Simulasi penentuan posisi dan daya kipas untuk keseragaman pola aliran udara panas pada pengering ERK tipe rak dengan metode Computational Fluid Dynamics (CFD)

SIMULASI PENENTUAN POSISI DAN DAYA KIPAS UNTUK
KESERAGAMAN POLA ALIRAN UDARA PANAS PADA PENGERING
ERK TIPE RAK DENGAN METODE COMPUTATIONAL FLUID
DYNAMICS (CFD)

ALFREDO

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Simulasi Penentuan
Posisi dan Daya Kipas untuk Keseragaman Pola Aliran Udara Panas pada
Pengering ERK Tipe Rak dengan Metode Computational Fluid Dynamics (CFD)
adalah benar karya saya dengan arahan dari dosen pembimbing dan belum
diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber
informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak

diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam
Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Februari 2014
Alfredo
NIM F14090140

ABSTRAK
ALFREDO. Simulasi Penentuan Posisi dan Daya Kipas untuk Keseragaman Pola
Aliran Udara Panas pada Pengering ERK Tipe Rak dengan Metode
Computational Fluid Dynamics (CFD). Dibimbing oleh DYAH WULANDANI.
Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) adalah bangunan pengering berdinding
transparan, di dalamnya terdapat plat absorber sebagai pengumpul panas dan
wadah produk (rak atau bak) serta kipas untuk mengeluarkan uap air hasil
pengeringan atau sebagai penyeragaman suhu di dalam pengering. Sumber energi
pada pengering ERK diperoleh dari surya dan pembakaran biomassa. Masalah
ketidakmerataan aliran udara panas di dalam ruang pengering, masih menjadi
salah satu yang selalu terjadi. Pemecahan masalah ketidakmerataan aliran udara
panas dapat dilakukan dengan metode Computational Fluid Dynamics (CFD).

Penelitian ini bertujuan untuk mensimulasikan aliran udara panas dalam ruang
pengering, lalu memvalidasikan hasil tersebut dan memodifikasi posisi kipas
untuk sebaran udara panas yang lebih seragam. Metode simulasi dengan CFD
dapat digunakan untuk mengetahui pola aliran udara panas dalam pengering.
Validasi suhu dilakukan pada pukul 08.00, 12.00 dan 16.00 dengan kondisi tanpa
beban, menunjukkan hasil simulasi yang sesuai dengan kondisi nyata. Modifikasi
posisi penempatan kipas menggunakan 5 skenario. Pada simulasi modifikasi
dengan kondisi memakai beban pada pukul 12.00 hari pertama pengeringan.
Menunjukkan bahwa modifikasi 5, yaitu posisi kipas pada outlet atas sebelah kiri
dan kanan pengering memberikan hasil distribusi suhu udara pengering yang
paling seragam.
Kata kunci: Aliran udara panas, CFD, ERK

ABSTRACT
ALFREDO. Simulation of Determination Fan Position for Uniformity Pattern
Heat Air Flow at Greenhouse Effect (GHE) Solar Dryer Rack Type with
Computational Fluid Dynamics (CFD). Supervised by DYAH WULANDANI.
Greenhouse Effect (GHE) Solar Dryer is a transparent wall structure,
consists of an absorber plate as solar collector, product holders (rack, tray or
batch) and fans to discharge vapor evaporated from product or to uniform heat air

flow in dryer. The GHE solar dryer uses thermal energy source from the sun and
biomass combustion. Un-uniformity of heat air flow in dryer chamber is still to be
a big problem. Un-uniformity of heat air flow problem can be solved by using
Computational Fluid Dynamics (CFD) method. The objective of the research is to
simulate heat air flow in drying chamber then validate these results and modify
position of fan for heat air distribution more uniform. Simulation of
Computational Fluid Dynamics can be used to determine the heat air flow pattern
in dryer. Validation of temperature performed at eight, twelve and sixteen o’clock
with no load condition, have shown similar trend between simulation result and
experiment of drying temperature distribution. Modification of the position of the
fan placement using 5 scenario. Simulation performed with load condition at

twelve o’clock on the first day of drying. Simulation results show that
modification 5, the position of the fan on the outlet on the left and the right of
drying wall showed the best uniform of drying temperature distribution.
Keywords: CFD, GHE, heat air flow

SIMULASI PENENTUAN POSISI DAN DAYA KIPAS UNTUK
KESERAGAMAN POLA ALIRAN UDARA PANAS PADA
PENGERING ERK TIPE RAK DENGAN METODE

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)

ALFREDO

Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014

Judul Skripsi : Simulasi Penentuan Posisi dan Daya Kipas untuk Keseragaman
Pola Aliran Udara Panas pada Pengering ERK Tipe Rak dengan
Metode Computational Fluid Dynamics (CFD)
Nama

: Alfredo
NIM
: F14090140

Disetujui oleh

Dr Ir Dyah Wulandani, M.Si
Pembimbing Akademik

Diketahui oleh

Dr Ir Desrial, M. Eng
Ketua Departemen

Tanggal Lulus:

PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus atas segala karuniaNya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam
penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2013 ini ialah pengering ERK,
dengan judul Simulasi Penentuan Posisi dan Daya Kipas untuk Keseragaman Pola

Aliran Udara Panas pada Pengering ERK Tipe Rak dengan Metode
Computational Fluid Dynamics (CFD)
Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Dr Ir Dyah Wulandani, M.Si
selaku pembimbing, yang telah memberikan bimbingan, arahan, motivasi kepada
penulis, Dr Ir Emmy Darmawati, M.Si dan Dr Muhamad Yulianto ST, MT
sebagai dosen penguji yang telah memberikan saran untuk penelitian ini.
Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada mama, abang, dan adik
atas segala dukungan dan doanya. Terima kasih juga penulis ucapkan kepada
teman-teman sebimbingan (Elsamila, Stephani, Adit, dan Sueritah), TEP Orion
46, Komlit 46 (Eka, Victor, Jorex, Hera, dll), Komlit 47, 48, 49 atas semangat,
doa dan dukungan yang telah diberikan. Kepada pak Darma, pak Harto dan teknisi
departemen lainnya atas bantuannya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Februari 2014
Alfredo

DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL

xi

DAFTAR GAMBAR

xi

DAFTAR LAMPIRAN

xii

DAFTAR SIMBOL

xiii

PENDAHULUAN

1

Latar Belakang

1

Perumusan Masalah

2

Tujuan Penelitian

3

Manfaat Penelitian

3

Ruang Lingkup Penelitian

3

TINJAUAN PUSTAKA

3

Pengeringan

3

Aplikasi CFD pada Pengeringan Efek Rumah Kaca

4

CFD

5

Computational Fluid Dynamics (CFD)

5

Proses Simulasi CFD

6

METODE

6

Waktu dan Tempat

6

Bahan

7

Alat

7

Prosedur Penelitian

8

Persiapan Alat

8

Pengukuran dan Perhitungan

8

Pembuatan Model Geometri dan Pendefinisian Kondisi Batas

9

Percobaan Pengeringan Tanpa Beban (Percobaan 1 dan 2)

9

Simulasi dan Validasi Tanpa Beban

9

Simulasi dan Validasi Dengan Beban

9

Simulasi Modifikasi Penempatan Posisi Kipas dan Uji Keseragaman

10

Validasi Model

10

HASIL DAN PEMBAHASAN
Tahapan Awal Simulasi

11
11

Tahapan Pra-pemrosesan (Preprocessing)

