Pengujian Dan Simulasi Mesin Pengering Produk Pertanian Tenaga Surya Dengan Kapasitas 25 Kg/Siklus Menggunakan Program CFD

PENGUJIAN DAN SIMULASI MESIN PENGERING PRODUK PERTANIAN TENAGA SURYA

DENGAN KAPASITAS 25 KG/SIKLUS MENGGUNAKAN PROGRAM CFD

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh :

HENRIANTO SITANGGANG NIM. 050401020

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN 2010

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini dengan baik. Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada jenjang pendidikan sarjana (S1) menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

adapun judul dari Skripsi ini yaitu ”Pengujian dan simulasi mesin pengering produk

pertanian tenaga surya dengan kapasitas 25 kg/siklus menggunakan program CFD”.

Dalam menyelesaikan Skripsi ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagi pihak baik materil ataupun moril. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Orang Tua saya, K. Situmorang dan seluruh keluarga tercinta yang telah memberikan

dukungan baik moril maupun materil kepada penulis tanpa pamrih.

2. Bapak Dr.Eng Himsar Ambarita ST, MT selaku dosen pembimbing Skripsi yang telah

meluangkan waktu dan pikiran untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Skripsi ini.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Sumatera Utara .

4. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Sumatera Utara .

5. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin Fakultas

Teknik Universitas Sumatera Utara.

6. Kepada Dikki Girsang, ST yang telah bekerja sama-sama dalam menjalankan dan

7. Eka Kurniati Hasibuan, Amd yang telah memberikan semangat, dukungan, dan doa dalam menyelesaikan skripsi ini.

8. Ucapan terima-kasih juga kepada semua mahasiswa Teknik Mesin umumnya, dan

khususnya sesama rekan-rekan stambuk 2005.

Dalam menyelesaikan tugas ini penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya Skripsi ini. Saya mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun. Akhir kata, Penulis mengharapkan semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca.

Medan, Maret 2011

Penulis,

HENRIANTO SITANGGANG

ABSTRAK

Desain sebuah mesin pengering dengan menggunakan udara alami sebagai fluida kerja. Untuk membuat gambaran mesin pengering dilakukan terlebih dahulu pada software gambar AutoCAD. Setelah mendapatkan nilai titik-titiknya kemudian melakukan simulasi awal dengan menggunakan softwareGambit untuk membuat geometri face kemudian dimesh dan terakhir dibuat kondisi batas pada mesin pengering.

Hasil dari geometri yang telah di gambar pada softwareGambit kemudian di dimulasikan dengan menggunakan softwarefluend dengan menggunakan data awal dari hasil penelitaan yang telah dilakukan sebelumnya pada skripsi “RANCANG BANGUN MESIN PENGERING JAGUNG ENERGI SURYA DENGAN KAPASITAS 25 KG/SIKLUS”. Kemudian mengatur kondisi batas kondisi hasil skripsi diatas.

Dari hasil simulasi yang dilakukan dengan menggunakan softwarefluend didapatkan bentuk laju aliran fluida melalui colektor hingga keluar menuju cerobong mesin pengering. Dari hasil simulasi ini dapat disimpulkan bahwa bentuk dan besar dari rak pada mesin pengering sangat mempengaruhi laju aliran fluida pada bak pengering.

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ...i

SPESIFIKASI TUGAS...ii

KATA PENGANTAR...iii

ABSTRAK...iv

DAFTAR ISI...v

DAFTAR GAMBAR...viii

DAFTAR SIMBOL...x

DAFTAR TABEL...xii

BAB I PENDAHULUAN ...1

1.1Latar belakang ………1

1.2Tujuan ………3

1.3Manfaat Analisa CFD ………3

1.4Batasan Masalah ………4

1.5Metode Pembahasan ………4

1.6Sistematika Penulisan ………4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ………5

2.1Pengeringan ………5

2.2Jenis-jenis Pengeringan………...6

2.3Sistem Energi Matahari………...8

2.4Spesifikasi Alat Uji Hasil Perancangan...9

2.4.1 Kolektor...9

2.4.2 Bak Pengering...11

2.4.3 Tray...13

2.5Produk Dan Energi Yang Dibutuhkan Untuk Pengeringan………….………..14

2.5.1 Jagung...14

2.5.2 Energi Yang Dibutuhkan Untuk Pengeringan...15

2.6 Aliran Fluida...23

BAB III CFD FLUENT DAN PENDEKATAN NUMERIK ………...27

3.1 Computational Fluid Dynamics (CFD)………..27

3.1.1 Pengertian Umum CFD………..27

3.1.2 Penggunaan CFD………...……….28

3.1.3 Manfaat CFD………..29

3.1.4 Proses Simulasi CFD………..29

3.1.5 Metode Diskritisasi CFD………30

3.2 Pengenalan Fluent………...………...31

3.2.2 Struktur Program Fluent……….………32

3.2.3 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT………...……….33

3.3 PendekatanNumerikpada CFD Fluent………..………..35

3.3.1 Ketentuan Matematis...35

3.3.2 Persamaan Kontinuitas, Momentum danEnergi………...………...….36

3.3.3 Fisik Aliran Kompresibel………...………39

3.3.4 Model Turbulensi……….………..40

3.3.5 Persamaan Umum Transport Skalar, Diskritisasi dan Solusi……....…42

3.3.6 Penyelesaian Persamaan Linear………...43

3.3.7 Dasar Penyelesaian Tekanan (Pressure-Based Solver)………..……...44

3.3.8 Diskritisasi (Metode Interpolasi)………..………...45

3.3.9 Pressure Velocity Coupling………...47

3.3.10 Grafik Kompatibilitas Model FLUENT………...…...49

BAB IV DATA PENGUJIAN DAN PENGOLAHAN DATA...51

4.1 Data Pengujian...51

4.2 Pengolahan Data ...57

BAB V PERMODELAN GEOMETRI……….63

5.1 Pendahuluan………....63

5.2 Prose Permodelan Geometri Bak Pengering yang telah Direncanakan……...65

5.2.1 Prose Pembuatan Geometri dari Bak Pengering………...65

5.2.2 Proses Solving dan Postprocessing Geometri dari Bak Pengering…...71

BAB VI ANALISA DAN HASIL SIMULASI………75

6.1 Pendahuluan………....75

6.2 Simulasi Kontur………...…………...75

BAB VII KESIMPULAN DAN SARAN………87

7.1 Kesimpulan ...……….………....87

7.2 Saran ………..88

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

Gambar 2.1 Kolektor...9

Gambar 2.2 Bak Pengering...12

Gambar 2.3 Tray...13

Gambar 2.4 Skema sistem pengering dengan energi surya...22

Gambar 3.1 StrukturKomponen Program FLUET ………...….………...32

Gambar 3.2 Diagram Alir Prosedur Simulasi ………...34

Gambar 3.3 Volume control digunakan untuk mengilustrasikan diskritisasi persamaan transport scalar ………...………...43

Gambar 3.4 Volume control satu dimensi …………....………...47

Gambar 3.5 Kompatibilitas model pada FLUENT ………...50

Gambar 4.1 Skema pengukuran temperature pada alat pengering...51

Gambar 4.2 Titik pengukuran kecepatan udara masuk pada kolektor...54

Gambar 5.1 Tampilan awal GAMBIT ………...64

Gambar 5.2 Tampilan awal FLUENT ………...65

Gambar 5.3 Tampilan hasil mesh untuk model 1 ………...………....67

Gambar 5.4 Tampilan hasil mesh untuk model 2 ………...………....68

Gambar 5.5 Tampilan hasil mesh untuk model 3 ………...………....69

Gambar 5.6 Tampilan hasil mesh untuk model 4 ………...…………...70

Gambar 5.7 Kotak dialog untuk export mesh file ………..………...71

Gambar 5.8 Tampilan hasil smooth/swap grid ………..………...73

Gambar 6.1 Kontur kecepatan pada mesin pengering untuk model 1...76

Gambar 6.2 Kontur kecepatan pada mesin pengering untuk model 2...76

Gambar 6.3 Kontur kecepatan pada mesin pengering untuk model 3...77

Gambar 6.4 Kontur kecepatan pada mesin pengering untuk model 4 ...77

Gambar 6.5 Kontur temperature pada mesin pengering untuk model1...78

Gambar 6.6 Kontur temperature pada mesin pengering untuk model 2 ...78

Gambar 6.7 Kontur temperature pada mesin pengering untuk model 3 ...79

Gambar 6.8 Kontur temperature pada mesin pengering untuk model 4 ...79

Gambar 6.9 Kontur tekanan pada mesin pengering untuk model 1 ...80

Gambar 6.11 Kontur tekanan pada mesin pengering untuk model 3 ...81

Gambar 6.12 Kontur tekanan pada mesin pengering untuk model 4...81

Gambar 6.13 Vektor kecepatan pada mesin pengering untuk model 1 ...82

Gambar 6.14 Vektor kecepatan pada mesin pengering untuk model 2...83

Gambar 6.15 Vektor kecepatan pada mesin pengering untuk model 3 ...83

Gambar 6.16 Vektor kecepatan pada mesin pengering untuk model 4...84

Gambar 6.17 Vektor tekanan pada mesin pengering untuk model 1 ...84

Gambar 6.18 Vektor tekanan pada mesin pengering untuk model 2 ...85

Gambar 6.19 Vektor tekanan pada mesin pengering untuk model 3 ...85

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

A Luas sisi masuk sudu total

b Lebar sudu m

I Intensitasradiasi W/

Q Daya W

tot Total energi yang hilang W/

Tp Temperatur rata-rata plat

To Temperatur rata-rata sekitar

Ub Energi yang hilangkearahbawah W/

Uats Energi yang hilangkearahatas W/

Usmp Energi yang hilangkearahsamping W/

k Konduktifitas kJ/kg

l lebar m

N Jumlahpenutup / kaca -

ß Sudut kemiringan kolektor 0

σ Konstanta Stefan-Bolltzmann W/m

Emisivitas plat -

Emisivitas plat -

Faktor perpindahan panas -

ṁ Laju aliran massa kg/s

Temperatur udar keluar

ηk Efisiensikolektor -

Diameter hidraulik m

Re Bilangan Reynolds -

ρ Densitas kg/

V Kecepatan aliran udara m/

µ Viskositas dinamik kg/m.s

Energi total kj

Energi untuk memanaskan daun kj

Energi untuk penguapan kj

Energi memanaskan air yang dikandung jagung kj

L Panjang m

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

Tabel 2.1 Aplikasi CFD dalam berbagai bidang...24 Tabel 4.1 Data temperature I pada mesin pengering dengan produk yang

dikeringkan...52

Tabel 4.2 Data temperature II pada mesin pengering dengan produk yang

dikeringkan...52

Tabel 4.3 Data temperatur III pada mesin pengering dengan produk yang

dikeringkan...53

Tabel 4.4 Data temperature IV pada mesin pengering dengan produk yang

dikeringkan...53

Tabel 4.5 Data kecepatan udara I pada mesin pengering dengan produk yang

dikeringkan...55

Tabel 4.6 Data kecepatan udara II pada mesin pengering dengan produk yang

dikeringkan...55

Tabel 4.7 Data kecepatanudara III pada mesin pengering dengan produk yang

dikeringkan...56

Tabel 4.8 Data kecepatanudara IV pada mesin pengering dengan produk yang

dikeringkan...56

ABSTRAK

Desain sebuah mesin pengering dengan menggunakan udara alami sebagai fluida kerja. Untuk membuat gambaran mesin pengering dilakukan terlebih dahulu pada software gambar AutoCAD. Setelah mendapatkan nilai titik-titiknya kemudian melakukan simulasi awal dengan menggunakan softwareGambit untuk membuat geometri face kemudian dimesh dan terakhir dibuat kondisi batas pada mesin pengering.

