kelompok 7_sifat termal isolator kriogenik

SISTEM INSULASI TERMAL KRIOGENIK

Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Sukirno, M.Eng

KELOMPOK 7

Kameliya Hani Millati (1206202034)

Kevin Stevanus Sembiring (1206244075)

Mubaher Sidiq (1306359414)

2014

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA - FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

2014

SISTEM INSULASI TERMAL KRIOGENIK | KELOMPOK 7 / DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA UNIVERSITAS INDONESIA

1

DAFTAR ISI

A. Pendahuluan

Materi yang akan dibahas

Pemilihan isolator kriogenik untuk sistem insulasi kriogenik

Faktor utama efektivitas insulasi termal : konduktivitas termal dan emisivitas

B. Perpindahan Panas

1. Konduksi Padat

Konduksi padat pada sistem insulasi termal

Cara meminimalisir perpindahan kalor secara kodnuksi padat

Persamaan Fourier

2. Konduksi Gas

Konduksi gas pada sistem insulasi termal

Cara meminimalisir perpindahan kalor secara konduksi gas : penurunan tekanan gas, jalan

bebas rata-rata, void, densitas

3. Radiasi

Radiasi pada sistem insulasi termal

Persamaan Stefan-Boltzman

Persamaan Wien

Cara meminimalisir perpindahan kalor secara radiasi : emisivitas, absorptivitas, energi-panjang

gelombang

C. Insulasi Kriogenik

1. Vacuum Insulation

2. Foam Insulation

Fabrikasi foam insulation : polimer, gas pengisi, densitas, void

Mekanisme perpindahan kalor pada foam insulation

Pengaruh ukuran diameter sel rata-rata : void, densitas

Keuntungan foam insulation

Kerugian foam insulation : konduktivitas termal, koefisien ekspansi termal, difusi udara dan

uap air, pengvakuman gas residual

Penggunaan barrier pada foam insulation

3. Powder Insulation

Komponen utama powder insulation

Jenis powder insulation : evacuated dan nonevacuated

Konduktivitas termal pada powder insulation


2

a. Nonevacuated Insulation

Mekanisme nonevacuated insulation : konduksi, konveksi, radiasi

Keterbatasan nonevacuated insulation : gas pengisi, vapour barrier

Jenis vapour barrier

b. Evacuated Insulation

Mekanisme evacuated insulation : pengurangan tekanan gas residual

Suhu operasi evacuated insulation

1) Miscrosphere Insulation

Mekanisme microsphere insulation : packed hollow glass sphere, ukuran diameter,

emitansi film pelapis, resistansi konduktivitas termal, berat, kapasitas panas, laju

perpindahan panas

Perbandingan microsphere induslation dengan multi layer insulation

2) Opacified Insulation

Mekanisme opacified insulation : opacified logam, komposisi optimal

Konduktivitas termal pada opicifier insulation

Kerugian opacified insulation : perpindahan kalor secara konduksi padat

4. Multi Layer Insulation

Aplikasi Insulasi Kriogenik : Tangki Penyimpanan LNG

Kesimpulan

DAFTAR GRAFIK

Grafik 1. Hubungan Panjang Gelombang Terhadap Densitas Fluks Radiasi Spektral Pada Suhu Kriogenik

Grafik 2. Hubungan Emisivitas Terhadap Laju Perpindahan Kalor Per Unit Area Pada Suhu Kriogenik

Grafik 3. Hubungan Rasio Daerah Kontak Dalam Dan Luar Terhadap Laju Perpindahan Kalor Per Unit

Area

Grafik 4. Hubungan Diameter Sel Rata-Rata Terhadap Konduktivitas Termal Padasuhu Kriogenik

Grafik 5. Ekspansi Termal Pada Suhu Kriogenik

Grafik 6. Hubungan Waktu Pengvakuman Terhadap Konduktivitas Termal Pada Suhu Kriogenik

Grafik 7. Konduktivitas Termal Material Permeabel Pada Suhu Kriogenik

Grafik 8. Hubungan Tekanan Gas Residual Terhadap Konduktivitas Termal Pada Suhu Kriogenik

Grafik 9. Konduktivitas Termal Untuk Masing-Masing Jenis Insulasi

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Emisivitas Logam Pada Suhu Kriogenik


3

Tabel 2. Densitas, Suhu Batas Permukaan, Tekanan Ruang Uji, dan Konduktivitas Foam Insulation pada

Suhu Kriogenik

Tabel 3. Perbandingan Performa, Rasio Konduktivitas Pararel dan Normal, Densitas, Konduktivitas

Termal, dan Kuat Tekan Microsphere terhadap Multilayer

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Flask Yang Dilengkapi Dengan Vacuum Insulation

