tidak bisalagi melewati f1uksimeter. Keadaanb ini bisamenyebabkan naiknya temperatur di tempat tersebut akibat naiknya tahanan panasdari f1uksi yang merambat di dalam bahandi daerah di permukaan. Kenaikan temperatur ini menyebabkan naiknya f1uksi kompensasi dari yang seharusnya diperlukan,sehingga menimbulkan kesalahan ukur.
- Mengingat prinsip kerja dari f1uksimeter itusendiri, maka kesalahan ukur akan bertambah besar jika tahanan panas dari sisi dalam( dari arah datangnya f1uksi panas yang diukur) tidak bisa diabaikan terhadap tahanan panas dari sisi luar.
Memandang kedua problem ini, aplikasiyang terbaik dari sensor f1uksi panas jenis inibisa disebutkan antara lain untuk ;- mengukur f1uksipanas ya ng dikeluarkan oleh
suatu permukaan dari bahan konduktor panas ke lingkungan sekitarnya yangmemilikikoefisien perpindahan panas relatif rendah(konveksi bebas, radiasi pada temperaturrendah, dsb.)
- mengukur f1uksi panas yang diserap olehsuatu permukaan isolator dari lingkungansekitarnya yang memiliki koefisien perpindahan panas relatif cukup tinggi (konveksipaksa, dsb.).
DAFTAR PUSTAKA
Bandung, 8 - 10 Oktober 1991PPTN - BA1'AN
Dari studi pengujian di atas juga diperolehdispersi pengukuran f1uksipanas sebesar ±10%.Harga ini bisa diperkecil jika kondidi-kondisipengukuran yang ideal bisa didekati denganmemperhatikan problema tersebut di atas.
KESIMPULAN
Dari seluruh pembahasan ini, kiranya bisaditarik kesimpulan secara garis besar, yaitubahwa pengukuran f1uksi panas lokal yang dipertukarkan oleh 8uatu sistem dengan lingkungan sekitarnya pada umumnya menggunakan prinsip-prinsip yang sederhana tetapi dalam realisasi dan alpikasinya seringkali terbentur dengan problem-problem yang sulit diatasi. Oleh sebab itu maka realisasi suatu sensor f1uksi panas hendaklah juga disertai pengujian-pengujian yang sistematis agar diperolehteknik-teknik atau syarat-syarat pengunaanyang mendekati ideal.
Dalam aplikasinya di bidang reaktor nukliryang memang tidak bisa terlepas dari permasalahan perpindahan panas, sensor f1uksipanasinipun memegang peranan yang sangat pentingterutama dalam studi- studi disain komponenkomponen reaktor dalam skala laboratorium(penukar kalor, perpipaan reaktor, dsb.) maupun untuk keperluan studi dasar (pengukurankoefisien-koefisien perpindahan panas, koefisien radiasi panas, bahkan bisa digunakan untuk mengukur karakteristik termik suatu bahan). Sebagai contoh, kami telah menggunakannya dalam studi perambatan 'panas secarakonveksi bebas maupun campuran pad a pipainjeksi air pendingin rekator di daerah yanglangsung berhubungan dengan rangkaianprimer.
1. THUREAU.,P. : Fluxmetres Thermiques. Techniques de l'ingenieur, Mesures et controles, R2900 (1987) 1-7.
2. HENDRO TJAHJONO : Methodes des Mesures de Flux Thermique Local. INSTN - Session d'Etude sur les Ecoulements et Transferts de Chaleurs Monophasiques, Grenoble (12-16 Mars1990).
3. HENDRO TJAHJONO et PICUT M. : Utilisation de Fluxmeters Thermiques a Methode deZero. Compte rendu d'essais STT/LTMP/89- 04-B/HT/MP/pd (Avril 1989).
4. BENJELLOUN,Y. cs.: Problemes poses par la determination precise de densites locales def1uxde chaleur. Congres SFT (29 Nov. 1989).
5. THUREAUtP., CIAME; Fluxmetre miniature a methode de zero utilisant les techniques dezero utilisant les techniques de la microelectronique. Congres SFT (20-1-1988.
,20
ProC€edings Seminar ReMtor Nuklir dalwn Penelitian Sainsdan Teknologi Menuju Era Tinggal Landas
Bandung, 8 -10 Oktober 1991PPTN - BATAN
DISKUSI
Hengki:Menurut pengalaman anda dari pengukuran fluksi panas tersebut berapa efisiensi daya listrikyang dapat diukur pada suatu heater?Apakah kalau 100 KW listrikjuga bisa diukur 100.KW panas.Hedro:Kami sudah melakukan pengujian-pengujian terhadap dua jenis fluksimeter yaitu metodegradien dan metode nol. Pengujian dilakukan pada suatu kalibrator (berupa heater) yang bisadievaluasi dengan ketelitian :!:3% besarnya fluksi yang dikeluarkan. hasH pengujian ini memberikan dispersi pengukuran:!: 8% untuk range rapat fluksi dari 10 mV/cm2s.d150 mW/cm2 dan range temperatur dari 30° - 150°0. Percobaan dilakukan dengan pengulangan(pada kondisi yang sama) sebanyak :!:10 kali.
Rickwan Mucksin:1. Apakah dalam pengukuran yang dilakukan, pengaruh dari kehalusan permukaan pemanasdan sensor yang bersentuhan tsb diperhitungkan? Jika ya, apakah dibagi dalam daerahdaerah/range kehalusan tertentu?2. Bagaimana caranya mengkalibrasi sensor dari alat pengukur flux panas?Hendro :1. Kekasaran permukaan memang akan mempengaruhi ketepatan pengukuran fluksi panaskarena akan menambah tahanan panas (tahanan kontrol) yang secara umum akan mengurangifluksi yang hendak diukur. Khusus untuk fluksimeter metode nol, pengaruh kekasaran permukaan menjadi lebih besar karena akan menambah fluksi kompensasi yang harus diinjeksikanuntuk "meng-nol-kan" fluksi yang diukur.Tidak diberikan range kekasaran tetapi disarankan untuk menghaluskan/mengurangi kekasaran terlebih dahulu sebelum fluksimeter dipasang.2. Pada prinsipnya diperlukan suatu alat yang bisa memberikan fluksi panas yang besarnya bisadiketahui dengan tepat. Misalnya alat pemanas yang pembagian panasnya diusahakan merata.Untuk fluksimeter metode nol bisa dikalibrasi dengan elemen pemanas yang dimiliki olehfluksimeter tersebut.
Abbas Salihum:Dari beberapa metoda pengukuran Fluksi panas maka metoda mana yang terbaik dan menghasilkan data yang dapat dipercaya?Hendro:Setiap metoda memiliki kelemahan dan kelebihan masing-masing dan hal ini sangat tergantungdari penerapannya masing-masing. Mungkin dari makalah terlampir ini bisa diambil kesimpulan metode apa yang sebaiknya digunakan dalam suatu kondisi pengukuran.
21