Hasil dari geometri yang telah di gambar pada softwareGambit kemudian di dimulasikan dengan menggunakan softwarefluend dengan menggunakan data awal dari hasil penelitaan yang telah dilakukan sebelumnya pada skripsi “RANCANG BANGUN MESIN PENGERING JAGUNG ENERGI SURYA DENGAN KAPASITAS 25 KG/SIKLUS”. Kemudian mengatur kondisi batas kondisi hasil skripsi diatas.

Dari hasil simulasi yang dilakukan dengan menggunakan softwarefluend didapatkan bentuk laju aliran fluida melalui colektor hingga keluar menuju cerobong mesin pengering. Dari hasil simulasi ini dapat disimpulkan bahwa bentuk dan besar dari rak pada mesin pengering sangat mempengaruhi laju aliran fluida pada bak pengering.

BAB I PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Sinar matahari adalah salah satu gelombang elektromagnetik yang memancarkan

energi, yang disebut dengan energi surya, ke permukaan bumi secara terus menerus.

Energi ini mempunyai sifat antara lain tidak bersifat polutan, tidak dapat habis (terbarukan) dan juga gratis. Bumi menerima daya radiasi surya sekitar 108 PW

(1PW=1015W), atau dalam 1 tahun total energi surya yang sampai di permukaan bumi

sekitar 3.400.000 EJ (1EJ=1018J). Hanya diperlukan 2 jam radiasi sinar surya untuk

memenuhi kebutuhan energi dunia selama satu tahun sebesar 474 EJ (data tahun 2008). Tetapi, potensi energi yang sangat besar ini belum dimanfatkan secara optimal dan masih terbuang begitu saja. Suatu studi menyebutkan energi surya yang sudah dimanfaatkan sebesar 5 GW melalui sel surya dan 88 GW melalui pemanas air. Jumlah ini tidak ada artinya dibandingkan dengan radiasi yang diterima bumi.

Sebagai negara yang terletak di daerah katulistiwa, yaitu pada 60 LU – 110 LS dan 950 BT

– 1410 BT, dan dengan memperhatikan peredaran matahari dalam setahun yang berada pada

daerah 23,50 LU dan 23,50 LS akan mengakibatkan suhu di Indonesia cukup tinggi (antara 26º C

- 35º C) dan bila saat cuaca cerah akan disinari matahari selama 6 –7 jam dalam sehari. Bagian

barat Indonesia mendapat rata-rata radiasi sebesar 4,5 KWh/m2/hari dengan varisi bulanan

sekitar 10% dan bagian timur 5,1 kWH/m2/hari dengan varisi bulanan sekitar 9%. Sifat radiasi

matahari yang diperoleh di daerah ini dapat dikatakan lebih kecil perubahannya terhadap rata-rata tiap tahunnya. Dilain pihak, pancaran radiasi ini sifatnya periodik setiap hari dan setiap tahunnya secara terus menerus.

Ada dua cara memanfaatkan energi surya yang berlimpah ini, yaitu dengan sel surya dan surya termal. Teknologi dengan sel surya tergolong efisien dan bersih, tetapi memerlukan peralatan yang cukup mahal. Sementara, teknologi surya termal adalah mengumpulkan radiasi surya dalam bentuk panas. Cara ini umumnya tidak membutuhkan

peralatan yang rumit dan relatif lebih mudah untuk dilakukan. Secara global pemanfaatan energi surya termal masih jauh lebih banyak dibanding sel surya. Fakta ini menunjukkan bahwa tersedia energi surya yang cukup besar dan dapat dimanfaatkan dalam bentuk energi termal.

Industri pengering, termasuk pengeringan produk pertanian adalah termasuk salah satu proses produksi yang banyak menggunakan energi. Studi di beberapa negara menunjukkan bahwa persentasi konsumsi energi nasional untuk pengeringan relatif cukup besar. Menurut studi negara-negara seperti USA, Kanada, Perancis, Inggris mengkonsumsi sekitar 10-15% dari energi nasionalnya untuk pengeringan. Jerman dan Denmark bahkan lebih besar yaitu sekitar 20-25%. Meskipun belum ada studi yang melaporkannya, diperkirakan Indonesia dan negara-negara lainnya, menggunakan konsumsi energi nasionalnya untuk pengeringan pada kisaran 5-25%. Secara global, data tahun 2007 menyatakan 86,4% konsumsi energi dunia dipasok oleh sumber energi berbasis fosil seperti minyak bumi, gas alam, dan batubara. Pembakaran sumber energi berbasis fosil ini setara dengan pelepasan 21,3 Gigaton karbon dioksida ke alam, tetapi alam dengan bantuan hutan hanya mampu menyerap setengah dari jumlah ini. Oleh karena itu akan ada penambahan karbon dioksida sekitar 10,6 Gigaton pertahun. Jika tidak ada langkah konkrit, ini akan meningkat terus di tahun-tahun mendatang seiring dengan meningkatnya kebutuhan energi dunia. Gas inilah salah satu yang akan menyebabkan pemanasan global, dan jika lajunya tidak dikurangi akan membahayakan kelangsungan hidup bumi sebagai planet yang bisa dihuni umat manusia dan mahluk hidup lainnya. Fakta-fakta ini menunjukkan bahwa proses pengeringan termasuk salah satu penyumbang pelepasan karbon dioksida ke alam yang relatif besar.

Untuk mengurangi pemakaian energi berbasis fosil yang akan menyebabkan pemanasan global, salah satunya adalah pemanfaatan energi sinar matahari. Pemanfaatan energi sinar matahari dapat digunakan pada mesin pengering, seperti mesin pengering jagung. Pengolahan pasca panen hasil pertanian atau perkebunan mempunyai peranan penting dalam kehidupan masyarakat Indonesia, yang sekaligus juga merupakan sumber pemasukan devisa negara yang cukup besar. Dengan penerapan sistem energi sinar matahari pada teknologi ini, diharapkan akan mempercepat proses pengeringan jagung. Selain untuk mempercepat pengeringan, juga dapat menjaga mutu dan kwalitas jagung tersebut. Hal-hal inilah yang melatarbelakangi tugas akhir ini.

1.2. Tujuan

Adapun tujuan dari skripsi ini adalah menguji mesin pengering jagung, yang telah direncanakan dan difabrikasi pada tugas akhir sebelumnya dan mensimulasikan medan aliran fluida yang terjadi di dalam ruang pengering. Simulasi akan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak CFD. Simulasi ini diharapkan dapat memberikan gambaran pola aliran udara pengering di dalam ruang pengering saat proses pengeringan terjadi. Sebagai catatan pola aliran udara pengering ini sangat sulit didapatkan secara eksperiment, karena keterbatasan alat ukur yang dimiliki. Kemudian simulasi akan dilanjutkan untuk melakukan modifikasi

1.3. Manfaat Analisa CFD

Ditinjau dari segi manfaat terdapat empat hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus menggunakan CFD, yakni :

1. Untuk melakukan simulasi aliran fluida yang terjadi pada mesin pengering.

2. Untuk mengetahui distribusi temperatur, laju aliran, dan distribusi kecepatan fluida yang

terjadi pada mesin pengering.

3. Dapat melakukan modifikasi susunan rak pengering di dalam ruang pengering.

4. Untuk membandingkan distribusi kecepatan dan distribusi temperatur yang terbaik setiap

model rak pada mesin pengering.

1.4. Batasan Masalah

Dalam penulisan skripsi ini, akan dibahas tentang analisa CFD pada mesin pengering dengan menggunakan kolektor surya untuk proses pengeringan jagung. Untuk mendapatkan tujuan pada simulasi ini, batasan masalah yang digunakan adalah kondisi steady dan temperatur absorber hasil pengujian.

1.5 Metode Pembahasan

Metode pembahasan yang digunakan adalah: Studi literature yaitu mengumpulkan berbagai informasi dan data dari buku teks, internet dan makalah–makalah yang berhubungan dengan mesin pengering dan jagung. Dan melakukan beberapa tahapan seperti identifikasi, analisis sistem, simulasi sistem, analisis hasil. Dimana hasil atau keluaran dari suatu tahap akan menjadi masukan bagi tahap selanjutnya. Berdasarkan batasan masalah yang telah ditetapkan, penulisan skripsi ini adalah pengujian mesin pengering dan simulasi aliran fluida.

1.6 Sistematika Penulisan

Untuk mempermudah pembaca dalam memahami tulisan ini, maka dilakukan pembagian bab berdasarkan isinya. Tulisan ini akan disusun dalam beberapa bab : I. Pendahuluan, II. Tinjauan Pustaka, III. Teori Simulasi CFD, IV. Data Pengujian dan Pengolahan Data, V. Permodelan Geometri, VI. Analisa dan Hasil Simulasi, VII. Kesimpulan dan Saran.

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengeringan

Pengeringan merupakan salah satu unit operasi energi paling intensif dalam pengolahan pasca panen. Unit operasi ini diterapkan untuk mengurangi kadar air produk seperti berbagai buah-buahan, sayuran, dan produk pertanian lainnya setelah panen. Pengeringan adalah proses pemindahan panas dan uap air secara simultan yang memerlukan panas untuk menguapkan air dari permukaan bahan tanpa mengubah sifat kimia dari bahan tersebut. Dasar dari proses pengeringan adalah terjadinya penguapan air ke udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara dan bahan yang dikeringkan. Laju pemindahan kandungan air dari bahan akan mengakibatkan berkurangnya kadar air dalam bahan tersebut.