Gambar 2. Vessel Yang Terbuat Dari Foam Plastik Untuk Suhu Kriogenik

Gambar 3. Multi Layer Insulation

Gambar 4. Struktur Tangki LNG

Gambar 5. Seksional Full Containment Tank LNG

Gambar 6. Struktur Isulasi Dan Sistem Proteksi Tangki Pada Sudut

DAFTAR PERSAMAAN

Persamaan 1. Fourier

Persamaan 2. Stefan-Boltzman

Persamaan 3. Stefan-Boltzman Antarpermukaan

Persamaan 4. Wien Displacement

Persamaan 5. Laju Transfer Panas Radiasi Antarpermukaan

Persamaan 6. Faktor Emisivitas Radiasi Difusi untuk Silinder Konsentrik atau Bola

Persamaan 7. Laju Transfer Panas untuk N Silinder Konsentrik atau Bola

Persamaan 8. Konduktivitas Termal pada Penyekat dengan Tekanan Sangat Rendah


4

A. PENDAHULUAN

Pada makalah ini, akan dibahas tentang sistem insulasi pada suhu kriogenik sehingga dapat diketahui

sistem insulasi kriogenik yang menghasilkan efektivitas insulasi paling baik. Pemilihan isolator untuk

sistem insulasi tergantung pada faktor ekonomi, kemudahan, berat, kekerasan, volume, dan efektivitas

insulasi. Pada umunya, performa dari insulasi termal tergantung pada suhu dan emitansi batas permukaan,

densitas isolator, jenis dan tekanan gas yang terkandung didalamnya, kelembapan muatan, resistansi termal

goncangan, beban tekan yang diberikan, serta efek dari gerakan mekanik seperti vibrasi.

Faktor utama dari efektvitas insulasi termal adalah konduktivitas termal. Konduktivitas termal

didefinisikan sebagai laju perpindahan panas per unit area dibagi dengan gradien suhu yang menyebabkan

panas tersebut berpindah. Faktor penting lainnya adalah emisivitas. Emisivitas didefinisikan sebagai rasio

energi yang dipancarkan oleh material ke energi yang akan dipancarkan oleh suatu radiator sempurna

(perfect emitter, benda hitam) pada suhu absolut yang sama. Emisivitas berbeda dengan emitansi yang

merupakan perhitungan praktis dari emisi radiasi suatu material.

B. PERPINDAHAN PANAS

Selama proses pendinginan, kapasitas panas dari insulasi harus ditentukan. Panas dapat mengalir

melalui insulasi secara simultan melalui beberapa mekanisme berbeda sebagai berikut :

1. Konduksi Padat

Konduksi padat pada sistem insulasi terjadi pada partikel penyusun isolator yang saling bersentuhan

satu sama lain. Perpindahan kalor konduksi padat ini dapat diminimalisir dengan cara memutuskan aliran

panas dalam sistem insulasi. Pemutusan aliran panas ini dapat dilakukan dengan menggunakan partikel

halus atau serat halus (fiber) sehingga resistansi terhadap aliran panas terbentuk pada setiap permukaan

partikel penyusun isolator. Selain itu, daerah kontak antarpartikel juga berkurang menjadi titik kontak yang

resistansinya tergantung pada deformasi yang disebabkan oleh beban tekan pada sistem insulasi.

Konduktivitas termal dari sistem insulasi tidak dapat dihitung secara langsung (tidak seperti suhu,

densitas, dan sifat fisika lainnya) sehingga hanya dapat dihitung melalui percobaan menggunakan

persamaan Fourier sebagai berikut :

𝑄 = 𝑘𝐴𝑇1 − 𝑇2

𝐿 (1)

Dimana Q merupakan laju perpindahan kalor yang melalui material, k merupakan konduktivitas termal, A

merupakan luas daerah kontak, T merupakan suhu, dan L merupakan ketebalan sistem insulasi.

2. Konduksi Gas

Gas merupakan kontributor dominan aliran panas pada sistem insulasi karena menghasilkan kontak

termal yang bagus antarkomponen penyusun sistem insulasi. Perpindahan kalor konduksi gas ini dapat


5

diminimalisir dengan cara menghilangkan gas dari void dalam sistem insulasi (divakumkan) sehingga

menghasilkan konduktivitas termal yang kecil.

Sesuai dengan teori kinetik gas, konduktivitas termal dari suatu gas proposional dengan jalan bebas

rata-rata dari molekul-molekul dan densitas gas. Pada daerah tekanan atmosfer sampai sekitar 1 mmHg,

konduksi gas tidak tergantung pada tekanan. Sedangkan pada daerah di bawah beberapa mmHg, konduksi

gas tergantung pada tekanan. Penurunan tekanan gas menghasilkan kenaikan jalan bebas rata-rata, namun

jika diturunkan lebih lanjut maka jalan bebas rata-rata ini tidak lagi dipengaruhi oleh tekanan.

