Kajian Pola Sebaran Aliran Udara Panas Pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan Computational Fluid Dynamics

KAJIAN POLA SEBARAN ALIRAN UDARA PANAS

PADA MODEL PENGERING EFEK RUMAH KACA HIBRID

TIPE RAK BERPUTAR MENGGUNAKAN

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

PUJI WIDODO

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2009

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN

SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Kajian Pola Sebaran Aliran Udara Panas pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan Computational Fluid Dynamics adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal dan dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.

Bogor, 20 Agustus 2009

Puji Widodo

ABSTRACT

PUJI WIDODO. Study of heatflow distribution pattern on Hybrid Green-house Effect (GHE) Solar Dryer with Rotating Racks Type Using Computational Fluid Dynamics (CFD). Under supervision of DYAH WULANDANI and Y. ARIS PURWANTO

Uniformity of moisture content of product is one of the problem at GHE Solar Dryer with static racks type dan horizontal rotating racks type. The distribution of heatflow inside the chamber during drying period has an effect on the uniformity of moisture content in the product. The hypothesis in this study was the geometry of drying chamber as well as the position of inlet-outlet has an effect on the heatflow distribution in GHE.

The objective of this study were : 1) to study the heatflow distribution in GHE solar dryer with rotating racks by simulation model using computational fluid dynamic (CFD), 2) to validate the model, and 3) to design GHE solar dryer prototype, and 4) to simulate of heatflow distribution inside GHE prototype.

There were 6 scenarios of GHE solar dryer model that simulated based on outlet form and inlet position. The parameter for simulation process were solar radiation, airflow velocity, ambient relative humidity, and drying chamber boundary condition. The solar dryer model was selected based on the CFD analysis which resulted the higest average temperature.

It was found that Scenario 5 resulted the average temperature of 43.5oC with standard deviation 2.2oC and average airflow velocity of 0.13m/s with standard deviation 0.15m/s . Validation of temperature at scenario 5 for three experiments resulted the absolute percentage determination (APD) of 0.36%, 1.97%. dan 2.42%. For airflow velocity resulted APD of 0.38%, 0.33% and 0.76%. Relative humidity resulted APD of 0.38%, 0.36% dan 0.76%.

Based on these results, the GHE solar dryer was then designed and constructed. The prototype of GHE solar dryer with rotating racks has dimention of 250x150x190 cm, has 3 silinders , 48 racks, 3 fans and 3 radiators with the capasity of 100 kg of products. The simulation using CFD for the prototype of GHE solar dryer showed that the average temperature distribution was 53.6oC with standard deviation of 1.28oC and the average velocity distribution of 0.30m/s with standartd deviation of 0.2m/s.

Key words : GHE solar dryer, computational fluid dynamic, drying process, ,

simulation model of GHE.

RINGKASAN

PUJI WIDODO. Kajian Pola Sebaran Aliran Udara Panas Pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan Computational Fluid

Dynamics (CFD). Dibimbing oleh DYAH WULANDANI dan Y ARIS

PURWANTO.

Keseragaman kadar air akhir produk yang dikeringkan masih menjadi masalah yang banyak dijumpai pada pengering ERK tipe rak statis dan rak yang berputar secara horisontal. Keseragaman kadar air produk ini akan berpengaruh terhadap kualitas produk. Salah satu penyebabnya adalah distribusi aliran udara panas yang tidak merata di dalam ruang pengering selama proses pengeringan.

Distribusi aliran udara panas diduga dipengaruhi oleh bentuk geometri ruang pengering dan posisi penempatan inlet-outlet. Analisis CFD dapat digunakan untuk menentukan model distribusi suhu yang terbaik melalui simulasi dan validasi model pengering.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkaji pola aliran udara optimal model pengering efek rumah kaca tipe rak berputar dengan melakukan simulasi menggunakan software Gambit dan Fluent; Menguji dan menvalidasi model pengering efek rumah kaca; Merancang prototipe pengering ERK dan melakukan simulasi pola aliran udara pada prototipe pengering ERK.

Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan model Gambit dan simulasi Fluent dalam 6 skenario alat pengering berdasarkan bentuk geometri ruang pengering dan posisi inlet-outlet agar diperoleh model pengering ERK hibrid yang optimum. Variabel input dalam proses simulasi meliputi : iradiasi matahari, suhu, kecepatan aliran udara, sifat-sifat udara dan material pengering.

Berdasarkan analisis CFD kemudian ditentukan pemilihan model secara kuantitatif didasarkan pada rata-rata simulasi CFD suhu tertinggi dan digunakan sebagai acuan dalam pembuatan model ERK hibrid tipe rak berputar skala labolatorium.

Hasil simulasi suhu CFD pada beberapa skenario menunjukkan bahwa Skenario 5 telah menghasilkan suhu ruang pengering tertinggi yaitu : 43.5oC dengan deviasi standar 2.2oC dan kecepatan aliran udara rata-rata yaitu : 0.12 m/dt dengan deviasi standar 0.15 m/dt.

Validasi simulasi dilakukan dengan membandingkan nilai suhu dan kecepatan udara antara hasil pengukuran dengan hasil simulasi dari model pengering yang optimum. Validasi suhu Skenario 5 yang dilakukan dengan 3 kali percobaan diperoleh hasil bahwa nilai simpangan mutlak 0.36% , 1.97% dan 2.42%, sedangkan validasi kecepatan aliran udara diperoleh simpangan mutlak 0.38%, 0.33% dan 0.76% serta validasi kelembaban udara diperoleh bahwa simpangan mutlak 0.38%, 0.36% dan 0.76%.

Hasil validasi distribusi suhu, kecepatan dan kelembaban udara digunakan sebagai pertimbangan untuk membuat rancangan pengering ERK hibrid tipe rak berputar skala lapang. Rancangan pengering ERK hibrid tipe rak berputar skala lapang memiliki kapasitas pengeringan 100 kg produk dan memiliki dimensi panjang, lebar dan tinggi berturut-turut 250, 150 dan 180 cm, di dalam ruang pengering terdapat 3 silinder sebagai tempat bergantung 48 rak pengering, terdapat pula 3 kipas dan 3 radiator.

Simulasi suhu CFD pada pengering ERK hibrid tipe rak berputar skala lapang menunjukkan bahwa distribusi suhu rata-rata ruang pengering 53.6oC dengan deviasi standar 1.2oC dan distribusi kecepatan aliran udara rata-rata 0.30m/dt dengan deviasi standar 0.2 m/dt sehingga pengering ERK skala lapang ini sesuai untuk digunakan sebagai alat pengering cengkeh yang optimal.

@Hak Cipta milik IPB, tahun 2008 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang

1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan nara sumber

a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyususnan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah

b. Pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya

KAJIAN POLA SEBARAN ALIRAN UDARA PANAS

PADA MODEL PENGERING EFEK RUMAH KACA HIBRID

TIPE RAK BERPUTAR MENGGUNAKAN

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

PUJI WIDODO F151070081

Tesis

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada

Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2009

Judul Tesis : Kajian Pola Sebaran Aliran Udara Panas Pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan

Computational Fluid Dynamics

Nama : Puji Widodo NRP : F151070081

Disetujui Komisi Pembimbing

Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si Dr. Ir. Y. Aris Purwanto,M.Sc

Ketua Anggota

Diketahui :

Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

Dr.Ir. Radite P. A. Setiawan, M.Agr Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodipuro, MS

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Alloh SWT dengan segala Maha KesempurnaanNya, dan shalawat kepada Nabi Muhammad SAW sebagai tauladan umat.

Alhamdulillah, penulis dapat menyelesaikan penelitian dengan judul ”Kajian Pola Sebaran Udara Panas Pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan Computational Fluid Dynamics.

Penelitian ini merupakan bagian dari penelitian Hibah Bersaing pada proyek Pengembangan Alat Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) Hybrid Tipe Rak Berputar Untuk Penyeragaman Aliran Udara Panas yang dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional, 5 Maret 2008.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan rasa terima kasih yang mendalam kepada :

1. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si selaku ketua komisi pembimbing, atas segala arahan dan bimbingannya selama pendidikan, penelitian dan penyelesaian tesis.

2. Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M.Sc sebagai anggota komisi pembimbing, atas segala arahan dan bimbingannya selama pendidikan, penelitian dan penyelesaian tesis.

3. Dr.Ir. Teguh Wikan Widodo, M.Sc sebagai penguji luar komisi pada ujian tesis.

4. Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Proyek Hibah Bersaing, Surat Perjanjian Pelaksanaan Desentralisasi Penelitian No. 318/SP2H/PP2M/2008, yang telah memberikan dana dalam penelitian ini.

5. Teman-teman TMP satu angkatan 2007: Pak Sigit, Mas Arief, Mas Wilson, Pak Edy, Mas Wahyu, Pak Tahir, Bu Anik, Bu Novi, Bu Ida dan Bu Yuli serta Pak Lilik dan Mas Diswandi, atas kebersamaannya selama pendidikan dan kepada Pak Harto, Mas Firman dan Mas Darma, atas bantuan teknis selama penelitian.

6. Ketulusan hati dan pengorbanan serta doa dari keluarga, isteriku Sri Dalwati dan anak-anak tersayang : Iffah Nida Fadhilla, Muhammad Adnan Azizi dan

Muhammad Zaky Ramadhan merupakan penyemangat bagi penulis dalam menyelesaikan sekolah pasca sarjana.

Penulis menyadari masih terdapat kekurangan dalam penulisan penelitian ini. Oleh karena itu kritik, saran dan koreksi sangat kami harapkan demi penyempurnaan penelitian dan semoga bermanfaat.

Bogor, 20 Agustus 2009

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Yogyakarta pada tanggal 23 Oktober 1965 dari ayah Basuki dan Ibu Bunijah. Penulis merupakan putra kedua dari tiga bersaudara.

Tahun 1985 penulis lulus dari SMA Negeri 3 Yogyakarta dan pada tahun yang sama lulus seleksi penerimaan mahasiswa baru pada Fakultas Teknologi Pertanian , Jurusan Mekanisasi Pertanian, Universitas Gadjah Mada Yogyakarta.

Pada bulan Agustus Tahun 1994, penulis lulus program S-1, dan pada bulan Januari 1995 penulis bekerja di Balai Besar Pengembangan Mekanisasi Pertanian, Badan Penelitian dan Pengembangan, Departemen Pertanian RI sebagai Perekayasa pada mesin prosesing sampai saat sekarang.

Selama bekerja di Balai Besar Pengembangan Mekanisasi Pertanian, penulis telah mengahasilkan rekayasa alat : pelet pakan ternak, pengering pelet tipe rak, mesin pemanen kedelai, perontok polong kacang tanah, pengering kacang tanah, pengupas kacang tanah, sortir kacang tanah, pengering kista artemia, delinter kapas tipe kering, dan pengering semprot (spary dryer) kapasitas 1 dan 5 liter/jam.

Tahun 1999, penulis berkesempatan mendapat tugas training dari Departemen Pertanian pada program Farm Mechanization II di Tsukuba, Jepang yang diselenggarakan oleh JICA pada bulan Februari sampai November.

Tahun 2007, penulis mendapat ijin tugas belajar untuk melanjutkan ke sekolah pasca sarjana, Institut Pertanian Bogor pada Program Studi Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Fakultas Teknik Pertanian, Departemen Teknik Pertanian.