Pada prinsipnya, pengeringan bertujuan untuk mengurangi kadar air yang terkandung pada bahan sampai pada kadar air yang diinginkan. Tujuan mengurangi kadar air adalah untuk memperpanjang kehidupan rak-produk bio-asal dengan mengurangi kadar air ke tingkat yang cukup rendah sehingga menghambat pertumbuhan mikroorganisme, reaksi enzimatik, dan reaksi lainnya yang memperburuk produk pertanian tersebut.

Faktor-faktor yang berpengaruh dalam proses pengeringan adalah suhu,

kelembaban udara, laju aliran udara, kadar air awal bahan dan kadar air akhirbahan.

a. Proses perpindahan panas

Proses perpindahan panas terjadi karena adanya perbedaan suhu udara pengering dengan suhu bahan yang akan dikeringkan, dimana suhu udara pengering lebih tinggi dari suhu bahan. Panas yang dialirkan melalui udara pengering akan meningkatkan suhu bahan, sehingga air dalam bahan berubah wujud menjadi uap air.

b. Proses perpindahan Massa

Peningkatan suhu bahan karena proses perpindahan panas akan menyebabkan tekanan uap air di dalam bahan lebih tinggi dari tekanan uap air pada udara pengering, sehingga terjadi perpindahan uap air bahan ke udara.

Kelembaban relatif udara pengering akan turun dengan adanya peningkatan suhu udara pengering, Hal ini menyebabkan kelembaban relatif udara pengering lebih rendah dari kelembaban relatif bahan. Selanjutnya panas yang dialirkan ke permukaaan bahan akan meningkatkan tekanan uap air bahan sehingga tekanan uap air bahan lebih tinggi dari tekanan uap air udara pengering. Dengan kondisi demikian akan terjadi perpindahan massa uap air dari bahan ke udara pengering dan disebut sebagai proses penguapan. Proses penguapan air dari bahan akan terus berlangsung sampai terjadi kesetimbangan tekanan uap air antara bahan dengan pengering.

2.2 Jenis-Jenis Pengeringan

Jenis-jenis pengeringan berdasarkan karakteristik umum dari beberapa pengering konvensional dibagi atas 8 bagian, yaitu : (Arun S. Mujumdar, Chung Lim Law. 2009)

a) Baki atau wadah

Pengeringan jenis baki atau wadah adalah dengan meletakkan material yang akan dikeringkan pada baki yang lansung berhubungan dengan media pengering. Cara perpindahan panas yang umum digunakan adalah konveksi dan perpindahan panas secara konduksi juga dimungkinkan dengan memanaskan baki tersebut.

b) Rotary

Pada jenis ini ruang pengering berbentuk silinder berputar sementara material yang dikeringkan jaruh di dalam ruang pengering. Medium pengering, umumnya udara panas, dimasukkan ke ruang pengering dan bersentuhan dengan material yang dikeringkan dengan arah menyilang. Alat penukar kalor yang dipasang di dalam ruang pengering untuk memungkinkan terjadinya konduksi.

c) Flash

Pengering dengan flash (flash dryer) digunakan untuk mengeringkan kandungan air yang ada di permukaan produk yang akan dikeringkan. Materi yang dikeringkan dimasukkan dan mengalir bersama medium pengering dan proses pengeringan terjadi saat aliran medium pengering ikut membawa produk yang dikeringkan. Setelah proses pengeringan selesai, produk yang dikeringkan akan dipisahkan dengan menggunakan hydrocyclone.

d) Spray

Teknik pengeringan spray umumnya digunakan untuk mengeringkan produk yang berbentuk cair atau larutan suspensi menjadi produk padat. Contohnya, proses pengeringan susu cair menjadi susu bubuk dan pengeringan produk-produk farmasi. Cara kerjanya adalah cairan yang akan dikeringkan dibuat dalam bentuk tetesan oleh atomizer dan dijatuhkan dari bagian atas. Medium pengering (umumnya udara panas) dialirkan dengan arah berlawanan atau searah dengan jatuhnya tetesan. Produk yang dikeringkan akan berbentuk padatan dan terbawa bersama medium pengering dan selanjutnya dipisahkan dengan hydrocyclone.

e) Fluidized bed

Pengeringan dengan menggunakan kecepatan aliran udara yang relatif tinggi menjamin medium yang dikeringkan terjangkau oleh udara. Jika dibandingkan dengan jenis wadah, jenis ini mempunyai luas kontak yang lebih besar.

f) Vacum

Pengeringan dengan memanfaatkan ruangan bertekanan udara rendah. Dimana pada ruangan tersebut tidak terjadi perpindahan panas, tetapi yang terjadi adalah perpindahan massa pada suhu rendah.

g) Membekukan

Pengeringan dengan menggunakan suhu yang sangat rendah. Biasanya digunakan pada produk-produk yang bernilai sangat tinggi, seperti produk farmasi dan zat-zat kimia lainnya.

h) Batch dryer

Pengeringan jenis ini hanya baik digunakan pada jumlah material yang sangat sedikit, seperti penggunaan pompa panas termasuk pompa panas kimia.

Pada bagian tugas akhir ini akan dilakukan simulasi pada pengeringan tipe wadah dengan menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi pemanas udara pengering.

Seperti dijelaskan sebelumnya, penerapan sistem energi matahari ini adalah untuk mereduksi waktu proses pengeringan dari pengeringan yang biasa dilakukan yaitu dengan penjemuran langsung. Sistem pengeringan dengan energi matahari seperti yang akan diterapkan pada percobaan ini merupakan sistem tidak langsung ( Indirect type dryer ) dimana pengumpulan energi matahari dilakukan di tempat terpisah diluar bagian pengeringan, kemudian dihubungkan ke tempat pengeringan melalui suatu fluida yang berfungsi sebagai fluida pengering yang dalam hal ini adalah udara. Pengumpulan energi surya dan transfernya pada fluida kerja dilakukan melalui suatu alat yang disebut kolektor matahari ( solar collector ).

Pada sistem yang dirancang hanya menggunakan udara lingkungan dan pemanasan hanya dilakukan padperhari.

2.4 Spesifikasi

Alat Uji Hasil

Perancangan 2.4.1 Kolektor

Untuk ukuran bersih kolektor ( ruang pengumpul udara panas ) yang di rancang dalam penelitian ini adalah disesuakan dengan ukuran kaca yang tersedia di pasaran dan sesuai dengan yang dibutuhkan pada penelitian ini, yaitu :

Gambar 2.1 Kolektor

- Panjang = 2 m

- Lebar = 1,5 m

- Tinggi = 0,1 m

 Plat seng

Jenis absorber yang di gunakan adalah plat seng dengan ketebalan 0,3 mm yang mudah

dijumpai di pasaran dimana kehantaran termalnya adalah 112.2 W/ m0C, sedangkan

emisivitasnya adalah 0,97. Plat ini cukup tipis dan ringan, maka di harapkan respon kenaikan temperatur terhadap peningkatan intensitas radiasi matahari juga cukup cepat. Kemudian Absorbernya di cat dengan warna hitam buram ( black paint ).

 Kaca

Cover yang digunakan dalam kolektor ini dipilih tipe kaca yang umum dipakai untuk bangunan ( kaca jendela ) atau yang disebut dengan ordinary glass dengan ketebalan 5mm. Kaca jenis ini memiliki sifat – sifat sebagai berikut :

Konduktivitas termal = 0,78 W/m.0C

Reflektivitas = 0,08 – 0,09 Absorbsivitas < 1%

Emisivitas = 0,88

 Isolator

Pemilihan isolator ini didasarkan pada selisih temperatur, yaitu antara temperatur yang dihasilkan degan temperatur udara lingkungan dimana isolator ini akan meminimalisasi terjadinya fluks atau kehilangan panas ke arah bawah absorber. Untuk isolator yang digunakan dalam penelitian ini mempertimbangan faktor biaya dan berat isolator itu sendiri, agar kolektor yang dibuat nantinya tidak terlalu berat. Untuk isolator yang telah kita pilih

terbuat dari kertas dimana kehantaran termalnya adalah 0,06 W/m0C. Untuk menggunakan

kertas sebagai bahan isolator pada penelitian ini, peneliti menyusun kertas tersebut dibawah absorber dengan ketebalan 2cm. Hal ini dilakukan agar isolator yang dibuat tidak terlalu berat.

2.4.2 Bak Pengering

Rangka bak pengering terbuat dari besi siku ukuran 30mm x 30mm x 6000mm, rangka bak pengerik di bentuk dan dilas sesuai dengan gambar yang didisain (Gambar 2.2) kemudian dibuat dinding untuk penyekat udara dari bahan plat seng dengan tebal 0,3mm. Dinding tersebut dilengketkan pada rangka bak pengering dengan cara di revet serta dilakukan pematrian untuk menghundari kebocoran udara panas. Kemudian plat seng dicat dengan warna hitam buram,agar dapat menyerap panas dengan lebih cepat. Pada bak pengering dilengkapi dengan pintu yang berguna untuk memasukan dan mengeluarkan produk yang dikeringkan. Di pintu tersebut dibuat kaca yang mamungkinkan kita dapat mengetahui temperature tiap rak, dengan cara melihat thermometer yang sengaja digantungkan pada setiap rak pengering. Di bagian atas bak pengering dibuat cerobong udara, bertujuan untuk memperlancar sirkulasi udara pada proses pengeringan. Ukuran bersih ruang pengering adalalah:

- Lebar bak

pengering = 1 m

- Tinggi bak

pengering = 1 m

- Tinggi kaki bak

pengering = 1,2 m

- Jarak dari

setiap rak kearah atas =

0,2 m

- Tinggi bagian

yang akan memberikan

efek thermal

chimney = 0,86 m

- Sudut bagian

yang akan memberikan

efek thermal

chimney = 600

- Tinggi

cerobong = 0,5 m

- Diameter

Gambar 2.2 Bak pengering

2.4.3 Tray

Tray digunakan untuk menampung biji jagung yang selanjutnya akan diletakkan

pada tiap tingkatan rak yang telah di buat di dalam bak pengering. Rangka tray pengering terbuat dari balok kayu yang berukuran 45mm x 45mm. Kemudian untuk tempat jagung dibuat kawat kasa dengan ukuran tiap lubang 5mm x 5mm. Ukuran tiap tray adalah :

-Lebar = 0,9 m

Gambar 2.3 Tray

2.5 Produk dan Energi yang Dibutuhkan untuk Pengeringan 2.5.1 Jagung

Jagung ( Zea Mays ) merupakan salah satu komoditas tanaman pangan yang mempunyai peranan strategis dalam pembangunan pertanian dan perekonomian Indonesia. Komoditas ini mempunyai fungsi multiguna, baik untuk pangan maupun pakan. Penggunaan jagung untuk pakan mencapai 50% dari total kebutuhan.