11

Asumsi, Kondisi Batas dan Perhitungan Parameter Kondisi Batas

13

Asumsi

13

Kondisi Batas

13

Perhitungan Parameter Kondisi Batas

14

Penyebaran Suhu Rak Hasil Pengukuran

16

Profil Sebaran Suhu Rak Bernomor Ganjil (Pengukuran 1)

16

Iradiasi Surya (pengukuran 1)

19

Profil Sebaran Suhu Rak Bernomor Genap (Pengukuran 2)

20

Iradiasi Surya (pengukuran 2)

22

Kontur Suhu Ruang Pengering ERK Hasil Simulasi CFD pada Kondisi Tanpa
Beban
23
Suhu Ruang Pengering pada Pukul 08.00

23

Suhu Ruang Pengering pada Pukul 12.00

24

Suhu Ruang Pengering pada Pukul 16.00

25

Kontur Suhu Ruang Pengering ERK Hasil Simulasi CFD pada Kondisi dengan
Beban
27
Validasi Model

28

Modifikasi Posisi Kipas Menggunakan Simulasi CFD

30

Modifikasi 1 Terdapat Dua Kipas di Tiap Ruang Pengering

30

Modifikasi 2 Terdapat Empat Kipas di Tiap Ruang Pengering

32

Modifikasi 3 Terdapat Satu Kipas di Tiap Ruang Pengering

33

Modifikasi 4 Kipas di Outlet Tiap Ruang Pengering

36

Modifikasi 5 Kipas di Outlet Atas Tiap Ruang Pengering

36

SIMPULAN DAN SARAN

37

Simpulan

37

Saran

38

DAFTAR PUSTAKA

38

LAMPIRAN

40

RIWAYAT HIDUP

75

DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

Tingkat keseragaman suhu rak bernomor ganjil
Tingkat keseragaman suhu rak bernomor genap
Distribusi suhu rak pada simulasi tanpa beban pukul 08.00
Distribusi suhu rak pada simulasi tanpa beban pukul 12.00
Distribusi suhu rak pada simulasi tanpa beban pukul 16.00
Distribusi suhu rak pada simulasi dengan beban
Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada modifikasi 1
Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada modifikasi 2
Distribusi suhu rak pada modifikasi 3 ΔP 4.905, 50 dan 100
Koefisien relasi antara pressure jump (ΔP) dengan CV
Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada modifikasi 4
Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada modifikasi 5

19
22
24
25
26
28
31
33
35
35
36
37

DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27

Hasil simulasi CFD pada pengering ERK (Wulandani, 2005)
Alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) hybrid
Diagram alir penelitian
Tampilan isometri geometri 3D pengering ERK
Tampilan depan geometri 3D pengering ERK
Tampilan hasil mesh geometri pengering ERK
Diagram alir simulasi
Posisi dan penomoran rak
Grafik suhu rak I D
Grafik suhu rak II B
Grafik suhu rak III D
Grafik suhu rak IV B
Profil iradiasi surya pengukuran 1
Grafik suhu rak I B
Grafik suhu rak II D
Grafik suhu rak III B
Grafik suhu rak IV D
Profil iradiasi surya pengukuran 2
Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul 08.00 (Z = 0.5325 m)
Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul 08.00 pada sumbu X
Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul 12.00 (Z = 0.5325 m)
Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul 12.00 pada sumbu X
Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul 16.00 (Z = 0.5325 m)
Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul 16.00 pada sumbu X
Kontur suhu simulasi dengan beban (Z = 0.5325 m)
Kontur suhu simulasi dengan beban pada sumbu X
Perbandingan suhu hasil pengukuran dengan suhu hasil simulasi (pukul
08.00)
28 Perbandingan suhu hasil pengukuran dengan suhu hasil simulasi (pukul
12.00)

4
7
11
12
12
13
16
17
17
18
18
18
20
20
21
21
21
23
24
24
25
25
26
26
27
27
28
28

29 Perbandingan suhu hasil pengukuran dengan suhu hasil simulasi (pukul
16.00)
30 Perbandingan suhu hasil pengukuran dengan suhu hasil simulasi
menggunakan beban
31 Kontur suhu pada modifikasi 1 v = 0.5 m/s
32 Kontur suhu pada modifikasi 1 v = 1.5 m/s
33 Kontur suhu pada modifikasi 2 v = 0.5 m/s
34 Kontur suhu pada modifikasi 1 v = 1.5 m/s
35 Kontur suhu pada modifikasi 3 porous jump 50
36 Kontur suhu pada modifikasi 3 porous jump 100
37 Kontur suhu pada modifikasi 3 porous jump 4.905
38 Grafik hubungan pressure jump dengan CV
39 Kontur suhu pada modifikasi 4
40 Kontur suhu pada modifikasi 5

29
29
31
31
32
32
34
34
34
35
36
37

DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22

Perhitungan data input CFD pada pukul 08.00 tanpa beban
Tabel validasi suhu pada pukul 08.00 kondisi tanpa beban
Tabel validasi suhu pada pukul 12.00 kondisi tanpa beban
Tabel validasi suhu pada pukul 16.00 kondisi tanpa beban
Tabel validasi suhu pada pukul 12.00 kondisi dengan beban
Data intensitas cahaya matahari
Data input CFD (Boundary condition) pukul 08.00 kondisi tanpa beban
Data input CFD (Boundary condition) pukul 12.00 kondisi tanpa beban
Data input CFD (Boundary condition) pukul 16.00 kondisi tanpa beban
Data input CFD (Boundary condition) pukul 12.00 kondisi dengan
beban
Tabel ΔP, efisiensi, daya kipas dan keseragaman suhu modifikasi 3
Data pengukuran suhu (oC) rak pengukuran 1
Data pengukuran suhu (oC) rak pengukuran 1 (lanjutan)
Distribusi suhu rak pada pengukuran 1
Data pengukuran suhu (oC) rak pengukuran 2
Data pengukuran suhu (oC) rak pengukuran 2 (lanjutan)
Distribusi suhu rak pada pengukuran 2
Data pengukuran suhu (oC) atap, dinding, HE dan lantai pengukuran 1
Data pengukuran suhu (oC) atap, dinding, HE dan lantai pengukuran 2
Tingkat keseragaman suhu rak bernomor ganjil selama pengukuran
Tingkat keseragaman suhu rak bernomor genap selama pengukuran
Tahapan Penggunaan ANSYS Fluent untuk Simulasi

DAFTAR SIMBOL
Re
ρ
v
D
μ

Bilangan Reynold
Massa jenis (kg/m3)
Kecepatan (m/dtk)
Diameter spesifik (m)
Viskositas dinamik (kg/ms)

40
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
65
66
66
67

h
Nu
k
l
q/A
I
τα
Td
T∞
α
Dp
ε
C2
k
ΔP
D
ΔTln
Gr
g
β
T
x
ν
Ra
Pr
η
P
ṁ

Koefisien pindah panas konveksi (W/m2K)
Bilangan Nusselt
Konduktivitas panas (W/mK)
Ketebalan dinding (m)
Fluks panas (W/m2)
Iradiasi surya (W/m2)
Hasil kali koefisien tembus cahaya penutup transparan
Suhu dinding (oC)
Suhu lingkungan (oC)
Permeabilitas permukaan (m2)
Diameter produk (m)
Porositas tumpukan produk
Koefisien porous jump (1/m)
Koefisien kehilangan pada penukar panas
Penurunan tekanan (Pa)
Diameter pipa HE (m)
Bilangan Grashoff
Gaya gravitasi (m/s2)
Koefisien (1/oC)
Suhu (K)
Panjang pipa HE (m)
Viskositas kinematik (m2/s)
Bilangan Rayleigh
Bilangan Prandtl
Efisiensi kipas
Daya kipas (Watt)
Laju aliran massa (kg/dtk)

