Penentuan Putaran pada Pengering Surya Tipe Rak Berputar dan Pemodelan Pengering dengan Metode Computational Fluid Dynamics
PENENTUAN PUTARAN PADA PENGERING SURYA TIPE
RAK BERPUTAR DAN PEMODELAN PENGERING DENGAN
METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
SUERITAH HENNY WANTI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Penentuan Putaran
Pada Pengering Surya Tipe Rak Berputar dan Pemodelan Pengering dengan
metode Computational Fluid Dynamics adalah benar karya saya dengan arahan
dari dosen pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada
perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya
yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam
teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, April 2014
Sueritah Henny Wanti
NIM F14090026
ABSTRAK
SUERITAH HENNY WANTI. Penentuan Putaran pada Pengering Surya Tipe
Rak Berputar dan Pemodelan Pengering dengan Metode Computational Fluid
Dynamics. Dibimbing oleh DYAH WULANDANI.
Pengering surya Efek Rumah Kaca (ERK) adalah bangunan pengering
berdinding transparan, di dalamnya terdapat plat absorber sebagai pengumpul
panas dan wadah produk (rak atau bak) serta kipas untuk mengeluarkan uap air
hasil pengeringan. Sumber energi pada pengering ERK diperoleh dari surya dan
pembakaran biomasa. Masalah ketidakmerataan suhu rak di dalam ruang
pengering, masih selalu terjadi. Pemecahan masalah ketidakmerataan aliran udara
panas dapat dilakukan dengan memutar rak pada tipe rak berputar. Tujuan
penelitian ini adalah untuk menentukan putaran rak yang tepat dan membuat
pemodelan simulasi CFD untuk menggambarkan sebaran suhu pada rak
pengering. Penentuan putaran rak pada penelitian ini menggunakan 6 skenario.
Hasil terbaik diperoleh pada skenario 5 pada putaran 135o dengan putaran satu
jam sekali. Pengering pada skenario 5 ini memberikan hasil distribusi suhu rak
yang seragam yang dinyatakan oleh nilai standar deviasi suhu terendah. Validasi
suhu pengeringan hasil simulasi CFD yang dilakukan pada pukul delapan dan dua
belas menunjukkan kecenderungan yang sama dengan suhu pengeringan hasil
percobaan dengan eror 10%.
Kata kunci: Pengering ERK, Rak berputar, Suhu rak, CFD.
ABSTRACT
SUERITAH HENNY WANTI. Determination of rotation of the rotating rack
Solar Dryer and Dryer Modelling by using Computational Fluid Dynamics
Method. Supervised by DYAH WULANDANI.
Greenhouse Effect (GHE) Solar Dryer is a transparent wall structure,
consists of an absorber plate as solar collector, product holders (rack, tray or
batch) that can be rotated vertically, and fans to discharge vapor evaporated from
product The GHE solar dryer uses thermal energy source from the sun and
biomass combustion. Un-uniformity of rack temperature problem can be solved
by rotate the rack within the dryer. The aim of the study is to determine the
properly of rack rotation and the temperature distribution by using Computational
Fluid Dynamics (CFD) method. There are six scenarios of rack rotation condition
to be simulated. The best result is scenario 5 at 135o with rotation per hour shown
by the best uniformity of drying temperature indicated by the lowest temperature
standar deviation. Validation of CFD result drying temperature whichis performed
at eight and twelve o’clock without product, have shown similar trend to the
experiment drying temperature distribution indicated by error value of 10%.
Keywords: CFD, GHE, Rack Temperature
PENENTUAN PUTARAN PADA PENGERING SURYA TIPE RAK
BERPUTAR DAN PEMODELAN PENGERING DENGAN METODE
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
SUERITAH HENNY WANTI
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
Judul Skripsi : Penentuan Putaran pada Pengering Surya Tipe Rak Berputar dan
Pemodelan Pengering dengan Metode Computational Fluid
Dynamics
Nama
: Sueritah Henny Wanti
NIM
: F14090026
Disetujui oleh
Dr Ir Dyah Wulandani, MSi
Pembimbing Akademik
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, MEng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2013 ini ialah
pengering ERK, dengan judul Penentuan Putaran pada Pengering Surya Tipe Rak
Berputar dan Pemodelan Pengering dengan Metode Computational Fluid
Dynamics
Dengan telah selesainya karya ilmiah ini, penulis ingin menyampaikan
ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si selaku pembimbing yang memberikan
bimbingan, arahan, motivasi kepada penulis.
2. Prof. Dr. Ir. Bambang Pramudya, M.Eng dan Dr. Muhamad Yuliantono,
ST, MT selaku penguji terima kasih atas saran, bimbingan dan arahan,
motivasi kepada penulis.
3. Pak Harto, Pak Darma, Mas Firman terima kasih atas bantuannya selama
penelitian ini berlangsung.
4. Mama, Papa, Kakak (Sartika Mega S.Pd) adik (Robert Kenedy), abang
(BRIPKA. Syah Rudi).
5. Terima kasih untuk hasian Benny Purba S.P. Untuk dukungan semangat
dan saran mengerjakan skripsi, dan waktu untuk mendengarkan keluh
kesah selama ini.
6. Teman-teman satu bimbingan (Elsamila, Stephani, Adit, dan Alfredo).
7. Teman-teman Vina Rondang, Gina Lupita, Gina Anisa, Tiara Etika, Riris,
Raisa, Denny, Romi, Sumiharjon Simbolon, Heraldy Risva, Arnold, Aldha
Hermiyanti, Ni’made Citta, Ni’putu dian, Eti, Yeti Aryani.
8. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin dan Biosistem angkatan 46
terima kasih atas kebersamaannya, bantuan dan semangatnya bagi penulis.
Akhirnya penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan
kontribusi nyata terhadap ilmu pengetahuan.
