Pertemuan ke -9

IX. KONVERTER TERMIONIKSuatu konventer termionik mempunyai prinsip kerja seperti sebuah tabung dioda. Bila katoda tabung dioda dipanaskan, ia memancarkan elektron-elektron ke segala arah, dan membangkitkan tegangan antara elektroda. Suhu maksimum panas katoda mencapai 1700 oC. dan sebagai bahan bakar dapat dipakai bahan bakar fosil, nuklir atau surya.

Emisi termionik ditemukan pada tahun 1883 oleh Thomas A. Edison.

Gambar X.1 prinsip konventer termionik

Sebuah konverter termionik telah dikembangkan, berkapsitas 40 watt/cm2 dengan suhu emiter 2200 oK dan jarak elektroda 0,01 cm. efisiensi dicapai sekitar 20%.

Gambar X.2 Sel konverter termoionik daya 20 kW (19 batang) umur 2 tahun

Gambar X.2 memperlihatkan suatu kombinasi antara reaktor nuklir dan konverter thermoinik, yang terdiri dari dua elektroda terisolasi satu sama lain dan dipasang pada jarak dekat, terpisah dengan celah 0,15 mm. Emiternya berbentuk silinder dari bahan molybdenum padat, dan berlubang-lubang searah sumbu, untuk bahan bakar nuklir, permukaannya dilapisi Tungsten. Temperatur didalamnya dinaikkan sampai kira-kira 1700 oC, karena energi fisi U239 melepaskan panasnya dalam reaktor itu. Elektron-elektron berkumpul di permukaan yang menyeberangi celah-celah tadi menuju ke kolektor. Karena panas kolektor relatif lebih rendah sekitar 700 oC dan terbuat dari silinder nobium, maka tidak reemisi. Elektron hanya bisa mengalir kembali ke emitter melalui rangkaian beban.Muatan ruangan di celah-celah itu dikompensasikan dengan ion calsium yang dihasilkan selama kerja (operasi) oleh kontak dengan permukaan emitter panas atau/dan atom-atom netral dengan cara tubrukan elektron.

Tegangan pemacu (driver voltage) adalah praktisinya kontak potensial antara emitter dan kolektor, sekitar 1 volt.

Emitter : mempunyai diameter 2 cm dan panjang 5 cm. di dalamnya ada lubang untuk melakukan gas fisi dari bahan bakar nuklir

Kolektor : dimuat dalam tabung pembalut dengan berlapiskan isolasi antaranya yang menyalurkan sisa panas yang tidak terpakai ke pendingin (cairan sodium). Masing-masing dari tujuh sel konventer, dihubungkan dalam serie disusun satu di atas lainnya dalam batang bahan bakar.

Reaktor : Terdiri dari 19 batang termoionik. Daya yang diperoleh dari alat ini sekitar 20 KW berumur 2 tahun dan mempunyai berat 500 kg. Konventer termoionik dipergunakan dalam satelit komunikasi. Tapi beratnya (500 kg) merupakan faktor negatif untuk dipergunakan lebih lanjut dalam satelit.

Elektron-elektron bervalensi di dalam orbit sekiling inti mempunyai energi rata-rata yang sama dengan apa yang disebut level-fermi. Elektron bergetar disekitar level fermi dengan amplitudo yang sebanding dengan temperatur mutlak. Energi fungsi kerja adalah besarnya energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron bervalensi dari suatu atom. Energi ini bervariasi menurut jenis material. Besarnya emisi panas elektron dari suatu permukaan diberikan oleh persamaan Richardson-Dushman. Menurut persamaan ini, kerapatan arus dalam ampere per meter persegi, adalah

[ x.1 ]

di mana e = muatan elektron, k = adalah konstanta Boltzmann (1,5551 x 10-4 eV/oK), T = temperatur mutlak permukaan dalam kelvin

= fungsi kerja dari permukaan dalam elektronvolt

= konstanta satuan ampere per meter persegi per kuadrat Kelvin

k = 1,2 x 106 A/m2.oK2Tabel X.1 Sifat-sifat emsi termionik beberapa material

Material

CsMo

Ni

Pt

Ta

W

W + Cs

W + Ba

W + Th

BaO

SrO1,894,2

4,61

5,32

4,19

4,52

1,5

1,6

2,7

1,5

2,20,50 x 1060,55 x 1060,30 x 1060,32 x 1060,55 x 1060,60 x 1060,03 x 1060,015 x 1060,04 x 1060,001 x 1061,00 x 106