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pengeringan hasil pertanian secara khusus adalah pengeluaran air dari suatu
hasil pertanian sampai tercapai kadar air keseimbangan dengan udara lingkungan
atau sampai tingkat kadar air dimana jamur, serangga dan enzim yang bersifat
merusak tidak dapat aktif lagi. Pada umumnya keadaan ini dicapai pada tingkat
kadar air 12-14% basis basah (Henderson dan Perry, 1976).
Bahan pangan yang dihasilkan dari produk-produk pertanian pada umumnya
mengandung kadar air. Kadar air jika tidak dihilangkan dapat mempengaruhi
kondisi fisik bahan pangan. Proses pengeringan akan mengakibatkan produk yang
dikeringkan mengalami perubahan warna, tekstur, rasa dan aroma. Faktor-faktor
yang mempengaruhi pengeringan terdiri dari faktor udara pengering dan sifat
bahan. Faktor yang berhubungan dengan udara pengering adalah suhu, kecepatan
aliran udara pengering, dan kelembaban udara, sedangkan faktor yang
berhubungan dengan sifat bahan yaitu ukuran bahan, kadar air awal, dan tekanan
parsial dalam bahan (Fellow, 2001).
Pada umumnya, pengeringan produk pertanian masih dilakukan secara
tradisional yaitu pengeringan dengan cara penjemuran di bawah sinar matahari
secara langsung. Usaha untuk melakukan proses pengeringan dapat pula
dilakukan dengan menggunakan pengering efek rumah kaca (ERK), yaitu
bangunan berbentuk segi empat, silinder atau kerucut terpancung dan berdinding
transparan. Dinding plastik transparan ini berfungsi sebagai perangkap gelombang
panjang yang dipancarkan oleh sinar matahari, sehingga terjadi akumulasi panas
yang dimanfaatkan untuk pengeringan produk pertanian. Salah satu keuntungan
dengan menggunakan pengering ERK adalah produk lebih bersih dan tidak
terkontaminasi dengan bahan yang tidak dikehendaki.
Dalam proses pengeringan masalah distribusi aliran panas yang belum
merata menyebabkan menurunnya kinerja alat pengering, nampan-nampan pada
pengering tipe rak dapat menyebabkan terjadinya perbedaan suhu antara bagian
atas dan bagian bawah rak pengering. Wulandani dan Nelwan (2009) melaporkan
bahwa, tingkat keseragaman suhu udara pengering pada alat pengering tipe rak
yang sama digunakan dalam penelitian ini saat kondisi tanpa beban yang
dinyatakan dengan nilai standar deviasi, pada posisi vertikal antara rak atas dan
rak bawah adalah sebesar 2.4oC, 1.2oC dan 2.7oC pada masing-masing kolom rak.
Sedangkan pada posisi horisontal, diperoleh standar deviasi sebesar 2.3oC dan
3.1oC, masing-masing pada rak atas dan rak bawah. Hartini (2010) dalam
penelitiannya menunjukkan bahwa terjadi perbedaan suhu antara rak bagian atas
dengan rak bagian bawah sebesar 4oC pada kondisi tanpa beban. Sedangkan
Aritesty (2013) dalam penelitiannya menunjukkan perbedaan suhu antara rak
bagian atas dengan rak bagian bawah pada pengering ERK saat pukul 12.00
dengan kondisi tanpa beban adalah sekitar 4oC pada hari pertama dan sekitar
22.7oC pada pengamatan hari kedua. Sitanggang (2010) melakukan pengujian dan
simulasi suhu, kecepatan udara pada mesin pengering produk pertanian energi
surya tipe rak bertingkat menggunakan program CFD. Kriteria mesh yang
digunakan berupa tipe pave dengan elemen quad dengan ukuran yang disesuaikan

2
kebutuhan. Hasilnya menunjukkan bahwa model rak mesin pengering yang
disusun secara zig-zag pada analisa simulasi modifikasi jauh lebih baik
dibandingkan dengan model rak yang tersusun bertingkat yang diuji secara
langsung di lapangan. Yunus dan Kayiem (2013) mensimulasikan pengering ERK
tipe rak bertingkat dengan CFD. Kriteria mesh yang digunakan berupa tipe pave
dengan elemen tri dengan ukuran interval sebesar 1.5 – 3. Model yang digunakan
berupa P-1 radiation model, aliran steady dan kompresibel. Hasil simulasi riset
tersebut menunjukkan error suhu sebesar 11.3% - 31.6%.
Masalah ketidakseragaman kadar air produk hasil pengeringan juga
merupakan akibat dari ketidakmerataan aliran panas di dalam ruang pengering,
khususnya tipe rak. Untuk memecahkan masalah tersebut perlu dilakukan suatu
analisis sifat dan pola aliran serta distribusi udara di dalam ruang pengering.
Distribusi dan pola aliran udara diduga ditentukan oleh geometri ruang pengering,
lokasi penempatan inlet dan outlet, penempatan dan kapasitas daya kipas, susunan
rak, dan lokasi sumber panas di dalam bangunan pengering. Dengan
mensimulasikan distribusi dan pola aliran udara ini, akan dapat ditentukan desain
bangunan beserta penempatan parameter-parameter penentu diatas secara tepat
sehingga tujuan keseragaman mutu produk terpenuhi.
Pemecahan analisis aliran udara dapat dilakukan dengan metode CFD
(Computational Fluid Dynamics). Metode CFD menggunakan analisis numerik
yaitu kontrol volume sebagai elemen dari integrasi persamaan-persamaan yang
terdiri dari persamaan keseimbangan massa, momentum dan energi (Versteeg dan
Malalasekera, 1995). Dengan demikian penyelesaian persamaan untuk benda dua
dimensi atau tiga dimensi lebih cepat dan dapat dilakukan secara simultan.
Melalui CFD dapat ditentukan desain dengan penempatan kipas, sistem pemanas,
sistem penyaluran udara dan wadah produk dan penghematan energi akan tercapai
dan efisiensi meningkat.

Perumusan Masalah
Performansi suatu pengering dapat dipengaruhi oleh dua hal. Pertama suhu
udara pengering di dalam pengering ERK sangat berfluktuasi karena sangat
dipengaruhi oleh keberadaan surya. Iradiasi surya sifatnya selalu berubah dan
besar iradiasinya sangat dipengaruhi oleh waktu, lokasi dan musim. Kedua adalah
distribusi aliran panas dalam ruang pengering yang belum merata, khususnya pada
pengering tipe rak. Nampan-nampan pada tipe rak ini dapat menyebabkan
distribusi udara yang kurang baik dan menurunkan kinerja pengeringan
(Wulandani, 2005).
Penelitian mengenai aliran udara panas di dalam pengering ERK dengan
metode CFD digunakan untuk mendapatkan pola aliran udara serta distribusi
suhu. Distribusi dan pola aliran udara diduga ditentukan oleh geometri ruang
pengering, lokasi penempatan kipas. Dengan mensimulasikan distribusi dan pola
aliran udara ini, akan dapat ditentukan posisi kipas sehingga tujuan keseragaman
udara panas dapat terpenuhi.

3
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk mensimulasikan pola aliran udara panas
yang terjadi dalam ruang pengering. Memvalidasikan antara hasil pengukuran
dengan hasil simulasi menggunakan CFD dan melakukan simulasi penempatan
posisi kipas untuk mendapatkan aliran udara panas yang lebih seragam dalam
ruang pengering.

Manfaat Penelitian
Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat meningkatkan performa
pengeringan pada pengering ERK tipe rak terutama untuk kegiatan pengeringan
produk-produk pertanian; kedua, hasil penelitian ini bermanfaat bagi pemakai alat
pengering ERK, terutama bagi para petani maupun industri dan ketiga adalah hasil
disain dari simulasi dinamika fluida dalam pengering ERK ini dapat dimanfaatkan
sebagai dasar kerangka acuan dalam menentukan disain optimal suatu pengering
produk-produk pertanian, untuk skala kecil maupun besar serta untuk
pemanfaatan lainnya.

Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup dari penelitian ini adalah mensimulasikan pola aliran udara
panas dalam ruang pengering ERK tipe rak pada kondisi tanpa beban saat pukul
08.00, 12.00 dan pukul 16.00. Dasar dari penentuan pukul tersebut adalah ingin
diketahuinya kondisi dan hasil simulasi CFD pada posisi dan intensitas matahari
dari kondisi yang berbeda.
Simulasi pada kondisi dengan beban saat pukul 12.00 hari pertama
pengeringan. Pemilihan pukul 12.00 hari pertama pengeringan pada kondisi
menggunakan beban adalah karena pada kondisi tersebut, bahan yang dikeringkan
masih berada pada tahap dimana kadar air cukup tinggi dan intensitas matahari
tinggi.
Memvalidasikan pola udara panas hasil simulasi pada kondisi tanpa beban
dan kondisi menggunakan beban. Mensimulasikan penempatan posisi dan daya
kipas dengan kondisi memakai beban pada pukul 12.00 pada hari pertama
pengeringan.

TINJAUAN PUSTAKA
Pengeringan
Pengeringan hasil pertanian secara khusus adalah pengeluaran air dari suatu
hasil pertanian sampai tercapai kadar air keseimbangan dengan udara lingkungan
atau sampai tingkat kadar air dimana jamur, serangga dan enzim yang bersifat
merusak tidak dapat aktif lagi. Pada umumnya keadaan ini dicapai pada tingkat
kadar air 12-14% basis basah (Henderson dan Perry, 1976).

4
Hall (1957) dan Broker (1974) menyatakan, pengeringan adalah suatu proses
pengurangan kadar air sampai pada batas tertentu sehingga memperlambat laju
kerusakan bahan pertanian akibat aktivitas biologis dan kimia sebelum bahan
diolah atau dimanfaatkan. Proses pengeringan merupakan proses pengeluaran air
dari bahan pertanian menuju kadar air keseimbangan dengan udara di
sekelilingnya atau pada tingkat dimana mutu bahan pertanian dapat dijaga dari
serangan kapang, aktivitas serangga, dan enzim (Henderson dan Perry, 1976).
Menurut Brooker et al., (1974), salah satu parameter yang mempengaruhi
waktu pengeringan yang dibutuhkan adalah suhu udara pengering. Laju
penguapan air bahan dalam pengering sangat ditentukan oleh kenaikan suhu. Bila
suhu pengering dinaikkan maka panas yang dibutuhkan untuk penguapan air
bahan menjadi berkurang. Suhu udara pengering berpengaruh terhadap lama
pengeringan dan kualitas bahan hasil pengeringan. Makin tinggi suhu udara
pengering maka proses pengeringan makin singkat. Biaya pengeringan dapat
ditekan pada kapasitas yang besar jika digunakan pada suhu tinggi, selama suhu
tersebut tidak sampai merusak bahan.

Aplikasi CFD Pada Pengeringan Efek Rumah Kaca
Wulandani, et al (2003) menggunakan metode CFD dalam menganalisis
distribusi suhu dan kecepatan aliran udara dalam ruang pengering ERK. Dalam
riset ini dilakukan simulasi posisi inlet dan outlet pada bangunan pengering dan
perubahan ukuran model menjadi prototipe bangunan pengering dengan memakai
dua skenario simulasi. Hasil riset tersebut menunjukkan bahwa model simulasi
dapat menggambarkan kondisi nyata sebesar 89%.
Wulandani (2005) telah menggunakan teknik CFD untuk mensimulasi udara
pengering pada pengeringan ERK tipe rak. Dalam riset ini dilakukan analisis
distribusi udara yang mencakup kecepatan, suhu dan RH serta dilanjutkan dengan
melakukan validasi model tersebut terhadap hasil percobaan. Analisis ini penting
untuk mengoptimasikan bentuk saluran udara yang harus didisain untuk
menyeragamkan aliran udara pada pengering, sehingga diperoleh keseragaman
kadar air yang berarti juga keseragaman kualitas biji. Gambar 1 menunjukkan
salah satu hasil simulasi CFD berupa sebaran suhu pada pengering tipe rak yang
dilakukan Wulandani (2005).

Kipas tengah
Kipas
atas
Inlet
Penukar
panas
Kipas
bawah

Outlet

Rak

Gambar 1 Hasil simulasi CFD pada pengering ERK (Wulandani, 2005)

5
Gambar 1 terdiri dari dua buah inlet masing-masing berukuran 0.1 m x 1 m
pada ketinggian 1.4 m. Dua buah outlet masing-masing berukuran 0.2 m x 0.8 m
pada ketinggian 0.8 m pada dinding yang berseberangan dengan inlet. Tiga buah
kipas dengan diameter masing-masing 0.2 m. Kipas bawah dengan daya 100 W,
kipas tengah berdaya 40 W dan kipas atas dengan daya 100 W. Hasil simulasi
CFD pada Gambar 1 menghasilkan nilai rata-rata suhu pada seluruh rak sebesar
45.4oC dengan nilai ragam sebesar 1.6 oC.
Teknik CFD dalam analisis distribusi aliran udara juga digunakan oleh
Nugraha (2005) dalam mensimulasikan pola aliran udara, suhu dalam ruang
pengering ERK tipe rak pada proses pengeringan mahkota dewa. Hasil riset
menunjukkan error rata-rata untuk validasi suhu sebesar 5.10%.
Widodo (2009) dalam risetnya juga menggunakan metode CFD dalam
mengkaji pola sebaran aliran udara panas pada pengering ERK hibrid tipe rak
berputar. Widodo menggunakan enam skenario alat pengering berdasarkan bentuk
geometri ruang pengering dan posisi inlet outlet untuk mendapatkan model
pengering yang optimum.

CFD
Computational Fluid Dynamics (CFD)
Ditinjau dari istilah, Computational Fluid Dynamics (CFD) terdiri dari dua
kata :
• Computational : Segala sesuatu yang berhubungan dengan
matematika dan metode numerik atau komputasi.
• Fluid Dynamics : Dinamika dari segala sesuatu yang mengalir
Ditinjau dari istilah diatas, CFD berarti suatu teknologi komputasi yang
memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang
mengalir. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi
aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan
menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika) (Tuakia,
2008).
Terdapat 3 keuntungan penggunaan CFD, antara lain :
1. Pemahaman mendalam (Insight)
Analisis CFD mampu mendesain sebuah sistem atau alat yang sulit untuk
dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian. Analisis ini mampu
masuk secara virtual ke dalam alat atau sistem yang dirancang.
2. Prediksi menyeluruh (Foresight)
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah alat untuk memprediksi yang
akan terjadi pada alat atau sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi
batas dan dapat segera menentukan desain optimal.
3. Efisiensi waktu dan biaya (Efficiency)

6
Prediksi menyeluruh (Foresight) yang diperoleh CFD mampu membantu
untuk mendesain lebih cepat dan hemat uang. Analisis CFD akan lebih efisien
waktu riset dan desain sehingga akan mencapai sasarannya.
Proses Simulasi CFD
Proses simulasi CFD terdapat tiga tahapan, yaitu :
1. Pra-pemprosesan (Preprocessing)
Pra-pemprosesan adalah membuat model dalam paket CAD (Computer
aided design), membuat grid yang sesuai dan membuat kondisi batas dan sifatsifat fluidanya.
2. Pencarian solusi (solving)
Tahap solving adalah tahap dilakukan perhitungan mengenai kondisikondisi yang telah diterapkan pada tahap pra-pemprosesan guna mendapatkan
solusi. Solusi teknik numerik untuk mencari solusi di dalam CFD terdiri atas
beberapa metode, yaitu difference, finite element dan spectral method (Tuakia,
2008).
3. Pasca pemprosesan (Post processing)
Tahap pasca pemrosesan adalah tahap penyajian hasil simulasi CFD dengan
visualisasi warna untuk memudahkan dalam menganalisis. Tampilan hasil yang
didapat meliputi :
1. Hasil geometri dan grid yang terbentuk.
2. Plot berdasarkan vektor.
3. Plot berdasarkan kontur.
4. Plot berdasarkan permukaan (2D atau 3D).
Prosedur yang terdapat pada semua pendekatan program CFD, yaitu :
1. Pembuatan geometri dari model/problem.
2. Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil
(meshing)
3. Pendefinisian model fisik
4. Pendefinisian kondisi-kondisi batas
5. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan
secara iteratif, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transien
6. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD (Tuakia, 2008)

METODE
Waktu dan Tempat
Kegiatan penelitian dilaksanakan mulai bulan Februari 2013 sampai
Oktober 2013 dan bertempat di Laboratorium Lapang Siswadhi Soepardjo

7
Leuwikopo dan Laboratorium Energi, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem,
Fakultas Teknologi Pertanian, IPB, Bogor.

Bahan
Bahan yang diperlukan adalah minyak tanah, kayu sebagai pemanas
tambahan yang berasal dari biomassa. Data-data fisik dari temulawak dan
polikarbonat sebagai data input simulasi.

Alat
1. Alat pengering yang digunakan adalah alat pengering Efek Rumah Kaca
(ERK) Hybrid yang dilengkapi dengan tungku sebagai pemanas tambahan hasil
rancangan Wulandani dan Nelwan (2009). Alat pengering ini terdiri dari beberapa
bagian utama yaitu bangunan rumah kaca dengan dimensi : p = 3.1 m, l = 1.065 m
dan t = 2.315 m. Dinding dan atap terbuat dari bahan tembus cahaya
(polycarbonate) dengan tebal 0.001 m. Plat penutup pada bagian bawah terbuat
dari plat besi (esser) dicat hitam berfungsi sebagai absorber . Produk yang akan
dikeringkan ditempatkan pada rak bersusun vertikal dengan dimensi p = 0. 5 m , l
= 0.6 m, berjumlah 144 buah terbagi kedalam delapan kolom susunan rak.
Masing-masing kolom terdiri dari 18 level tersebar ke dalam dua segmen kiri dan
kanan.
Tungku biomassa ditempatkan ditengah bangunan yang bertujuan untuk
menghasilkan energi panas yang dapat menjangkau kedua segmen ruang
pengering. Udara panas yang berasal dari tungku ditransfer melalui heat
exchanger (HE) yang terletak diatas tungku. Udara panas tersebut disirkulasikan
menggunakan kipas. Gambar alat pengering dapat dilihat pada Gambar 2.

Atap

Dinding transparan
Heat exchanger
Rak

Lantai absorber
Tungku

Gambar 2 Alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) Hybrid
2. – Perangkat lunak
a. Proses pembuatan gambar dan meshing : Gambit 2.4.6
b. Proses simulasi dan analisis CFD : ANSYS 12.1 : Fluent 6.3
c. Penunjang analisis data hasil simulasi : Ms. Office & Ms. Excel 2007
- Perangkat keras

8
a. Komputer Dell
b. Laptop Axioo
3. Alat pengukuran
Termokopel tipe CC yang dapat mengukur suhu antara -200oC – 300oC,
hybrid recorder Yokogawa tipe 3058, anemometer model Kanomax tipe 6011,
pyranometer model EKO tipe MS-401, multimeter, penggaris, meteran,
termometer raksa.

Prosedur Penelitian
Pada penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan yang dapat dilihat
pada diagram alir penelitian pada Gambar 3.
Persiapan Alat
Persiapan alat dilakukan untuk membersihkan alat pengering, memperbaiki
beberapa kerusakan yang ada, mengecek kesiapan instrument pengukuran,
menentukan titik-titik pengukuran pada alat pengering, melakukan pengukuran
dimensi alat serta mengindetifikasi bahan konstruksi alat pengering.
Pengukuran dan Perhitungan
Pengukuran dilakukan sebanyak 3 kali. Pengukuran pertama dilakukan
untuk mendapatkan data-data yang diperlukan pada proses simulasi CFD dan
validasi kondisi tanpa menggunakan beban. Pengukuran dilakukan pada pukul
08.00, 12.00 dan 16.00 yang meliputi pengukuran kecepatan angin pada kipas
inlet dan ruangan pengering, iradiasi matahari, suhu rak, dinding, atap, lantai serta
pipa penukar panas. Pengukuran kedua dan ketiga merupakan pengukuran untuk
mengetahui profil sebaran suhu rak pada ruang pengering.
Perhitungan digunakan untuk mendapatkan nilai-nilai yang dimasukkan
pada simulasi. Perhitungan-perhitungan yang diperlukan diperoleh dari persamaan
dibawah ini :
1. Perhitungan aliran laminar
ρvD
Re =
μ

2. Perhitungan parameter kondisi batas pada dinding
2 a. Koefisien pindah panas konveksi (h)
�� � �
h=
�
2 b. Fluks panas
�
= (I x τα) – [h x (Td – T∞ )]
�
3. Perhitungan parameter kondisi batas pada rak. Rak berupa plat berlubang
dianggap sebagai porous jump. Nilai α dan C2 dinyatakan dalam persamaan yang
terdapat pada Wulandani (2005).
3 a. Permeabilitas permukaan (α)
α=

D 2p

ε2

150 (1−ε)2

3 b. Koefisien porous jump (C2)

9
C2 =

3.5 (1−ε)
Dp ε 3

4. Perhitungan parameter kondisi batas pada heat exchanger (HE). Nilai k
dinyatakan dalam persamaan yang terdapat pada Wulandani (2005).
4 a. Koefisien kehilangan (k)
2 x ΔP
k=
2
ρ x v kipas

4 b. Koefisien pindah panas konveksi (h)
h = (Nu x k)/D
4 c. Fluks panas (q/a)
q/a = h x ΔTln
Pembuatan Model Geometri dan Pendefinisian Kondisi Batas
Alat pengering ERK yang disimulasikan terlebih dahulu dibuatkan model
geometri 3D dengan menggunakan perangkat lunak Gambit 2.4.6 yang meliputi :
atap, lantai, dinding, pipa-pipa heat exchanger, inlet dan outlet beserta rak-rak
pengering. Setelah model geometri dibuat, dilakukan pendefinisian bidang batas
setiap bagian geometri, seperti atap, dinding dan lantai didefinisikan sebagai wall,
pipa-pipa heat exchanger sebagai radiator, inlet sebagai velocity inlet, outlet
sebagai outflow dan rak-rak pengering sebagai porous jump. Setelah pendefinisian
selesai dilakukan proses meshing atau proses pembuatan grid-grid pada model
geometri.
Percobaan Pengeringan Tanpa Beban (Percobaan 1 dan 2)
Percobaan pengeringan tanpa beban 1 dan 2 adalah percobaan pengeringan
yang dilakukan untuk mengetahui profil sebaran suhu rak dari pukul 08.00 –
pukul 17.00. Percobaan 1 dilakukan pengukuran suhu rak nomor urut ganjil pada
kolom rak ID, IIB, IIID dan IV B. Percobaan II pengukuran suhu rak nomor urut
genap pada kolom rak IB, IID, IIB dan IVD. Untuk skema dari posisi rak tersebut
dapat dilihat pada Gambar 8.
Simulasi dan Validasi Tanpa Beban
Tahapan simulasi kondisi tanpa beban adalah mensimulasikan hasil
pengukuran dari percobaan pengeringan tanpa beban (percobaan pendahuluan)
pada pukul 08.00, 12.00 dan 16.00. Dasar dari penentuan jam tersebut adalah
ingin diketahuinya kondisi dan hasil simulasi CFD pada posisi dan intensitas
matahari dari kondisi yang berbeda. Hasil simulasi tersebut yang berupa
parameter suhu lalu divalidasikan dengan hasil pengukuran pada titik-titik yang
telah ditentukan.
Simulasi dan Validasi Dengan Beban
Tahapan simulasi kondisi menggunakan beban adalah mensimulasikan hasil
pengukuran dari percobaan pengeringan menggunakan temulawak sebagai beban
berdasarkan hasil penelitian Aritesty (2013) pada pukul 12.00 hari pertama
pengeringan. Pemilihan pukul 12.00 adalah karena pada kondisi tersebut, bahan
yang dikeringkan masih berada pada tahap dimana kadar air cukup tinggi dan
intensitas matahari tinggi sehingga kondisi tersebut memungkinkan terjadinya
ketidakseragaman suhu yang tinggi pada antar rak. Hasil simulasi berupa
parameter suhu yang telah didapatkan lalu divalidasikan, dan apabila telah valid

10
hasil simulasi tersebut digunakan untuk tahapan simulasi modifikasi posisi
penempatan kipas.
Simulasi Modifikasi Penempatan Posisi Kipas dan Uji Keseragaman
Modifikasi penempatan posisi kipas pada penelitian ini menggunakan lima
skenario. Pertama, terdapat dua kipas di tiap ruang pengering kanan dan kiri.
Kedua, terdapat empat kipas di tiap ruang pengering. Ketiga, terdapat satu kipas di
tiap ruang pengering. Keempat, posisi kipas berada di outlet samping tiap ruang
pengering. Kelima, posisi kipas berada di outlet atas tiap ruang pengering. Hasil
simulasi dari tiap skenario tersebut diuji nilai keseragamannya dan dilihat pola
aliran udara panasnya. Keseragaman yang terbesar atau nilai koefisien variasi
terkecil dan sebaran yang paling seragam itulah yang dijadikan rekomendasi.
Validasi Model
Validasi model dilakukan dengan membandingkan suhu rak hasil simulasi
dengan suhu rak hasil pengukuran di lapang. Validasi pada kondisi tanpa beban
menggunakan data pada hasil pengukuran pertama yang sudah terlampir pada
tabel validasi (Lampiran 2 – Lampiran 4 ) dan tabel data input CFD (Lampiran 7 –
Lampiran 10). Sedangkan hasil pengukuran lapang untuk validasi dan data input
kondisi batas CFD dengan kondisi memakai beban menggunakan hasil dari
penelitian Aritesty (2013) pada pukul 12.00 percobaan hari pertama pengeringan.
Hasil tersebut telah diringkas dan terlampir pada Lampiran 5 untuk validasi model
dan Lampiran 10 untuk data input CFD.
Keakuratan hasil simulasi dengan hasil pengukuran dinyatakan dalam
persentase error. Error dinyatakan dengan persamaan:
Error =

suhu simulasi (℃)−suhu pengukuran (℃)
suhu pengukuran (℃)

� 100%

Menurut Karmeli dalam Nuryawati (2011), distribusi suhu hasil simulasi
juga divalidasi dengan menghitung koefisien keseragaman dan koefisien variasi.
Apabila nilai koefisien keseragaman (CU) lebih dari 75% dan nilai koefisien
variasi (CV) kurang dari 15%, maka dikatakan bahwa hasil simulasi telah baik.
Persamaannya dinyatakan sebagai berikut:
CV =

σ
|μ |

CU = 100 �1 −

∑��=1|� � − � |
∑��=1 � �

�

dimana CV adalah koefisien variasi (coefficient of variation), CU adalah koefisien
keseragaman (coefficient of uniformity) (%), σ adalah standar deviasi, μ adalah
rata-rata suhu hasil simulasi (oC), Xi adalah suhu hasil pengukuran (oC), dan n
adalah jumlah data.

11
Mulai

Persiapan alat

Pengukuran dan perhitungan

Data yang diperlukan
untuk tahapan simulasi

Percobaan pengeringan tanpa
beban (percobaan pendahuluan)
Pembuatan model geometri bangunan
pengering dan pendefinisian kondisi batas
Simulasi tanpa beban

Valid
(Error suhu < 10%)

Tidak

Ya
Data profil sebaran
suhu rak di kedua
ruang pengering
Data riset
Aritesty (2013)

Percobaan pengeringan tanpa
beban (percobaan 1 dan 2)
Percobaan pengeringan dengan
beban menggunakan temulawak
Simulasi dengan beban

Valid
(Error suhu < 10%)

Tidak

Pendefinisian
kondisi batas

Ya
Simulasi modifikasi daya dan posisi
penempatan kipas dan uji keseragaman
CV dan standar deviasi
terkecil serta pola aliran
udara yang paling seragam

Standar keseragaman
-Nilai CV
-Nilai Standar deviasi

Rekomendasi

Selesai

Gambar 3 Diagram alir penelitian

HASIL DAN PEMBAHASAN
Tahapan Awal Simulasi
Tahapan Pra-pemrosesan (Preprocessing)
1. Pembuatan model geometri 3 dimensi bangunan pengering ERK dan rak
disesuaikan dengan dimensi aslinya.

12

Gambar 4 Tampilan isometri geometri 3D pengering ERK

Gambar 5 Tampilan depan geometri 3D pengering ERK
2. Pembuatan grid (mesh) model, jenis mesh harus dapat memenuhi kriteria baik
sehingga konvergensi proses simulasi lebih cepat tercapai. Kriteria yang
digunakan adalah nilai worst element ≤ 0.85. Pengering ERK yang dibuatkan ke
mesh model menggunakan elemen : Tet/Hybrid, tipe : Tgrid, ukuran interval :
0.04 cm – 0.05 cm. Pemilihan jenis mesh didasarkan pada pemilihan yang
dilakukan secara otomatis oleh software Gambit berdasarkan skema dan geometri
yang tersusun serta ukuran mesh yang didapatkan berdasarkan trial and error
untuk mendapatkan kualitas / nilai worst element ≤ 0.85.