Densitas gas secara langsung proporsional terhadap tekanan dan akan terus menurun sebagai molekul

gas, dimana proses perpindahan panas secara langsung antarkomponen yang berdekatan tanpa

menyebabkan tabrakan dihilangkan. Semakin besar void antarkomponen insulasi, maka semakin rendah

tekanan yang dibutuhkan untuk mencapai daerah dimana tekanan mempengaruhi konduksi gas. Ketika

derajat kevakuman sulit dicapai, maka void antarkomponen harus dibuat sekecil mungkin sehingga

konduksi gas berkurang secara bagus.

3. Radiasi

Radiasi pada sistem insulasi terjadi melalui void dalam sistem insulasi dan melalui komponen insulasi.

Laju perpindahan kalor dimana suatu permukaan mengemisikan radiasi termal diberikan oleh persamaan

Stefan-Boltzman sebagai berikut :

𝑞 = 𝜎𝑒𝐴𝑇4 (2)

Dimana e merupakan total emisivitas pada suhu T, A merupakan luas daerah kontak, dan 𝜎 merupakan

konstanta Boltzman (5.67 x 10-12 W/cm2K4). Sedangkan total energi radiasi antarpermukaan adalah sebagai

berikut :

𝑞 = 𝜎𝐸𝐴(𝑇14 − 𝑇2

4) (3)

Dimana subskrip 1 dan 2 merupakan suhu permukaan dingin dan panas, dan E merupakan faktor yang

mencakup dua emisivitas.

Pada suhu kriogenik, melalui eksperimen diperoleh sifat emisivitas sebagai berikut :

a. Reflektor yang bagus merupakan konduktor listrik yang bagus (misal tembaga, perak, emas, dan

aluminium);

b. Penurunan emisivitas disertai penurunan suhu;

c. Emisivitas dari reflektor yang bagus meningkat dengan adanya pengotor permukaan;

d. Memadukan logam (alloy) dengan refletivitas yang bagus akan meningkatkan emisivitas;

e. Emisivitas dapat ditingkatkan melalui perlakuan mekanik seperti hardening lapisan permukaan logam;

dan


6

f. Penampilan visual (kecerahan) tidak tergantung pada kekuatan refleksi pada panjang gelombang yang

panjang.

Berikut merupakan emisivitas dari beberapa logam pada suhu kriogenik :

Tabel 1. Emisivitas Logam Pada Suhu Kriogenik

Sumber : Flynn, Thomas M. 2005. Cryogenic Engineering SeconEdition Revised and Expanded. USA : Marcel Dekker. Halaman 450.

Perpindahan panas total melalui radiasi antarpermukaan tergantung pada dua kuantitas, yaitu emisivitas

dari permukaan hangat dan absorptivitas dari permukaan dingin yang memliki karakteristik distribusi

energi-panjang gelombang. Dua kuantitas tersebut sering didesain menjadi emisivitas. Berikut merupakan

distribusi energi-panjang gelombang pada suhu kriogenik :

Grafik 1. Hubungan Panjang Gelombang terhadap Densitas Fluks Radiasi Spektral Pada Suhu Kriogenik



7

Energi radiasi menurun secara drastis seiring dengan penurunan suhu, dimana panjang gelombang

untuk energi maksimal menjadi lebih besar dengan penurunan suhu. Panjang gelombang ini

direpreentasikan oleh persamaan Wien displacement sebagai berikut :

𝜆𝑚𝑎𝑘𝑠𝑇 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎 (4)

Dimana konstantanya merupakan 2898 m K. Berikut merupakan grafik yang dapat digunakan untuk

membuat pendekatan komputasi secara cepat pada perpindahan kalor secara radiasi :

Grafik 2. Hubungan Emisivitas terhadap Laju Perpindahan Kalor Per Unit Area Pada Suhu Kriogenik

Sumber : Sumber : Flynn, Thomas M. 2005. Cryogenic Engineering SeconEdition Revised and Expanded. USA : Marcel Dekker. Halaman 453.

Grafik 3. Hubungan Rasio Daerah Kontak Dalam dan Luar terhadap Laju Perpindahan Kalor Per Unit

Area



8

C. INSULASI KRIOGENIK

Pada umumnya, insulasi kriogenik dibedakan menjadi 4 macam, yaitu vacuum insulation, foam

insulation, powder insulation, dan multi layer insulation.

a. Vacuum Insulation

Vacuum Insulation merupakan insulasi paling sederhana. Prinsip dari insulasi jenis ini adalah

menghilangkan materi atau benda yang dapat menghantarkan panas dari media bersuhu tinggi ke rendah.

Dengan prinsip ini, transfer panas melalui konduksi maupun konveksi dapat ditekan sekecil mungkin.