Dalam kurun waktu lima tahun terakhir kebutuhan jagung untuk bahan baku industri pakan, makanan dan minuman terus meningkat 10-15% per tahun. Dengan demikian, ketersediaan bahan baku jagung sangat berpengaruh terhadap kinerja industri peternakan dan penyediaan protein hewani yang sangat dibutuhkan dalam meningkatkan kualitas sumber daya manusia Indonesia. Dalam perekonomian nasional, jagung ditempatkan sebagai kontributor terbesar kedua setelah padi dalam subsektor tanaman pangan.

Biji jagung kaya akan karbohidrat, sebagian besar berada pada endospermium. Selain daripada itu jagung juga mengandung Kalori, Protein, Lemak, Kalium, Fosfor, Ferrum, Vit A, Vit B1 dan Air. Panen dilakukan pada saat jagung mencapai kemasakan biji yang tepat, yaitu daun-daunnya telah menguning kering biji agak mengering dan keras. Pada saat pemanenan jagung , air yang dikandung oleh biji jagung berkisar 35-40%. Apabila panen dilakukan terlalu awal menyebabkan biji akan keriput dan bobot rendah. Panen terlalu lama apabila musim penghujan, akan mengakibatkan biji dapat terserang cendawan (Aspergillus flavus ) yang dapat menghasilkan aflatoksisn ( dapat bersifat racun yang menyebabkan kanker hati pada manusia).

Sebelum diolah untuk berbagai produk, jagung terlebih dahulu mengalami proses pengeringan yang bertujuan untuk mengurangi kadar air pada biji sehingga kadar air turun menjadi 9 – 15%. Pengeringan juga bertujuan untuk meningkatkan daya simpan serta menambah nilai ekonomis dari pada jagung tersebut.

Pengeringan dapat dilakukan dengan pengeringan alami dan pengeringan buatan.

• Untuk pengeringan alami: Jagung langsung dijemur dibawah sinar matahari atau

penjemuran di atas lantai, tikar anyaman dan lain sebagainya.

• Untuk pengeringan buatan: Dengan menggunakan mesin pengering untuk menghemat

tenaga manusia dan mempercepat proses pengeringan, terutama pada saat musim hujan.

Pada sistem yang dirancang hanya menggunakan udara lingkungan dan pemanasan hanya dilakukan pada siang hari oleh kolektor surya, maka tidak digunakan elemen pemanas

listrik. Diharapkan dengan bantuan kolektor surya dapat diperoleh temperatur pengering

diatas 40 0C dengan asumsi waktu penggunaan 7 jam perhari.

2.5.2 Energi yang dibutuhkan untuk pengeringan

1. Energi yang dihasilkan Kolektor

Besarnya energi yang dihasilkan oleh kolektor dari radiasi surya adalah dengan menggunakan persamaan :

Q = Akol x I ………2.1

Dimana :

Q = Daya yang di hasilkan dari radiasi matahari oleh kolektor (W) Akol = Luas kolektor (m2)

I = Intesitas matahari ( W/m2 )

Energi berguna dari kolektor adalah perbedaan antara energi radiasi yang diserap absorber terhadap kerugian termalnya.

Q = ΔT = Akol . [ I – Utot ( Tp – T0 )]

Q = Akol . [ I – Utot ( Tp – T0 )] ...2.2

Dimana,

Q = Energi berguna dari kolektor ( W ) Akol = Luas plat absorber ( m2 )

Utot = Total energi yang hilang karena terjadi fluks ( W/m2 0C )

Tp = Temperatur rata- rata plat absorber (0C)

T0 = Temperatur rata- rata sekitar (0C )

Untuk mencari energi berguna kolektor dengan memakai persamaan 2.2 terlebih dahulu kita mencari Utot.

Utot = Ub + Uats + Usmp……….2.3

Dimana ,

Ub = Energi yang hilang ke arah bawah ( W/m2 0C )

Uats = Energi yang hilang ke arah arah atas ( W/m2 0C )

Usmp = Energi yang hilang ke arah arah samping ( W/m2 0C )

Ub = ………...……….2.4

Dimana,

k = Konduktifitas dari kolektor ( W/m 0C )

L = Tebal isolator yang digunakan ( m )

Uats =

……….………2.5

Dimana,

β = Sudut kemiringan kolektor

C = 520(1 - 0,000051β2 ) untuk 0° ≤ ≤ 70° e = 0,43 (1 - )

= Temperatur plat absorber (0C )

= Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 1 W/m.0C4

= Temperatur sekitar (0C )

f = (1 + 0,089 - 0,1166 . )(1 + 0,07866N)

= Emisivitas plat

= Emisivitas kaca

= Koefisien perpindahan kalor konveksi.

Usmp = 2 . [ ] ...2.6

Faktor pemindahan panas kolektor

)

, menyatakan rasio antara energi yang

berguna aktual dari kolektor terhadap energi berguna maksimum yang dapat diperoleh

kolektor. Untuk suhu udara masuk diambil 30,2 0 C, diambil dari rata-rata udara masuk

selama penelitian.

= ………..………..2.7

Dimana,

Cp = 1,0059kj/kg.0C

= Temperatur masuk udara (0C)

= Temperatur udara keluar kolektor (0C)

Untuk menghitung efisiensi kolektor dipakai persamaan :

ηk = x 100% ………2.8

2. Energi untuk pengeringan jagung

Kebutuhan energi total untuk pengeringan jagung adalah jumlah dari kebutuhan energi untuk memanaskan jagung, energi untuk memanaskan air yang dikandung jagung dan energi untuk menguapkan air jagung. Massa jagung yang dipergunakan dalam penelitian adalah 25kg dan setelah mengalami pengeringan menjadi 18,75 kg. Kadar air awal jagung dalam penelitian adalah 37%, kadar air yang dikandung jagung setelah mengalami pengeringan adalah 9-15 % (dianggap kering). Panas spesifik jagung adalah 3,98 kj/kg 0C.

= + + ……….2.9

Dimana,

=

Energi total untuk pengeringan jagung (kj)

= Energi yang dipakai untuk memanaskan daun (kj)

= Energi yang dipakai untuk memanaskan air yang dikandung jagung (kj) = Energi yang dipakai untuk penguapan (kj)

= ( - ) ………..……2.10

Dimana,

Cpj = Panas spesifik jagung ( kj/kg0C.)

Ti = Suhu jagung akhir (0C)

= diasumsikan sama dengan temperature udara keluar kolektor (420C)

T0 = Suhu jagung awal (0C)

= Diasumsikan sama dengan temperatur masuk (30,20C).

Maka,

Emd = ( 0,15 x 16,75 kg) x 3,98 kj/kg 0C (42 - 30,2) 0C

= 117,9 kj

Eair = Mair Cp.air ( Ti – To)………....……….2.11

Dimana,

Eair = Energi yang digunakan untuk memanaskan air (kj)

Mair = Massa air yan dikandung jagung (kg)

Cp.air = Panas spesifik jagung ( kj/kg0C.)

Ti = Temperatur akhir air dalam jagung ( 420C)

To = Temperatur awal air dalam jagung (30,20C)

Maka,

Eair = (0,37 x 25 kg) x 1,0059 kj/kg 0C. ( 42– 30,2) 0C

Ept = Mair x hfg ………..2.12

Dimana, hfg = Enthalpy penguapan (2419 kj/kg)

(Sumber : K.A.Kobe and R.E.Lynn.1993)

Dan selanjutnya harus diketahui berapa massa uap air yang akan dikeluarkan dari 25 kg jagung, yaitu dengan memakai persamaan :

Mair =

1 1 0

1 X

X X

−− x M b ...2.13

Dimana ,

Xo = Kadar air jagung awal Xi = Kadar air jagung akhir Mb = Massa jagung basah (kg) Maka,

Mair = 25 kg

= 6,25 kg. Maka ,

Ept = 6,47 kg x 2419 kj/kg

= 15481,6 kj

Maka kita dapat mengetahui harga Etot yaitu ;

Kaca

Solar Kolektor

Ud ara

lu_ar

Drying chamber

α

Cerobong

isolator

Solar collector Glass cover

2.6 Aliran Fluida

Untuk menentukan koefisien gesek yang akan dipergunakan untuk menentukan bilangan Reynolds jika penampang tempat saaluranya tidak berbentuk lingkaran di

dasarkan atas diameter hidraulik

)

.

=

………..2.14

Dimana,

A = Luas penampang aliran (m2).

P = perimeter saluran udara (m).

Untuk menentukan bilangan Reynolds kita menggunakan,

Re = = ……… ...2.15

G =

………2.16

Dimana,

Re = Bilangan Reynold

ρ = Densitas (kg/m3)

V = Kecepatan aliran udara (m/s2)

μ =

Viskositas dinamik (kg/m.s)

= Laju aliran masa (kg/s)

Computation fluid dinamic (CFD) menggunakan komputer dan matematika terapan untuk memodelkan situasi aliran fluida. Tolak ukur keberhasilannya adalah bagaimana hasil simulasi numerik sesuai dengan percobaan kasus alam dimana percobaan laboratorium dapat dibentuk, dan bagaimana simulasi dapat memprediksikan fenomena yang sangat kompleks yang tidak dapat diisolasi di laboratorium. CFD menjadi bagian terpadu dari desain teknik dan lingkungan analisis dari beberapa perubahan karena kemampuannya memprediksi kinerja rancangan baru atau proses sebelum diciptakan.

Dalam rancangan dan pengembangannya, program CFD dianggap sebagai alat numerik standar yang memprediksikan bukan hanya cairan dari perilaku aliran, tetapi juga pemindahan panas, massa (seperti pernafasan atau disolusi), perubahan fase (seperti pembekuan, peleburan, dan pendidihan), reaksi kimia (pembakaran atau pengkaratan), gerakan mekanik (seperti perputaran impeller, piston, kipas), dan tekanan atau deformasi yang berkaitan dengan struktur padatan (seperti tekukan massa pada angin). Bidang pengembangan CFD disamping proses produksi makanan dapat dilihat pada Tabel 2.1 Tabel 2.1 Aplikasi CFD dalam berbagai bidang (Bin Xia, Da-Wen Sun. 2002)

Aplikasi pada Industri

Aerospace Arsitektur Otomotif Biomedis

Kimia dan Proses Pembakaran

Elektonik dan Komputer kaca manufaktur

HVAC (pemanasan, ventilasi, dan pendingin)

Daya Laut Mekanais Metalurgi Nuklir

Kereta Desain Mesin Turbo Air

Aplikasi pada Lingkungan

Polusi Udara (atmosfir) Perhitungan Iklim

Kebakaran pada Bangunan Arus Laut

Pencemaran Perairan Keselamatan

Aplikasi pada bidang

Kedokteran

Aliran Fluida Cadiovascular (jantung,

pembuluh darah)

Aliran Fluida di Paru-paru dan Pernafasan

CFD tumbuh dari pendekatan matematika yang menjadi alat penting dalam hampir setiap cabang dinamika fluida. Ini memungkinkan untuk analisa yang lebih mendalam terhadap mekanika fluida dan efek local dalam sejumlah peralatan. Sebagian hasil CFD akan memberikan kinerja penting, kehandalan yang lebih baik serta peningkatan kepercayaan, perbaikan konsistensi produk, dan produktivitas pabrik yang tinggi. Keuntungan menggunakan CFD dapat dikategorikan sebagai berikut :

 Memberikan pemahaman yang rinci tentang distribusi aliran, penurunan berat, pemindahan

manjer pabrik pemahaman yang lebih baik dan lebih mendalam dari apa yang terjadi dalam proses atau sistem.