Tahun 2008, penulis turut serta dalam penelitian Hibah Bersaing yang dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi pada tanggal 5 Maret. Selama penelitian telah dihasilkan 2 makalah seminar dengan judul Analisis Computable Fluid Dynamics (CFD) pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hybrid Tipe Rak Berputar untuk Pengeringan Cengkeh yang disampaikan pada Seminar Nasional Mekanisasi Pertanian, Cimanggu-Bogor, 23 Oktober 2008 dan makalah Simulasi Model Pengering ERK Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan

Computational Fluid Dynamics (CFD) yang disampaikan pada seminar Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor, Bogor, Juni 2009.

i

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR ISI……… i

DAFTAR TABEL ………. ii

DAFTAR GAMBAR ……… iii

DAFTAR LAMPIRAN ……… iv

DAFTAR SIMBOL ………... v

BAB I. PENDAHULUAN ……… 1

1.1. Latar Belakang ……….. 1

1.2. Hipotesa... 3

1.3. Tujuan Penelitian ……….. 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ………. 4

2.1. Pengeringan ………... 4

2.2. Pengering Berenergi Surya ………... 6

2.3. Hasil-hasil Pengering ERK Pada Berbagai Produk Pertanian ………….. 8

BAB III. PENDEKATAN TEORI ……….. 9

3.1 Teknik Simulasi CFD ……… 9

3.2. Proses Simulasi CFD ………. 10

3.3. Metode Diskritisasi CFD ……….. 11

3.4. RH Udara Pengering………. 14

BAB IV METODOLOGI ………. 15

4.1. Waktu dan Tempat Penelitian ………... 15

4.2. Peralatan dan Bahan ……….. 15

4.2.1. Peralatan ……….. 15

4.2.2. Bahan ……….. 15

4.3. Tahapan Penelitian ……… 17

4.3.1. Penentuan Rancangan Model Pengering ERK……… 19

4.3.2. Pengujian dan Validasi ……… 21

4.3.3. Perancangan prototipe pengering ERK……… 24

BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN ……….. 26

5.1. Simulasi Model Pengering dengan Gambit ……….... 26

5.1.1. Bentuk Domain 3D Model Pengering ... 26

5.1.2. Sebaran Suhu Udara Pengering ... 28

5.1.3. Sebaran Kecepatan Aliran Udara ... 33

5.2. Hasil Disain Alat Pengering ERK Hibrid Tipe Rak Berputar ... 38

5.2.1. Model Pengering ERK Hibrid Tipe Rak Berputar ... 38

5.2.2. Mekanisme Kerja Alat Pengering ERK Hibrid Tipe Rak Berputar... 49

5.2.3. Sistim operasional pengering ERK hibrid tipe rak berputar... 40

5.3. Validasi Suhu Ruang Pengering ... 40

5.3.1. Validasi Kecepatan ... 43

5.3.2. Kelembaban Udara Ruang Pengering ... 46

5.4. Perancangan Pengering ERK Skala Lapang... 48

5.5. Disain Pengering ERK Skala Lapang Tipe Rak Berputar... 49

5.6. Simulasi pengering ERK hibrid skala lapng ... 50

BAB VI. SIMPULAN DAN SARAN... 53

6.1. Simpulan ... 53

6.2. Saran ... 53

ii

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 1. Laju pengering rata-rata pada masing-masing rak ……… 8 Tabel 2. Kondisi batas pada simulasi suhu dan kecepatan udara

skenario 1-6……… 28

Tabel 3. Kondisi batas pada validasi suhu, kecepatan dan RH ruang pengering... 41 Tabel 4. Perancangan pengering ERK skala Lab. ... 48

iii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1. Model pengering ERK Hibrid skala Labolatorium... 16

Gambar 2. Disain model pengering ERK hibrid……….. 17

Gambar 3. Diagram alur penelitian ………. 18

Gambar 4. Model pengering ERK hibrid………. 19

Gambar 5. Skenario bentuk geometri model pengering ……….. 20

Gambar 6. Letak titik pengukuran suhu, kecepatan udara dan RH ………… 23

Gambar 7. Skenario 1-6 model pengering ……….. 27

Gambar 8. Sebaran suhu pada skenario 1……… 29

Gambar 9. Sebaran suhu pada skenario 2... 29

Gambar 10. Sebaran suhu pada skenario 3... 30

Gambar 11. Sebaran suhu pada skenario 4... 30

Gambar 12. Sebaran suhu pada skenario 5... 31

Gambar 13. Sebaran suhu pada skenario 6 ... 31

Gambar 14. Perbandingan suhu rata-rata skenario 1-6... 32

Gambar 15. Sebaran kecepatan danvektor aliran udara pada skenario 1... 33

Gambar 16. Sebaran kecepatan danvektor aliran udara pada skenario 2... 34

Gambar 17. Sebaran kecepatan danvektor aliran udara pada skenario 3... 34

Gambar 18. Sebaran kecepatan danvektor aliran udara pada skenario 4... 35

Gambar 19. Sebaran kecepatan danvektor aliran udara pada skenario 5... 35

Gambar 20. Sebaran kecepatan danvektor aliran udara pada skenario 6... 36

Gambar 21. Kecepatan aliran udara Skenario 1-6... 37

Gambar 22. Model pengering ERK hibrid tipe rak berputar... 39

Gambar 23. Bidang simulasi CFD percobaan 1... 41

Gambar 24. Bidang simulasi CFD percobaan 2... 41

Gambar 25. Bidang simulasi CFD percobaan 3... 42

Gambar 26. Validasi suhu ruang pengering ... 43

Gambar 27. Hasil simulasi kecepatan pada percobaan 1 ... 44

Gambar 28. Hasil simulasi kecepatan pada percobaan 2 ... 44

Gambar 29. Hasil simulasi kecepatan pada percobaan 3 ... 44

Gambar 30. Validasi kecepatan aliran udara pada model pengering... 45

Gambar 31. Validaasi kelembaban udara ruang pengering... 47

Gambar 32. Prototipe pengering ERK hibrid tipe rak berputar... 49

Gambar 33. Bentuk dasar prototipe ERK hibrid... 50

Gambar 34. Sebaran suhu pada irisan melintang alat pengering ERK hibrid.... 51

iv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Data percobaan 1, 2 dan 3 ...………..…… 56

Lampiran 2. Perhitungan kondisi batas ruang pengering………. 65

Lampiran 3. Perhitungan simulasi suhu pada skenario 1-6... 71

Lampiran 4. Perhitungan simulasi kecepatan udara ruang pengering ... 73

Lampiran 5. Perhitungan kondisi batas ruang pengering untuk validasi suhu, kecepatan dan RH udara ... 75

Lampiran 6. Validasi suhu udara ruang pengering... 77

Lampiran 7. Validasi kecepatan udara ruang pengering ... 80

Lampiran 8. Validasi RH udara ruang pengering ... 83

Lampiran 9. Perhitungan kondisi batas ruang pengering ... 86 Lampiran 10. Lampiran 10. Perhitungan rancangan pengering ERK

hibrid skala lapang... 93 Lampiran 11. Distribusi suhu memotong x = 1250mm pada pengering

skala lapang ... 97

v

DAFTAR SIMBOL

Simbol : Keterangan : Satuan

A : luas penampang m2

H : kelembaban mutlak kg/kg

a

H : kelembaban mutlak lingkungan kg/kg udara kering w

H : kelembaban mutlak bahan kg/kg udara kering

N : jumlah data -

P : tekanan Pa

Pv : tekanan uap Pa

s

P : tekanan jenuh air Pa

c

Q : Nilai hasil simulasi o

Q : Nilai hasil pengukuran

R : konstanta gas ideal J/mol oC

a

RH : kelembaban udara lingkungan %

r

RH : kelembaban udara pengering %

i

S : sumber gerakan energi dalam m3dtk-1 Mx

S : sumber gerakan momentum arah x m3dtk-1 My

S : sumber gerakan momentum arah y m3dtk-1 Mz

S : sumber gerakan momentum arah z m3dtk-1

T : suhu oC

a

T : suhu lingkungan oC

w

T : suhu bahan oC

W : kadar air %

h : koefisien konveksi W/moC

k : koefisien konduksi W/moC

t : waktu Detik

u : kecepatan arah x m/dtk

v : kecepatan arah y m/dtk

w : kecepatan arah z m/dtk

x : koordinat arah x m/dtk

y _{: koordinat arah y Detik}

z : koordinat arah z m/dtk

ρ _{: berat jenis kg/m}3

u

ρ : densitas arah x kg/m3

v

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Pengeringan pada produk pertanian tertentu (cengkeh) menghendaki kandungan minyak dalam bahan tetap utuh sehingga diperlukan pencegahan terhadap penguapan minyak dan tidak dilakukan pengadukan agar diperoleh bahan yang akan dikeringkan tidak mengalami penurunan kualitas. Oleh karena itu diperlukan pengering cengkeh tipe rak. 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.

Masalah yang terjadi pada proses pengeringan cengkeh menggunakan rak-rak statis adalah ketidakseragaman pada penurunan kadar air, suhu dan lama waktu pengeringan antara rak atas, tengah dan bawah. Perbedaan hasil ini diperoleh karena perbedaan posisi rak dalam ruang pengering. Udara pada rak-rak yang dekat dengan sumber panas pada umumnya akan memiliki suhu yang tinggi dan sebaliknya yang jauh dari sumber panas akan memiliki suhu yang rendah. Hal tersebut di atas menyebabkan kualitas hasil pengeringan cengkeh yang tidak seragam.

Wulandani (1997) melaporkan bahwa perbedaan suhu terjadi pada ruang pengering pada proses pengeringan kopi berkisar 6oC antara bagian atas dan bawah plat hitam yang dipasang horisontal di atas ruang pengering pada ruang pengering transparan tipe bak. Mursalim (1995) mendapatkan perbedaan suhu sekitar 10oC antara rak bagian tengah dan bawah pada pengeringan panili. Menurut Mujumdar (2001), distribusi aliran panas dalam ruang pengering belum

2

merata khususnya pengeringan yang menggunakan tipe rak pada pengeringan cengkeh. Nampan-nampan pada tipe rak ini dapat menyebabkan distribusi udara yang kurang baik dan menurunkan kinerja pengeringan karena waktu pengeringan terlama dari produk yang terletak di nampan tertentu menjadi penyebab lama pengeringan secara keseluruhan, dan masalah ini menentukan total kapasitas pengeringan. Ratnawati (2003), melaporkan bahwa perbedaan suhu terjadi pada ruang pengering sekitar 8.4oC antara rak bagian atas dan bagian bawah pengering pada propses pengeringan cengkeh. Nugraha (2005), menyatakan pula bahwa dalam proses pengeringan mahkota dewa, masalah distribusi aliran udara panas yang belum merata menyebabkan menurunnya kinerja alat pengering, Masalah ketidakseragaman kadar air produk hasil pertanian juga merupakan akibat ketidakrataan aliran udara panas di dalam ruang pengering.

Untuk mengatasi permasalahan tersebut di atas, maka dalam penelitian ini akan dirancang alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) tipe rak berputar dengan sistim pemanasan hibrid (surya dan biomassa) agar diperoleh keseragaman suhu dalam ruang pengering atau produk yang dikeringkan akan menerima panas yang sama di setiap posisi rak-rak berputar.

