KAJIAN NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL PROSES PERPINDAHAN PANAS DAN PERPINDAHAN MASSA PADA PENGERINGAN
KAJIAN NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL PROSES PERPINDAHAN PANAS DAN PERPINDAHAN MASSA PADA PENGERINGAN SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ARY SANTONY NIM. 090401003 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang memberikan limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan sebaik mungkin.
Skripsi ini berjudul “KAJIAN NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL
PROSES PERPINDAHAN PANAS DAN PERPINDAHAN MASSA PADA
PENGERINGAN”. Skripsi ini disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan
pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Proses penyusunan skripsi dari awal hingga selesai yang penulis lakukan dapat terlaksana berkat bantuan dan dukungan dari semua pihak. Untuk itulah, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang mendalam dan setulusnya kepada :
1. Kedua orang tua penulis yang telah memberikan rasa cinta dan kasih sayangnya yang sangat besar kepada penulis sehingga pengerjaan skripsi ini dapat berjalan dengan baik.
2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT, selaku dosen pembimbing penulis yang telah meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan bimbingan ilmu kepada penulis 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen
Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara 4. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Sekertaris Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara 5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah membimbing, membantu dan mengajari penulis selama kuliah serta dalam penyelesaian skripsi ini.
6. Seluruh teman–teman stambuk 2009, khusunya Indro, Juliono, Tri Septian, Ramadhan, Rian, Zuhdi, Chabib, Stefanus dan semua teman– teman stambuk 09 yang telah memberikan ilmu, motivasi dan dorongan kepada penulis .
7. Abang dan adik di teknik mesin yang telah memberikan semangat dan motivasi kepada penulis.
8. Seluruh pihak yang banyak membantu penulis dalam pengerjaan skripsi ini .
Semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat dan ilmu bagi penulis– penulis khususnya dan bagi masyarakat pada umumnya. Penulis dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun dari pembaca .
Medan, Juli 2014 ARY SANTONY
090401003
ABSTRAK
Pengeringan merupakan proses perpindahan panas dan uap air secara simultan yang memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air dari bahan yang akan dikeringkan. Penelitian ini dilakukan dengan cara eksperimen dan simulasi. Produk hasil pertanian, yaitu kentang dipilih sebagai objek penelitian ini. Penelitian secara eksperimen dilakukan dengan mengalirkan udara panas ke arah kentang dengan kecepatan, temperatur dan RH konstan. Kemudian data temperatur serta massa yang berubah pada kentang diukur dan dicatat secara otomatis menggunakan Agilent dan Load Cell. Selain melakukan eksperimen, penelitian ini juga melakukan simulasi untuk menampilkan distribusi temperatur yang terjadi pada kentang selama pengeringan dan membandingkan hasil yang diperoleh secara numerik dengan hasil yang diperoleh secara eksperimen. Simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak CFD yaitu Ansys Fluent 14.5. Pada hasil eksperimen, diperoleh bahwa temperatur cenderung meningkat apabila waktu pengeringan bertambah. Temperatur awal kentang adalah 301,11K. Temperatur tertinggi setelah dua jam melakukan pengeringan terletak pada permukaan kentang, yaitu 316,304 K. Sedangkan temperatur pada titik tersebut yang diperoleh dari hasil simulasi adalah 316,972 K. Pada eksperimen, massa kentang cenderung berkurang apabila waktu pengeringan bertambah. Massa awal kentang sebelum dikeringkan adalah 75 gr. Hasil pengukuran massa kentang setelah dua jam melakukan pengeringan adalah 63 gr. Sedangkan massa kentang yang diperoleh dari hasil simulasi adalah 66,58 gr. Sehingga diperoleh ralat antara hasil eksperimen dan numerik berturut-turut pada pengukuran temperatur dan massa adalah 0,21% dan 5,09%.
Kata kunci : pengeringan, perpindahan panas, penguapan, CFD
ABSTRACT
Drying is simultaneously heat and vapor transfer process that needed heat energy to evaporate the moisture from the object that needed to be dried. This research isdone by experiment and simulation. The agriculture product, i.e potato is chosen
as the object for research. The experiment does by flowing hot air to the potato
with fix velocity, temperature and RH. Then, the change of temperature and massdata will be measured and recorded automatically with Agilent and Load Cell.
