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