 Memungkinkan untuk mengevaluasi perubahan geometrik dengan sedikit waktu dan biaya

bila dibandingkan dengan pengujian di laboratorium.

 Dapat menjawab beberapa pertanyaan “Bagaimana seandainya” dalam waktu singkat.

 Mampu untuk mengurangi permasalahan scale-up karena model didasarkan pada fisika

fundamental dan independensi skala.

 Dapat digunakan mensimulasikan kondisi yang khusus yang tidak dapat dilakukan secara

eksperiment seperti pada temperatur sangat tinggi atau pada kondisi yang berbahaya seperti di dalam oven.

Banyak proses produksi makanan seperti pendinginan, pengeringan, pemanggangan, pencampuran, pembekuan, pemasakan, pasteurisasi dan sterilisasi bekerja berdasarkan prinsip aliran fluida. Penggunaan CFD pada industri makanan telah memberikan wawasan baru terhadap insinyur pangan dan pemahaman terhadap kinerja kemungkinan peralatan makanan pada tahap desain dan kepercayaan terhadap kualitas atau keamanan produk makanan (FRPERC, 1995). Peralatan seperti oven, alat penukar panas, lemari display pendingin dan pengering spray telah ditingkatkan melalui penerapan teknik CFD dalam membantu menjelaskan dari operasi mereka dan proses desain. CFD telah menjadi alat yang ampuh dalam pembangunan, trouble shooting dan optimasi proses makanan.

BAB III

manjer pabrik pemahaman yang lebih baik dan lebih mendalam dari apa yang terjadi dalam proses atau sistem.

 Memungkinkan untuk mengevaluasi perubahan geometrik dengan sedikit waktu dan biaya

bila dibandingkan dengan pengujian di laboratorium.

 Dapat menjawab beberapa pertanyaan “Bagaimana seandainya” dalam waktu singkat.

 Mampu untuk mengurangi permasalahan scale-up karena model didasarkan pada fisika

fundamental dan independensi skala.

 Dapat digunakan mensimulasikan kondisi yang khusus yang tidak dapat dilakukan secara

eksperiment seperti pada temperatur sangat tinggi atau pada kondisi yang berbahaya seperti di dalam oven.

Banyak proses produksi makanan seperti pendinginan, pengeringan, pemanggangan, pencampuran, pembekuan, pemasakan, pasteurisasi dan sterilisasi bekerja berdasarkan prinsip aliran fluida. Penggunaan CFD pada industri makanan telah memberikan wawasan baru terhadap insinyur pangan dan pemahaman terhadap kinerja kemungkinan peralatan makanan pada tahap desain dan kepercayaan terhadap kualitas atau keamanan produk makanan (FRPERC, 1995). Peralatan seperti oven, alat penukar panas, lemari display pendingin dan pengering spray telah ditingkatkan melalui penerapan teknik CFD dalam membantu menjelaskan dari operasi mereka dan proses desain. CFD telah menjadi alat yang ampuh dalam pembangunan, trouble shooting dan optimasi proses makanan.

BAB III

3.1 Computational Fluid Dynamics (CFD)

Dalam aplikasinya, aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu fenomena yang sangat banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya pengkondisian udara bagi bangunan dan mobil, pembakaran di motor bakar dan sistem propulsi, interaksi berbagai objek dengan udara atau air, aliran kompleks pada penukar panas dan reactor kimia, dan lain sebagainya, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk kebutuhan penelitian tersebut bahkan sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics (CFD) yang dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik.

3.1.1 Pengertian Umum CFD

Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut :

- Computational : segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik

atau komputasi

- Fluid Dynamics : dinamika dari segala sesuatu yang mengalir.

Ditinjau dari istilah di atas, maka CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat yang mengalir. Maka secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan matematika (model matematika). Pada dasarnya, persamaan-persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan-persamaan-persamaan diferensial parsial atau dikenal dengan istilah PDE (Partial Differential Equation) yang mempresentasikan hukum-hukum kekekalan massa (kontinuitas), momentum dan energi yang diubah kedalam bentuk numerik (persamaan linear) dengan teknik diskritisasi.

Pengembangan sebuah perangkat lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dan struktur, dan sistem akustik hanya dengan permodelan di komputer. Dengan menggunakan software ini dapat dibuat

virtual prototype dari sebuah system atau alat yang ingin dianalisa dengan menerapkan

kondisi nyata di lapangan. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain.

3.1.2 Penggunaan CFD

Dalam aplikasinya CFD dapat dipergunakan bagi :

- Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman.

- Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya.

- Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan.

- Bidang petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery.

- Bidang kedokteran untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodynamics)

- Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan terjadinya bencana alam.

- Analis failure untuk mencari sumber-sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem

pembakaran atau aliran uap panas.

- Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan

yang diakibatkannya.

Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut :

1. Studi konsep dari desain baru

2. Pengembangan produk secara detail

3. Analisis kegagalan atau troubleshouting

4. Desain ulang (re-design)

Ditinjau dari segi manfaat terdapat tiga hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus menggunakan CFD, yakni :insight, foresight, dan efficiency.

1) Insight – Pemahaman Mendalam

Apabila dalam mendesain sebuah system atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk digunakan secara virtual ke dalam alat/sistem yang dapat disaksikan melalui CFD yang belum tentu dapat dilihat dengan cara lainnya.

2) Foresight – Prediksi Menyeluruh

Dikarenakan CFD adalah alat untuk memprediksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas, maka dapat ditentukan desain yang optimal.

3) Efficiency – Efisiensi Waktu dan Biaya

Foresight yang diperoleh dari CFD dapat membantu untuk mendesain lebih cepat dan lebih hemat biaya. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai ke pasaran.

3.1.4 Proses Simulasi CFD

Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu sebagai berikut :

1) Preprocessing

Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat membuat model dalam paket CAD (Computer Aided

Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat

fluidanya.

Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada

saat preprocessing. 3) Postprocessing

Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva , dan animasi.

Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut :

1) Pembuatan geometri dari model/problem

2) Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing)

3) Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan-persamaan gerak + entalpi + konversi

species (zat-zat yang kita definisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan)

4) Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termasuk didalamnya sifat-sifat dan perilaku dari

batas-batas model/problem. Untuk kasus transient, kondisi awal juga didefinisikan.

5) Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iterative, bisa

dalam kondisi tunak (steady state) atau transient.

6) Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.

3.1.5 Metode Diskritisasi CFD

Secara matematis CFD mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar linear.CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).

Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah :

- Metode beda hingga (finite difference method)

- Metode volume hingga (finite volume method)

- Metode elemen batas (boundary element method)

- Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method)

Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menentukan kestabilan dari program numerik/CFD yang dibuat atau program software yang ada. Oleh karenanya diperlukan kehati-hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinu.

3.2 Pengenalan FLUENT

Salah satu software yang digunakan dalam pengembangan kode CFD adalah FLUENT, yaitu satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga (finite volume method). FLUENT menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang realtif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh FLUENT adalah tipe 2D triangular-quadritelar, 3D tetrahedral-hexahedral-pyramid-wedge, dan

mesh campuran (hybrid). FLUENT juga memungkinkan untuk memperhalus atau

memperbesar mesh yang sudah ada.

Bahasa program FLUENT ditulis dalam bahasa C, sehingga memiliki struktur data yang efisien dan lebih fleksibel. FLUENT juga dapat digunakan bersama dengan arsitektur klien/server, sehingga dapat dijalankan sebagai proses terpisah secara simultan pada klien desktop workstation dan computer server. Semua fungsi yang dibutuhkan untuk menghitung suatu solusi dan menampilkan hasilnya dapat diakses pada FLUENT melalui menu yang interaktif.

Beberapa alasan mengapa menggunakan FLUENT yaitu :

- FLUENT mudah untuk digunakan

- Model yang realistik (tersedia berbagai pilihan solver)

m e s h file P D F mes h 2D/ 3 D geom etr i ataume sh bound ar y m es h boundarym esh dan/atau mesh volume

- Cepat dalam penyajian hasil (bisa dengan parallel komputer)

- Visualisasi yang mudah dimengerti

3.2.1 Struktur Program FLUENT

Dalam satu paket program FLUENT terdapat beberapa produk, yaitu :

- FLUENT

- prePDF, merupakan preprocessor untuk memodelkan pembakaran non-premixed pada

FLUENT.

- GAMBIT, merupakan preprocessor tambahan yang dapat membuat volume mesh dari

boundary mesh yang sudah ada.

- Filter untuk mengimpor mesh permukaan dan atau volume dari program CAD/CAE

seperti ANSYS, CGNS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN dll.

Geometri dan mesh dapat dibuat menggunakan GAMBIT. Selain itu, dapat juga menggunakan Tgrid untuk membuat mesh volume triangular, tetrahedral, atau hybrid dari mesh bidang yang sudah ada.Struktur dari komponen tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.1.

GAMBIT - Setup geometri

- Pembuatan mesh 2D/3D Progra m CAD/C AE lainnya PrePDF

- Perhitungan dari

look-up tables

FLUENT

- Impor&adaptasi mesh

- Pemodelan fisik

- Kondisi batas

- Sifat-sifat material

- Perhitungan

Gambar 3.1 Struktur Komponen Program FLUENT

3.2.2 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT

Ada beberapa hal yang harus diperhatikan ketika akan meyelesaikan suatu kasus dengan menggunakan FLUENT, yaitu :

1) Menentukan tujuan pemodelan

2) Pemilihan model komputasional

3) Pemilihan model fisik

4) Penentuan prosedur

Setelah merencanakan analisis CFD pada model, maka langkah-langkah umum penyelesaian analisis CFD pada FLUENT sebagai berikut :

1) Membuat geometri dan mesh pada model

2) Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D)

3) Mengimpor mesh model (grid)

4) Melakukan pemeriksaan pada mesh model

5) Memilih formulasi solver

6) Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisis, misalnya : laminar, turbulen,

reaksi kimia, perpindahan kalor dan lain-lain.