Ruang vacuum sendiri, dibuat dengan cara membuat media penyimpan cairan kriogenik (tangki) terdiri dua

lapisan/layer dimana udara yang terperangkap diantara dua layer di hisap semaksimal mungkin hingga

tercipta ruang vakum. Faktor tekanan yang berasal dari dalam maupun dari atmosfer membuat sistem ini

tidak layak di aplikasikan pada tanki skala besar. Insulasi ini biasanya digunakan untuk ukuran tangki skala

laboratorium. Gambar dari media penyimpanan dengan vacuum insulation yang biasa digunakan dalam

laboratorium ditunjukkan dalam gambar berikut :

Gambar 1. Flask yang Dilengkapi dengan Vacuum Insulation.


Secara teoritis, perpindahan panas melalui konduksi dan konveksi dapat diabaikan sehingga perpindahan

panas melalui radiasi adalah yang paling dominan dalam insulasi jenis ini. Laju transfer panas secara radiasi

antara dua permukaan dapat ditentukan dengan persamaan:

Q = Fe F1-2 A1 ( T24 – T1

4 ) (5)

Dimana merupakan konstanta Stefan – Boltzmann, Fe merupakan faktor emisitivitas, F1-2 merupakan

faktor konfigurasi, A1 merupakan luas area permukaan 1, dan T merupakan suhu absolut


9

Untuk tangki penyimpanan fluida kriogenik, dimana tangki dalamnya ditutupi secara keseluruhan

dengan tangki luar, maka F1-2 = 1, dimana subscript 1 menandakan permukaan yang ditutupi (tangki dalam)

dan subscript 2 menandakan permukaan yang menutupi (tangki luar). Faktor emisivitas untuk radiasi difusi

untuk silinder konsentrik atau spheres (bola) dapat dicari dengan :

1

22

1

1

111

eA

A

eFe (6)

Dimana e merupakan emisivitas dan adalah luas permukaan.

Untuk N silinder konsentrik atau bola, maka laju transfer panasnya adalah:

Q = Fe,0 ( TN4 – T1

4 ) (7)

Dimana TN merupakan suhu permukaan paling luar dan T1 adalah suhu permukaan paling dalam.

b. Foam Insulation

Gambar 2. Vessel yang Terbuat dari Foam Plastik untuk Suhu Kriogenik


Foam insulation cryogenic seperti polistirena dan poliuretena diproduksi dengan ekspansi gas padatan

organik dan anorganik. Gas ekspansi yang paling umum digunakan adalah CO2 dan freon. Campuran padat-

gas ini membuat material densitas rendah (lebih rendah daripada powder insulation) dengan void yang

banyak sehingga menghasilkan perpindahan kalor oleh konduksi padat yang lebih kecil. Tetapi, foam

insulation menghasilkan jalur kontinu sehingga semakin besar panas yang dikonduksikan melalui material

daripada powder insulation yang memiliki daerah kontak sangat kecil (titik kontak).

Mekanisme perpindahan panas yang dominan adalah konduksi melalui gas intertisial, namun juga

terdapat sejumlah kecil perpindahan panas secara radiasi. Sama dengan powder insulation, jika ukuran void

dalam foam menurun sehingga hanya memungkinkan terjadinya konduksi gas molekular bebas, performa

insulasi secara keseluruhan dapat ditingkatkan. Tetapi, peningkatan tersebut dapat memberikan hasil yang

sebaliknya terhadap nilai konduktivitas termal karena nilai ini juga tergantung pada densitas dan suhu rata-


10

rata insulasi. Berikut merupakan hubungan antara konduktivitas termal efektif rata-rata terhadap

peningkatan ukuran molekul poliuretena :

Grafik 4. Hubungan Diameter Sel Rata-Rata terhadap Konduktivitas Termal padaSuhu Kriogenik


Keuntungan utama dari foam insulation adalah kemudahan fabrikasi, harga yang relatif murah, dan

struktur penyangga sendiri. Insulasi ini juga dapat difabrikasi menjadi lembaran fleksibel, foam pada lokasi

tertentu, atau foam pada bagian insulasi yang kaku. Struktur kekerasan insulasi ini tergantung pada sifat

mekanik dari material dasar penyusun foam serta ukuran dan konfigurasi jaringan seluler. Kemampuan ini

dapat mengeliminasi kebutuhan penyangga dari konduktivitas termal yang lebih bagus untuk bagian dalam

shell dari penyimpanan kriogenik.