Agar elektron dapat mencapai anoda, elektron harus mempunyai energi total Ec yang sama dengan jumlah fungsi-kerja katoda dan energi tahanan muatan ruang, atau Ec = dengan adanya energi hambatan mauatan ruang, kecepatan arus netto menjadi :

[x.2]

Tegangan keluaran E0 dari generator adalah sama dengan jumlah energi level fermi dan energi fungsi kerja katoda ditambah energi hambatan muatan ruang dikurangi energi level fermi, energi fungsi kerja dan energi hambatan muatan ruang anoda :

[x.3]

untuk tegangan keluaran yang tinggi, katoda harus mempunyai level fermi yang rendah dan fungsi kerja tinggi. Juga harus mempunyai harga yang tinggi, karena fungsi kerja yang tinggi menghalangi aliran alektron. Anoda harus mempunyai level fermi yang tinggi dan fungsi kerja yang rendah, meskipun ini akan mempertinggi emisi elektron dari anoda, sehingga mengurangi jumlah aliran netto emisi elektron dari katoda. Untuk unjuk kerja optimum, hubungan antara temperatur dan fungsi kerja kira-kira seperti berikut

[x.4]untuk menjaga agar energi hambatan muatan ruang masih dalam batas untuk suatu konventer vakum, celah antar elektroda harus dijaga sangat kecil. Pada kenyataannya, untuk efisiensi thermis optimum, celah ini hanya beberapa mikroinchi lebarnya.

Energi hambatan-muatan-ruangadalah masalah sulit diatasi dalam konventer vakum, oleh karena, oleh karena itu konverter termiionik vacum jarang digunakan. Salah penyelesaian terhadap masalah hambatan ini ialah dengan menggunakan gas terionisasi atau plasma bertekanan rendah di dalam celah antar elektroda. Penggunaan gas terionisasi atau plasma bertekanan uap pada tekanan mutlak sekitar 1 inchi Hg secara nyata mengurangi hambatan, dan memungkinkan penggunaan celah yang lebih lebar dalam generator. Kerugian utama dalam penggunan gas dalam celah antar elektroda ialah naiknya perpindahan panas.

Kemajuan yang paling penting dalam bidang konversi termionik ialah pada sistem yang menggunakan uap cesium antara kedua elektroda. Cesium mempunyai dua keuntungan yang besar dibanding dengan gas-gas yang lain. Pertama, cesium adalah uap logam yang gampang terionisasi, dan secara efektif mengurangi hambatan muatan ruang. Kedua, cesium mempunyai fungsi kerja yang rendah (1,89 eV) dan jika cesium mengembung di anoda dingin, secara efektif menurungkan fungsi kerja anoda. Untuk mendapatkan ionisasi yang cukup terhadap cesium, suhu katoda atau emiter harus melampaui 1800 oK.

Penelitian lain ditujukan pada sistem yang menggunakan gas mulia terionisasi, seperti helium dan argon. Penggunaan gas mulia mengurangi masalah korosi di dalam konventer. Dalam sistem ini gas mulia diionisasi dengan memberikan arus tekanan tinggi pada elektroda ketiga (corona discharge). Karena sistem menghasilkan listrik arus searah, keluaran daya sistem secara sederhana sama dengan produksi arus i dan voltase beban luar VL :

[x.5]

Ac adalah luas permukaan katoda dalam meter persegi dan VL adalah penurunan tegangan antara tahanan beban luar. Ada tiga jenis kerugian daya dalam operasi konventer : panas yang dipindahkan antara katoda dan anoda, baik oleh radiasi untuk konverter vakum ataupun oleh kombinasi radiasi dan konveksi pada konverter yang diisi gas atau uap. Perpindahan panas konduksi sepanjang sambungan listrik yang dihubungkan ke anoda dan katoda.

Kerugian daya yang terjadi di anoda karena fungsi kerja dan hambatan muatan ruang dari elektron yang mengembung diubah menjadi energi panas.