Bogor, April 2014
Sueritah Henny Wanti
NIM F14090026
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
viii
DAFTAR GAMBAR
viii
DAFTAR LAMPIRAN
ix
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
1
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Pengeringan
2
Pengering Efek Rumah Kaca Hybrid Tipe Rak Berputar
3
Computational Fluid Dynamics (CFD)
4
Proses Simulasi CFD
4
METODOLOGI PENELITIAN
5
Waktu dan Tempat Penelitian
5
Peralatan
5
Prosedur Penelitian
6
Persiapan Alat
6
Percobaan Pengeringan
7
Parameter yang Diukur pada Percobaan Pengeringan
7
Parameter yang diukur adalah sebagai berikut:
7
Pemodelan CFD
7
Perhitungan Parameter Kondisi Batas simulasi CFD
8
Pembuatan Model Geometri dan Pendefinisian Kondisi Batas Simulasi
CFD
8
Simulasi CFD Udara Panas
9
Analisis Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD
9
Validasi Model Simulasi CFD
9
Posisi Titik Pengukuran ERK Tipe Rak Berputar
HASIL DAN PEMBAHASAN
10
11
Suhu Rak Pengering
11
Hasil Pengukuran Skenario 1
11
Hasil Pengukuran Skenario 2
13
Hasil Pengukuran Skenario 3
14
Hasil Pengukuran Skenario 4
16
Hasil Pengukuran Skenario 5
17
Hasil Pengukuran Skenario 6
18
Penentuan Putaran Rak Terbaik
20
Kelembaban Udara dan Iradiasi Surya pada Ruang Pengering
20
Pemodelan Simulasi CFD Suhu Rak Pengering
21
Bentuk Model Pengering dengan Gambit
21
Hasil Simulasi Pukul 08.00
21
Hasil Simulasi Pukul 12.00
25
Validasi Simulasi CFD
27
SIMPULAN DAN SARAN
29
Simpulan
29
Saran
29
DAFTAR PUSTAKA
29
RIWAYAT HIDUP
55
DAFTAR TABEL
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 1
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 2
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 3
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 4
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 5
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 6
Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pukul 08.00
8 Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pukul 12.00
1
2
3
4
5
6
7
12
14
15
17
18
19
28
28
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
Alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK)-Hybrid tipe rak berputar
Titik Pengukuran ERK Tipe Rak Berputar
Diagram alir prosedur penelitian
3
10
11
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Profil suhu rak Skenario 1
Profil suhu rak Skenario 2
Profil suhu rak Skenario 3
Profil suhu rak Skenario 4
Profil suhu rak Skenario 5
Profil suhu rak Skenario 6
Rata-rata standar deviasi masing-masing skenario
Simulasi Skenario 1
Simulasi Skenario 2
Simulasi Skenario 3
Simulasi Skenario 4
Simulasi Skenario 5
Simulasi Skenario 6
Simulasi Skenario 1
Simulasi Skenario 2
Simulasi Skenario 3
Simulasi Skenario 4
Simulasi Skenario 5
Simulasi Skenario 6
13
14
16
17
18
19
20
22
23
23
23
24
24
25
25
26
26
26
27
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
Contoh analisis perhitungan parameter yang digunakan untuk simulasi
CFD
31
Tabel distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada pukul 08.00
38
Tabel distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada pukul 12.00
44
Tabel kondisi batas (boundary conditions) pengukuran pukul 08.00 dan
pukul 12.00
50
Tabel nilai kecepatan angin lingkungan, RH, Kecepatan angin outflow,
Iradiasi matahari dan Suhu pengering pada masing-masing skenario. 52
DAFTAR SIMBOL
Re
ρ
v
D
h
Nu
k
l
q/A
I
Bilangan Reynold
Massa jenis (kg/m3)
Kecepatan (m/dtk)
Diameter spesifik (m)
Viskositas dinamik (kg/ms)
Koefisien pindah panas konveksi (W/m2K)
Bilangan Nusselt
Konduktivitas panas (W/mK)
Ketebalan dinding (m)
Fluks panas (W/m2)
Iradiasi surya (W/m2)
τα
Td
T∞
α
Dp
ε
C2
k
ΔP
Gr
g
β
T
Ra
Pr
ṁ
Hasil kali koefisien tembus cahaya penutup transparan
Suhu dinding (oC)
Suhu lingkungan (oC)
Permeabilitas permukaan (m2)
Diameter produk (m)
Porositas tumpukan produk
Koefisien porous jump (1/m)
Koefisien kehilangan pada penukar panas
Penurunan tekanan (Pa)
Bilangan Grashoff
Gaya gravitasi (m/s2)
Koefisien (1/oC)
Suhu (K)
Viskositas kinematik (m2/s)
Bilangan Rayleigh
Bilangan Prandtl
Laju aliran massa (kg/dtk)
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pengeringan merupakan operasi rumit yang memerlukan
keseimbangan antara ketiga parameter yakni suhu, kecepatan aliran dan RH
udara pengering. Dasar proses pengeringan adalah terjadinya proses
penguapan air bahan ke udara karena perbedaan kandungan uap air antara
udara dengan bahan yang dikeringkan. Penelitian tentang Efek Rumah Kaca
(ERK) perlu mengacu pada dasar-dasar pindah panas, massa dan
momentum, dikaitkan dengan pengetahuan tentang sifat bahan dan mutu
(Brooker et al.1974). Seorang peneliti, selain mengandalkan pengetahuanya,
maka percobaan di laboratorium dan berbagai percontohan yang dirangkai
dengan pengalaman lapang sangat penting untuk mengembangkan dan
penerapan suatu pengering untuk mencapai spesifikasi mutu yang lebih
baik, laju produksi yang lebih tinggi, biaya energi yang lebih rendah dan
kondisi lingkungan yang berubah.
Usaha untuk melakukan proses pengeringan dapat pula dilakukan
dengan menggunakan pengering Efek Rumah Kaca (ERK), salah satu
keuntungan dengan menggunakan pengering ERK adalah produk lebih
bersih dan tidak terkontaminasi dengan bahan yang tidak dikehendaki.
Masalah ketidakseragaman kadar air produk hasil pengeringan juga
merupakan akibat dari ketidakmerataan suhu rak di dalam ruang pengering,
khususnya tipe rak bahwa perbedaan suhu rak atas lebih besar dibandingkan
suhu rak bagian bawah. Perbedaan suhu rak ERK tipe rak berputar, suhu
rak pada arah vertikal lebih besar dibandingkan suhu rak pada arah
horizontal (Kamarudin et al.1994). Untuk memecahkan masalah tersebut
perlu dilakukan suatu analisis penentuan sudut putaran pada sudut-sudut
tertentu dalam mengatasi sebaran suhu rak di dalam ruang pengering.
Sebaran suhu udara di dalam ruang pengering sangat penting untuk
mengetahui pola sebaran aliran udara panas serta tingkat keragamannya.
Pengukuran untuk melihat pola sebaran udara pengering secara bersamaan
sulit untuk dilakukan karena keterbatasan alat ukur. Melalui pemodelan
simulasi CFD (Computational Fluid Dyanamics) pada alat pengering Efek
Rumah Kaca (ERK) tipe rak berputar dengan sistem hybrid (surya), sebaran
suhu udara di setiap posisi rak dalam ruang pengering atau produk yang
dikeringkan dapat diduga. Metode CFD menggunakan analisis numeric
yaitu kontrol volume sebagai elemen dari intergrasi persamaan yang terdiri
dari persamaan keseimbangan massa, momentum dan energi (Versteeg dan
Malalasekera 1995). CFD pada penelitian ini menggunakan software
Gambit dan software Fluent yang mampu melakukan simulasi sebaran udara
panas dan kecepatan aliran udara kondisi nyata ke dalam virtual model atau
prototipe dari sebuah sistem.
Perumusan Masalah
Suhu rak pengering di dalam pengering ERK tipe rak berputar sangat
berfluktuasi karena perubahan iradiasi surya yang sangat dipengaruhi oleh
2
waktu, lokasi dan musim. Hal ini menyebabkan perbedaan suhu rak antara
rak bagian atas berbeda dengan rak bagian bawah. Sehingga diperlukan
penentuan putaran rak dengan sudut-sudut tertentu agar suhu pada setiap rak
memiliki suhu yang seragam.
Sebaran suhu pada pengering perlu diketahui untuk melihat
keragaman suhu yang terjadi, hal ini sulit diketahui karena terbatasnya
peralatan ukur. Oleh karena itu, melalui metode CFD, sebaran suhu ini
dapat diprediksi.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk menentukan putaran rak yang tepat,
membuat pemodelan simulasi CFD untuk menggambarkan sebaran suhu
pada rak pengering. Serta melakukan validasi antara hasil pengukuran dan
perhitungan dengan CFD.
Manfaat Penelitian
Hasil dari penelitian ini diharapkan mampu memberikan rekomendasi
pada operasi pengering dalam memperoleh hasil pengeringan yang merata
dan efisien pada ERK tipe rak berputar. Hasil penelitian ini bermanfaat bagi
pemakai alat pengering ERK tipe rak berputar, terutama bagi para petani
maupun industri.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini meliputi metode penentuan putaran rak pada pengering
ERK selama proses pengeringan untuk memperoleh hasil pengeringan yang
merata dan efisien. Enam skenario percobaan putaran rak dilakukan untuk
menentukan putaran rak terbaik yang dinyatakan oleh keragaman suhu rak
terkecil.
Penentuan sebaran suhu pada setiap lokasi di dalam ruang pengering
terutama pada bagian rak perlu diketahui. Metode CFD dengan software
Gambit dan software Fluent dapat digunakan untuk menduga sebaran udara
panas dan kecepatan aliran udara kondisi nyata ke dalam virtual model atau
prototipe dari sebuah sistem. Validasi perhitungan CFD dinyatakan valid
jika error yang dihasilkan lebih kecil dari 10% ketika dibandingkan dengan
hasil pengukuran.
TINJAUAN PUSTAKA
Pengeringan
Hall (1957) dan Brooker (1974) menyatakan pengeringan merupakan
proses penurunan kadar air bahan sampai mencapai kadar air tertentu
sehingga dapat memperlambat laju kerusakan produk akibat aktivitas
biologi dan kimia. Ada tiga hal yang mempengaruhi proses pengeringan
yaitu kecepatan udara, suhu udara, dan kelembaban udara. Dasar
3
pengeringan yaitu kecepatan udara, suhu udara, dan kelembaban udara.
Dasar proses pengeringan adalah terjadinya proses penguapan air bahan ke
udara karena perbedaan kandungan uap air antar udara dengan bahan yang
dikeringkan. Selama proses pengeringan terjadi dua proses yaitu proses
pindah panas dan pindah massa air yang terjadi secara simultan. Panas
dibutuhkan untuk menguapkan air bahan yang akan dikeringkan (Fellow
2001). Penguapan terjadi karena suhu bahan lebih rendah dari pada suhu
udara di sekelilingnya. Proses pindah panas diperlukan untuk memindahkan
massa uap air dari permukaan ke udara. Pindah panas terjadi karena tekanan
uap air di dalam bahan lebih tinggi dari pada udara. Mekanise pengeringan
diterangkan melalui teori tekanan uap, air yang diuapkan terdiri dari air
bebas dan air terikat. Air bebas berada di permukaan telah habis, maka
terjadi migrasi air karena perbedaan tekanan pada bagian dalam dan bagian
luar (Henderson dan Perry 1976).
Pengering Efek Rumah Kaca Hybrid Tipe Rak Berputar
Pengering efek rumah kaca di Institut Pertanian Bogor pertama kali
dikembangkan oleh Abdullah 1999 dari Departemen Teknik Mesin dan
Biosistem. Dalam perkembangannya, pengering ini didisain dengan
berbagai tipe sesuai dengan kebutuhan produk yang dikeringkan,
diantaranya adalah pengering tipe rak untuk panili (Mursalim 1995),
cengkeh (Wulandani 2005), kakao (Nelwan 1997), tipe bak untuk kakao
(Manalu 1999), kopi (Wulandani 1997).
Dalam rangka untuk menyeragamkan aliran udara di dalam ruang
pengering terutama pada tipe rak, (Wulandani 2009) merancang pengering
ERK tipe rak berputar secara vertikal. Pengering rumah kaca ini terdiri dari
tiga bagian utama, yaitu bangunan rumah kaca, silinder dengan rak
pengering dan bagian pemanas tambahan. Rumah kaca tersebut berukuran
panjang x lebar x tinggi (2.15 m x 1.75 m x 1.9 m). Tungku untuk tempat
pembakaran biomassa dan tanki untuk memanaskan air sebagai supply
panas. Pompa air digunakan untuk sirkulasi sedangkan radiator untuk
pembangkit panasnya. Bangunan rumah kaca berfungsi sebagai pengumpul
panas. Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) hybrid tipe rak berputar dapat
dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) hybrid tipe rak
berputar
4
Computational Fluid Dynamics (CFD)
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah ilmu yang mempelajari
cara memperdiksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan
fenomena lainya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika
atau model matematika (Tuakia 2008). Menurut (Versteeg dan Malalasekera
1995) CFD adalah sistem ananlisis yang meliputi aliran fluida, perpindahan
panas dan fenomena seperti reakasi 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-sat
yang mengalir. Perangkat lunak (software) CFD mampu untuk melakukan
simulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, bendabenda 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 desain. Hasil
analisis CFD dapat berupa prediksi kualitatif maupun prediksi kuantitatif
tergantung dari persoalan dan data input. Berikut adalah tiga keuntungan
penggunaan CFD.
1. Pemahaman mendalam (Insight)
Analisis CFD mampu mendesain sebuah sistem atau alat yang sulit
untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian. Analisis
ini mampu masuk secara virtual ke dalam alat atau sistem yang dirancang.
2. Prediksi menyeluruh (Foresight)
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah alat untuk memprediksi
yang akan terjadi pada alat atau sistem yang didesain dengan satu atau lebih
kondisi batas dan dapat segera menentukan desain optimal.
3. Efisiensi waktu dan biaya (Efficiency)
Prediksi menyeluruh (Foresight) yang diperoleh CFD mampu
membantu untuk mendesain lebih cepat dan hemat uang. Analisis CFD akan
lebih efisien waktu riset dan desain sehingga akan mencapai sasarannya.
Proses Simulasi CFD
Seorang engineer dalam merancang mesin memiliki berbagai alasan
untuk mendapatkan pengembangan persamaan-persamaan, namun masalah
utamanya dalam mendesain sistem termal adalah: (1) menyediakan proses
simulasi termal (2) mengembangkan peryataan secara matematis untuk
optimasi. Simulasi secara nyata dan problem-problem optimasi harus
dilaksanakan dengan menggunakan komputer. Berikut adalah tahapan
proses simulasi CFD.
1. Prapemprosesan (Preprocessing)
Prapemprosesan adalah membuat model dalam paket CAD (Computer
Aided Design), membuat grid yang sesuai dan membuat kondisi batas dan
sifat-sifat fluidanya.
5
2 . Pencarian solusi (solving)
Tahap solving adalah tahap dilakukan perhitungan mengenai kondisikondisi yang telah diterapkan pada tahap pra-pemprosesan guna
mendapatkan solusi. Solusi teknik numerik untuk mencari solusi di dalam
CFD terdiri atas beberapa metode, yaitu difference, finite element dan
spectral method (Tuakia, 2008).
3. Pascapemprosesan (Postprocessing)
Tahap pascapemprosesan adalah tahap penyajian hasil simulasi CFD
dengan visualisasi warna untuk memudahkan dalam menganalisis. Berikut
adalah tampilan hasil CFD.
a. Hasil geometri dan grid yang terbentuk.
b. Plot berdasarkan vektor.
c. Plot berdasarkan kontur.
d. Plot berdasarkan permukaan (2D atau 3D).
Semua program pendekatan CFD dilakukan melalui prosedur sebagai
berikut:
1. Sofware Gambit melakukan:
a. Pembuatan geometri model
b. Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil
(meshing)
2. Sofware 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
prilaku dari batas-batas model. Untuk kasus transient, kondisi awal juga
didefinisikan.
c. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan
secara iterasi, biasa dalam kondisi tunak (steady state) atau transient.
d. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.
METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Kegiatan penelitian dilaksanakan mulai Februari 2013 sampai
Agustus 2013 dan berlokasi di Laboratorium Lapang Siswadhi Soepardjo,
Leuwikopo dan Laboratorium Energi, Departemen Teknik Mesin dan
Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Peralatan
Alat pengering yang digunakan pada penelitian ini adalah alat
pengering Efek Rumah Kaca (ERK) Hybrid rancangan Wulandani, et al.
2009 (Gambar 1). Deskripsi ERK tipe rak berputar adalah sebagai berikut:
1. Bangunan pengering ERK berdimensi 2.15 m x 1.75 m x 1.9 m
merupakan bangunan pengering ERK hybrid yang di dalamnya terdapat
6
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
rak-rak yang digantungkan pada silinder berputar sehingga dengan
adanya putaran as menyebabkan rak-rak pengering dapat bergerak
mengikuti rotasi gerakan silindernya. Pada bangunan tersebut di
dalamnya terdapat 3 bagian silinder, dalam setiap ruang pengering
terdapat 8 gantungan rak pengering dengan posisi rak atas dan bawah
sehingga rak-rak pengering berjumlah 48 rak. Rangka bangunan, rangka
silinder dan rangka rak terbuat dari besi siku dan besi hollow bercat
hitam. Dinding terbuat dari plastik polikarbonat.
Rak berupa aluminium berlubang, diberi bingkai dari kayu dengan
dimensi 0.3m x 0.6m x 0.03 m, jumlah rak di setiap ruang adalah 16
buah, sehingga total rak adalah 48 buah.
Penukar panas, berupa radiator dengan sistem silang kompak, berdimensi
0.3 m x 0.35 m x 0.02 m. Fluida kerja yang dipakai pada penukar panas
adalah air.
Kipas, sebuah kipas dengan daya 80 W terdapat di bawah radiator,
berdiameter 0.3 m. Kipas outlet berupa exhaust fan berdiameter 0.12 m
dengan daya 30 W. Pada pengering ini digunakan 3 buah kipas radiator,
3 buah kipas outlet dan 3 buah kipas pengaduk.
Tungku untuk tempat pembakaran biomassa dan tangki untuk
memanaskan air agar dapat digunakan untuk sirkulasi sedangkan radiator
untuk pembangkit panasnya.
Peralatan ukur yang digunakan dalam penelitian meliputi:
Thermocouple tipe CC.
Termometer bola basah dan bola kering.
Chino Recorder Yokogawa tipe 3058 dengan ketelitian 0.1oC
Pyranometer model EKO tipe MS-401
Multimeter digital model YEW tipe 2506 A dengan ketelitian 0.01 mV
Hot wire Anemometer model Lutron tipe AM-4204HA dengan ketelitian
0.01 m/dt.
Perangkat lunak yang di pakai yaitu software Gambit 2.4.6 diperlukan
untuk proses pembuatan gambar dan meshing, ANSYS 12.1: Fluent 6.3
untuk melakukan proses simulasi dan analisis menggunakan Ms.Office
dan Ms. Excel 2007.
Prosedur Penelitian
Pada penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan, dapat dilihat
pada diagram alir penelitian Gambar 3.
Persiapan Alat
Persiapan alat dilakukan untuk membersihkan alat pengering,
memperbaiki beberapa kerusakan yang ada, mengecek kesiapan instrument
pengukuran, menentukan titik-titik pengukuran pada titik pengukuran lantai,
lantai, dinding depan (pintu), dinding kanan, dinding kiri, dinding belakang,
atap, ruang pengering. Dan melakukan pengukuran dimensi alat serta
mengindetifikasi bahan konstruksi alat pengering.
7
Percobaan Pengeringan
Percobaan pengeringan dilakukan sebanyak 6 skenario.
1 Skenario 1 : Rak dalam keadaan diam (tidak diputar).
2 Skenario 2 : Rak diputar 45o selama 1 jam sekali.
3 Skenario 3 : Rak diputar 45o selama 2 jam sekali.
4 Skenario 4 : Rak diputar 90o selama 1 jam sekali.
5 Skenario 5 : Rak diputar 135o selama 1 jam sekali.
6 Skenario 6 : Rak diputar 180o selama 1 jam sekali.
Penamaan rak diberi label A, B, C, D, E, F, G dan H. Posisi penamaan
rak sama untuk semua skenario. Penamaan posisi rak dalam posisi yang
tetap walaupun rak dilakukan pemutaran sudut sesuai dengan skenario. Pada
saat pengambilan data rak dalam posisi diam (tidak diputar) dan posisi rak
akan berpindah dengan penamaan yang sudah diberikan.
Percobaan dilakukan tanpa beban selama 1 hari dari pukul 08.00 WIB
sampai 16.00 WIB dengan interval pengukuran 0.5 jam. Pemutaran rak
dilakukan dengan interval 45o hal ini dikarenakan pengunci poros pemutar
rak didesain sebesar 45o. Perlakuan putaran rak dilakukan sejauh 180o hal
ini dikarenakan bentuk rotasi pergerakan silinder berbentuk lingkaran
sehingga dilakukan pemutaran rak sejauh 180o untuk mewakili pemutaran
rak pada bagian atas, tengah, dan bawah. Pemutaran rak dilakukan selama 1
jam sekali agar ergonomis saat pemutaran rak, dan lama pengambilan data
saat pengukuran.
Parameter yang Diukur pada Percobaan Pengeringan
Parameter yang diukur adalah sebagai berikut:
1. Suhu yaitu meliputi suhu udara pada rak atas, rak tengah, rak bawah,
lantai, inlet, outlet, suhu ruang pengering, suhu dinding, suhu atap, suhu
lantai pengering, dan suhu lingkungan.
2. Kecepatan meliputi kecepatan udara pada inlet, outlet, depan kipas kiri,
kipas tengah dan kipas kanan, udara pada rak atas, rak tengah, rak bawah,
RH ruang pengering, dan RH udara lingkungan.
3. Radiasi surya.
Titik pengukuran suhu rak pada rak atas 3 titik pengukuran dan rak
bawah 2 titik pengukuran. Pengukuran kondisi batas pada lantai, atap,
dinding kanan, dinding kiri, pintu (dinding depan), dan suhu ruang
pengering. Posisi titik pengukuran dapat dilihat pada Gambar 2.
Pemodelan CFD
Pengukuran suhu-suhu tersebut digunakan pula untuk menvalidasikan
simulasi CFD.Simulasi CFD dilakukan pada kondisi tanpa menggunakan
beban. Pemodelan CFD menggunakan asumsi:
1. Udara tidak termampatkan (incompressible), ρ konstan.
2. Bilangan Prandtl udara konstan (panas jenis, konduktivitas, dan vikositas
udara konstan).
3. Udara bergerak dalam keadaan steady.
4. Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi.
5. Kecepatan angin dianggap konstan.
8
6. Aliran udara dianggap laminar. Aliran laminar jika Re
RAK BERPUTAR DAN PEMODELAN PENGERING DENGAN
METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
SUERITAH HENNY WANTI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Penentuan Putaran
Pada Pengering Surya Tipe Rak Berputar dan Pemodelan Pengering dengan
metode Computational Fluid Dynamics adalah benar karya saya dengan arahan
dari dosen pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada
perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya
yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam
teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, April 2014
Sueritah Henny Wanti
NIM F14090026
ABSTRAK
SUERITAH HENNY WANTI. Penentuan Putaran pada Pengering Surya Tipe
Rak Berputar dan Pemodelan Pengering dengan Metode Computational Fluid
Dynamics. Dibimbing oleh DYAH WULANDANI.
Pengering surya Efek Rumah Kaca (ERK) adalah bangunan pengering
berdinding transparan, di dalamnya terdapat plat absorber sebagai pengumpul
panas dan wadah produk (rak atau bak) serta kipas untuk mengeluarkan uap air
hasil pengeringan. Sumber energi pada pengering ERK diperoleh dari surya dan
pembakaran biomasa. Masalah ketidakmerataan suhu rak di dalam ruang
pengering, masih selalu terjadi. Pemecahan masalah ketidakmerataan aliran udara
panas dapat dilakukan dengan memutar rak pada tipe rak berputar. Tujuan
penelitian ini adalah untuk menentukan putaran rak yang tepat dan membuat
pemodelan simulasi CFD untuk menggambarkan sebaran suhu pada rak
pengering. Penentuan putaran rak pada penelitian ini menggunakan 6 skenario.
Hasil terbaik diperoleh pada skenario 5 pada putaran 135o dengan putaran satu
jam sekali. Pengering pada skenario 5 ini memberikan hasil distribusi suhu rak
yang seragam yang dinyatakan oleh nilai standar deviasi suhu terendah. Validasi
suhu pengeringan hasil simulasi CFD yang dilakukan pada pukul delapan dan dua
belas menunjukkan kecenderungan yang sama dengan suhu pengeringan hasil
percobaan dengan eror 10%.
Kata kunci: Pengering ERK, Rak berputar, Suhu rak, CFD.
ABSTRACT
SUERITAH HENNY WANTI. Determination of rotation of the rotating rack
Solar Dryer and Dryer Modelling by using Computational Fluid Dynamics
Method. Supervised by DYAH WULANDANI.
Greenhouse Effect (GHE) Solar Dryer is a transparent wall structure,
consists of an absorber plate as solar collector, product holders (rack, tray or
batch) that can be rotated vertically, and fans to discharge vapor evaporated from
product The GHE solar dryer uses thermal energy source from the sun and
biomass combustion. Un-uniformity of rack temperature problem can be solved
by rotate the rack within the dryer. The aim of the study is to determine the
properly of rack rotation and the temperature distribution by using Computational
Fluid Dynamics (CFD) method. There are six scenarios of rack rotation condition
to be simulated. The best result is scenario 5 at 135o with rotation per hour shown
by the best uniformity of drying temperature indicated by the lowest temperature
standar deviation. Validation of CFD result drying temperature whichis performed
at eight and twelve o’clock without product, have shown similar trend to the
experiment drying temperature distribution indicated by error value of 10%.
Keywords: CFD, GHE, Rack Temperature
PENENTUAN PUTARAN PADA PENGERING SURYA TIPE RAK
BERPUTAR DAN PEMODELAN PENGERING DENGAN METODE
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
SUERITAH HENNY WANTI
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
Judul Skripsi : Penentuan Putaran pada Pengering Surya Tipe Rak Berputar dan
Pemodelan Pengering dengan Metode Computational Fluid
Dynamics
Nama
: Sueritah Henny Wanti
NIM
: F14090026
Disetujui oleh
Dr Ir Dyah Wulandani, MSi
Pembimbing Akademik
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, MEng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2013 ini ialah
pengering ERK, dengan judul Penentuan Putaran pada Pengering Surya Tipe Rak
Berputar dan Pemodelan Pengering dengan Metode Computational Fluid
Dynamics
Dengan telah selesainya karya ilmiah ini, penulis ingin menyampaikan
ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si selaku pembimbing yang memberikan
bimbingan, arahan, motivasi kepada penulis.
2. Prof. Dr. Ir. Bambang Pramudya, M.Eng dan Dr. Muhamad Yuliantono,
ST, MT selaku penguji terima kasih atas saran, bimbingan dan arahan,
motivasi kepada penulis.
3. Pak Harto, Pak Darma, Mas Firman terima kasih atas bantuannya selama
penelitian ini berlangsung.
4. Mama, Papa, Kakak (Sartika Mega S.Pd) adik (Robert Kenedy), abang
(BRIPKA. Syah Rudi).
5. Terima kasih untuk hasian Benny Purba S.P. Untuk dukungan semangat
dan saran mengerjakan skripsi, dan waktu untuk mendengarkan keluh
kesah selama ini.
6. Teman-teman satu bimbingan (Elsamila, Stephani, Adit, dan Alfredo).
7. Teman-teman Vina Rondang, Gina Lupita, Gina Anisa, Tiara Etika, Riris,
Raisa, Denny, Romi, Sumiharjon Simbolon, Heraldy Risva, Arnold, Aldha
Hermiyanti, Ni’made Citta, Ni’putu dian, Eti, Yeti Aryani.
8. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin dan Biosistem angkatan 46
terima kasih atas kebersamaannya, bantuan dan semangatnya bagi penulis.
Akhirnya penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan
kontribusi nyata terhadap ilmu pengetahuan.
Bogor, April 2014
Sueritah Henny Wanti
NIM F14090026
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
viii
DAFTAR GAMBAR
viii
DAFTAR LAMPIRAN
ix
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
1
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Pengeringan
2
Pengering Efek Rumah Kaca Hybrid Tipe Rak Berputar
3
Computational Fluid Dynamics (CFD)
4
Proses Simulasi CFD
4
METODOLOGI PENELITIAN
5
Waktu dan Tempat Penelitian
5
Peralatan
5
Prosedur Penelitian
6
Persiapan Alat
6
Percobaan Pengeringan
7
Parameter yang Diukur pada Percobaan Pengeringan
7
Parameter yang diukur adalah sebagai berikut:
7
Pemodelan CFD
7
Perhitungan Parameter Kondisi Batas simulasi CFD
8
Pembuatan Model Geometri dan Pendefinisian Kondisi Batas Simulasi
CFD
8
Simulasi CFD Udara Panas
9
Analisis Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD
9
Validasi Model Simulasi CFD
9
Posisi Titik Pengukuran ERK Tipe Rak Berputar
HASIL DAN PEMBAHASAN
10
11
Suhu Rak Pengering
11
Hasil Pengukuran Skenario 1
11
Hasil Pengukuran Skenario 2
13
Hasil Pengukuran Skenario 3
14
Hasil Pengukuran Skenario 4
16
Hasil Pengukuran Skenario 5
17
Hasil Pengukuran Skenario 6
18
Penentuan Putaran Rak Terbaik
20
Kelembaban Udara dan Iradiasi Surya pada Ruang Pengering
20
Pemodelan Simulasi CFD Suhu Rak Pengering
21
Bentuk Model Pengering dengan Gambit
21
Hasil Simulasi Pukul 08.00
21
Hasil Simulasi Pukul 12.00
25
Validasi Simulasi CFD
27
SIMPULAN DAN SARAN
29
Simpulan
29
Saran
29
DAFTAR PUSTAKA
29
RIWAYAT HIDUP
55
DAFTAR TABEL
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 1
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 2
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 3
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 4
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 5
Tingkat keragaman suhu rak Skenario 6
Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pukul 08.00
8 Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pukul 12.00
1
2
3
4
5
6
7
12
14
15
17
18
19
28
28
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
Alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK)-Hybrid tipe rak berputar
Titik Pengukuran ERK Tipe Rak Berputar
Diagram alir prosedur penelitian
3
10
11
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Profil suhu rak Skenario 1
Profil suhu rak Skenario 2
Profil suhu rak Skenario 3
Profil suhu rak Skenario 4
Profil suhu rak Skenario 5
Profil suhu rak Skenario 6
Rata-rata standar deviasi masing-masing skenario
Simulasi Skenario 1
Simulasi Skenario 2
Simulasi Skenario 3
Simulasi Skenario 4
Simulasi Skenario 5
Simulasi Skenario 6
Simulasi Skenario 1
Simulasi Skenario 2
Simulasi Skenario 3
Simulasi Skenario 4
Simulasi Skenario 5
Simulasi Skenario 6
13
14
16
17
18
19
20
22
23
23
23
24
24
25
25
26
26
26
27
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
Contoh analisis perhitungan parameter yang digunakan untuk simulasi
CFD
31
Tabel distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada pukul 08.00
38
Tabel distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada pukul 12.00
44
Tabel kondisi batas (boundary conditions) pengukuran pukul 08.00 dan
pukul 12.00
50
Tabel nilai kecepatan angin lingkungan, RH, Kecepatan angin outflow,
Iradiasi matahari dan Suhu pengering pada masing-masing skenario. 52
DAFTAR SIMBOL
Re
ρ
v
D
h
Nu
k
l
q/A
I
Bilangan Reynold
Massa jenis (kg/m3)
Kecepatan (m/dtk)
Diameter spesifik (m)
Viskositas dinamik (kg/ms)
Koefisien pindah panas konveksi (W/m2K)
Bilangan Nusselt
Konduktivitas panas (W/mK)
Ketebalan dinding (m)
Fluks panas (W/m2)
Iradiasi surya (W/m2)
τα
Td
T∞
α
Dp
ε
C2
k
ΔP
Gr
g
β
T
Ra
Pr
ṁ
Hasil kali koefisien tembus cahaya penutup transparan
Suhu dinding (oC)
Suhu lingkungan (oC)
Permeabilitas permukaan (m2)
Diameter produk (m)
Porositas tumpukan produk
Koefisien porous jump (1/m)
Koefisien kehilangan pada penukar panas
Penurunan tekanan (Pa)
Bilangan Grashoff
Gaya gravitasi (m/s2)
Koefisien (1/oC)
Suhu (K)
Viskositas kinematik (m2/s)
Bilangan Rayleigh
Bilangan Prandtl
Laju aliran massa (kg/dtk)
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pengeringan merupakan operasi rumit yang memerlukan
keseimbangan antara ketiga parameter yakni suhu, kecepatan aliran dan RH
udara pengering. Dasar proses pengeringan adalah terjadinya proses
penguapan air bahan ke udara karena perbedaan kandungan uap air antara
udara dengan bahan yang dikeringkan. Penelitian tentang Efek Rumah Kaca
(ERK) perlu mengacu pada dasar-dasar pindah panas, massa dan
momentum, dikaitkan dengan pengetahuan tentang sifat bahan dan mutu
(Brooker et al.1974). Seorang peneliti, selain mengandalkan pengetahuanya,
maka percobaan di laboratorium dan berbagai percontohan yang dirangkai
dengan pengalaman lapang sangat penting untuk mengembangkan dan
penerapan suatu pengering untuk mencapai spesifikasi mutu yang lebih
baik, laju produksi yang lebih tinggi, biaya energi yang lebih rendah dan
kondisi lingkungan yang berubah.
Usaha untuk melakukan proses pengeringan dapat pula dilakukan
dengan menggunakan pengering Efek Rumah Kaca (ERK), salah satu
keuntungan dengan menggunakan pengering ERK adalah produk lebih
bersih dan tidak terkontaminasi dengan bahan yang tidak dikehendaki.
Masalah ketidakseragaman kadar air produk hasil pengeringan juga
merupakan akibat dari ketidakmerataan suhu rak di dalam ruang pengering,
khususnya tipe rak bahwa perbedaan suhu rak atas lebih besar dibandingkan
suhu rak bagian bawah. Perbedaan suhu rak ERK tipe rak berputar, suhu
rak pada arah vertikal lebih besar dibandingkan suhu rak pada arah
horizontal (Kamarudin et al.1994). Untuk memecahkan masalah tersebut
perlu dilakukan suatu analisis penentuan sudut putaran pada sudut-sudut
tertentu dalam mengatasi sebaran suhu rak di dalam ruang pengering.
Sebaran suhu udara di dalam ruang pengering sangat penting untuk
mengetahui pola sebaran aliran udara panas serta tingkat keragamannya.
Pengukuran untuk melihat pola sebaran udara pengering secara bersamaan
sulit untuk dilakukan karena keterbatasan alat ukur. Melalui pemodelan
simulasi CFD (Computational Fluid Dyanamics) pada alat pengering Efek
Rumah Kaca (ERK) tipe rak berputar dengan sistem hybrid (surya), sebaran
suhu udara di setiap posisi rak dalam ruang pengering atau produk yang
dikeringkan dapat diduga. Metode CFD menggunakan analisis numeric
yaitu kontrol volume sebagai elemen dari intergrasi persamaan yang terdiri
dari persamaan keseimbangan massa, momentum dan energi (Versteeg dan
Malalasekera 1995). CFD pada penelitian ini menggunakan software
Gambit dan software Fluent yang mampu melakukan simulasi sebaran udara
panas dan kecepatan aliran udara kondisi nyata ke dalam virtual model atau
prototipe dari sebuah sistem.
Perumusan Masalah
Suhu rak pengering di dalam pengering ERK tipe rak berputar sangat
berfluktuasi karena perubahan iradiasi surya yang sangat dipengaruhi oleh
2
waktu, lokasi dan musim. Hal ini menyebabkan perbedaan suhu rak antara
rak bagian atas berbeda dengan rak bagian bawah. Sehingga diperlukan
penentuan putaran rak dengan sudut-sudut tertentu agar suhu pada setiap rak
memiliki suhu yang seragam.
Sebaran suhu pada pengering perlu diketahui untuk melihat
keragaman suhu yang terjadi, hal ini sulit diketahui karena terbatasnya
peralatan ukur. Oleh karena itu, melalui metode CFD, sebaran suhu ini
dapat diprediksi.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah untuk menentukan putaran rak yang tepat,
membuat pemodelan simulasi CFD untuk menggambarkan sebaran suhu
pada rak pengering. Serta melakukan validasi antara hasil pengukuran dan
perhitungan dengan CFD.
Manfaat Penelitian
Hasil dari penelitian ini diharapkan mampu memberikan rekomendasi
pada operasi pengering dalam memperoleh hasil pengeringan yang merata
dan efisien pada ERK tipe rak berputar. Hasil penelitian ini bermanfaat bagi
pemakai alat pengering ERK tipe rak berputar, terutama bagi para petani
maupun industri.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini meliputi metode penentuan putaran rak pada pengering
ERK selama proses pengeringan untuk memperoleh hasil pengeringan yang
merata dan efisien. Enam skenario percobaan putaran rak dilakukan untuk
menentukan putaran rak terbaik yang dinyatakan oleh keragaman suhu rak
terkecil.
Penentuan sebaran suhu pada setiap lokasi di dalam ruang pengering
terutama pada bagian rak perlu diketahui. Metode CFD dengan software
Gambit dan software Fluent dapat digunakan untuk menduga sebaran udara
panas dan kecepatan aliran udara kondisi nyata ke dalam virtual model atau
prototipe dari sebuah sistem. Validasi perhitungan CFD dinyatakan valid
jika error yang dihasilkan lebih kecil dari 10% ketika dibandingkan dengan
hasil pengukuran.
TINJAUAN PUSTAKA
Pengeringan
Hall (1957) dan Brooker (1974) menyatakan pengeringan merupakan
proses penurunan kadar air bahan sampai mencapai kadar air tertentu
sehingga dapat memperlambat laju kerusakan produk akibat aktivitas
biologi dan kimia. Ada tiga hal yang mempengaruhi proses pengeringan
yaitu kecepatan udara, suhu udara, dan kelembaban udara. Dasar
3
pengeringan yaitu kecepatan udara, suhu udara, dan kelembaban udara.
Dasar proses pengeringan adalah terjadinya proses penguapan air bahan ke
udara karena perbedaan kandungan uap air antar udara dengan bahan yang
dikeringkan. Selama proses pengeringan terjadi dua proses yaitu proses
pindah panas dan pindah massa air yang terjadi secara simultan. Panas
dibutuhkan untuk menguapkan air bahan yang akan dikeringkan (Fellow
2001). Penguapan terjadi karena suhu bahan lebih rendah dari pada suhu
udara di sekelilingnya. Proses pindah panas diperlukan untuk memindahkan
massa uap air dari permukaan ke udara. Pindah panas terjadi karena tekanan
uap air di dalam bahan lebih tinggi dari pada udara. Mekanise pengeringan
diterangkan melalui teori tekanan uap, air yang diuapkan terdiri dari air
bebas dan air terikat. Air bebas berada di permukaan telah habis, maka
terjadi migrasi air karena perbedaan tekanan pada bagian dalam dan bagian
luar (Henderson dan Perry 1976).
Pengering Efek Rumah Kaca Hybrid Tipe Rak Berputar
Pengering efek rumah kaca di Institut Pertanian Bogor pertama kali
dikembangkan oleh Abdullah 1999 dari Departemen Teknik Mesin dan
Biosistem. Dalam perkembangannya, pengering ini didisain dengan
berbagai tipe sesuai dengan kebutuhan produk yang dikeringkan,
diantaranya adalah pengering tipe rak untuk panili (Mursalim 1995),
cengkeh (Wulandani 2005), kakao (Nelwan 1997), tipe bak untuk kakao
(Manalu 1999), kopi (Wulandani 1997).
Dalam rangka untuk menyeragamkan aliran udara di dalam ruang
pengering terutama pada tipe rak, (Wulandani 2009) merancang pengering
ERK tipe rak berputar secara vertikal. Pengering rumah kaca ini terdiri dari
tiga bagian utama, yaitu bangunan rumah kaca, silinder dengan rak
pengering dan bagian pemanas tambahan. Rumah kaca tersebut berukuran
panjang x lebar x tinggi (2.15 m x 1.75 m x 1.9 m). Tungku untuk tempat
pembakaran biomassa dan tanki untuk memanaskan air sebagai supply
panas. Pompa air digunakan untuk sirkulasi sedangkan radiator untuk
pembangkit panasnya. Bangunan rumah kaca berfungsi sebagai pengumpul
panas. Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) hybrid tipe rak berputar dapat
dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) hybrid tipe rak
berputar
4
Computational Fluid Dynamics (CFD)
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah ilmu yang mempelajari
cara memperdiksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan
fenomena lainya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika
atau model matematika (Tuakia 2008). Menurut (Versteeg dan Malalasekera
1995) CFD adalah sistem ananlisis yang meliputi aliran fluida, perpindahan
panas dan fenomena seperti reakasi 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-sat
yang mengalir. Perangkat lunak (software) CFD mampu untuk melakukan
simulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, bendabenda 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 desain. Hasil
analisis CFD dapat berupa prediksi kualitatif maupun prediksi kuantitatif
tergantung dari persoalan dan data input. Berikut adalah tiga keuntungan
penggunaan CFD.
1. Pemahaman mendalam (Insight)
Analisis CFD mampu mendesain sebuah sistem atau alat yang sulit
untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian. Analisis
ini mampu masuk secara virtual ke dalam alat atau sistem yang dirancang.
2. Prediksi menyeluruh (Foresight)
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah alat untuk memprediksi
yang akan terjadi pada alat atau sistem yang didesain dengan satu atau lebih
kondisi batas dan dapat segera menentukan desain optimal.
3. Efisiensi waktu dan biaya (Efficiency)
Prediksi menyeluruh (Foresight) yang diperoleh CFD mampu
membantu untuk mendesain lebih cepat dan hemat uang. Analisis CFD akan
lebih efisien waktu riset dan desain sehingga akan mencapai sasarannya.
Proses Simulasi CFD
Seorang engineer dalam merancang mesin memiliki berbagai alasan
untuk mendapatkan pengembangan persamaan-persamaan, namun masalah
utamanya dalam mendesain sistem termal adalah: (1) menyediakan proses
simulasi termal (2) mengembangkan peryataan secara matematis untuk
optimasi. Simulasi secara nyata dan problem-problem optimasi harus
dilaksanakan dengan menggunakan komputer. Berikut adalah tahapan
proses simulasi CFD.
1. Prapemprosesan (Preprocessing)
Prapemprosesan adalah membuat model dalam paket CAD (Computer
Aided Design), membuat grid yang sesuai dan membuat kondisi batas dan
sifat-sifat fluidanya.
5
2 . Pencarian solusi (solving)
Tahap solving adalah tahap dilakukan perhitungan mengenai kondisikondisi yang telah diterapkan pada tahap pra-pemprosesan guna
mendapatkan solusi. Solusi teknik numerik untuk mencari solusi di dalam
CFD terdiri atas beberapa metode, yaitu difference, finite element dan
spectral method (Tuakia, 2008).
3. Pascapemprosesan (Postprocessing)
Tahap pascapemprosesan adalah tahap penyajian hasil simulasi CFD
dengan visualisasi warna untuk memudahkan dalam menganalisis. Berikut
adalah tampilan hasil CFD.
a. Hasil geometri dan grid yang terbentuk.
b. Plot berdasarkan vektor.
c. Plot berdasarkan kontur.
d. Plot berdasarkan permukaan (2D atau 3D).
Semua program pendekatan CFD dilakukan melalui prosedur sebagai
berikut:
1. Sofware Gambit melakukan:
a. Pembuatan geometri model
b. Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil
(meshing)
2. Sofware 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
prilaku dari batas-batas model. Untuk kasus transient, kondisi awal juga
didefinisikan.
c. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan
secara iterasi, biasa dalam kondisi tunak (steady state) atau transient.
d. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.
METODOLOGI PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Kegiatan penelitian dilaksanakan mulai Februari 2013 sampai
Agustus 2013 dan berlokasi di Laboratorium Lapang Siswadhi Soepardjo,
Leuwikopo dan Laboratorium Energi, Departemen Teknik Mesin dan
Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Peralatan
Alat pengering yang digunakan pada penelitian ini adalah alat
pengering Efek Rumah Kaca (ERK) Hybrid rancangan Wulandani, et al.
2009 (Gambar 1). Deskripsi ERK tipe rak berputar adalah sebagai berikut:
1. Bangunan pengering ERK berdimensi 2.15 m x 1.75 m x 1.9 m
merupakan bangunan pengering ERK hybrid yang di dalamnya terdapat
6
2.
3.
4.
5.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
rak-rak yang digantungkan pada silinder berputar sehingga dengan
adanya putaran as menyebabkan rak-rak pengering dapat bergerak
mengikuti rotasi gerakan silindernya. Pada bangunan tersebut di
dalamnya terdapat 3 bagian silinder, dalam setiap ruang pengering
terdapat 8 gantungan rak pengering dengan posisi rak atas dan bawah
sehingga rak-rak pengering berjumlah 48 rak. Rangka bangunan, rangka
silinder dan rangka rak terbuat dari besi siku dan besi hollow bercat
hitam. Dinding terbuat dari plastik polikarbonat.
Rak berupa aluminium berlubang, diberi bingkai dari kayu dengan
dimensi 0.3m x 0.6m x 0.03 m, jumlah rak di setiap ruang adalah 16
buah, sehingga total rak adalah 48 buah.
Penukar panas, berupa radiator dengan sistem silang kompak, berdimensi
0.3 m x 0.35 m x 0.02 m. Fluida kerja yang dipakai pada penukar panas
adalah air.
Kipas, sebuah kipas dengan daya 80 W terdapat di bawah radiator,
berdiameter 0.3 m. Kipas outlet berupa exhaust fan berdiameter 0.12 m
dengan daya 30 W. Pada pengering ini digunakan 3 buah kipas radiator,
3 buah kipas outlet dan 3 buah kipas pengaduk.
Tungku untuk tempat pembakaran biomassa dan tangki untuk
memanaskan air agar dapat digunakan untuk sirkulasi sedangkan radiator
untuk pembangkit panasnya.
Peralatan ukur yang digunakan dalam penelitian meliputi:
Thermocouple tipe CC.
Termometer bola basah dan bola kering.
Chino Recorder Yokogawa tipe 3058 dengan ketelitian 0.1oC
Pyranometer model EKO tipe MS-401
Multimeter digital model YEW tipe 2506 A dengan ketelitian 0.01 mV
Hot wire Anemometer model Lutron tipe AM-4204HA dengan ketelitian
0.01 m/dt.
Perangkat lunak yang di pakai yaitu software Gambit 2.4.6 diperlukan
untuk proses pembuatan gambar dan meshing, ANSYS 12.1: Fluent 6.3
untuk melakukan proses simulasi dan analisis menggunakan Ms.Office
dan Ms. Excel 2007.
Prosedur Penelitian
Pada penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan, dapat dilihat
pada diagram alir penelitian Gambar 3.
Persiapan Alat
Persiapan alat dilakukan untuk membersihkan alat pengering,
memperbaiki beberapa kerusakan yang ada, mengecek kesiapan instrument
pengukuran, menentukan titik-titik pengukuran pada titik pengukuran lantai,
lantai, dinding depan (pintu), dinding kanan, dinding kiri, dinding belakang,
atap, ruang pengering. Dan melakukan pengukuran dimensi alat serta
mengindetifikasi bahan konstruksi alat pengering.
7
Percobaan Pengeringan
Percobaan pengeringan dilakukan sebanyak 6 skenario.
1 Skenario 1 : Rak dalam keadaan diam (tidak diputar).
2 Skenario 2 : Rak diputar 45o selama 1 jam sekali.
3 Skenario 3 : Rak diputar 45o selama 2 jam sekali.
4 Skenario 4 : Rak diputar 90o selama 1 jam sekali.
5 Skenario 5 : Rak diputar 135o selama 1 jam sekali.
6 Skenario 6 : Rak diputar 180o selama 1 jam sekali.
Penamaan rak diberi label A, B, C, D, E, F, G dan H. Posisi penamaan
rak sama untuk semua skenario. Penamaan posisi rak dalam posisi yang
tetap walaupun rak dilakukan pemutaran sudut sesuai dengan skenario. Pada
saat pengambilan data rak dalam posisi diam (tidak diputar) dan posisi rak
akan berpindah dengan penamaan yang sudah diberikan.
Percobaan dilakukan tanpa beban selama 1 hari dari pukul 08.00 WIB
sampai 16.00 WIB dengan interval pengukuran 0.5 jam. Pemutaran rak
dilakukan dengan interval 45o hal ini dikarenakan pengunci poros pemutar
rak didesain sebesar 45o. Perlakuan putaran rak dilakukan sejauh 180o hal
ini dikarenakan bentuk rotasi pergerakan silinder berbentuk lingkaran
sehingga dilakukan pemutaran rak sejauh 180o untuk mewakili pemutaran
rak pada bagian atas, tengah, dan bawah. Pemutaran rak dilakukan selama 1
jam sekali agar ergonomis saat pemutaran rak, dan lama pengambilan data
saat pengukuran.
Parameter yang Diukur pada Percobaan Pengeringan
Parameter yang diukur adalah sebagai berikut:
1. Suhu yaitu meliputi suhu udara pada rak atas, rak tengah, rak bawah,
lantai, inlet, outlet, suhu ruang pengering, suhu dinding, suhu atap, suhu
lantai pengering, dan suhu lingkungan.
2. Kecepatan meliputi kecepatan udara pada inlet, outlet, depan kipas kiri,
kipas tengah dan kipas kanan, udara pada rak atas, rak tengah, rak bawah,
RH ruang pengering, dan RH udara lingkungan.
3. Radiasi surya.
Titik pengukuran suhu rak pada rak atas 3 titik pengukuran dan rak
bawah 2 titik pengukuran. Pengukuran kondisi batas pada lantai, atap,
dinding kanan, dinding kiri, pintu (dinding depan), dan suhu ruang
pengering. Posisi titik pengukuran dapat dilihat pada Gambar 2.
Pemodelan CFD
Pengukuran suhu-suhu tersebut digunakan pula untuk menvalidasikan
simulasi CFD.Simulasi CFD dilakukan pada kondisi tanpa menggunakan
beban. Pemodelan CFD menggunakan asumsi:
1. Udara tidak termampatkan (incompressible), ρ konstan.
2. Bilangan Prandtl udara konstan (panas jenis, konduktivitas, dan vikositas
udara konstan).
3. Udara bergerak dalam keadaan steady.
4. Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi.
5. Kecepatan angin dianggap konstan.
8
6. Aliran udara dianggap laminar. Aliran laminar jika Re