Kerugian dari foam insulation adalah konduktivitas termal dan ekspansi termal yang lebih tinggi dari

isolator lainnya. Pada umumnya, koefisien ekspansi termal foam memiliki nilai dua sampai lima kali lebih

besar daripada aluminium serta empat sampai sepuluh kali lebih besar daripada baja. Hal ini menyebabkan

pada saat proses pendinginan dari suhu ruang sampai suhu kriogenik, foam akan lebih menciut daripada

isolator logam dan retak sehingga menyebabkan terbentuknya celah. Celah-celah ini dapat dimasuki oleh

udara dan uap air sehingga meningkatkan konduktivitas termal insulasi. Nilai dari koefisien ekspansi termal

isolator foam memiliki nilai yang linear pada rentang suhu kriogenik. Berikut merupakan nilai ekspansi

termal dari beberapa foam insulation :

Grafik 5. Ekspansi Termal pada Suhu Kriogenik



11

Apabila foam insulation sudah disimpan dalam waktu yang cukup lama, foaming gas (CO2 atau freon)

akan digantikan oleh udara sehingga memperlambat difusi dan mereduksi konduktivitas termal melalui

kondensasi gas. Hal ini dapat terjadi jika cairan yang ditampung adalah nitrogen. Tetapi, apabila foam

insulation dibiarkan dalam ruangan terbuka (atmosfer), maka foaming gas akan digantikan oleh gas

hidrogen dan helium sehingga meningkatkan konduktivitas termal insulasi. Oleh karena itu, pada

penggunaannya, foam insulation membutuhkan barrier pada bagian luarnya.

Berikut merupakan nilai konduktivtas termal dari beberapa foam insulation :

Tabel 2. Densitas, Suhu Batas Permukaan, Tekanan Ruang Uji, dan Konduktivitas Foam Insulation pada

Suhu Kriogenik


Kerugian paling sering lainnya dari foam insulation adalah saat pengvakuman gas residual dari foam.

Walaupun penghilangan gas ekspansi dari void dalam foam meningkatkan konduktivitas termal, hal ini

sangat sulit dilakukan dan menghabiskan banyak waktu karena gas pengisi sel tertutup. Sebaliknya, sel

yang bersifat semipermeabel ini dapat menyebabkan gas atmosferik masuk seiring dengan waktu secara

difusi ke dalam sel sehingga menyebakan kenaikan konduktivitas termal. Berikut merupakan hubungan

antara waktu pengvakuman terhadap konduktivitas termal :

Grafik 6. Hubungan Waktu Pengvakuman terhadap Konduktivitas Termal pada Suhu Kriogenik



12

c. Powder Insulation

Komponen utama pada powder insulation adalah konduktivitas termal yang kecil, densitas yang kecil,

serta distribusi ukuran parikel untuk meminimalisir efek goncangan dan getaran. Powder dapat divakumkan

(evacuated powder) dan tidak divakumkan (nonevacuated powder, diisi gas). Pada umumnya, ukuran

partikel powder yang kecil membatasi perpindahan kalor konduksi gas dalam insulasi.

Ketika ruang insulasi diisi dengan powder yang memiliki densitas kecil (rasio yang besar dari volume

void gas pengisi terhadap volume material padat), diketahui bahwa konduktivitas termalnya mendekati

konduktivitas termal gas dimana perpindahan kalor secara konduksi padat melalui powder kecil. Selain itu,

keberadaan powder mencegah perpindahan kalor secara konveksi dan radiasi.

a. Nonevacuated Insulation

Insulasi dengan gas-filled powder dapat dilakukan dengan cara mengurangi atau mengeleminasi

perpindahan kalor konveksi akibat kehadiran gas pada void yang kecil dalam material. Kehadiran partikel

padat juga mengurangi radiasi (biasanya sekitar 5% dari konduktivitas total) dan mencegah konduksi gas,

dengan demikian dapat dikatakan konduksi padat dan konduksi gas melalui void menjadi mekanisme

perpindahan kalor predominan.

Insulasi gass-filled powder memiliki keterbatasan, yaitu gas pengisi harus tidak reaktif dan sesuai

dengan material powder. Selain itu, dibutuhkan vapour barrier sekitar material packing untuk mencegah

difusi dari udara dan air ke dalam insulasi. Vapor barrier ini dapat berupa peghalang berupa struktural,

penghalang berupa membran, dan penghalang berupa lapisan. Berikut merupakan konduktivitas termal dari

beberapa nonevacuated insulation pada rentang suhu kriogenik :

Grafik 7. Konduktivitas Termal Material Permeabel pada Suhu Kriogenik



13

b. Evacuated Insulation

Salah satu cara untuk mengurangi konduktivitas termal dari gas-filled powder atau nonevacuated

adalah dengan mengurangi tekanan gas residualnya. Dampak dari penurunan tekanan gas residual adalah

sebagai berikut :

Grafik 8. Hubungan Tekanan Gas Residual terhadap Konduktivitas Termal pada Suhu Kriogenik


Berdasarkan grafik di atas, terdapat tiga daerah yang memiliki kecendrungan ketergantungan konduktivitas

termal terhadap tekanan gas residual yang berbeda. Padapenurunan tekanan gas residual dari tekanan ruang

sampai dengan sekitar 1.3 x 10-3 Mpa, nilai konduktivitas termal cenderung tidak berubah. Dari tekanan 1.3

x 10-3 Mpa sampai dengan sekitar 1.3 x 10-6 Mpa, terdapat ketergantungan secara log-log linear

konduktivitas termal terhadap tekanan gas residual yang disebabkan oleh konduksi molekuler bebas.