7) Menentukan sifat material yang akan dipakai

8) Menentukan kondisi batas

TGrid

- Mesh triangular 2D

- Mesh tetrahedral 3D

9) Mengatur parameter kontrol solusi 10) Initialize the flow field

11) Melakukan perhitungan/iterasi

12) Memeriksa hasil iterasi

13) Menyimpan hasil iterasi

14) Jika perlu, memperhalus grid kemudian dilakukan iterasi ulang untuk mendapatkan hasil

yang lebih baik.

_Mulai Pembuatan

geometri (memasukkan

Pendefinisian bidang batas

Pengecekan mesh

Mesh bai

Ti

Y Data sifat fisik

Fluida (udara) Solid (gelas

Gambar 3.2 Diagram Alir Prosedur Simulasi

3.3 Pendekatan Numerik pada CFD FLUENT

3.3.1 Ketentuan Matematis

- Memungkinkan dimana, jumlah vektor yang diperlihatkan dengan bentuk tanda panah

(misalnya; , ). Sebagai pengganti untuk vektor dan matriks yang diaplikasikan kedalam

persamaan linear (misalnya; matriks identitas, I).

Penentuan kondisi batas

Proses numerik

Iterasi ero

Plot distribusi Tekanan, Temperatur, Y

Ti

- Lambang operator ∇, menunjukkan seperti gradien, yang menwakili jumlah bentuk derivatif parsial yang berkaitan dengan semua arah yang dipilih dalam sistem koordinat. Didalam koordinat Cartesian, ∇ didefinisikan menjadi :

+ + ……….………(3.1)

Lambang ∇ ditunjukkan dalam beberapa cara :

• Gradien jumlah vektor skalar dari komponen parsial derivatif,

∇p= + + ……….(3.2)

• Gradien jumlah vektor persamaan tensor orde tingkat kedua,

∇ = ..……..(3.3)

Persamaan tensor ini biasanya ditulis dalam bentuk :

………….…….………..…...(3.4)

∇ = ……….….(3.5)

• Bentuk operator ∇.∇, dimana biasanya ditulis dalam bentuk dan dikenal sebagai

persamaan Laplace :

= + + ………....(3.6)

berbeda dengan bentuk , dimana didefinisikan sebagai :

= + + …………...…(3.7)

- Sebuah pengecualian untuk penggunaan pada tekanan Reynolds, dimana ketentuan ini

digunakan pada notasi tensor Cartesian. Dalam hal ini, kita juga dapat mencari beberapa

komponen vektor kecepatan yang ditulis seperti , ,dan .

3.3.2 Persamaan Kontinuitas, Momentum dan Energi

Untuk semua aliran, FLUENT memecahkan persamaan kekekalan untuk massa dan momentum. Untuk aliran menyertakan perpindahan panas atau bersifat kompresibel, dipecahkan sebuah persamaan tambahan untuk kekekalan energi. Penambahan persamaan transport juga dipecahkan ketika aliran adalah turbulen.

- Persamaan kekekalan massa

Persamaan kekekalan massa, atau persamaan kontinuitas, dapat ditulis sebagai berikut :

+∇.(ρ )= ………...(3.8)

aliran inkompressibel maupaun kompressibel. Sumber adalah massa yang ditambah untuk fase terus-menerus.

Untuk geometri dua dimensi, persamaan kontinuitas sebagai berikut : (C.R.Chen and Nguyen Vu Lan. 2009)

= ….…………(3.9)

Dimana, adalah koordinat aksial, adalah koordinat radial, adalah kecepatan aksial, dan

adalah kecepatan radial.

- Persamaan kekekalan momentum

Kekekalan momentum inersia (tanpa percepatan) sebagai acuan diuraikan : (C.R.Chen and Nguyen Vu Lan. 2009)

+∇. = −∇p+∇. +ρ + ……….(3.10

Dimana, padalah tekanan statis, tegangan tensor, ρ dan adalah gaya gravitasi benda dan

gaya eksternal benda.

Tegangan tensor diberikan oleh : (C.R.Chen and Nguyen Vu Lan. 2009)

=μ ………...(3.11)

Dimana, μ kecepatan molekul, I adalah unit tensor, dan masa kedua pada sisi sebelah kanan

efek dilatasi volume.

Untuk bidang dua dimensi, persamaan kekekalan momentum aksial dan radial, sebagai berikut : (C.R.Chen and Nguyen Vu Lan. 2009)

− + ....(3.12) Dan

+ + =−

...(3.13)

Dimana :

∇. = ...………..(3.14)

Dan adalah kecepatan putaran.

- Persamaan energi

FLUENT memecahkan persamaan energi dalam bentuk berikut : (C.R.Chen and Nguyen Vu Lan. 2009)

+∇.( )=∇ + …..……(3.15)

Dimana, adalah konduktivitas efektif , dimana adalah konduktivitas panas

turbulen, didefinisikan menurut bentuk turbulen yang digunakan), dan adalah flux difusi

jenis j.

termasuk pada persamaan panas reaksi kimia dan persamaan panas volumetrik lainnya.

Dalam persamaan (4.15) : E=h − + ………..(3.16)

Dimana, enthalpy h didefinisikan untuk gas ideal yaitu :

Dan untuk aliran kompresibel yaitu :

h = + ………...…………(3.18)

Dalam persamaan tersebut, adalah fraksi massa dan,

………...……(3.19)

Dimana, adalah 298,15 K.

3.3.3 Fisik Aliran Kompresibel

Aliran kompresibel secara khas dikarakteristikkan oleh tekanan total dan

temperatur total pada aliran. Untuk gas ideal, jumlah ini dapat menjadi hubungan

untuk tekanan statis dan temperatur sebagai berikut : (C.R.Chen and Nguyen Vu Lan. 2009)

= exp ( )…...(3.20)

Untuk ,konstan, maka persamaan menjadi :

= …………...……...(3.21)

= ………..(3.22)

Aliran turbulen dikenali dengan adanya medan kecepatan yang berfluktuasi. Fluktuasi kecepatan tersebut membawa berbagai besaran seperti momentum, energi, konsentrasi partikel, sehingga besara tersebut juga ikut berfluktuasi.

FLUENT menyediakan beberapa model turbulensi, yaitu :

• Model Spalart-Allmaras

• Model k-epsilon (k – ε) o Standardk – ε

o Renormalization-group (RNG)

o Realizable k – ε

• Model k-omega (k – ω)

o Standardk – ω

o Shear-stress transport (SST)

• Model Reynolds stress (RSM)

o Model Linear pressure-strain RSM

o Model Quadratic pressure-strain RSM

o Model Low-Re stress-omega RSM

• Model Large Eddy Simulation (LES) – khusus 3 dimensi

- Persamaan transport model Standardk – ε

Model ini merupkan model semi empiris yang dikembangkan Launder&Spalding. Merupakan model turbulensi yang cukup lengkap dengan dua persamaan yang memungkinkan kecepatan turbulen (turbulent velocity) dan skala panjang (length scales) ditentukan secara independen.

Energi kinetik turbulen k, dan nilai disipasi ε, diperoleh dari mengikuti persamaan

+ =

+ + −ρε− + ………(3.23)

Dan

……(3.24)

Dalam persamaan ini :

: mewakili generasi energi kinetik turbulen yang merupakan gradient kecepatan rata-rata.

: mewakili generasi energi kinetik turbulen yang merupakan gaya apung (buoyancy). : mewakili kontribusi fluktuasi dilatasi dalam kompresibel turbulen untuk angka

disipasi keseluruhan.

, , adalah konstan

dan angka Prandtl turbulen

dan adalah sumber yang didefinisikan pengguna.

- Bentuk viskositas turbulen

Bentuk turbulen atau viskositas Eddy , dikomputasi dengan kombinasi k – ε, sebagai berikut

:

………..(3.25)

Dimana, adalah konstan.

- Model konstan

, , , ,

Nilai tetap ini dideterminasi dari eksperimen udara dan air pada dasar aliran turbulen yang homogen.

3.3.5 Persamaan Umum Transport Skalar, Diskritisasi dan Solusi

FLUENT menggunakan teknik basis volume control untuk mengkonversi persamaan umum transport skalar ke sebuah persamaan aljabar yang dipecahkan secara numerik. Teknik control volume ini terdiri dari integrasi persamaan transport masing-masing control volume, yang menghasilkan persamaan diskrit yang menyatakan hukum kekekalan pada basis control volume.

Diskritisasi persamaan pembentuk aliran dapat dengan sangat mudah diilustrsikan dengan

mempertimbangkan persamaan kekekalan unsteady untuk jumlah transport skalar ϕ ini dapat

ditunjukkan dengan mengikuti persamaan yang ditulis dalam bentuk integral pada volume control V sebagai berikut :

(I.Dincer, A.Z.Sahin.2004)

………..(3.26) Dimana :

ρ = massa jenis

= kecepatan vector dalam dua dimensi

= area permukaan vector =koefisien difusi untuk

=gradien dalam dua dimensi

Persamaan (3.26) diaplikasikan untuk masing-masing volume control, atau cell dalam domain komputasi. Diskritisasi persamaan (3.26) yang diberikan pada cell menghasilkan :

…………..(3.27)

Dimana :

= angka masukan bidang sell

=nilai konveksi melalui bidang

= fluks massa melalui bidang

=area bidang , , bidang 2 dimensi

= gradien , pada bidang = volume sell

Gambar 3.3 Volume control digunakan untuk mengilustrasikan diskritisasi persamaan transport skalar

3.3.6 Penyelesaian Persamaan Linear

Linearisasi bentuk persamaan (3.27) dapat ditulis sebagai berikut : (I.Dincer, A.Z.Sahin.2004)

………..(3.28)

Dimana, subscript berkenaan pada sell yang dekat, dan dan adalah linearisasi

koefisien pada dan .

FLUENT memecahkan system linear menggunakan titik implicit (Gauss-Seidel) pemecah persamaan linear bersama dengan metode multrigid aljabar (AMG).

3.3.7 Dasar Penyelesaian Tekanan (Pressure-Based Solver)

Bentuk praktis yang sangat mudah diuraikan dengan mempertimbangkan persamaan kontinuitas dan momentum pada kondisi steady-state dalam bentuk integral : (I.Dincer, A.Z.Sahin.2004)

………..(3.29)

..…………(3.30)

Dimana, I adalah matriks identitas, adalah tegangan tensor, dan adalah gaya vector.

- Diskritisasi persamaan kontinuitas

Persamaan (4.30) dapat diintegrasikan diluar control volume untuk menghasilkan persamaan diskrit :

……….………(3.31)

Dimana, adalah fluks massa melalui permukaan

……….. (3.32)

Dimana, , dan , berturut-turut adalah tekanan dan kecepatan normal,

diantara kedua sell pada salah satu sisi bidang, dan menpunyai pengaruh kecepatan dalam

sell. Dan istilah adalah fungsi , rata-rata persamaan momentum koefisien pada sell dalam salah satu bidang .