Untuk menentukan disain optimum, dalam perancangan ERK tipe rak berputar vertikal skala labolatorium digunakan analisis Computational Fluid Dyanamics (CFD). Disain optimum didasarkan pada keseragaman nilai suhu dan kecepatan aliran udara. CFD adalah sistem analisis yang meliputi aliran fluida, perpindahan panas, dan fenomena seperti reaksi kimia yang berdasarkan simulasi komputer. CFD pada penelitian ini menggunakan software Gambit dan software Fluent yang mampu melakukan simulasi sebaran udara panas dan kecepatan aliran udara ke dalam virtual model atau prototipe dari sebuah sistem dengan menerapkan kondisi nyata di lapang dan hasil analisis CFD dapat berupa prediksi secara kuantitatif dan kualitatif. Simulasi distribusi dan pola aliran udara panas ini diharapkan dapat menentukan disain ruang pengering beserta penempatan inlet dan outlet secara lebih tepat sehingga tujuan keseragaman aliran udara panas terpenuhi.

3

1.2. Hipotesa

Hipotesa penelitian ini adalah bahwa distribusi dan pola aliran udara panas diduga dipengaruhi oleh geometri ruang pengering, lokasi penempatan inlet dan outlet.

1.3. Tujuan penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Mengkaji pola aliran udara optimal dari 6 model pengering efek rumah kaca tipe rak berputar dengan melakukan simulasi menggunakan software Gambit dan Fluent.

2. Menguji dan menvalidasi model pengering efek rumah kaca.

3. Merancang prototipe pengering ERK lapang dan melakukan simulasi pola aliran udara pada prototipe pengering ERK.

Kajian pola sebaran aliran udara panas dan validasi dilakukan untuk untuk memprediksi, seleksi dan merancang kinerja pengering ERK hibrid tipe rak berputar skala labolatoirum dan untuk menilai ketepatan model pengering ERK lapang terhadap model yang dibentuk oleh CFD.

Output dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan pengering efek rumah kaca hibrid tipe rak berputar skala labolatorium dengan pola sebaran aliran udara panas yang merata pada ruang pengering melalui penempatan inlet, outlet, kipas, sumber pemanas tertentu, sehingga diperoleh pola sebaran aliran udara panas optimal.

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengeringan

Pengeringan merupakan proses pengurangan kadar air bahan sampai mencapai kadar air tertentu sehingga menghambat laju kerusakan bahan akibat aktivitas biologis dan kimia (Brooker,1982). Menurut Fellow (2000), pengeringan didefinisikan sebagai penerapan panas dalam kondisi terkontrol untuk menghilangkan sejumlah air yang terkandung dalam bahan, sedangkan Henderson dan Perry (1976) menyatakan bahwa pengeringan adalah proses pengeluaran air dari suatu bahan pertanian menuju kadar air keseimbangan dengan udara sekeliling atau pada tingkat kadar air dimana mutu bahan pertanian dapat dijaga dari serangan jamur, aktivitas serangga dan enzim.

Dasar proses pengeringan adalah terjadinya penguapan air bahan ke udara karena perbedaan kandungan air antara udara dengan bahan yang dikeringkan. Agar suatu bahan menjadi kering, maka udara harus memiliki kandungan uap air atau kelembaban nisbi yang relatif rendah dari bahan yang dikeringkan.

Pada saat suatu bahan dikeringkan, maka akan terjadi dua proses secara bersamaan yaitu : (1) perpindahan energi panas dari lingkungan untuk menguapkan air pada permukaan bahan, dan (2) perpindahan massa (air) di dalam bahan akibat penguapan pada proses pertama. Air yang diuapkan terdiri dari air bebas dan air terikat. Air bebas berada di permukaan dan yang pertama kali mengalami penguapan (Mujumdar dan Devahastin, 2001).

Henderson dan Perry (1976) dan Brooker (1982), menyatakan bahwa proses pengeringan dapat dibagi dua periode, yaitu : periode laju pengeringan tetap dan laju pengeringan menurun. Selama laju pengeringan tetap, bahan mengandung air cukup banyak dimana pada permukaan bahan berlangsung penguapan yang lajunya dapat disamakan dengan laju penguapan pada permukaan air bebas. Keadaan lingkungan sangat berpengaruh terhadap laju penguapan. Laju pengeringan tetap berakhir pada saat laju difusi air dari bahan telah turun sehingga lebih lambat dari laju penguapan. Periode ini berlangsung sangat singkat pada proses pengeringan produk pertanian.

5

Mekanisme pengeringan pada laju pengeringan menurun meliputi dua proses yaitu pergerakan air dari dalam bahan ke permukaan bahan dan pengeluaran air dari permukaan bahan ke udara sekitarnya. Laju pengeringan menurun terjadi setelah laju pengeringan konstan dimana kadar air bahan lebih kecil dari pada kadar air kritis (Henderson dan Perry, 1976). Sedangkan menurut Helmand dan Singh (1980), menyatakan bahwa selama periode laju pengeringan konstan, laju kadar air berpindah dari bahan dibatasi oleh laju evaporasi dari permukaan air pada bahan. Laju pengeringan ini kontinyu sepanjang migrasi kadar air ke permukaan dimana evaporasinya lebih cepat dari pada evaporasi di permukaan dan laju evaporasinya dinyatakan dalam persamaan berikut :

) (

) (

a w m w

a _{k A H H}

L T T hA dt

dw₌ − _{= −}

... (1)

Pengeringan periode laju menurun terjadi setelah kadar air mencapai titik kritis, proses pengeringan berlangsung pada laju yang menurun secara linear.

Menurut Brooker, (1974), beberapa parameter yang mempengaruhi waktu yang dibutuhkan dalam proses pengeringan, antara lain :

1. 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.

2. Kelembaban relatif udara pengering

Kelembaban udara relatif berpengaruh terhadap pemindahan cairan dari dalam ke permukaan bahan. Kelembaban relatif juga menentukan besarnya tingkat kemampuan udara pengering dalam menampung uap air di permukaan bahan. Semakin rendah udara pengering, makin cepat pula proses pengeringan, karena mampu menyerap dan menampung air lebih banyak dari pada udara dengan kelembaban relatif yang lebih tinggi.

Laju penguapan air dapat ditentukan berdasarkan perbedaan tekanan uap air pada udara yang mengalir dengan tekanan uap air pada permukaan bahan yang dikeringkan. Tekanan uap jenuh ini ditentukan oleh besarnya suhu dan

6

kelembaban relatif udara. Semakin tinggi suhu, maka kelembaban relatif udara makin turun sehingga tekanan uap jenuhnya akan naik.

3. Kecepatan udara pengering

Pada proses pengeringan, udara berfungsi sebagai pembawa panas untuk menguapkan kandungan air pada bahan serta mengeluarkan uap air tersebut. Air yang dikeluarkan dari bahan dalam bentuk uap dan harus secepatnya keluar dari bahan. Bila tidak segera dipindahkan, maka akan membuat kondisi jenuh pada permukaan bahan, sehingga akan memperlambat pengeluaran air selanjutnya. Aliran udara yang ceat akan membawa uap air dari permukaan bahan dan mencegah uap air tersebut menjadi jenuh di permukaan bahan. Semakin besar volume udara yang mengalir, maka semakin besar pula kemampuan udara untuk membawa uap air yang ada di permukaan bahan.

2.2. Pengering berenergi surya

Tujuan utama suatu sistem berenergi surya adalah mengumpulkan energi radiasi surya menjadi panas. Dalam aplikasi pengeringan komoditi pertanian

terdapat tiga cara pengumpulan dan pengubahan energi surya yaitu : (1) Penjemuran. Komoditi pertanian dihamparkan di atas tanah sehingga terkena

sinar matahari langsung. Hal ini menyebabkan jumlah panas yang hilang ke tanah sangat banyak dan bahan yang dikeringkan akan menyerap uap air dari tanah selama pengeringan; (2) Glanzing material yaitu menempatkan bahan pertanian di bawah bahan kaca. Bahan kaca tertembus gelombang pendek sinar matahari tetapi tidak tembus gelombang panjang inframerah (radiasi surya) sehingga menimbulkan efek ruamah kaca. Bahan kaca penangkap energi surya berfungsi sebagai : bahan penutup yang tak tembus radiasi panas yang dipantulkan oleh bahan yang dikeringkan, sehingga panas terperangkap oleh penutup dan berfungsi sebagai pembungkus untuk mengurangi kehilangan panas secara konveksi; (3) meletakkan bahan pertanian dalam wadah (container) yang berfungsi penyerap panas (absorber). Cara ketiga ini merupakan cara yang paling efektif dalam pengumpulan energi surya dengan kehilangan panas yang rendah dan investasi awal yang relatif lebih murah.

7

Panas yang terjadi di dalam pengering ERK sebagai akibat dari energi gelombang pendek yang dipancarkan oleh matahari, diserap benda yang ada di dalamnya, sebagian energi ini diserap dan dipantulkan dalam bentuk gelombang panjang yang tak tembus penutup transparan. Lapisan penutup transparan memungkinkan radiasi gelombang pendek dari matahari masuk dan menyekat radiasi gelombang panjang (Abdullah et al., 1990).

Pengering efek rumah kaca (Abdullah et al., 1996) adalah sistem pengering bertenaga surya dan struktur bangunan tembus cahaya yang memanfaatkan efek rumah kaca. Sistem ini dapat digunakan pada pengeringan berbagai komoditas pertanian, murah dibanding dengan sistem yang sudah ada, dan menghasilkan kualitas yang memadai.

Jika matahari mengenai bahan tembus cahaya, maka sebagian sinar itu diteruskan selain diserap dan dipantulkan kembali. Oleh karena itu penutup transparan memerlukan bahan yang memiliki daya tembus (trasmissivity) yang tinggi dengan daya serap (absortivity) dan daya pantul (reflektivity) yang rendah agar memerangkap gelombang pendek sebanyak mungkin.

Suhu udara di dalam ruang pengering ERK berfluktuatif karena sangat dipengaruhi oleh keberadaan surya. Iradiasi surya sifatnya selalu berubah dan besar iradiasinya sangat dipengaruhi oleh waktu, lokasi dan musim. Oleh karena itu pada sistem pengering ini masih diperlukan energi tambahan lainnya seperti energi hasil pembakaran biomassa.

Faktor-faktor yang mempengaruhi proses pengeringan (Hall, 1957) yaitu : faktor yang berhubungan dengan udara pengeringan dan faktor yang berhubungan dengan sifat bahan yang dikeringkan. Faktor yang berhubungan dengan udara pengeringan adalah suhu udara, debit aliran dan kelembaban udara pengering, sedangkan faktor yang berhubungan dengan sifat bahan adalah bentuk, ukuran, ketebalan bahan yang dikeringkan serta tekanan parsialnya. Menurut Suharto (1991), faktor yang berpengaruh terhadap pengeringan diantaranya adalah suhu dan kelembaban lingkungan, kecepatan aliran udara pengering, kadar air bahan, energi pengeringan, efisiensi alat pengering serta kapasitas pengeringan.