Sedangkan pada penurunan tekanan gas residual lebih lanjut di bawah 1.3 x 10-6 Mpa, konduktivitas termal

menjadi tidak tergantung pada tekanan gas residual lagi dimana nilai tersebut tergantung hanya pada

mekanisme perpindahan kalo secara radiasi dan konduksi padat.

Pada umunya, evacuated powder bekerja pada suhu antara suhu ruang dan suhu nitrogen cair dimana

perpindahan kalor secara radiasi lebih besar daripada perpindahan kalor secara konduksi padat. Oleh karena

itu, pada rentang suhu ini, evacuated powder dapat bekerja secara optimal karena membatasi perpindahan

kalor secara radiasi. Sebaliknya, perpindahan kalor secara konduksi padat menjadi lebih besar daripada

perpindahan kalor secara radiasi di bawah suhu nitrogen cair. Oleh karena itu, digunakan vacuum insulation

untuk kondisi yang demikian.


14

1) Microsphere Insulation

Performa dari insulasi termal yang bagus dapat diperoleh dengan menggunakan packed, hollow glass

spheres, dengan ukuran diamater 15 sampai 150 m dan bagian luarnya dilapisi oleh film yang memiliki

emitansi yang rendah. Hollow sphere yang pada umumnya memiliki ketebalan dinding 0.5 sampai 2.0 m,

pada dasarnya meningkatkan resistansi konduktivitas termal tetapi mengurangi kapasitas panas dan massa

terhadap partikel padat. Selain itu hollow microsphere memberikan berat yang lebih ringan dan kapasitas

panas yang lebih rendah daripada MLI (Multi Layer Insulation). Tetapi, laju perpindahan panas

microsphere insulation lebih besar dua sampai empat kali daripada MLI (Multi Layer Insulation).

Perbandingan antara microsphere dan MLI (Multi Layer Insulation) adalah sebagai berikut :

Tabel 3. Perbandingan Performa, Rasio Konduktivitas Pararel dan Normal, Densitas, Konduktivitas

Termal, dan Kuat Tekan Microsphere terhadap Multilayer

Sumber : Flynn, Thomas M. 2005. Cryogenic Engineering SeconEdition Revised and Expanded. USA : Marcel Dekker. Halaman 474

2) Opacified Insulation

Dengan penambahan serpihan tembaga atau aluminium (opacifier logam) ke evacuated powder, maka

laju perpindahan kalor secara radiasi dapat berkurang secara signifikan. Kemampuan insulasi dari opacified

powder insulation mencapai optimal ketika powder mengandung sekitar 35% sampai dengan 50% berat

dari powder logam. Serpihan tembaga lebih sering digunakan karena aluminium memiliki panas

pembakaran yang besar dengan oksigen. Walaupun konduktivitas termal pada evacuated powder dapat

berkurang sampai dengan 80% dengan menggunakan opacifier logam, logam tersebut cenderung

mengendap seiring berjalannya waktu dan menyebabkan laju perpindahan kalor secara konduksi padat

meningkat.

d. Multi Layer Insulation

Insulasi jenis ini terdiri dari beberapa lapisan material yang memiliki kemampuan untuk memantulkan

panas, seperti aluminium foil, tembaga foil atau mylar dan material-material lain yang memiliki

konduktivitas yang sangat rendah seperti kertas, glass fabric, jaring nylon. Insulasi multilayer ini biasanya

bekerja dalam keadaan vakum agar lebih efektif. Gambar dari insulasi MLI ditunjukkan seperti pada

gambar seagai berikut :


15

Gambar 3. Multi layer insulation

Sumber : wikipedia.org

Multi layer insulation, mengurangi aliran panas baik secara konduksi, konveksi dan radiasi dengan cara

sebagai berikut :

a. Perpindahan panas secara radiasi berlawanan dengan banyaknya media pemantul dan berbanding lurus

dengan emisi bahan pelindung. Radiasi bisa dikurangi dengan lapisan material yang mempunyai emisi

yang rendah;

b. Konveksi dikurangi dengan cara memvakum tekanan dalam tangki sehingga jarak bebas rata-rata dari

molekul akan lebih besar daripada jarak antara lapisan penyekat. Pada aplikasi biasanya MLI dibuat

dalam package sehingga dapat mempermudah tahap instalasi; dan

c. Konduksi bisa dikurangi dengan menggunakan material yang mempunyai konduktivitas rendah dan

lapisan-lapisan dibuat setipis mungkin.