Beside of experiment, simulation also done to show the temperature distribution
on potato during drying and compare the result that obtained from numeric and
result that obtained from experiment. Simulation is done by CFD software, it is
Ansys Fluent 14.5. For experiment result, temperature increase when drying timeincrease. The initial temperature of potato is 301,11 K. The highest temperature
after two hours drying process locates at potato surface, it is 316,304 K. Whereasthe temperature that obtained from simulation is 316,972 K. In experiment, the
mass of potato decrease when drying time increase. The initial mass of potato
before drying is 75 gr. The result mass of potato after two hours drying process is63 gr. While the mass of potato that obtained from simulation result is 66,58 gr.
So the error of experiment result and numeric in order for temperature
measurement and mass is 0,21% and 5,09%. Keyword : drying, heat transfer, evaporation, CFDDAFTAR ISI KATA PENGANTAR ............................................................................... i ABSTRAK ................................................................................................. iii DAFTAR ISI .............................................................................................. v DAFTAR GAMBAR ................................................................................. viii DAFTAR TABEL ..................................................................................... xi DAFTAR SIMBOL ................................................................................... xii
1 BAB I PENDAHULUAN .........................................................................
1.1 Latar Belakang ..........................................................................
1 1.2 Perumusan Masalah ...................................................................
2 1.3 Batasan Masalah ........................................................................
2 1.4 Tujuan Penelitian .......................................................................
3 1.5 Manfaat Penulisan .....................................................................
3 1.6 Sistematika Penulisan ................................................................
3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..............................................................
5 2.1 Prinsip Pengeringan ...................................................................
5 2.2 Faktor yang Mempengaruhi Pengeringan .................................
6 2.3 Jenis-jenis Alat Pengeringan .....................................................
8 2.4 Tinjauan Perpindahan Panas .....................................................
13 2.4.1 Konduksi ............................................................................
13 2.4.2 Konveksi ............................................................................
14 2.4.3 Radiasi ...............................................................................
20 2.5 Analogi Perpindahan Massa (Difusi) dan Perpindahan Panas ..
20 2.5.1 Konsentrasi ........................................................................
22 2.6 Tinjauan Perpindahan Massa ....................................................
24
2.6.1 Perpindahan Massa Konduksi ...........................................
24 2.4.2 Perpindahan Massa Konveksi ............................................
29 2.7 Psikometrik ................................................................................
34 2.7.1 Rasio Humiditas (Humidity Ratio) ....................................
34 2.7.2 Humiditas Relatif (Relative Humidity, RH) .......................
35 2.7.3 Humiditas Spesifik ............................................................
36 2.8 Computational Fluid Dynamics (CFD) .....................................
36 2.8.1 Penggunaan CFD ...............................................................
36 2.8.2 Manfaat CFD .....................................................................
37 2.8.3 Metode Diskritisasi CFD ...................................................
37 2.9 Persamaan Umum untuk Aliran Fluida .....................................
38 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...............................................
46 3.1 Tempat dan Waktu ....................................................................
46 3.2 Bahan .........................................................................................
46 3.3 Alat Ukur ...................................................................................
47 3.4 Alat ............................................................................................
49 3.5 Variabel Penelitian ....................................................................
52 3.5.1 Variabel Terikat .................................................................
52 3.5.2 Variabel Bebas ...................................................................
52 3.6 Prosedur Penelitian dan Simulasi ..............................................
52 3.6.1 Studi Literatur ....................................................................
54 3.6.2 Eksperimen dan Pengumpulan Data ..................................
54 3.6.3 Simulasi Secara CFD .........................................................
54 3.6.4 Analisa Data ......................................................................
54 3.6.5 Penarikan Kesimpulan .......................................................
54 3.7 Prosedur Eksperimental .............................................................
55
3.8 Prosedur Numerik .....................................................................
59 3.8.1 Pemodelan Geometri .........................................................
59 3.8.2 Pembentukan mesh ............................................................
59 3.8.3 Penentuan Boundary Condition .........................................
60 3.8.4 Simulasi FLUENT .............................................................
62 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ..................................................
68
4.1 Analisa Perpindahan Panas dan Perpindahan Massa pada Kentang .....................................................................................
69 4.1.1 Sifat Udara .........................................................................
69 4.1.2 Temperatur pada Kentang .................................................
70 4.1.3 Perubahan Massa pada Kentang ........................................
72 4.2 Validasi Terhadap Eksperimen .................................................
74 4.3 Analisis Perpindahan Panas dan Perpindahan Massa Teoritis .
85 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................
88 5.1 Kesimpulan .........................................................................................
88 5.2 Saran ..........................................................................................
88 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... xiii LAMPIRAN 1 DATA PERUBAHAN MASSA KENTANG SELAMA PROSES PENGERINGAN PADA TANGGAL 12 MEI 2014 LAMPIRAN 2 DATA PERHITUNGAN PERUBAHAN MASSA KENTANG SECARA TEORITIS SELAMA DUA JAM PROSES PENGERINGAN PADA TANGGAL 12 MEI 2014 LAMPIRAN 3 DATA PERUBAHAN TEMPERATUR KENTANG SELAMA PROSES PENGERINGAN PADA TANGGAL 12 MEI 2014
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Tray Dryer ........................................................................22 Gambar 2.14 Perpindahan massa secara konduksi ................................
47 Gambar 3.5 RH Meter ..........................................................................
47 Gambar 3.4 Aluminium S Type Load Cell ...........................................
46 Gambar 3.3 Agilent ..............................................................................
46 Gambar 3.2 Kentang setelah dipotong dan dibentuk ...........................
42 Gambar 3.1 Kentang sebelum dipotong ...............................................
41 Gambar 2.19 Komponen kerja dan panas pada sebuah elemen .............
39 Gambar 2.18 Komponen gaya sejajar sumbu-x pada elemen 2 dimensi
28 Gambar 2.17 Kekekalan massa pada elemen dua dimensi ....................
27 Gambar 2.16 Uap cairan berdifusi ke dalam gas ...................................
25 Gambar 2.15 Temperatur dan konsentrasi pada bidang batas dua medium .............................................................................
21 Gambar 2.13 Zat A berdifusi dalam zat B (sebagai medium) dalam satuan volume...................................................................
8 Gambar 2.2 Solar Dryer ......................................................................
21 Gambar 2.12 Perpindahan massa uap air secara konveksi dari permukaan ke aliran udara ...............................................
18 Gambar 2.11 Perpindahan massa air secara konduksi melalui benda padat .................................................................................
17 Gambar 2.10 Konveksi natural yang terjadi pada telur panas ...............
15 Gambar 2.9 Grafik yang menunjukkan koefisien perpindahan panas rata-rata untuk plat datar dengan campuran antara aliran laminar dan turbulen ........................................................
14 Gambar 2.8 Daerah batas laminar dan turbulen suatu aliran plat ........
13 Gambar 2.7 Proses perpindahan panas konveksi .................................
12 Gambar 2.6 Perpindahan panas secara konduksi .................................
12 Gambar 2.5 Conveyor Dryer ................................................................
10 Gambar 2.4 Spray Dryer ......................................................................
9 Gambar 2.3 Cara kerja Solar Dryer .....................................................
48
Gambar 3.6 Electric Hot Air Generation TSK-10 ...............................60 Gambar 3.21 Letak kondisi batas pada model .......................................
69 Gambar 4.4 Perubahan temperatur pada titik termokopel yang berbeda .............................................................................
68 Gambar 4.3 Sifat udara pada tanggal 12 Mei 2014..............................
68 Gambar 4.2 Titik termokopel pada kentang.........................................
66 Gambar 4.1 Drying chamber dan kentang ...........................................
66 Gambar 3.29 Proses iterasi ....................................................................
65 Gambar 3.28 Penentuan jenis solution method ......................................
64 Gambar 3.27 Penentuan RH fluida masuk dari perhitungan fraksi massa ................................................................................
63 Gambar 3.26 Pengaturan material mixture ............................................
63 Gambar 3.25 Penentuan jenis model aliran ...........................................
62 Gambar 3.24 Mengaktifkan species transport .......................................
61 Gambar 3.23 Mengaktifkan tipe time transient dan gravitasi ................
60 Gambar 3.22 Dinding kopel antara fluida dan solid ..............................
59 Gambar 3.20 Tampilan mesh yang telah dibuat dengan software Gambit 2.4 ........................................................................
49 Gambar 3.7 Stabilizer ..........................................................................
58 Gambar 3.19 Pemodelan geometri dengan software Gambit 2.4 ..........
58 Gambar 3.18 Pengambilan data RH meter di komputer ........................
57 Gambar 3.17 Kentang digantungkan pada Load cell .............................
57 Gambar 3.16 Blower diaktifkan selama 10 menit..................................
56 Gambar 3.15 Pengaturan interval waktu load cell di komputer .............
56 Gambar 3.14 Pemasangan termokopel pada kentang ............................
55 Gambar 3.13 Pemasangan RH meter di drying chamber.......................
55 Gambar 3.12 Pengaturan interval waktu RH meter di komputer ...........
53 Gambar 3.11 Penyambungan blower, stabilizer, drying chamber dan Load cell ...........................................................................
51 Gambar 3.10 Diagram Alir Pengerjaan Penelitian.................................
51 Gambar 3.9 Sterefoam yang sudah dibentuk .......................................
50 Gambar 3.8 Drying Chamber ..............................................................
70
Gambar 4.5 Distribusi kontur temperatur awal pada kentang .............71 Gambar 4.6 Kontur temperatur pada kentang yang diperoleh dari hasil simulasi setelah 600 detik proses pengeringan ........
71 Gambar 4.7 Kontur temperatur pada kentang yang diperoleh dari hasil simulasi setelah 3600 detik proses pengeringan ......
72 Gambar 4.8 Kontur temperatur pada kentang yang diperoleh dari hasil simulasi setelah 7200 detik proses pengeringan ......
72 Gambar 4.9 Perubahan massa kentang selama proses pengeringan ....
73 Gambar 4.10 Hasil akhir kentang yang dikeringkan..............................
73 Gambar 4.11 Grafik perbandingan temperatur antara hasil dari analisa numerik dan hasil eksperimen yang dilakukan pada tanggal 12 Mei 2014 ........................................................
74 Gambar 4.12 Grafik perbandingan massa antara hasil dari analisa teoritis dan hasil eksperimen yang dilakukan pada tanggal 12 Mei 2014 ........................................................
82
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Konstanta untuk persamaan Hyland dan Wexler .............36 Tabel 3.1 Kondisi Batas ...................................................................
61 Tabel 4.1 Perbandingan Data Temperatur Hasil Eksperimen dan Hasil Numerik pada Tanggal 12 Mei 2014 ......................
76 Tabel 4.2 Perbandingan Data Massa Hasil Eksperimen dan Hasil Numerik pada Tanggal 12 Mei 2014 ......................
83
DAFTAR SIMBOL
SIMBOL ARTI SATUAN Q Laju perpindahan panas konduksi W kon k Konduktivitas thermal bahan W/m.K2 A
Luas penampang perpindahan panas m
T Temperatur
K
L Ketebalan dinding benda m Q Laju perpindahan panas konveksi W konv
2 h Koefisien konveksi W/m .K
- Re Bilangan Reynold
3
ρ Massa jenis fluida kg/m
U Kecepatan fluida mengalir m/det
2
µ Viskositas fluida N.det/m
2 v Viskositas kinematik fluida m /det
- Pr Bilangan Prandtl
Ra
- Bilangan Rayleigh
L Dimensi geometri m
2 Gr Bilangan Grashof m/det
2 g Percepatan gravitasi m/det c Panas spesifik kJ/kg.K p Q r Laju perpindahan panas W
ε
- Emisivitas b
- 8
2
4
σ Konstanta Boltzman (5,67 x 10 ) W/m K
3
ρ Kerapatan atau density kg/m
m Massa
kg
3 V Volume
m
- w Fraksi massa
3 C Konsentrasi mol mol/m
N Jumlah mol mol
- y Fraksi mol
MR Berat molekul kg/mol N Laju perpindahan massa mol/det
2 D Koeffisien difusi massa suatu zat m /det m Laju perpindahan massa kg/det
2 D Koefisien difusi massa air pada udara m /det air udara − P Tekanan Pa (atm)
2
α Difusivitas thermal m /det
Sc Bilangan Schmidt - Le
Bilangan Lewis -
h
Koefisien konveksi perpindahan massa m/det
m Laju penguapan kg/det u
2
µ Viskositas fluida N.det/m
Q Panas laten L
W
h Panas laten penguapan air J/kg fg
w Humidity Ratio kg uap air/kg udara
m Jumlah massa uap air kg uap air w m Jumlah massa udara kg udara a RH Relative Humidity %