8

2.3. Hasil-hasil pengering ERK pada berbagai produk pertanian

Pengeringan cengkeh dengan menggunakan rak pada pengering efek rumah kaca telah menghasilkan penurunan kadar air, suhu dan lama waltu pengeringan yang tidak seragam antara rak atas, tengah dan bawah. Hasil penelitian pengering efek rumah kaca untuk pengeringan cengkeh ditunjukkan pada Tabel 1. sebagai berikut :

Tabel 1. Laju pengeringan rata-rata pada masing-masing rak

Parameter Satuan Rak 1 Rak 2 Rak3 Suhu rak oC 46.9 39.6 38.5 Kadar air awal % bb 70.8 70.8 70.8 Kadar air akhir %bb 13.8 13.5 13.7 Laju pengeringan %bk/jam 5.5 3.4 3.1 Lama oengeringan Jam 40 65 70 (Sumber : Ratnawati.T, 2003)

Perbedaan hasil ini diperoleh karena perbedaan posisi rak dalam ruang pengering sehingga distribusi suhu dalam ruang pengering pada masing-masing rak tidak seragam, pada rak 1 mendapat panas yang tinggi sedangkan pada rak 3 panas yang diterima paling kecil, begitu pula dengan laju dan lama waktu pengeringan.

Wulandani, (2005) melaporkan bahwa terjadi perbedaan yang cukup besar antara suhu rak atas, tengah dan bawah dengan keragaman rata-rata 3.5oC dan nilai ragam maksimum 4.5oC terjadi pada siang hari dengan tingkat radiasi surya rata-rata 538 W/m2 yang sangat berpengaruh pada rak bagian atas. Perubahan suhu pada rak atas mempunyai pola dan nilai yang hampir sama dengan penjemuran. Suhu udara di rak tengah dan bawah lebih rendah dibandingkan dengan suhu udara di rak atas, karena posisinya terhalang oleh sinar matahari oleh rak-rak diatasnya. Namun demikian suhu udara di rak tengah memiliki kecenderungan dan nilai yang sama dengan suhu udara di rak bawah.

Sebaran suhu udara pengering pada suhu lingkungan 32-34oC sebagai suhu inlet dan suhu radiator 53-56oC dan iradiasi surya rata-rata 800.6 W/m2 diperoleh sebaran suhu di dalam ruang pengering antara 37-46oC dan pada kecepatan aliran udara inlet 1 dengan kecepatan 0.66 m/dt dan pada inlet 2 mengalir kecepatan udara 1.35 m/dt sehingga sebaran kecepatan udara di dalam ruang pengering 0.01-0.7 m/dt (Nugraha, 2005).

9

BAB III

PENDEKATAN TEORI

3.1. Teknik Simulasi CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, rekasi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika atau model matematika (Tuakia, 2008). Menurut Versteeg dan Malalasekera (1995) CFD adalah sistem analisis yang meliputi aliran fluida, perpindahan panas dan fenomena seperti reaksi kimia yang berdasarkan simulasi komputer. Pada saat sekarang aplikasi CFD sudah banyak diterapkan pada disain mesin, ruang pembakaran, gas turbin dan tungku pembakaran. Ditinjau dari istilah CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir.

Pada dasarnya, persamaan-persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial (PDE=Partial Differential Equation) yang menyatakan hukum-hukum konversi massa, momentum dan energi.

Perangkat lunak (software) CFD mampu untuk melakukan simulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur dan sistem akustik hanya dengan pemodelan di komputer. Software CFD ini dapat membuat virtual prototipe dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapang. Software CFD akan memberikan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem disain. Hasil analisis CFD dapat berupa prediksi kualitatif maupun prediksi kuantitatif tergantung dari persoalan dan data input.

Keuntungan penggunaan CFD adalah : 1. Pemahaman Mendalam (Insight)

Analisis CFD mampu mendesain sistem atau alat yang sulit dibuat prototipenya atau sulit untuk dilakukan pengujian. Analisis ini mampu masuk secara virtual ke dalam alat atau sistem yang dirancang.

10

2. Prediksi Menyeluruh (Foresight)

CFD adalah alat untuk memprediksi yang akan terjadi pada alat atau sistem yang didisain dengan satu atau lebih kondisi batas dan dapat segera menentukan disain optimal.

3. Efisiensi waktu dan biaya (Efficiency).

Foresight yang diperoleh CFD mampu membantu untuk mendisain lebih cepat dan hemat uang. Analisis CFD akan lebih efisien waktu riset dan disain sehingga akan mencapai ke sasarannya.

3.2. Proses Simulasi CFD

Seorang enjiner dalam merancang mesin memiliki berbagai alasan untuk mendapatkan pengembangan persamaan-persamaan, namun masalah utamanya dalam mendisain sistem termal adalah : (1) menyediakan proses simulasi termal dan (2) mengembangkan pernyataan secara matematis untuk optimasi. Simulasi secara nyata dan problem-problem optimasi harus dilaksanakan dengan menggunakan komputer dan mengoperasikannya dengan persamaan-persamaan dari pada tabel data (Stoecker, 1989).

Dalam membangun simulasi CFD dalam perancangan diperlukan tiga tahapan yang meliputi:

1. Preprocessing

Preprocessing adalah membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, dan menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.

2. Solving

Solvers merupakan program inti pencari solusi dalam CFD untuk menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing.

3. Postprocessing

Postprocessing adalah adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang berupa gambar, kurva dan animasinya. Post Processor

yang meliputi : tampilan geometri domain dan grid, plot vektor, pergerakan partikel, manipulasi pandangan, dan output berwarna.

11

Semua program pendekatan CFD dilakukan melalui prosedur sebagai berikut :

1. Software Gambit melakukan : a. Pembuatan geometri model

b. Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing)

2. Software Fluent melakukan :

a. Pendefinisian model fisik, misalnya : persamaan-persamaan gerak, entalpi, konversi spesies untuk zat-zat yang didefinisikan.

b. Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termasuk di dalamnya sifat-sifat dan perilaku dari batas-batas model. Untuk kasus transient, kondisi awal juga didefinisikan.

c. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iterasi, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transien.

d. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD

3.3. Metode Diskritisasi CFD

CFD sebenarnya mengganti persamaan-persamaan differential parsial dari kontinuitas, momentum, dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum atau memiliki jumlah sel tak terhingga menjadi model yang diskrit atau jumlah sel terhingga (Tuakia, 2008). Persamaan pengatur aliran fluida adalah persamaan diferensial parsial. Komputer digital tidak dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan tersebut secara langsung. Oleh karena itu persamaan diferensial ini harus ditransformasikan ke dalam persamaan aljabar yang sederhana dan disebut dengan metode diskritisasi (Versteeg dan Malalasekera, 1995).

Ada beberapa teknik diskritisasi yang digunakan dan masing-masing berdasarkan prinsip yang berbeda. Beberapa teknik tersebut adalah :

a. Metode beda hingga (Finite Difference methode) b. Metode elemen hingga (Finite element methode) c. Metode volume hingga (Finite volume methode)

12

Dalam simulasi pola aliran udara, udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan dalam persamaan diferensial, dalam koordinat Cartesian dan dipecahkan dengan menggunakan teknik CFD tiga dimensi yang didasarkan pada analisis numerik dengan metode volume hingga. Pemecahan simulasi dengan menggunakan software CFD : FUENT 6.1 dan pembentukan geometri alat menggunakan software Gambit.

Kondisi batas dinyatakan sebagai berikut :

a. Kecepatan udara pada semua dinding dan atap pengering pada arah x,y dan z adalah 0.

b. Kecepatan udara pada dinding rak pengering pada arah x, y dan z adalah 0. c. Kecepatan udara pada kipas besarnya ditentukan berdasarkan kebutuhan

udara untuk menguapkan air dari sejumlah massa bahan.

Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, suhu dan lain-lain) didefinisikan pada titik (nodal) di dalam tiga sel. Ketepatan CFD dibentuk oleh sejumlah sel di dalam grid. Secara umum semakin besar jumlah sel, ketelitian hasil pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak selalu seragam, semakin halus pada bagian yang memiliki variasi cukup besar dan semakin kasar untuk bagian yang relatif tidak banyak perubahan.

Persamaan aliran fluida menyatakan hukum kekekalan fisika dalam bentuk matematis, yaitu terdiri dari persamaan-persamaan :

1 Massa fluida kekal

2 Laju perubahan momentum sama dengan resultansi gaya pada partikel fluida (Hukum II Newton)

3 Laju perubahan energi sama dengan resultansi laju panas yang ditambahkan dan laju kerja yang diberikan pada partikel fluida ( Hukum I Termodinamika).

Kekekalan Massa 3 Dimensi Steady-State

Laju kenaikan massa dalam elemen fluida = Laju net masssa ke dalam elemen terbatas

Atau dituliskan alam bentuk matematis : 0

) ( ) ( ) (

= ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂

z w y

v x

u ρ ρ

ρ

13

Persamaan (2) disebut sebagai persamaan kontinuitas untuk fluida. Ruas kiri menggambarkan laju net massa keluar dari elemen melewati batas dan dinyatakan sebagai faktor konveksi.

Persamaan Momentum dalam 3 Dimensi Staedy State

Persamaan momentummerupakan persamaan Navier-Stokes dalam bentuk yang sesuai dengan volume hingga , sebagai berikut :

Momentum x :

Mx S z u y u x u u x z u w y u v x u

u _⎥+

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 ρ

ρ ...(3) Momentum y :

My S z v y v x v u y z v w y v v x v

u _⎥+

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 ρ

ρ ...(4) Momentum z :

Mz S z w y w x w u z z w w y w v x w

u _⎥+

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 ρ

ρ ...(5) Persamaan energi dalam 3 Dimensi Steady State

Persamaan energi diturunkan dari hukum pertama termodinamika yang menyatakan bahwa : laju perubahan energi partikel fluida = laju npenambahan panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan laju kerja yang diberikan pada partikel.

Atau dalam persamaan matematis :

i S z T y T x T k z w y v x u p z T w y T v x T

u _⎥+

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 ρ ...(6) Persamaan State

Kecepatan fluida selalu mencari keseimbangan secara termodinamika, kecuali adanya gangguan. Jika digunakan variabel ρ dan p, maka persamaan state untuk p dan i :

P = p (ρ,T) ...(7) I = i (ρ,T) ...(8)

14

Untuk gas ideal :

P = ρ R T ...(9) I = C v T ...(10)

3.4. RH Udara Pengering

Pemanasan udara dalam proses pengeringan dapat digambarkan dalam kurva psychrometric. Perubahan suhu selama pemanasan, berlangsung berbentuk garis horisontal pada kurva psychrometric, pada kondisi tekanan uap tetap dan kondisi kelembaban mutlak tetap. Selama pemanasan dianggap tidak terjadi penambahan uap air, artinya jumlah udara kering yang masuk sama dengan jumlah udara kering keluar. Pada kondisi tekanan atmosfir, bila suhu meningkat maka akan terjadi penurunan kelembaban udara.

RH merupakan perbandingan antara tekanan uap terhadap tekanan jenuh air pada suhu ruangan.

RH =

Ps P_v

...(11)

Kelembaban mutlak (H) konstan selama pemanasan, karena : H =

v atm

v

P P

P

− 6219 . 0

, dimana 255.38 ≤T≤533.16oK dan Pv < Patm ...(12)

Maka tekanan uap (Pv) juga konstan selama proses pemanasan. Jika kelembaban udara lingkungan (RHa) dan kelembaban udara pengering (RHr), maka :

sr sa a r

P P RH RH

= ...(13)

ln ₂

4 3 2

GT FT

ET DT CT BT A R P_s

−

+ + + + = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛

...(14)

255.38 ≤T≤533.16oK (Keenan dan Keyes, 1936) dalam ASAE Standard 1994. dimana :

R = 22105649.25 D = 0.12558 x 10-3 A = -27405.526 E = -0.48502 x 10-7 B = 97.5413 F = 4.34903 C = -0.146244 G = 0.39381 x 10-2

15

BAB IV

METODOLOGI

4.1. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan Maret 2008 sampai Maret 2009. Lokasi penelitian di Labolatorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, Bogor.