Untuk penyekat dengan tekanan yang sangat rendah, yaitu 0.13 MPa, panas ditransmisikan oleh radiasi

dan konduksi material pengisi ruang. Konduktivitas termal pada kondisi ini ditentukan dengan persamaan

sebagai berikut :

h

c

h

ch

ctT

T

T

T

e

eTh

xNk 11

2/

122

(8)

Dimana N/x merupakan jumlah lapisan, hc merupakan konduktivitas bahan pengisi ruang, merupakan

konstanta Boltzman, e merupakan emisi lapisan pelindung, dan Th,Tc merupakan suhu bagian insulasi yang

panas dan dingin.

Dibandingkan dengan jenis insulasi yang lain, MLI merupakan tipe insulasi yang memilki

konduktivitas paling kecil yakni berkisar 1.10-5 – 1.10-4 W/m.K seperti yang ditunjukkan dalam grafik

sebagai berikut :


16

Grafik 9. Konduktivitas Termal untuk masing-masing jenis insulasi

Sumber : Fusion-magnetique.cea.fr

D. APLIKASI ISOLATOR TERMAL KRIOGENIK

LNG (Liquified Natural Gas) adalah gas alam yang dikondensasi menjadi liquid. Kandungan utama

dari LNG adalah metana dan sedikit etana, propane, butane. Pencairan LNG dilakukan pada suhu -160oC

dalam tekanan atmosferik. LNG dapat dihasilkan dengan cara sebagai berikut :

1. Menggunakan nitrogen cair sebagai pendingin

2. Mengekstraksi menggunakan LNG cold box/NRU

3. Menambahkan unit purifikasi, power liquefier pada system kriogenik LNG plant

LNG memiliki tangki khusus untuk menyimpannya sebab suhu LNG yang mencapai -162 o C

mengharuskan tangk tersebut tidak hanya menyimpan dengan aman melainkan juga menjaga agar suhu

LNG tepat pada semestinya. Inilah yang menjadi dasar penggunaan teknologi kriogenik dalam

mengonstruksi tangki penyimpanan LNG. Menurut BS7777, tangki LNG dapat diklasifikasikan menjadi

tiga tipe yang berbeda.

Tangki jenis pertama adalah single containment tank yang didesain dengan memiliki lapisan luar dan

lapisan dalam tangki tetapi hanya bagian dalam tangki saja yang berkontak langsung dengan produk (LNG)

sehingga dibutuhkan sifat ductility pada temperature rendah.

Tangki jenis kedua adalah double containment tank, yaitu tangki LNG yang didesain dan

dikonstruksikan sedemikian sehingga kedua lapisan bagian dalam dan luar tangki dapat menampung cairan

dingin secara independen. Tamgki jenis ketiga adalah full containment tank. Perbedaan dari double


17

containment tank dan full containment tank adalah lapisan luar full containment tank didesain utnuk dapat

menyimpan liquid dinginnya dan juga dapat mengontrol buangan uap dari produk. Dari tiga jenis tangki

ini, full containment tank adalah tipe terbaru dan tercanggih. Tangki juga dapat diklasifikasikan berdasarkan

elevasinya terhadap ground level : above-ground type, in-ground type,dan under-ground type.

Lapisan dalam tangki dibangun dengan 9% nikel steel dan lapisan luar terbuat dari semen dan semen

pre-stressed. Nikel steel 9% secara luas sudah digunakan sebagai material untuk lapisan dalam tangki

karena memiliki kekuatan dan ketangguhan yang cukup untuk kebutuhan kriogenik. Lapisan dalam tangki

juga memiliki fungsi untuk mencegah terjadinya kebocoran LNG. Di samping itu, lapisan luar beton

didesain untuk menahan berbagai macam tekanan luar termasuk tekanan seismic.

Material insulasi diletakkan pada bagian tengah antara lapisan luar dan lapisan dalam tangki untuk

melindungi penyimpanan LNG. Tangki penyimpanan yang digunakan bervariasi dengan kapasitas 60.000

m3 – 200.000 m3 serta berdiameter lebih dari 50 meter. Di antara bagian dalam dan luarnya dilapisi dengan

bahan kriogenik perlit sebagai insulasi untuk mencegah terjadinya perpindahan panas dari lingkungan ke

dalam tangki. Sifat konduktivitas termal perlit yang sangat rendah jika digunakan dalam kondisi kriogenik

secara efektif mampu menjaga suhu tangki tetap pada idealnya untuk menyimpan LNG.

Gambar 4. Struktur Tangki LNG

Sumber : Yang, Young-myung. 2006 Development of The World’s Largest Above-Ground Full Containmet LNG Storage Tank. Amsterdam :

23rd World Gas Conference.

Spesifikasi tangki LNG volume 200.000 m3.