- Diskritisasi persamaan momentum

Sebagai contoh, persamaan momentum di dapat diperoleh dengan mengubah :

(I.Dincer, A.Z.Sahin.2004)

……….(3.33)

FLUENT menggunakan skema lokasi, dimana tekanan dan kecepatan keduanya disimpan pada pusat sell. Bentuk tetap skema interpolasi nilai tekanan pada permukaan menggunakan koefisien persamaan momentum dalam FLUENT yaitu : (I.Dincer, A.Z.Sahin.2004)

……….(3.34) Prosedur ini bekerja sejauh variasi tekanan diantara pusat sell adalah licin.

3.3.8 Diskritisasi (Metode Interpolasi)

Pada dasarnya, FLUENT hanya menghitung pada titik-titik simpul mesh geometri, sehingga pada bagian di antara titik simpul tersebut harus dilakukan interpolasi untuk mendapatkan nilai kontinyu pada sluruh domain.

Terdapat beberapa skema interpolasi yang sering digunakan yaitu : - First-order upwind scheme

Skema interpolasi yang paing ringan dan cepat mencapai konvergen, tetapi ketelitiannya

hanya orde satu. Ketika skema ini dipilih, nilai bidang dalah sama dengan nilai pusat

Skema ini memungkinkan digunakan pada penyelesaian berbasis tekanan dan rapatan (density)

- Second-order upwind scheme

Menggunakan persamaan yang lebih teliti sampai orde 2, sangat baik digunaan pada mesh tri/tet dimana arah aliran tidak sejajar dengan mesh.Karena metode interpolasi yang digunakan lebih rumit, maka lebih lambat mencapai konvergen.

Ketika skema ini dipilih, nilai bidang dikomputasi mengikuti bentuk :

………...(3.35)

Dimana, dan adalah nilai pusat sell dan gradient dalam sellupstream, dan adalah vektor

perpindahan dari pusat luasan sell upstream ke bidang pusat luasan.

- Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) scheme

Diaplikasikan untuk mesh quad/hex dan hybrid, tetapi jangan digunakan untuk elemen mesh tri, dengan alian fluida yang berputar/swirl. Ketelitiannya mencapai orde 3 pada ukuran mesh yang seragam.

Untuk bidang e pada Gambar 3.4, jika aliran dari kiri ke kanan, seperti itu nilai dapat ditulis sebagai berikut : (I.Dincer, A.Z.Sahin.2004)

Gambar 3.4 Volume control satu dimensi

dalam persamaan di atas hasil dalam pusat interpolasi orde 2 dimana hasil nilai

orde kedua. Biasanya skema QUICK diperoleh dengan kedaaan . Implementasi pada

FLUENT menggunakan variabel, solusi dependen nilai , dipilih supaya menghindari pengenalan solusi ekstrim yang baru.

3.3.9 Pressure VelocityCoupling

Selain factor diskritisasi, yang harus ditentukan pada parameter control solusi adalah

Pressure Velocity Coupling mengenai cara kontinuitas massa dihitung apabila menggunakan solver segregated. Terdapat 3 metode untuk Pressure Velocity Coupling, yaitu :

- SIMPLE

Algoritma SIMPLE (Semi Implicit-Method for Pressure Linked Equation) menggunakan hubungan antara koreksi kecepatan dan tekanan untuk menjalankan kekekalan massa dan untuk mendapatkan daerah tekanan.

Jika persamaan momentum dipecahkan dengan menebak daerah tekanan ,

meghasilkan fluks bidang , dikomputasi dari persamaan (3.32).

………..(3.37)

tidak memuaskan persamaan kontinuitas. Sebagai konsekwensinya, koreksi ditambahkan

ke bidang fluks sehingga koreksi bidang fluks .

………(3.38)

...………..(3.39)

Dimana, adalah tekanan koreksi sell.

Alogiritma SIMPLE mensubstisusikan persaman koreksi fluks (Persamaan 3.38 dan 3.39) ke dalam persamaan diskrit kontinuitas (Persamaan 3.32) untuk memperoleh persamaan diskrit

pada koreksi tekanan dalam sell :

………..(3.40) Dimana, istilah sumber b adalah angka aliran bersih ke dalam sell :

………(3.41) Sekali lagi, solusi diperoleh, tekanan sell dan fluks bidang dikoreksi menggunakan:

………...(3.42)

………..(3.43)

Disini adalah faktor under-relaxation untuk tekanan. Koreksi bidang fluks, ,

memuaskan persamaan diskrit kontinuitas yang identik pada waktu masing-masing iterasi.

- SIMPLEC

Dapat mempercepat konvergensi untuk kasus yang sederhana, misalnya aliran laminar dengan bentuk geometri yang tidak terlalu kompleks.

Seperti dalam SIMPLE, persamaan koreksi dapat ditulis :

Bagaimanapun juga, koefisien dikenal sebagai fungsi . menggunakan modifikasi ini persamaan koreksi menunjukkan untuk mempercepat konvergensi dalam masalah dimana pressure-velocity coupling adalah pencegah utama untuk memperoleh solusi.

- PISO

Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO), adalah skema pressure-velocity coupling, bagian keluarga algoritma SIMPLE, bebasis derajat tinggi aproksimasi hubungan

antara koreksi tekanan dan kecepatan. Berguna untuk aliran transien atau kasusu dengan mesh yang mengandung skewness tinggi.

3.3.10 Grafik Kompatibilitas Model FLUENT

Grafik berikut merangkum kompatibilitas beberapa kategori model FLUENT :

• Model multifasa

• Model domain bergerak

• Model turbulensi

• Model pembakaran

Sebagai catatan, bahwa y mengindikasikan bahwa dua model adalah kompatibel dengan

yang lainnya, sedangkan n mengindikasikan bahwa dua model adalah tidak kompetibel

BAB IV

DATA PENGUJIAN DAN PENGOLAHAN DATA 4.1. Data pengujian.

Pengukuran dilakukan pada interval yang telah ditentukan. Pemasangan alat dilakukan di Laboratorium Konversi Energi lantai empat Teknik mesin FT - USU. Skema pengukuran yang dilakukan pada mesin pengering adalah :

1. Skema pengukuran temperatur pada alat pengering adalah sebagai berikut :

Gambar 4.1 Skema pengukuran temperature pada alat pengering.

Data pengujian temperatur I Kamis 5 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib. Tabel 4.1 Data temperature I pada mesin pengering dengan produk yang dikeringkan.

Jam ( W i b ) T0 ( 0c)

T1 ( 0 c ) T2 ( 0 c ) T3 ( 0 c ) T4 ( 0c)

T5 ( 0 c ) T6 ( 0 c ) T7 ( 0 c ) T8 ( 0c)

09.00 30 36 49 39 41 38 39 39 38.5

10.00 33 43 63 52 52.5 40 43 43 42

11.00 30 41 60 52 51 39 37 38 37

12.00 29 38 46 43 42 35 33 35 34

13.00 29,6 39 51 47 45.5 37 35 36 36

14.00 29.5 37 55 48 46.6 36 35 35 34

15.00 29.4 39 58 49 48.5 36 35 35 34

16.00 29.3 35 50 45 43.5 35 35 35 35

Data pengujian temperatur II Sabtu 7 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib. Tabel 4.2 Data temperature II pada mesin pengering dengan produk yang dikeringkan.

Jam ( W i b ) T0 ( 0c)

T1 ( 0 c ) T2 ( 0 c ) T3 ( 0 c ) T4 ( 0 c ) T5 ( 0 c ) T6 ( 0 c ) T7 ( 0c)

T8 (

0

c )

09.00 28 34 45 39 39 31 31 32 31

10.00 28.2 38 50 45 44 32 32 33 32

11.00 28.3 42 59 49 50 36 35 34 34

12.00 28.4 40 56 48 48 36 35 34.5 34

13.00 28.1 38 50 45 44 34 34 34 33

14.00 - - - -

15.00 - - - -

Nb: Pengambilan data sampai jam ke 13.00, karena cuaca mendung.

Data pengujian temperatur III Senin 9 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib. Tabel 4.3 Data temperatur III pada mesin pengering dengan produk yang dikeringkan.

Jam ( W i b ) T0 ( 0 c ) T ( T ( T3 ( 0 c ) T4 ( 0 c ) T5 ( 0 c ) T6 ( 0 c ) T ( T8 ( 0 c ) 09.0 0

28 36 54 46 45 35 30 32 31

10.0 0

28. 5

39 55 47 47 36 32 34 33

11.0 0

30 44 61 51 52 39 36 37 36

12.0 0

30. 9

45 64 54 54 41 39 39 38.

5 13.0

0

30. 6

41 62 52 51.

5

42 38 39 38

14.0 0

30. 5

39 58 51 49 40 38 39 39

15.0 0

30 36 56 49.

5

47 38,

5

36. 5

36 36

16.0 0

30. 3

40 55 49 48 39 37 38 37

Data pengujian temperatur IV Selasa 10 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib. Tabel 4.4 Data temperatur IV pada mesin pengering dengan produk yang dikeringkan.

( W i b ) ( 0 c ) ( ( ( 0 c ) ( 0 c ) ( ( 0 c ) ( 0 c ) ( 09.0 0 28. 9

34 44 41 39.

5

32 30 31.

5 30 10.0 0 29. 5

39 57 47.

5

47. 5

37 33 34 32

11.0 0

30 39 62 53 53 41 36.

5

37 36

12.0 0

32 43 68 56 55 44 40 41 39

13.0 0

33 44 68 56 56 45 43 43 41

14.0 0

34 44 71 62 59 51 46 48 46

15.0 0

33. 3

43 68 59 56.

5

46 43 44 43

16.0 0

30 36 47 42 41.

5

37 36 37 37

Gambar 4.2 Titik pengukuran kecepatan udara masuk pada kolektor.

Data pengujian kecepatan angin I Kamis 5 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib. Tabel 4.5 Data kecepatan udara I pada mesin pengering dengan produk yang dikeringkan.