13

Gambar 6 Tampilan hasil mesh geometri pengering ERK
Asumsi, Kondisi Batas dan Perhitungan Parameter Kondisi Batas
Asumsi
1. Udara tidak termampatkan (incompressible), ρ konstan
2. Bilangan Prandtl udara konstan (panas jenis, konduktivitas dan viskositas
udara konstan)
3. Udara bergerak dalam keadaan steady
4. Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi
5. Kecepatan angin dianggap konstan
6. Aliran udara dianggap laminar. Aliran laminar jika Re < 2000 (Holman,
1997). Nilai dan perhitungan aliran laminar pada ruang pengering
ditunjukkan pada Lampiran 1.
Kondisi Batas
Pengering ERK dibatasi oleh dinding yang berbentuk bangunan segiempat
dengan atap miring serta outlet yang terletak di kanan kiri bangunan berbentuk
trapesium. Contoh parameter penentu kondisi batas pada analisis ini adalah
diambil dari kondisi batas untuk data validasi pada pukul 08.00 :
1. Inlet sekaligus kipas dianggap sebagai velocity inlet : 3 m/s
2. Outlet dianggap sebagai outflow dengan ratio bukaan 0.1
3. Dinding pada geometri pengering ERK terdapat dua bagian, yaitu dinding
ruang pengering sebelah kanan dan kiri. Parameter kondisi batas untuk
dinding sebelah kanan adalah sebagai berikut :
- Fluks panas = 259 W/m2
- Suhu dinding = 34.6 oC
- Ketebalan dinding = 0.001 m
- Koefisien pindah panas konveksi (h) = 2.98 W/m2 oC
- Emisivitas = 0.61 (Hartini, 2010)
- Laju pembentukan panas = 0 W/m2
4. Rak dianggap sebagai porous jump.
Kondisi batas porous jump adalah kondisi batas yang digunakan untuk
mewakili kondisi suatu lapisan tipis yang memiliki karakteristik

14
kecepatan (penurunan tekanan), yang biasanya digunakan untuk
pemodelan sekat, layar, penyaring dan radiator yang tidak terkait dengan
pindah panas (berdasarkan ANSYS FLUENT User Guide).
Rak dengan kondisi tanpa beban memliki parameter sebagai berikut :
- Permeabilitas permukaan (α) = 0 m2
- Tebal rak = 0 m
- Koefisien porous jump (C2) = 0 (1/m)
5. Pipa penukar panas (heat exchanger) yang terdapat di tengah bangunan
pengering sebagai radiator terdiri dari dua bagian, yaitu bagian kanan
dan kiri bangunan pengering. Parameter kondisi batas untuk HE (heat
exchanger) bagian kanan adalah sebagai berikut :
- Koefisien kehilangan (k) = 42.02
- Koefisien pindah panas konveksi (h) = 48.62 W/m2 oC
- Suhu penukar panas = 31.1 oC
- Fluks panas = 213.08 W/m2
Untuk data input kondisi batas CFD secara lengkap pada kondisi tanpa
beban dan dengan beban dapat dilihat pada Lampiran 7 – Lampiran 10.
Perhitungan Parameter Kondisi Batas
1. Perhitungan parameter kondisi batas pada dinding menggunakan
persamaan sebagai berikut :
a. Koefisien pindah panas konveksi (h)
Koefisien pindah panas konveksi pada dinding dianggap sebagai konveksi
bebas. Nilai h ini dinyatakan dalam persamaan yang diberikan Churchill dan Chu
dalam Holman (1997) :
gβTx 3

Gr = 2
ν
Ra = Gr x Pr
Nu = �0.825 +
h=

0.387 �� 1/6

[1+(0.492/�� )9/16 ]

�� � �

8/27 �

2

�

Iradiasi surya didefinisikan sebagai fluks dari atap dan dinding – dinding
bangunan pengering. Fluks panas dapat dihitung melalui persamaan sebagai
berikut:
�
= (I x τα) – h ( Td – T∞ )
�

2. Perhitungan parameter kondisi batas pada penukar panas.
a. Koefisien kehilangan (k)
Pη
ΔP =
v inlet x A inlet

k=

2 x ΔP
ρ x v 2kipas

b. Koefisien pindah panas konveksi (h)

15
Koefisien pindah panas konveksi pada penukar panas dihitung sebagai
aliran menyilang rangkunan tabung (tube bank) yang dinyatakan di persamaan
dalam Cengel (2003) :
ρf =

p
RT

SD = ���2 + (��/2)2
AD = (SD – D) L
AT = (ST – D) L
2 AD > AT
v maks =
Re =

��

��−�

ρf v maks D

�

μ

Nu = 0.35 (ST/SL)0.2 (Re)0.6 (Pr)0.36 (Pr/Prs)0.25
Faktor koreksi = 0.76
NuD = Nu x faktor koreksi
h = (NuD x k)/(D)
c. Fluks panas (q/a)
A=NxπxDxL
ṁ = ρ∞ x v x n x SL x L
Te = THE – [(THE – Tinlet) x (Exp (–A x h))/(ṁ x Cp)]
ΔTln = [(THE – Te) – (THE – Tinlet)]/[Ln (THE – Te)/(THE – Tinlet)]
q/a = h x ΔTln
Rincian perhitungan parameter kondisi batas pada kondisi pukul 08.00
tanpa beban dapat dilihat pada Lampiran 1.
Secara keseluruhan tahapan dalam simulasi dapat dilihat pada diagram alir
di Gambar 7. Sedangkan untuk tahapan penggunaan ANSYS Fluent untuk simulasi
dapat dilihat pada Lampiran 20.

16
Mulai

Pembuatan geometri dan meshing

Pendefinisian bidang batas pada geometri

Pengecekan mesh

Kualitas mesh baik ?
(worst element 0.85 dan mendekati nilai 1

Ya
Data sifat fisik
Penentuan kondisi batas

Proses numerik

Ya

Iterasi error ?
Tidak

Plot distribusi temperatur

Selesai

Gambar 7 Diagram alir simulasi

Penyebaran Suhu Rak Hasil Pengukuran
Profil Sebaran Suhu Rak Bernomor Ganjil (Pengukuran 1)
Hasil pengukuran suhu rak pengering ERK dikelompokkan berdasarkan
ruang pengering, posisi rak dan urutan posisi rak dari posisi paling atas.
Pengambilan data dilakukan pada hari yang berbeda. Gambar 8 memperlihatkan
skema dari posisi rak.

17

1

IV

17

III
II

B
I

D

Gambar 8 Posisi dan penomoran rak
Keterangan : Angka romawi I – IV, menunjukkan baris ruang pengering
Huruf D dan B, menunjukkan posisi rak. D = Depan, B = Belakang
Angka 1- 17 menunjukkan posisi rak dimulai dari urutan paling atas.
Grafik perubahan suhu rak bernomor ganjil dapat dilihat pada Gambar 9 –
Gambar 12. Data suhu rak pada pengukuran 1 dapat dilihat pada Lampiran 12 dan
13.

Gambar 9 Grafik suhu rak I D

18

Gambar 10 Grafik suhu rak II B

Gambar 11 Grafik suhu rak III D

Gambar 12 Grafik suhu rak IV B
Gambar 9 – Gambar 12 menunjukkan profil suhu rak yang memiliki pola
yang cenderung seragam. Profil memperlihatkan perubahan suhu, dimana terjadi
penurunan suhu mulai dari rak yang paling atas sampai yang terbawah.
Tabel 1 memperlihatkan tingkat keseragaman suhu tiap rak selama
pengukuran yang dinyatakan dengan nilai standar deviasi. Rak-rak yang berada di
ruang pengering I,II cenderung lebih seragam dibandingkan rak-rak yang berada

19
di ruang pengering III,IV. Hal itu terlihat dari nilai keseragaman yang lebih kecil
dan terjadi akibat beberapa sebaran data suhu seperti atap, dinding dan lantai pada
ruang pengering I,II selama pengukuran lebih kecil dari ruang pengering III,IV.
Keseragaman suhu rak pada waktu yang sama selama pengukuran dapat dilihat
pada Lampiran 20. Data suhu lantai, atap, dinding dan HE selama pengukuran
dapat dilihat pada Lampiran 18.
Tabel 1 Tingkat keseragaman suhu rak bernomor ganjil
ID
Standar
deviasi
Rak

IIB
Standar
deviasi
Rak

IIID
Standar
deviasi
Rak

IVB
Standar
deviasi
Rak

1
3
5
7
9
11
13
15
17

1
3
5
7
9
11
13
15
17

1
3
5
7
9
11
13
15
17

1
3
5
7
9
11
13
15
17

(oC)
8.81
6.77
7.17
7.06
4.76
5.13
5.00
4.34
4.11

Ratarata

5.91

Ratarata

(oC)

(oC)
8.40
4.66
3.46
3.27
3.48
2.94
2.68
2.69
2.31
3.77

Ratarata

(oC)

(oC)
3.90
4.35
3.84
4.45
3.88
4.64
3.11
3.50
2.74
3.91

Ratarata

(oC)

(oC)
8.82
5.73
4.76
4.58
4.27
3.92
3.22
3.43
2.86
4.62

(oC)

Dari keseluruhan data yang terukur, rak nomor 17 memiliki nilai suhu yang
paling kecil serta standar deviasi yang paling kecil. Hal ini dapat terjadi, karena
rak 17 terdapat pada posisi paling bawah, tertutupi oleh rak-rak yang ada
diatasnya, sehingga penerimaan sinar matahari menjadi kecil dan tidak tidak
terlalu terpengaruh. Keseragaman paling kecil terjadi dari pukul 12.00 – 13.30,
dimana puncak intensitas matahari terjadi (Gambar 13) . Profil suhu yang terjadi
bersifat fluktuatif. Hal ini sangat dipengaruhi terhadap besar kecilnya penyinaran
matahari. Adapun penyinaran matahari tersebut sangat dipengaruhi oleh faktor
penutupan awan. Untuk mengetahui distribusi suhu rak selama pengukuran 1
dapat dilihat pada Lampiran 14.
Iradiasi Surya (Pengukuran 1)
Radiasi surya yang terukur selama proses percobaan terlihat seperti pada
Gambar 13.

20

Gambar 13 Profil iradiasi surya pengukuran 1
Selama pengambilan data iradiasi surya, besarnya iradiasi yang terukur
bersifat fluktuatif. Iradiasi terbesar ada pada pukul 13.30 sebesar 914.29 W/m2
sedangkan yang terendah pada pukul 17.00 sebesar 28.57 W/m2. Iradiasi rata-rata
yang diperoleh sebesar 490.98 (W/m2). Faktor utama terjadinya iradiasi surya
yang bersifat fluktuatif adalah faktor cuaca terutama penutupan awan. Iradiasi
pada pukul 13.00 mengalami penurunan yang drastis, tetapi mengalami kenaikan
kembali pada pukul 13.30, hal ini terjadi karena adanya penutupan oleh awan
gelap yang sesaat.
Profil Sebaran Suhu Rak Bernomor Genap (Pengukuran 2)
Gambar 14 – Gambar 17 menunjukkan grafik suhu rak bernomor genap.

Gambar 14 Grafik suhu rak I B

21

Gambar 15 Grafik suhu rak II D

Gambar 16 Grafik suhu rak III B

Gambar 17 Grafik suhu rak IV D
Gambar 14 – Gambar 17 menunjukkan profil suhu rak yang memiliki pola
yang cenderung seragam. Profil memperlihatkan perubahan suhu, dimana terjadi
penurunan suhu mulai dari rak yang paling atas sampai yang terbawah dan
cenderung memiliki bentuk pola sebaran yang sama. Keseragaman suhu rak dapat
dilihat pada Tabel 2. Keseragaman suhu rak pada waktu yang sama selama
pengukuran dapat dilihat pada Lampiran 21.

22
Tabel 2 Tingkat keseragaman suhu rak bernomor genap
IB
Standar
deviasi
Rak

2
4
6
8
10
12
14
16

(oC)
6.09
2.55
4.13
3.80
3.58
3.80
3.66
3.27

Ratarata

3.86

o

( C)

IID
Standar
Rak deviasi

2
4
6
8
10
12
14
16

(oC)
6.34
5.74
4.15
3.23
3.32
3.10
2.62
2.39

Ratarata

3.86

o

( C)

IIIB
Standar
Rak deviasi

2
4
6
8
10
12
14
16

(oC)
7.31
6.54
6.35
6.01
5.30
5.45
5.15
3.15

Ratarata

5.66

o

( C)

IVD
Standar
Rak deviasi

2
4
6
8
10
12
14
16

(oC)
2.74
6.33
6.48
6.32
5.28
5.44
4.71
3.10

Ratarata

5.05

o

( C)

Tingkat keseragaman pada rak genap memperlihatkan, hasil yang sama pada
pengukuran rak ganjil atau pengukuran 1. Rak pada bagian I,II memiliki tingkat
keseragaman yang lebih kecil dibandingkan bagian III,IV. Hal ini juga disebabkan
karena beberapa data distribusi suhu seperti atap, dinding dan lantai selama
pengukuran lebih kecil dibandingkan ruang pengering III,IV. Keseragaman suhu
rak terkecil terjadi pada pukul 12.30 – 13.00, dimana puncak intensitas matahari
terjadi sama seperti pada pengukuran 1 (Gambar 18). Data pengukuran suhu atap,
lantai, HE dan dinding pada ruang pengering selama pengukuran dapat dilihat
pada Lampiran 19.
Iradiasi Surya (Pengukuran 2)
Selama pengambilan data iradiasi surya, besarnya iradiasi yang terukur
bersifat fluktuatif. Iradiasi terbesar ada pada pukul 13.00 sebesar 985.71 W/m2
sedangkan yang terendah pada pukul 17.00 sebesar 85.71 W/m2. Iradiasi rata-rata
yang diperoleh sebesar 532.33 W/m2. Faktor utama terjadinya iradiasi surya yang
bersifat fluktuatif adalah faktor cuaca terutama penutupan awan. Iradiasi pada
pukul 13.30 mengalami penurunan yang drastis, tetapi mengalami kenaikan
kembali pada pukul 14.00, hal ini terjadi karena adanya penutupan oleh awan
gelap yang hanya sesaat. Data pengukuran iradiasi surya pada pengamatan
pertama dan kedua dapat dilihat pada Lampiran 6. Grafik iradiasi surya
pengamatan kedua dapat dilihat pada Gambar 18.

23

Gambar 18 Profil iradiasi surya pengukuran 2
Berdasarkan hasil pengukuran 1 dan 2 didapatkan bahwa tingkat
keseragaman suhu rak pada ruang pengering I,II lebih baik dibandingkan ruang
pengering III,IV. Hal itu terlihat dari nilai standar deviasi pada ruang pengering
I,II lebih kecil dibandingkan ruang pengering III,IV.

Kontur Suhu Ruang Pengering ERK Hasil Simulasi CFD Pada Kondisi
Tanpa Beban
Simulasi CFD pengering ERK bertujuan untuk mengetahui pola dan sebaran
suhu yang terjadi pada ruang pengering. Simulasi dengan kondisi tanpa beban
dilakukan dengan tiga waktu yang berbeda yaitu pada pukul 08.00, 12.00 dan
16.00. Data input kondisi batas simulasi tanpa beban dapat dilihat pada Lampiran
7, 8 dan 9.
Suhu Ruang Pengering P