Tank type : Full containment, above-ground


18

Inner tank : 9% nickel steel

Outer tank : Pre-stressed concrete

Roof : Concrete dome with suspended ceiling deck

Gross capacity : 200.000 m3

Design pressure : 29 kPa

Type of base : Brine heating system (BHS)

Diameter of inner : 84.0 m

Design liquid level : 36.22 m

Maximum operating level : 35.92 m

Height of inner tank : 37.61 m

Thickness of shell insulation : 1200 mm

Gambar 5. Seksional Full Containment Tank LNG



LNG disimpan di lapisan dalam tangki nikel steel 9%. Boil-off rate ditentukan oleh system insulasi

pada tangki. Dalam kasus kebocoran LNG, liquid dapat memberikan tumbukan ke lapisan luar tangki.

Untuk mencegah hal itu maka dipasanglah pengaman pada sudut-sudut tangki di dalam lapisan permukaan

dinding beton dengan polyurethane foam coating. Beton di luar tangki akan melindungi lapisan dalam

tangki apabila terjadi keadaan darurat.


19

Gambar 6. Struktur Isulasi dan Sistem Proteksi Tangki pada Sudut



E. KESIMPULAN

Berdasarkan materi yang telah dijelaskan di atas, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut :

1. Faktor utama efektivitas insulasi termal pada suhu kriogenik adalah konduktivitas termal dan emisivitas

termal;

2. Mekanisme perpindahan panas yang dapat terjadi pada sistem insulasitermal adalah konduksi padat,

konduksi gas, dan radiasi;

3. Insulasi kriogenik dapat digolongkan menjadi empat jenis yaitu vacuum insulation, foam insulation,

powder insulation, dan multi layer insulation;

4. Vacuum insulation memiliki kelebihan mudah dalam analisis, namun hanya dapat digunakan untuk

skala laboratorium;

5. Foam insulation memiliki kelebihan mudah dalam fabrikasi, namun memiliki konduktivtas termal yang

paling tinggi diantara sistem insulasi lainnya karena gas pengisi mudah tergantikan oleh udara dan uap

air secara difusi sehingga diperlukan barrier;

6. Powder insulation memiliki kelebihan konduktivitas terma yang lebih kecil dibandingkan foam

insulation dengan ukuran partikel yang kecil sehingga void pada sistem insulasi semakin kecil;

7. Powder insulaion dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu nonevacuated powder dan evacuated powder,

dimana pada nonevacuated powder masih terdapat gas pengisi sedangkan pada nonevacuated powder

sistem insulasi sudah divakumkan;

8. Evacuated powder dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu microsphere insulation dan opacified

insulation, dimana pada microsphere insulation digunakan partikel berukuran mikro sehingga

menghilangkan perpindahan panas secara konduksi gas, sedangkan pada opacified insulation

digunakan serpihan logam sehingga menghilangkan perpindahan panas secara radiasi dengan cara

memantulkan gelombang elektromagnetik;


20

9. Multi Layer Insulation memiliki kelebihan dapat menghilangkan ketiga jenis mekanisme perpindahan

panas yaitu konduksi padat dengan cara memilih jenis lapisan isolator dengan densitas yang kecil,

konduksi gas dengan cara divakumkan, dan radiasi dengan cara menumpuk beberapa jenis lapisan

isolator menjadi satu;

10. Dari keempat jenis sistem insulasi termal pada suhu kriogenik yang telah dijelaskan dalam makalah ini,

jenis yang menghasilkan efektivitas insulasi termal terburuk adalah foam insulation, sedangkan jenis

yang menghasilkan efektivitas insulasi termal terbaik adalah Multi Layer Insulastion (MLI); dan

11. Salah satu aplikasi penggunaan isolator kriogenik adalah pada tangki penyimpanan LNG yang terdiri

dari lapisan luar dan lapisan dalam. Lapisan luar tersusun dari 9% baja-nikel dan beton,sedangkan

lapisan dalam tersusun dari isolator kriogenik seperti perlit dan polyurethane foam coating.

DAFTAR PUSTAKA

Barron, Randall F. 1999. “Cryogenic Heat Transfer”. USA : Taylor & Francis;

Flynn, Thomas M. 2005. “Cryogenic Engineering Second Edition Revised and Expanded”. USA : Marcel

Dekker; dan

Flynn, Thomas M. dan Timmerhaus, Klaus D. 1989. “Cryogenic Process Engineering”. New York :

Springer.


21

LAMPIRAN

Vacuum Insulation Foam Insulation

Powder Insulation

Opacified Insulation Microsphere Insulation


22

Fabrikasi Foam Insulation

Foam Insulation pada Kapal LNG

Void pada Sistem Insulasi

kelompok 7_sifat termal isolator kriogenik

Documents

konduksi padat konduksi

packed hollow glass

hubungan rasio daerah

konduksi gas konduksi