4.2. Peralatan dan Bahan 4.2.1. Peralatan

Peralatan yang digunakan untuk penelitian ini adalah : 1. Pengering tipe Efek Rumah Kaca (ERK) Tipe Rak Berputar 2. Thermocouple tipe CC, dengan ketelitian 0.05oC

3. Chino Recorder Yokogawa tipe 3058, dengan ketelitian 0.05 mV 4. Multimeter digital model YEW tipe 2506A,dengan ketelitian 0.05 Ohm 5. Hotwire Anemometer model Lutron tipe AM-4204HA, dengan ketelitian

0.05 m/dt

6. Pyranometer model EKO tipe MS-401

7. Software Gambit 2.2.30 serta software Fluent 6.1

4.2.2.Bahan

Model pengering ERK hybrid (Gambar 1) yang digunakan dalam penelitian adalah bangunan segiempat transparan yang terdapat lubang input pada sisi samping dan pada sisi yang berlawan terdapat lubang output dengan bentuk limas terpancung dan pada bagian dalamnya terdapat delapan rak yang dapat berputar, radiator yang ditempat di tengah sisi bawah bangunan pengering yang dilandasi plat hitam. Pada lubang pengeluaran (outlet) terdapat kipas serta bentuk keseluruhannya sebagai berikut :

16

Gambar 1. Model pengering ERK hibrid skala lab.

Disain pengering ERK hybrid tipe rak berputar terdiri dari :

(1) Rangka pengering dengan dimensi 1200x860x1350 mm terbuat dari besi stall 30x30 mm;

(2) Rak pengering berjumlah 8 rak berukuran 200x600x30 mm;

(3) Atap dan dinding berupa plastik mika polyethyline transparan tebal 0.0005 m;

(4) Lantai terbuat dari plat besi tebal 1 mm yang dilapisi cat warna hitam sebagai absorber panas;

(5) Radiator berperan sebagai alat penukar panas dari air panas ke udara dalam pengering;

(6) Kipas radiator untuk meratakan suhu udara dalam pengering dan kipas outlet untuk mengeluarkan udara panas;

(7) Sistem transmisi terdiri dari sprocket and chain dan (8) Lubang inlet.

17 Disain model pengering ERK hybrid tipe rak berputar terdapat pada Gambar 2.

Gambar 2. Disain model pengering ERK hibrid

Keterangan :

1. Atap 5. Lubang inlet dan outlet 2. Rangka pengering 6. Kipas

3. Rak 7. Lantai 4. Radiator

4.3. Tahapan Penelitian

Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi 3 tahapan yaitu : 1. Melakukan kajian pola sebaran aliran udara optimal dari 6 model pengering

efek rumah kaca yang terdiri dari : Menggambar geometri model alat pengering dengan menggunakan software Gambit, Melakukan simulasi aliran udara (suhu dan kecepatan) dengan menggunakan software Fluent, Membentuk pola aliran udara suhu, kecepatan dan RH dan melakukan pemilihan model alat pengering yang optimum.

2. Pengujian dan validasi model pengering ERK hibrid : Tahap ini diawali dengan pembuatan model alat pengering skala labolatorium yang optimum yang didasarkan pada hasil tahap 1. Kemudian dilakukan pengujian. Hasil pengujian digunakan untuk melakukan validasi simulasi CFD.

3. Perancangan pengering ERK hibrid skala lapang. Tahap ini melakukan perancangan prototipe pengering ERK hibrid skala lapang , membentuk geometri alat pengering hibrid skala lapang dan melakukan simulasi dengan menggunakan software Fluent. (Lihat Gambar 3).

1 2 3

4

5

6 7

18

Gambar 3 Diagram alur penelitian

Pembuatan Geometri prototipe dan

Simulasi

Menggambar geometri model alat pengering dengan software Fluent

Mulai

Simulasi aliran udara Suhu, Kecepatan dan RH

Pola aliran udara Suhu, Kecepatan dan RH

Pemilihan model alat pengering yang

optimum

Pembuatan model alat pengering skala labolatorium

Pengujian (data, suhu, kecepatan dan RH)

Perancangan prototipe pengering ERK skala lapang

19

4.3.1. Penentuan rancangan model pengering ERK

a. Pembuatan Model Gambit

Tahap pertama dalam simulasi CFD adalah pembuatan geometri alat pengering dengan mengunakan software Gambit 2.2.30. Di dalam program ini ditentukan domain dan kondisi batas model pengering yang meliputi ruang pengering, saluran inlet dan outlet, rak kipas dan penukar panas, lalu dilakukan pembuatan proses pembuatan grid dengan interval tertentu.

Dalam pembuatan model ini terdapat dua model pengering yaitu bangunan kotak transparan dengan bagian atap lengkung dengan inlet pada dinding depan dan outlet pada dinding datar di belakang, sedangkan model lainnya memiliki stukrtur sama dengan dinding belakang berbentuk prisma segiempat terpancung. Model pengering ini berdimensi panjang 1100 mm, lebar 860 mm, tinggi 1350 mm dan tinggi lengkung atap 200 mm, sebagaimana terdapat pada Gambar 4.

Model 1 Model 2

Gambar 4. Model pengering ERK hibrid

Keterangan :

1. Lubang inlet 4. Fan 2. Lubang outlet 5. Radiator 3. Rak

Pada model 1 terdapat 3 skenario bentuk geometri model pengering, demikian halnya dengan model 2 juga terdapat 3 skenario bentuk geometri model pengering berdasarkan posisi lubang inlet pada ketinggian 1000, 675 dan 337.5 mm dari permukaan lantai, sehingga model pengering memiliki 6 skenario bentuk geometri model pengering seperti terdapat pada Gambar 5.

1

2,4 2,4

3 4

20

Gambar 5. Skenario bentuk geometri model pengering

b. Simulasi dengan Fluent

Geometri yang sudah dibuat diekspor ke Fluent untuk analisis lebih lanjut. Program Fluent melakukan proses input data Fluent sebagai berikut :

1. Mendifinisikan

a. Model, dimana didalamnya ditentukan solver tiga dimensi, pemakaian energi, viscos model (laminer/turbulen)

b. Menentukan jenis fluida dan material penyusun bangunan pengering yang digunakan serta sifat termofisiknya.

c. Menentukan kondisi operasi (Operation Condition)

d. Memasukkan nilai-nilai kondisi batas (Boundary Condition) terhadap domain yang sudah dibuat dengan program Gambit. 2. Melakukan proses inisialisasi

3. Melakukan proses iterasi

Skenario 1 Skenario 2

Skenario 3 Skenario 4

21

4. Melihat tampilan hasil simulasi dalam bentuk Grid, Kontur (suhu, kecepatan, tekanan dan lain-lain), Vektor (suhu, kecepatan , tekanan dan lain-lain) sesuai dengan kebutuhan.

5. Mendapatkan informai data yang terkait hasil simulasi untuk keperluan validasi Plot (XY plot, Histogram, Residual).

Asumsi yang digunakan dalam simulasi pola sebaran aliran udara panas sebagai berikut:

1. Udara bergerak dalam kondisi steady state 2. Aliran udara diangap laminer

3. Udara tidak terkompresi (incompressible), ρ konstan

4. Bilangan Prandlt udara konstan (panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan.

5. Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi

6. Iradiasi surya didefinisikan sebagai fluks dari atap dan dinding– dinding bangunan pengering.

Hasil yang diperoleh dari simulasi dengan Fluent berupa model-model distribusi suhu dan kecepatan pada skenario 1 sampai dengan skenario 6.

c.Penentuan model optimum

Penentuan model optimum ditentukan oleh nilai rata-rata suhu tertinggi dari distribusi suhu pada skenario 1 – 6. Nilai rata-rata didapatkan dari curve-fitting bidang distribusi lapisan tengah model pengering (jarak bidang distribusi suhu terhadap sumbu z 550mm) yang disusun menjadi data tabel XY dengan nilai suhu tertentu.

Model optimum pengering hibrid yang terpilih sebagai acuan untuk divalidasikan dan distribusi kecepatan pada skenario 1-6 yang terpilih yaitu skenario yang mengikuti pada model optimum yang terpilih.

4.3..2. Pengujian dan Validasi

Pengujian dan validasi didasarkan pada model optimum pengering ERK yang diperoleh dari skenario 1-6.

22

a. Pengujian

Pengujian model pengering ERK hibrid dilakukan tanpa beban, dan parameter yang diukur meliputi : iradiasi matahari, suhu, kecepatan dan kelembaban. Pengukuran suhu dilakukan pada suhu : lingkungan, inlet, uotlet, dinding model pengering, atap dan lantai serta suhu dalam ruang pengering. Pengukuran kecepatan aliran udara dan kelembaban udara dilakukan pada : inlet, outlet dan di dalam ruang pengering. Pengukuran dilakukan pada posisi bidang XY yang memotong sumbu. kecepatan aliran udara dan kelemababn udara terhadap sumbu Z = 432.5 0mm.

1. Iradiasi Surya

Pyranometer diletakkan disamping alat pengering yang tidak terhalang sinar matahari. Pengukuran dilakukan saat alat mulai dioperasikan sampai percobaan selesai dan data keluarannya berupa tegangan (mV) yang terlihat pada multimeter. Nilai 1 mV keluaran Pyranometer setara dengan 1000/7 Watt/m2.

2. Suhu dan kecepatan aliran udara

Pengukuran suhu udara menggunakan termokopel, dan Hotwire anemometer. Pengukuran suhu dilakukan pada titik-titik suhu : lingkungan, ruang pengering, radiator, Inlet dan outlet.

Titik-titik pengukuran suhu, kecepatan aliran udara dan kelembaban udara di dalam ruang pengering menggunakan grid 10 artinya pengukuran suhu pada setiap dimensi 10 cm arah panjang X, 10 cm arah lebar Z dan 10 cm arah tinggi Y dengan menggunakan Hotwire Anemometer, sehingga terdapat 9 lapis pengukuran dan dalam satu lapis pengukuran terdapat 110 titik pengukuran, sehingga jumlah total titik pengukuran suhu, kecepatan dan kelembaban udara masing-masing terdapat 990 data.

3. Kelembaban Udara (RH Udara)

Pengukuran kelembaban udara mengunakan termometer bola basah dan kering dan kelembaban udara yang diukur meliputi kelembaban udara : lingkungan, ruang pengering dan inlet outlet.

23

Gambar 6. Letak titik pengukuran suhu, kecepatan udara dan RH

b. Validasi Simulasi

Dalam validasi simulasi model pengring terdapat 3 percobaan dengan 3 ulangan yaitu: bidang yang dianalisis percobaan 1 pada posisi Z=10, 30 dan 70 cm; bidang yang dianalisis percobaan 2 pada posisi Z=20,40 dan 70 cm; dan biodang yang dianalisis percobaan 3 pada posisi X=20,40 dan 60 cm. Bidang yang dianalisis adalah bidang distribusi suhu dan kecepatan aliran udara pada model pengering optimum.

Validasi model simulasi dilakukan dengan membandingkan nilai suhu, kecepatan dan kelembaban udara hasil perhitungan dengan hasil pengukuran pada bangunan pengering, pada grid 10 cm. Kriteria hasil validasi dianalisis dengan metode Curve-fitting, yaitu cara penentuan titik-titik suhu, kecepatan, dan kelembaban udara pada bidang simulasi ke dalam bentuk data XY dan dibuat grafik korelasi data titik-titik pengukuran CFD terhadap data titik pengukuran lapang.

Hasil validasi simulasi model pengering menggunakan CFD dapat berupa kontur distribusi suhu dan kecepatan udara. Parameter validasinya ditentukan oleh simpangan mutlaknya (APD) sebagai berikut :

Simpangan mutlak (APD)

∑

(

)

_⎥

⎦ ⎤ ⎢

⎣

⎡ −

=

ukur hitung ukur

y y y n

24

4.3.3 Perancangan prototipe pengering ERK

Dalam melakukan perancangan prototipe pengering ERK dibutuhkan beberapa parameter yang berkaitan dengan kinerja prototipe yaitu antara lain : jenis produk, kapasitas produk, kadar air awal dan akhir, dan suhu pengeringan. Jenis produk yang akan digunakan dalam perancangan ini adalah cengkeh.

Untuk mencegah menguapnya minyak cengkeh dalam proses pengeringan maka pengeringan cengkeh perlu dilakukan pada suhu optimum 55oC dan suhu maksimum yang diijinkan 60oC. Proses pengeringan bertujuan untuk menurunkan kadar air rata-rata bunga cengkeh setelah dipanen dari kadar air 70% basis basah menjadi kadar air 14% basis basah agar aman dari jamur dan bakteri (Argo, 1984).

Performansi alat pengering ERK secara teknis meliputi : iradiasi surya, laju pengeringan, kadar air, energi surya dan listrik yang diterima alat pengering, panas yang digunakan untuk menaikkan suhu dan menguapkan air bahan, efisiensi pengeringan dan energi spesifik pengeringan.

Penurunan kadar air produk selama proses pengeringan dihitung berdasarkan :

Kadar air (% bb) = 100% tan

x m m

m

pada air

air

+ ………. (17)

Kadar air (% bk) = 100% tan

x m

m

pada

air _{……….. (18)} Laju pengeringan

Laju pengeringan produk :

t M M dt

dM o t

Λ −

= …..………. (19)

Energi untuk pengeringan (kJ) terdiri dari : a. Energi panas dari iradiasi surya

25 b. Energi panas radiator

Q_RD =3.6UA_RD(T_RD −T_r)t ……….………… (21) Total energi panas yang dikandung dalam udara pengering

RD IR

E Q Q

Q = + ……… (22) c. Energi listrik untuk kipas dan pompa air

Pkt

Q_L =3.6 ………. (23) Kebutuhan energi untuk pengeringan produk (kJ) terdiri dari : a. Panas yang digunakan untuk menaikkan suhu bahan

Pkt M

C_pp =0.837+0.034( _o)3.6 .………...…………. (24) (Siebel, 1982) Q_l1 =m_oC_pp(T_mak −T_init)….……… (25) b. Panas yang digunakan untuk menguapkan air bahan

) ( 386 . 2 503 .

2 T_p

Hfg = − ……….. (26) 0.1≤T(oC)≤65.57 (Brooker, 1982)

Hfg m

Q₂ = _u. ………...……… (27) Energi total untuk menaikkan suhu bahan dan energi penguapan bahan (QD), kJ

2 1 Q

Q

Q_D = + .. ……… (28) Efisiensi pengeringan

a. Efisiensi sistem pengering %

100

x Q Q

S D S =

η .. ………. (29) b. Energi spesifik pengering

mu Q_S

T =

26

BAB V

HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1. Simulasi Model Pengering dengan Gambit

5.1.1. Bentuk domain 3D model pengering

Bentuk domain 3D ruang pengering diperoleh dari proses pembentukan geometri ruang pengering menggunakan software Gambit 2.2.30. Domain adalah bentuk dasar bangunan pengering dengan kondisi batas pada dinding, atap, lantai, inlet, outlet, radiator, fan dan rak-rak pengering.

Pembentukan grid ruang pengering dengan nilai 50 mm, karena ukuran terkecil yang membentuk ruang pengering yaitu 50 mm yang terletak pada inlet dengan ukuran 50 mm x 200 mm. Pembentukan grid ini menggunakan Tet/Hybrid yang berarti aliran fluida akan melalui jaringan mengikuti bentuk ruang pengeringnya dan jaringan tersebut dapat berbentuk segitiga, segiempat, segilima, ataupun segienam sesuai bentuk ruang pengeringnya. Bentuk simulasi domain utama model pengering serta grid ruang pengering untuk 6 skenario terdapat pada Gambar 7.

Skenario 1

Skenario 2

Domain Grid domain

27

Skenario 3

Skenario 4

Skenario 5 .

Skenario 6

Gambar 7. Skenario 1-6 model pengering

Tahap-tahap deskritisasi terilustrasikan pada model yang dibentuk oleh software Gambit dalam bentuk domain atau grid domain dan kondisi batas yang dibentuk oleh software Fluent yang meliputi Boundary condition dan Initial

Domain Grid domain

Domain Grid domain

Domain _{Grid domain}

28

Conditian. Kedua hal tersebut membentuk diskritisasi ruang pengering. Aliran udara panas bergerak mengikuti pola meshing yang dibuat melalui Ted Grid yaitu jalur aliran udara panas dapat berbentuk segi tiga, empat, lima, enam sesuai dengan bentuk geometri ruang pengering

Grid domain memberikan jalur lintasan yang dilalui oleh rambatan atau aliran udara panas mapun aliran udara yang bergerak dari inlet menuju outletnya melalui pencampuran udara di dalam ruang pengering. Grid domain diberi input data Fluent berupa boundary condition dan initial condition untuk membentuk distribusi suhu dan kecepatan aliran udara.

5.1.2. Sebaran suhu udara pengering

Untuk memperoleh sebaran suhu udara pengering pada Skenario 1 sampai dengan Skenario 6, maka dilakukan simulasi pada ruang pengering dengan

Boundary Condition yang terdapat pada perhitungan Lampiran 2. Hasil perhitungan kondisi batas terdapat pada Tabel 2.

Tabel 2 Kondisi batas ( boundary condition dan initial condition ) pada simulasi suhu dan kecepatan udara skenario 1-6

Atap h Suhu Dinding kanan h Suhu Dinding kiri h

Suhu Dinding depan h

Suhu Dinding belakang h

Suhu Lantai

Suhu Radiator Fluks Suhu

4.79 48,6 3,94 48,6 3.42 48,6 2.01 48,6 3.32 48,6 1.94 48,6 1585 63.7

W/m2oC o

C W/m2oC o

C W/m2oC o_C W/m2oC o

C W/m2oC o

C W/m2oC o

C W/m2 o

C Inlet Kecepatan

Suhu 1,31 42,7

m/dt o

C Ruang pengering Suhu 42,7 oC

Outlet Outflow Fan dalam ruang pengering 1,5 m/dt

29

Simulasi CFD pada sebaran suhu dan vektor suhu udara ruang pengering secara kuantitatif terdapat pada Lampiran 3. dan hasil simulasi CFD secara kualitatif terdapat pada Gambar 8-11.

Skenario 1 :

Gambar 8. Sebaran suhu pada skenario 1

Suhu rata-rata pada distribusi suhu ruang pengering 42.4oC, dengan standar deviasi 2.2oC. Masing-masing rak pengering akan menerima panas berkisar 42.7oC.

Skenario 2 :

Gambar 9. Sebaran suhu pada skenario 2

Suhu rata-rata di dalam ruang pengering 41.0oC, dan standar deviasi 2.2oC, sehingga rak-rak pengering akan menerima panas berkisar 42.5-43.0oC.

30

Skenario 3:

Gambar 10. Sebaran suhu pada skenario 3

Sebaran suhu ruang pengering pada skenario 3 berkisar dari suhu 41.9oC sampai dengan 48.7oC, dengan suhu rata-rata di dalam ruang pengering 42.8oC, dan standar deviasi 2.4 oC.dan posisi rak-rak pengering berada pada suhu 42.5-43,0oC.

Skenario 4:

Gambar 11. Sebaran suhu pada skenario 4

Suhu rata-rata pada irisan melintang di dalam ruang pengering 42.8oC, dan standar deviasi 0.0oC, kondisi rak pengering berkisar 41.5-42oC. Warna biru tua pada gradasi suhu mendominasi ruang pengering dengan nilai 41.5oC.

31

Skenario 5:

Gambar 12. Sebaran suhu pada skenario 5

Sebaran suhu ruang pengering pada skenario 1 berkisar dari suhu 42.6oC sampai dengan 49.9oC, dengan suhu rata-rata di dalam ruang pengering 43.5oC, dan standar deviasinya 2.1 oC. Posisi rak-rak pengering berada pada suhu 43.5-44.0oC.

Skenario 6:

Gambar 13. Sebaran suhu pada skenario 6

Sebaran suhu ruang pengering pada skenario 1 berkisar dari suhu 37.9oC sampai dengan 46.7oC, dengan suhu rata-rata di dalam ruang pengering 38.9oC, dan standar deviasi 2.2oC. Rak-rak pengering berada pada suhu 42.5-43.0oC.

Pada umumnya warna yang ditunjukkan oleh rata-rata suhu ruang pengering pada skenario 1-6 berwarna biru dan terdapat warna hijau dimana warna hijau berada diatas warna biru. Sementara itu, dinding-dinding yang membatasi ruang pengering berwarna merah, termasuk lantai. Warna merah memberi tanda bahwa

32

pada bagian tersebut memiliki suhu tinggi sebagai akibat panas dari sinar matahari secara terus menerus dan panas yang diserap oleh absorber dan meneruskan panas ke ruangan secara konveksi serta panas dari radiator. Disain pengering hibrid tipe rak berputar yang terbaik diperoleh dari warna ruangan seragam yang berwarna hijau.

Suhu rata-rata yang diperoleh dari anlisis distribusi suhu pada irisan melintang ruang pengering dari skenario 1 – 6 dapat terlihat pada Gambar 14.

Gambar 14. Perbandingan suhu rata-rata skenario 1-6

Perbandingan suhu rata-rata dari skenario 1-6 tertinggi didapat pada Skenario 5 dengan suhu rata-rata ruang pengering 43.5oC, sehingga Skenario 5 merupakan Skenario yang terbaik, meskipun suhu belum dapat mencapai 50-60oC. Untuk mencapai suhu pengeringan yang optimal, maka dapat dilakukan upaya yaitu : meningkatkan suhu air lebih tinggi dari 70oC, sehingga konveksi udara panas radiator meningkat; dan meningkatkan laju aliran udara dari fan pada radiator dan fan di ujung outlet, sehingga fluks panas radiator mampu memberikan suplai panas dan menyeragamkan suhu udara di ruang pengering.

Seleksi model pengering ERK hibrid skala labolatorium selain didasarkan pada nilai kuantitas, juga dapat dilakukan dengan menggunakan degradasi warna dari warna biru sampai warna merah. Warna biru pada umumnya memiliki suhu yang rendah, sedangkan warna merah merupakan suhu ruang pengering tertinggi. Warna yang semakin beragam berarti bahwa suhu ruang pengering memiliki perbedaan suhu yang besar atau deviasinya besar dan hal ini tidak diharapkan.

Perbandingan suhu skenario 1-6

35,0 36,0 37,0 38,0 39,0 40,0 41,0 42,0 43,0 44,0

1 2 3 4 5 6

Skenario

S

u

hu

oC

33

5.1.3. Sebaran kecepatan aliran udara

Sebaran kecepatan aliran udara di dalam ruang pengering dipengaruhi oleh kecepatan udara yang masuk ke ruang pengering (inlet), kecepatan udara yang keluar dari ruang pengering (outlet) dan kecepatan udara fan yang berada di bawah radiator. Batasan yang ditetapkan pada Boundary Condition Fluent yaitu kecepatan udara inlet 1.31 m/dt, kecepatan udara outlet difungsikan sebagai outflow aliran udara dan kecepatan udara fan 1.5 m/dt.

Aliran udara di dalam ruang pengering memiliki besaran yang digambarkan dari nilai kecepatan aliran udara dan juga memiliki arah aliran udara yang digambarkan degradasi warna pada ruang pengering. Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara di dalam ruang pengering dari hasil simulasi CFD secara kuantitatif terdapat pada Lampiran 4, dan secara kualitatif terdapat pada Gambar 14-19.

Untuk dapat membandingkan kecepatan aliran udara skenario 1-6, maka diberi kondisi batas kecepatan aliran udara bawah 0 m/dt dan kecepatan aliran udara batas atas 1.5 m/dt.

Skenario 1:

.

Gambar 15. Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara pada skenario 1

Pergerakan vektor dari arah inlet berwarna kuning menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara menuju ke arah atas dan ke bawah inlet memutar menuju outletnya. Warna biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, yang terdapat pada posisi tengah, pojok kiri

34

bawah dan sedikit pada posisi kanan bawah. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.12 m/dt, dan deviasi standar 0.11 m/dt.

Skenario 2:

Gambar 16. Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara pada Skenario 2

Pergerakan vektor dari arah inlet berwarna merah menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara menuju ke arah atas dan ke bawah inlet memutar menuju outletnya membentuk dua buah lingkaran. Warna biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, yang terdapat pada posisi tengah dengan jumlah warna biru relatif sedikit dibandingkan pada Gambar skenario 1. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.14m/dt, dan deviasi standar 0.19 m/dt.

Skenario 3:

Gambar 17. Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara pada skenario 3

Pergerakan vektor aliran udara panas dari arah inlet berwarna merah menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara langsung menuju ke outletnya. Warna

35

biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, sebagian besar terdapat pada posisi tengah ke atas. Warna biru yang dihasilkan jauh lebih banyak dibandingkan dengan warna biru yang dihasilkan dari skenario 1 dan 2. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.13 m/dt, dan deviasi standarnya 0.14 m/dt.

Skenario 4:

Gambar 18. Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara pada skenario 4

Pergerakan vektor dari arah inlet berwarna merah menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara sebagian ke arah atas dan bawah ke inlet, dan kembali menuju ke outletnya. Warna biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, sebagian terdapat pada posisi tengah, sedikit di atas, sebagian ada di posisi bawah outlenya dan sebagian lagi di posisi sepanjang tepi ruang pengering. Warna biru tua yang dihasilkan relatif sedikit dan warna biru muda pada posisi bawah merupakan kecepatan aliran fluida yang dihasilkan dari fan. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.12 m/dt, dan deviasi standarnya 0.07 m/dt.

Skenario 5:

36

Pergerakan vektor dari arah inlet berwarna merah menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara sebagian besar ke arah atas dan bawah ke inlet, dan kembali menuju ke outletnya. Warna biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, sebagian terdapat pada posisi atas tengah sedikit, sebagian ada di posisi di awah outlet dan sedikit dibawah inletnya. Kecepatan aliran udara yang ke bawah bertemu dengan kecepatan udara fan, sehingga pada posisi bawah kecepatan aliran udaranya yang ditunjukkan oleh warna biru muda lebih banyak dari pada Skenario 4. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.13 m/dt, dan deviasi standarnya 0.15 m/dt.

Skenario 6:

Gambar 20 Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara pada skenario 6

Pergerakan vektor dari arah inlet berwarna merah menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara sebagian besar ke arah menuju ke outletnya, sebagian ke arah atas dan bawah dan kembali menuju outletnya. Warna biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, sebagian bessar terdapat pada posisi atas tengah, sebagian kecil ada di posisi di bawah tengah. Warna biru tua sebagian besar berada pada ruang pengering, sehingga pada posisi tersebut kecepatan aliran udaranya terendah 0.00 m/dt. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.21m/dt, dan deviasi standar 0.49 m/dt.

Secara kualitatif, kecepatan aliran udara dalam ruang pengering bergerak dari inlet menuju outletnya yang ditunjukkan oleh warna merah, kuning dan hijau pada distribusi kecepatan aliran udara. Pada umumnya warna biru muda dan tua yang mendominasi dalam ruang pengering.

37

Rak-rak pengering bersentuhan langsung dengan kecepatan aliran udara dalam ruang pengring, walaupun tidak seluruhnya tergantung pada posisi aliran udara inlet menuju outletnya. Rak-rak pengering yang berputar secara vertikal akan kembali ke posisi semula dan dapat menyentuh laju aliran udara yang cepat relatif cepat secara merata.

Perhitungan simulasi kecepatan aliran udara pada irisan melintang di ruang pengering secara keseluruhan terdapat pada Lampiran 4, dan hasil simulasi kecepatan dapat terlihat pada Gambar 21.

Gambar 21. Kecepatan aliran udara Skenario 1-6

Simulasi kecepatan rata-rata tertinggi pada Skenario 2, namun dari hasil kecepatan aliran udara mengikuti bentuk domain Skenario 5 yaitu kecepatan aliran udara ruang pengering 0.13 m/dt dengan deviasi standar 0.15 m/dt. Hasil simulasi CFD ini digunakan sebagai dasar dalam pembuatan model ERK hibrid tipe rak berputar dan selanjutnya pembentukan model ini akan divalidasikan untuk menentukan ketepatan aliran udara model pengering.

Penelitian ini berperan penting dalam merancang suatu alat pengering dengan cara membandingkan bentuk-bentuk geometri ruang pengering dan dengan input suhu dan kecepatan udara lingkungan, maka dapat dengan cepat diperoleh hasil seleksi bentuk geometri ruang pengering yang optimum. Penelitian ini berdampak secara efektif dapat mengetahui kinerja alat pengering sebelum alat pengering tersebut dibuat modelnya atau prototipenya.

Pada penelitian sebelumnya didapatkan bahwa alat dibuat lebih dahulu kemudian baru dilakukan simulasi sehingga apabila ada perubahan bentuk

Kecepatan rata-rata Skenario 1-6

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

1 2 3 4 5 6

Skenario

Ke

c

. m

/s

38

geometri ruang pengering atau variabel alat pengering (try and error) akan berdampak terhadap biaya yang lebih mahal dan waktu menjadi tidak efektif lagi.

5.2. Hasil disain alat pengering ERK Hibrid tipe rak berputar 5.2.1. Model pengering ERK hibrid tipe rak putar

Berdasarkan simulasi yang dipilih pada Skenario 5, maka dibangun model pengering skala labolatorium. Model pengering ERK hibrid yang digunakan dalam penelitian adalah bangunan segiempat transparan yang terdapat lubang inlet pada sisi samping dan pada sisi yang berlawan terdapat lubang outlet dengan bentuk prisma terpancung dan pada bagian dalamnya terdapat delapan rak yang dapat berputar, radiator yang ditempat di tengah pada sisi bagian bawah bangunan pengering yang dilandasi plat hitam. Bentuk model pengering ERK hibrid tipe rak berputar terlihat pada Gambar 22.

Gambar 22. Model pengering ERK hibrid tipe rak berputar

Keterangan:

1. Atap dan dinding 5. Lubang inlet dan outlet 2. Rangka pengering 6. Fan

3. Rak 7. Lantai

4. Radiator 8. Sistim transmisi

Model pengering ERK hibrid tipe rak berputar terdiri dari komponen : (1) Rangka pengering dengan dimensi 1200x860x1350 mm yang terbuat dari besi stall 30x30 mm; (2) Rak pengering berjumlah 8 rak berukuran 200x600x30 mm; (3) Atap dan dinding berupa plastik mika polyethyline transparan dengan

1

2 3

4

5

6 7 8

Lampiran 10 Perhitungan perancangan pengering ERK skala lapang

1. Kebutuhan volume pengering cengkeh

Pengering yang dirancang berbentuk rak yang digantung pada silinder berputar. Kapasitas pengeringan cengkeh dalam satu kali proses 100kg dan cengkeh memiliki berat jenis 450kg/m3, sedangkan volume rak pengering yang dibutuhkan 0.222m3. Jumlah rak pengering pada rancangan prototipe ERK hybrid berjumlah 48 rak sehingga ukuran volume rak pengeringnya 0.6x0,3x0,03m3 dan berat cengkeh tiap rak 2.0898 kg.

2. Kebutuhan energi sistem pengering

Laju air yang diuapkan selama proses pengeringan dengan kadar air awal cengkeh 75 % (bb) dan kadar air akhir 13% (bb), maka :

Rendemen =

13 100

75 100

− −

= 0.287

Berat air yang diuapkan = 100-(100x0,287) = 71.486 kg air

Laju air yang diuapkan = 71.486 kg air/(50jam x 3600 dt/jam) = 0.397 g/dt.

a. Kebutuhan daya untuk mengeringkan cengkeh

Kebutuhan daya untuk mengeringkan cengkeh (P1) terdiri daya untuk memanaskan cengkeh (P2) dan daya untuk menguapkan air cengkeh (P3) sebagai berikut :

Daya untuk memanaskan cengkeh (P2) = mp.Cp.(Td-Ta) / td

= (100 kg x 3.387 kJ/kgoC x (50-30)oC)/(50jam x 3600 dt/jam) = 6795.026 kJ

= 0.038 kW.

Daya untuk menguapkan air cengkeh (P3) = mw.Hfg / td

= (71.486 kg air x 3332.435 kJ/kg) / (50jam x 3600 dt/jam) = 238221.021 kJ

Maka daya untuk mengeringkan cengkeh (P1) = P2 + P3 = 0.038 kW + 1.361 kW

= 1.361 kW.

b. Kebutuhan daya untuk kipas (P4)

Pengeringan dirancang dari suhu lingkungan 30oC dengan kelembaban udara 70% dan dipanaskan sampai dengan suhu 50oC. Kelembaban rata-rata udara keluar ruang pengering 60%, dari grafik psychimetric chart diperoleh delta kelembaban mutlak udara pengering 5.4 gH2O/kg udara kering. Laju udara yang dibutuhkan adalah : (0.397 g/dt) / (5.4 gH2O/kg udara kering) = 0.074 kg udara/dt.

Laju penguapan diasumsikan 2,6 kali, sehingga laju aliran udaranya sebesar 0.074 kg udara/dt x 2,6 = 0.191 kg udara/dt. Jika masa jenis udara 1.13 kg/m3, maka debit udaranya = (0.191 kg udara/dt) x 1.13 kg/m3 = 0.169 m3/dt. Jadi kebutuhan daya kipas (P4) dengan efisiensi 30% adalah 0.169 m3/dt x 125 Pa/0.30 = 70.508 W. P4 = 0.071 kW.

c. Kebutuhan daya untuk ruang pengering

Kebutuhan daya untuk ruang pengering terdiri dari : daya untuk memanaskan ruang pengering (P5) dan daya untuk penetrasi ke dinding (P6). Daya untuk memanaskan ruang pengering adalah :

P5 = 0.074 kg udara kering/dt x 1.1774 kJ/kgoC x (50-30)oC = 1.732 kW.

Pindah pnas konveksi pada dinding tegak dinyatakan dalam sutau koefisien sebesar 3.5 W/m2K (Wulandani, 2005), maka daya yang dibutuhkan untuk penetrasi ke dinding (P6) adalah :

P6 = 17.877 m2 x 3.5 W/m2K x (50-30)oC = 1.251 kW.

Jadi total daya yang dibutuhkan untuk keseluruhan sistem pengering (P7) adalah :

P7 = P1 + P4 + P5 +P6

= (1.361 + 0.071 + 1.732 + 1.251) kW = 4.415 kW.

3. Daya dan luas permukaan pipa penukar panas

Penerimaan iradiasi matahari rata-rata di Indonesia sebesar 500W/m2 dan apabila luas permukaan lantai ruang pengeringnya 3.75 m2, maka daya yang dapat diterima dari matahari (P8) adalah 3.75 m2 x 500W/m2 = 1.875 kW. Sisa kebutuhan daya yang harus disuplai dari penukar panas untuk proses pengeringan (P9) adalah : P9 = P7 – P8

= 4.415-1.875) kW = 2.54 kW

Rancangan prototipe pengering hybrid tipe rak berputar diasumsikan memiliki 3 buah untuk mencukupi kebutuhan proses pengeringan cengkeh, sehingga beban setiap penukar panas adalah 0.847 kW.

Suhu air panas diasumsikan 80oC, suhu air panas keluar 70oC, suhu udara luar 30oC dan suhu udara ruang pengering 50oC, dan jika koefisien pindah panas keseluruhan (U) pada penukar panas 15 W/m2oK, maka kebutuhan luas permukaan pindah panasnya adalah :

8 . 34 50 80 ( ) 30 70 ( ln ) 50 80 ( ) 30 70 ( ln = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − − − − = ΔT 2 ln 623 . 1 8 . 34 15 847 m x T Ux Q

A = =

Δ =

Apabila digunakan pipa dengan diameter 0.0254 m, maka panjang pipa yang dibutuhkan adalah 1.623 m2/ (0,0254 x 3.14) m = 20 m.

Laju aliran air dalam pipa

Suplai panas yang dibutuhkan oleh penukar panas keseluruhan sebesar 2,54 kW, maka laju alairan air yang dibutuhkan adalah :

dt kg x T Cp Q m w w

w 0.06048 /

) 70 80 ( 2 . 4 54 . 2 ₌ − = Δ =

Maka debit pompa yang dibutuhkan adalah :

dt m m q air w / 00006048 . 0 1000 06048 .

0 = 3

= =

Kebutuhan bahan bakar kayu untuk pengeringan

Beban daya untuk pengeringan yang harus disuplai oleh penukar panas sebesar 2.54 kW (=2.54 kJ/dt) dan diasumsikan efisiensi overall tungku 40%, lama proses pengeringan cengkeh 50 jam serta nilai kalor bahan bakar kayu 16351 kJ/kg, maka laju pembakaran kayu adalah :

Mkayu = P9 / (Kalor kayu x efisiensi total )

= (2.54 kJ/dt x3600 dt/jam) x 50 jam / (16531 kJ/kg x0.4) = 69.15 kg kayu / proses pengeringan.

Lampiran 11

Distribusi suhu memotong bidang x=1250 pada Pengering ERK skala lapang

X Y Z Suhu oK X Y Z Suhu oK

1250 300 327.065 0-1500 327,065 ………. …………. 0-1500 ………… 1250 300 327.060 0-1500 327,060 ………. …………. 0-1500 ………….. 1250 201.39 327.090 0-1500 327,090 1250 525 326.913 0-1500 326,913 1250 232.274 327.076 0-1500 327,076 1250 1298.59 326.844 0-1500 326,844 1250 200 327.090 0-1500 327,090 1250 1151.41 326.505 0-1500 326,505 1250 200.5 327.090 0-1500 327,090 1250 1225.02 326.714 0-1500 326,714 1250 300 327.065 0-1500 327,065 1250 1198.63 326.678 0-1500 326,678 1250 200 327.090 0-1500 327,090 1250 1226.95 326.729 0-1500 326,729 1250 200 327.083 0-1500 327,083 1250 1225.04 326.740 0-1500 326,74 1250 199.435 327.091 0-1500 327,091 1250 1251.41 326.762 0-1500 326,762 1250 199 327.091 0-1500 327,091 1250 1375.02 326.979 0-1500 326,979 1250 194.025 327.092 0-1500 327,092 1250 1401.18 327.001 0-1500 327,001 1250 100 327.117 0-1500 327,117 1250 1375.04 326.992 0-1500 326,992 1250 100 327.122 0-1500 327,122 1250 1348.89 326.979 0-1500 326,979 1250 131.77 327.106 0-1500 327,106 1250 1349.65 326.986 0-1500 326,986 1250 199.434 327.084 0-1500 327,084 1250 1375.03 326.996 0-1500 326,996 1250 200 327.084 0-1500 327,084 1250 1400.42 327.003 0-1500 327,003 1250 199 327.084 0-1500 327,084 ) ) Rata-rata 326.18 53,66 oC 1250 200 327.084 0-1500 327,084 n=1271 STDEV 1.28

1250 201.391 327.083 0-1500 327,083 1250 300 327.043 0-1500 327,043 1250 300 327.043 0-1500 327,043 1250 299.5 327.043 0-1500 327,043 1250 300 327.055 0-1500 327,055 1250 300 327.050 0-1500 327,050 1250 218.672 327.077 0-1500 327,077 1250 232.276 327.072 0-1500 327,072 1250 300 327.049 0-1500 327,049 1250 950 320.595 0-1500 320,595 1250 950 303.150 0-1500 303,150 1250 900.669 314.988 0-1500 314,988 1250 999.331 314.988 0-1500 314,988 1250 300 327.049 0-1500 327,049 1250 -6,58E-10 327.150 0-1500 327,150 1250 -6,60E-10 327.150 0-1500 327,150 1250 664.105 327.150 0-1500 327,150 1250 674.961 327.150 0-1500 327,150 1250 0 327.150 0-1500 327,150 1250 300.75 327.065 0-1500 327,065 1250 302.086 327.064 0-1500 327,064 1250 899.058 315.274 0-1500 315,274 1250 809.603 327.149 0-1500 327,149 1250 800.103 325.605 0-1500 325,605 1250 950.5 325.018 0-1500 325,018 1250 964.158 324.591 0-1500 324,591 1250 853.549 324.315 0-1500 324,315 1250 850.5 324.318 0-1500 324,318 1250 900 325.958 0-1500 325,958 1250 850.5 327.136 0-1500 327,136 1250 974.443 324.912 0-1500 324,912 1250 850.5 324.308 0-1500 324,308 1250 850 324.309 0-1500 324,309 1250 1047.45 324.926 0-1500 324,926 1250 1050 324.939 0-1500 324,939 1250 1049.5 324.949 0-1500 324,949

Distribusi kecepatan aliran udara potong x=1250 pada Pengering ERK skala lapang

X Y Z Kec m/s X Y Z Kec m/s

1.250,000 300,000 0-1500 0,249 …………. ………… 0-1500 …………. 1.250,000 300,000 0-1500 0,265 ………….. …………. 0-1500 …………. 1.250,000 201.39 0-1500 0,337 1.250,000 875.049 0-1500 0,709 1.250,000 232.274 0-1500 0,286 1.250,000 800.422 0-1500 0,645 1.250,000 200,000 0-1500 0,337 1.250,000 949.579 0-1500 0,736 1.250,000 200.5 0-1500 0,337 1.250,000 525,000 0-1500 0,210 1.250,000 300,000 0-1500 0,249 1.250,000 1298.59 0-1500 0,224 1.250,000 200,000 0-1500 0,337 1.250,000 1151.41 0-1500 0,207 1.250,000 200,000 0-1500 0,291 1.250,000 1225.02 0-1500 0,200 1.250,000 199.435 0-1500 0,338 1.250,000 1198.63 0-1500 0,199 1.250,000 199,000 0-1500 0,338 1.250,000 1226.95 0-1500 0,193 1.250,000 194.025 0-1500 0,340 1.250,000 1225.04 0-1500 0,192 1.250,000 100,000 0-1500 0,378 1.250,000 1251.41 0-1500 0,191 1.250,000 100,000 0-1500 0,395 1.250,000 1375.02 0-1500 0,243 1.250,000 131.77 0-1500 0,346 1.250,000 1401.18 0-1500 0,316 1.250,000 199.434 0-1500 0,259 1.250,000 1375.04 0-1500 0,301 1.250,000 200,000 0-1500 0,258 1.250,000 1348.89 0-1500 0,277 1.250,000 199,000 0-1500 0,259 1.250,000 1349.65 0-1500 0,293 1.250,000 200,000 0-1500 0,259 1.250,000 1375.03 0-1500 0,311 1.250,000 201.391 0-1500 0,258 1.250,000 1400.42 0-1500 0,318 1.250,000 300,000 0-1500 0,184 n=1271 Rata-rata 0,30 1.250,000 300,000 0-1500 0,184 STDEV 0,20 1.250,000 299.5 0-1500 0,184

1.250,000 300,000 0-1500 0,261 1.250,000 300,000 0-1500 0,250 1.250,000 218.672 0-1500 0,286 1.250,000 232.276 0-1500 0,278 1.250,000 300,000 0-1500 0,247 1.250,000 950,000 0-1500 0,128 1.250,000 950,000 0-1500 1,500 1.250,000 900.669 0-1500 0,020 1.250,000 999.331 0-1500 0,020 1.250,000 300,000 0-1500 0,237 1.250,000 -6,58E-10 0-1500 0,000 1.250,000 -6,60E-10 0-1500 0,000 1.250,000 664.105 0-1500 0,000 1.250,000 674.961 0-1500 0,000 1.250,000 0,000 0-1500 0,000 1.250,000 300.75 0-1500 0,249 1.250,000 302.086 0-1500 0,248 1.250,000 899.058 0-1500 0,000 1.250,000 809.603 0-1500 0,000 1.250,000 800.103 0-1500 0,654 1.250,000 950.5 0-1500 0,264 1.250,000 964.158 0-1500 0,339 1.250,000 853.549 0-1500 0,321 1.250,000 850.5 0-1500 0,317 1.250,000 900,000 0-1500 0,000 1.250,000 850.5 0-1500 0,000 1.250,000 974.443 0-1500 0,264 1.250,000 850.5 0-1500 0,320 1.250,000 850,000 0-1500 0,319 1.250,000 1047.45 0-1500 0,242 1.250,000 1.050,000 0-1500 0,238 1.250,000 1049.5 0-1500 0,236 1.250,000 1.050,000 0-1500 0,237