Jumlah perpindahan panas radiasi atau daya Pr antara anoda dan katoda dapat ditaksir dengan menggunakan persamaan perpindahan panas radiasi konvensional. Spasi antara kedua elekroda cukup kecil sehingga bisa diandaikan sebagai bidang tak terbatas. Hasilnya adalah persamaan

[x.6]

dimana :

= konstanta Stefan-Boltzmann, 5,67 x 10-8 W/m2.oK4

= emisifitas katoda

= emisifitas anoda

jika terdapat uap tekanan rendah di antara elektroda, perpindahan panas akan lebih besar karena adanya perpindahan panas konveksi.Energi potensial dari suatu elektron yang meninggalkan katoda harus lebih tinggi daripada tenaga fungsi kerja ditambah energi hambatan muatan ruang untuk elektroda, . Masing-masing elektron mempunyai energi kinetik total rata-rata sebesar 2 kTc. Untuk kerapatan arus suatu emiter netto Jo, jumlah energi dari emiter yang hilang bersama aliran elektron ialah :

[x.7]

jika kabel masukan yang dihubungkan dengan katoda mempunyai resistivitas , panjang , konduktivitas panas kw dan luas penampang Aw, jumlah perpindahan panas konduksi dari katoda dikombinasikan dengan jumlah pemanasan Joule ke katoda ialah

[x.8]

di mana adalah penurunan temperatur linier sepanjang Lw.

Karena jumlah ketiga energi ini merupakan jumlah kerugian daya dari katoda dan harus ditambahkan dengan daya yang ke konventer, efisiensi termis dari konverter dapat diperkirakan menurut :

[x.9]

sistem konversi termionik memerlukan temperatur tinggi dan sumber energi panas dengan flux panas tinggi. Sumber energi yang mungkin ialah radioisotop, elemen-elemen bahan bakar reaktor nuklir, energi matahari terkonsentrasi, dan sistem pembakaran yang menggunakan pipa pemanas. Pipa pemanas ialah alat yang memungkinkan perpindahan aliran energi panas pada jarak yang relatif panjang dengan kehilangan atau penurunan temperatur yang sangat kecil. Dalam sistem ini, panas diberikan ke fluida kerja di dalam pipa dengan mendidihkannya dan kemudian dipindahkan ke emiter termionik dengan kondensasi. Kondensat yang dihasilkan di dalam pipa dikembalikan ke bagian yang panas dengan cara gravitasi atau gaya kapiler dari suatu sumbu.Contoh soal

Sebuah konverter termoionik beroperasi dengan suatu emiter thoriated tungsten (W + Th) pada 1900 oK dengan energi hambatan muatan ruang 0,3 V dan energi hambatan kolektor 0,5 V. Hitunglah luas emitor yang diperlukan untuk memperoduksi 100 W, jika kolektor (anoda) dibuat dari Barium Oksida (BaO)

Penyelesaian

= 0,04 x 106 A/m2.oK2

= 2,7 V

= 0,001 x 106 A/m2.oK2

= 1,5 V

kerapatan arus emitor= Jc =

= 0,04 x 106 (1900)2 x exp

= 1603,7 A/m2tegangan keluaran = VL = = 2,7 + 0,3 0,5-1,5 = 1,0 V

Temperatur optimum anoda =Ta ===1056 oK

Kerapatan arus anoda = Ja = =

= 0,01 x 10 6 (1056)2 x exp =0,3 A/m2Luas konverter :

Daya keluaran= Pout = 100 We = A(Jc-Ja)VL

= A ( 1603,7 -0,3) (1,0)

Luas konverter = A = 100/1603,4 = 0,06236 m2 = 623,6 cm2Dengan mengabaiakan kerugian konduksi dan radiasi dari sistem, efisiensi termis menjadi :

=

= 30,05 %

PAGE 74Konveter Termionik

Dasar Konversi Energi

_1163592782.unknown

_1163598559.unknown

_1163598816.unknown

_1163599128.unknown

_1163599455.unknown

_1163612428.unknown

_1163599572.unknown

_1163599246.unknown

_1163599029.unknown

_1163599077.unknown

_1163598893.unknown

_1163598614.unknown

_1163598700.unknown

_1163598589.unknown

_1163593425.unknown

_1163593941.unknown

_1163598502.unknown

_1163593627.unknown

_1163593255.unknown

_1163593280.unknown

_1163593118.unknown

_1163574520.unknown

_1163591906.unknown

_1163592211.unknown

_1163592252.unknown

_1163592107.unknown

_1163576193.unknown

_1163590908.unknown

_1163575813.unknown

_1163483536.unknown

_1163573520.unknown

_1163574505.unknown

_1163573728.unknown

_1163573407.unknown

_1163483227.unknown

_1163483499.unknown

_1163482887.unknown