Jam (

V1

(-V2

(-V3

(-V4

(-V5

V6

(- Rata-r a

W i b ) m / s 2 ) m / s 2 ) m / s 2 ) m / s 2 ) m / s 2 ) m / s 2 ) t a

09.00 0.2 0.2 0.3 0.3 0.2 0.2 0.23

10.00 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2 0.3 0.25

11.00 0.4 0.9 0.5 0.5 0.7 0.5 0.58

12.00 0.1 0.1 0.4 0.4 0.5 0.2 0.28

13.00 0.1 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.18

14.00 2.7 2.6 1.8 1.9 1.5 1.0 1.9

15.00 2.7 2.2 2.8 2.9 2.7 1.9 2.5

16.00 0.8 0.8 0.8 0.7 0.8 0,8 0.78

Data pengujian kecepatan angin II Saptu 7 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib. Tabel 4.6 Data kecepatan udara II pada mesin pengering dengan produk yang

dikeringkan. Jam ( W i b ) V1 (-m / s 2 ) V2 (-m / s 2 ) V3 (-m / s 2 ) V4 (-m / s 2 ) V5 (-m / s 2 ) V6 (-m / s 2 ) Rata-r a t a

09.00 0.4 0,3 0.2 0.2 0.2 0.3 0.26

10.00 0.3 0.4 0.3 0.4 0.3 0.3 0.3

11.00 0.2 0.2 0.2 0.2 0.3 0.3 0.23

12.00 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1

13.00 0.5 0.5 1.2 1.2 0.7 0.7 0.8

14.00 - - - -

15.00 - - - -

Nb: Pengambilan data sampai jam ke 13.00, karena cuaca tidak mendukung.

Data pengujian kecepatan angin III Senin 9 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib.

Tabel 4.7 Data kecepatan udara III pada mesin pengering dengan produk yang dikeringkan. Jam ( W i b ) V1 (-m / s 2 ) V2 (-m / s 2 ) V3 (-m / s 2 ) V4 (-m / s 2 ) V5 (-m / s 2 ) V6 (-m / s 2 ) Rata-r a t a

09.00 0.8 0.6 0.5 0.4 0.2 0.3 0.46

10.00 0.1 0.1 0.3 0.3 0.2 0.1 0.18

11.00 0.3 0.3 0.3 0.4 0.3 0.3 0.31

12.00 0.2 0.2 0.3 0.4 0.4 0.5 0.3

13.00 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

14.00 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2

15.00 1.3 1.6 1.7 2.2 1.7 1.6 1.6

16.00 0.2 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

Data pengujian kecepatan angin IV Selasa 10 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib.

Tabel 4.8 Data kecepatan udara IV pada mesin pengering dengan produk yang dikeringkan. Jam ( W i b ) V1 (-m / s 2 V2 (-m / s 2 V3 (-m / s 2 V4 (-m / s 2 V5 (-m / s 2 V6 (-m / s 2 Rata-r a t a

) ) ) ) ) )

09.00 0.1 0,1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1

10.00 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

11.00 0.4 0.4 0.5 0.5 0.4 0.3 0.4

12.00 0.2 0.3 0.2 0.3 0.3 0.4 0.28

13.00 0.2 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.21

14.00 0.6 0.5 0.6 0.6 0.7 0.6 0.6

15.00 0.6 0.4 0.6 0.9 0.7 0.8 0.6

16.00 0.6 0.3 0.9 0.9 0.5 0.5 0.6

4.2. Pengolahan Data

Untuk menghitung kadar air pada tiap tray setelah proses pengeringan dipakai persamaan :

%air = x 100% ……….5.1

Wo = Berat jagung basah – Berat air dalam jagung. ……….5.2 Berar air dalam jagung = 37% x 6,25

= 2,3125 kg. Wo = 6,25kg – 2,3125kg

= 3,9kg

1. Data pengujian I Kamis 5 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib adalah :

- Massa awal jagung (basah) keseluruhan = 25 kg.

- Massa awal jagung (basah) tiap tray = 6.25 kg.

- Kadar air awal dari jagung jagung = 37 %.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray I = 4,7 kg.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray II = 4,8 kg.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray III = 4,8 kg.

Maka kadar air tiap tray adalah :

Untuk tray I : %air = x 100 %

= 17 %.

Untuk tray II : %air = x 100 %

= 18 %.

Untuk tray III : %air = x 100 %

= 18 %.

Untuk tray IV : %air = x 100 %

= 19.5 %.

2. Data pengujian II Sabtu 7 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib adala :

- Massa awal jagung (basah) keseluruhan = 25 kg.

- Massa awal jagung (basah) tiap tray = 6.25 kg.

- Kadar air awal dari jagung jagung = 37 %.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray I = 5 kg.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray II = 5,4 kg.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray III = 5,5 kg.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray IV = 5,6 kg.

Maka kadar air tiap tray adalah :

Untuk tray I : %air = x 100 %

= 22 %.

Untuk tray II : %air = x 100 %

Untuk tray III : %air = x 100 %

= 29 %.

Untuk tray IV : %air = x 100% = 30 %.

3. Data pengujian III Senin 9 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib adalah :

- Massa awal jagung (basah) keseluruhan = 25 kg.

- Massa awal jagung (basah) tiap tray = 6.25 kg.

- Kadar air awal dari jagung jagung = 37 %.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray I = 4,5 kg.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray II = 4,65 kg.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray III = 4,6 kg.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray IV = 4,7 kg.

Maka kadar air tiap tray adalah :

Untuk tray I : %air = x 100 %

= 13 %.

Untuk tray II : %air = x 100%

= 15,5 %.

Untuk tray III : %air = x 100%

= 15, %.

Untuk tray IV : %air = x 100%

= 17 %.

4. Data pengujian IV Selasa 10 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib adalah :

- Massa awal jagung (basah) tiap tray = 6.25 kg.

- Kadar air awal dari jagung jagung = 37 %.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray I = 4,1 kg.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray II = 4,3 kg.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray III = 4,3 kg.

- Massa akhir jagung (kering) pada tray IV = 4,35 kg.

Maka kadar air tiap tray adalah :

Untuk tray I : %air = x 100 %

= 4,8 %.

Untuk tray II : %air = x 100 %

= 9,3 %.

Untuk tray III : %air = x 100 %

= 9,3 %.

Untuk tray IV : %air = x 100%

= 10,3 %.

Untuk membantu mendapatkan kadar air yang dikandung jagung setelah proses pengeringan, peneliti memeriksakan sampel jagung pada Laboratorium Kimia Analitik F-MIPA USU. Dimana metode yang dipakai dalam penentuan kadar air adalah metode Gravimetri. Hasil dari pengujian adalah :

Tray Kadar air sebelum

di kering

kan

Kadar air sesudah

di kerin gkan

I 37 12,74

II 37 13,42

III 37 12,86

IV 37 13,42

2. Data pengujian II Sabtu 7 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib adalah :

Kadar air sebelum

di kerin gkan

Kadar air sesudah

di keri ngk an

I 37 22,12

II 37 23,54

II 37 22,38

I 37 24,50

3. Data pengujian V. Senin 9 Agustus 2010, mulai jam 09.00 Wib – 16.00 Wib adalah :

Gambar 6.16 Vektor kecepatan pada mesin pengering untuk model 4 2. Simulasi vector tekanan

Gambar 6.22 Vektor tekanan pada mesin pengering untuk model 2

BAB

VII

KESIMPULAN DAN SARAN

7.1 Kesimpulan

Berdasarkan analisis hasil simulasi numerik pada BAB VI dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1. Model rak mesin pengering yang dimodifikasi pada analisa simulasi jauh lebih baik dibandingkan dengan model rak mesin pengering yang diuji secara langsung di lapangan. 2. Pada mesin pengering dengan masing-masing model raknya, menyimpulkan bahwa

kontur tekanan dan kecepatan dari vector tekanan akan semakin melemah atau menyempit pada mesin pengering apabila memiliki bentuk model rak yang semakin luas atau banyak.

3. Untuk kontur kecepatan dan kecepatan dari vector kecepatan yang lebih tinggi terdapat pada bagian yang kolektor dan ruang diantara rak setiap model pada mesin pengering. 4. Sedangkan untuk kontur suhu yang terrendah terdapat pada bagian kolektor.

5. Semakin banyak dan luas bentuk rak pada mesin pengering akan mengakibatkan semakin melemahnya tekanan, suhu, dan kecepatan baik pada display kontur maupun display vektornya.

6. Pada Skripsi ini model bentuk Rak yang lebih baik digunakan adalah model rak 3, karena model rak yang berbentuk seperti ini akan mengakibatkan laju aliran fluida menyebar hampir keseluruh bagian mesin pengering jagung.

7.2 Saran

1. Sebagai kelanjutan simulasi mesin pengering ini perlu dilakukan studi untuk mensimulasikan mesin pengering dengan model baru yang lebih efektif dan efisien, sehingga dapat mengurangi pengaruh dari bentuk rak untuk model mesin pengering. 2. Simulasi dengan model mesin pengering ataupun model rak yang lain, perlu dilakukan

untuk mendapatkan prediksi hasil yang lebih baik.

3. Perlunya dilakukan validasi dengan studi eksperimental terhadap model mesin pengering dalam tugas akhir ini sehingga dapat digunakan sebagai data perbandingan.

DAFTAR PUSTAKA

1. A. Esper and W. Miihlbauer Institute for Agricultural Engineering in the Tropics and Subtropics, Hohenheim University, Stuttgart, Germany

2. Auliya Burhanuddin, 1993. Karakteristik kolektor surya plat datar dengan variasi jarak penutup dan sudut kemiringan kolektor, UNS

3. Bin Xia, D-Wen Sun, 2002. Applications of computational fluid dynamics (CFD) in the food industry, Dublin, Ireland

4. J.P.Holman, 1994. Perpindahan Kalor, Ahli bahasa Ir.E.Jasjfi, M.Sc, penerbit Erlangga

5. Sugiatno, Yusuf SuryoUtomo, Mamat, 1995. Analisa kinerja kolektor energy surya untuk pengering coklat tipe plat aliran udara di atas absorber, P3FT-LIPI

6. Yusuf SuryoUtomo, Mamat, Sugiyatno, 1994. Pengujian kolektor tipe matriks, L3FT-LIPI 7. M.Ahadi, 2007. Model system dan analisa pengering produk makanan.

8. Liptan, 2001. Alat pengering surya sederhana yang serba guna, Kalimantan Timur

9. Arun.S.M and Cung Lim Lau, 2010. Drying Technology: Trends and Applications in Postharvest Procesing. Springer Science+Business, LLC

10. Atul Sharma, C.R.Chen, Nguyen Vu Lan, 2008. Solar-energy drying systems, Department of Mechanical Engineering, Kun Shan University, 949, Da-Wan Road, Yung-Kang City, Tainan Hsien 71003, Taiwan, ROC

11. Lalit M.Bal, Santosh Satya, S.N. Naik, 2009. Solar dryer with thermal energy storage systems for drying agricultural food products, Center for Rural Development and Technology, Indian Institute of Technology, Hauz Khas, New Delhi, India

12. Girsang Dikki, 2010. Rancang bangun mesin pengering jagung energi surya dengan kapasitas 25 kg/siklus, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara