5.4.4.1.1. Pengering ERK Skala Laboratorium
1 Udara tidak termampatkan incompressible, ρ konstan.
2 Bilangan Prandtl udara konstan panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan 3 Udara bergerak dalam kondisi steady.
4 Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi, yaitu pada nilai 30
o
C. 5 Aliran udara dianggap laminer, didasarkan oleh bilangan Re = 1698. Aliran laminer jika Re
2000 Holman, J.P., 1997. Perhitungan aliran laminer ditunjukkan pada Lampiran V-2.
5.4.4.1.2. Pengering ERK Skala Lapang
1 Udara tidak termampatkan incompressible, ρ konstan.
2 Bilangan Prandtl udara konstan panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan 3 Udara bergerak dalam kondisi steady.
4 Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi, yaitu pada nilai 36
o
C. 5 Kecepatan udara pada kipas dianggap konstan
6 Aliran udara dianggap laminer, didasarkan oleh bilangan Re = 75.5 Perhitungan aliran laminer ditunjukkan pada Lampiran V-3.
5.4.4.2. Kondisi Awal
Untuk semua disain pengering ERK analisis CFD dilakukan pada kondisi awal sebagai berikut:
1 Kecepatan aliran udara awal baik pada arah koordinat x, y dan z = 0 mdt 2 Suhu dinding = suhu lingkungan
3 Tekanan udara = 1 atm = 101.325 kPa
5.4.4.3. Kondisi Batas 5.4.4.3.1.
Pengering ERK Skala Laboratorium Pengering ERK Skala Laboratorium dibatasi oleh dinding yang berbentuk bangunan
segiempat dengan atap melengkung Gambar V-2. Parameter penentu kondisi batas pada analisis ini adalah:
1 Inlet sekaligus kipas dianggap sebagai velocity inlet dengan kecepatan 2.3 mdt 2 Outlet dianggap sebagai outflow dengan ratio bukaan 1
3 Dinding terbuat dari plastik dengan parameter: - Fluks panas = 17.5 Wm
2
- Suhu dinding = 30
o
C - Ketebalan dinding = 0.15 mm
- Koefisien pindah panas konveksi h = 1.4 Wm
2
K - emisivitas = 0.95 didekati dengan emisivitas kaca, Holman, 1997
- Laju pembentukan panas = 0 Wm
3
Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h pada dinding: Suhu fluida operasi pada dinding = 30
o
C = 303 K Sifat
Nilai Massa jenis
1.166 kgm
3
Panas Jenis 1.0065 kJkg
o
C Konduktivitas panas
0.0265 Wm.K Viskositas dinamik
1.86 x 10
-5
Pa.dt Viskositas kinematik
1.59 x 10
-5
m
2
dt Bilangan Prandtl
0.7 Koefisien pindah panas konveksi pada dinding dianggap sebagai konveksi bebas. Nilai h ini
dinyatakan dalam persamaan yang diberikan Churchill dan Chu dalam Holman 1997:
7 2
5 3
2 3
10 x
1 .
6 10
x 59
. 1
78 .
1 303
1 8
. 9
Tx g
Gr =
= =
−
ν β
Ra = Gr Pr = 6.1x10
7
x 0.7 = 4.2 x 10
7
[ ]
[ ]
9 4
16 9
4 1
7 9
4 16
9 4
1
7 .
492 .
1 10
x 2
. 4
x 67
. 68
. Pr
492 .
1 Ra
67 .
68 .
Nu +
+ =
+ +
=
Nu = 0.68 + 53.91.305 = 42 Jadi
K m
W 4
. 1
78 .
0265 .
x 42
x k
Nu h
2
= =
⋅ =
4 Penukar panas sebagai radiator dengan parameter sebagai berikut: - Koefisien kehilangan k = 115
- Koefisien pindah panas konveksi h = 14.7 Wm
2
K - Suhu penukar panas = 69
o
C - fluks panas = 536 Wm
2
Perhitungan koefisien kehilangan k pada penukar panas Suhu fluida operasi pada penukar panas = 44
o
C Sifat
Nilai Massa jenis
1.11 kgm
3
Panas Jenis 1.0073 kJkg
o
C Konduktivitas panas
0.0276 Wm.K Viskositas dinamik
1.92 x 10
-5
Pa.dt
Bilangan Prandtl 0.7
Penurunan tekanan ∆p dihitung dari daya kipas P
∆p = P çv
inlet
A
inlet
= 16 x 0.7 2.3 x 0.12
2
= 338 Pa Jadi
115 3
. 2
x 11
. 1
338 x
2 v
p 2
k
2 2
kipas
= =
∆ =
ρ
1. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi pada penukar panas Suhu air panas masuk = 80
o
C dan suhu air panas keluar = 58
o
C T
HE
= 80 + 582 = 69
o
C Suhu udara di depan HE = 44
o
C
m r
HE HE
HE a
r r
r .
t t
A h
t t
Cp m
− =
−
r .
m
= ñ
r
v
inlet
A
inlet
= 1.1469 kgm
3
x 2.3 mdt x 0.12
2
m
2
= 0.038 kgdt Jadi
K m
W 7
. 14
44 58
30 80
ln 44
58 30
80 x
29 .
1 30
44 x
3 .
1007 x
038 .
t t
t t
ln t
t t
t A
t t
Cp m
h
2
r ho
a hi
r ho
a hi
HE a
r r
r .
HE
=
− −
− −
− −
=
− −
− −
− −
=
5.4.4.3.2. Pengering ERK Skala Lapang Pengering ERK Skala Lapang dibatasi oleh dinding yang berbentuk bangunan segiempat
dengan atap melengkung. Untuk disain skenario 1, 2, 3 masing-masing ditunjukkan pada Gambar V-3, V-4 dan V-5. Parameter penentu kondisi batas pada analisis ini adalah:
1 Inlet dianggap sebagai velocity inlet dengan kecepatan 0.24 mdt 2 Outlet dianggap sebagai outflow dengan ratio bukaan 1
3 Kipas bawah depan penukar panas, dengan parameter sebagai berikut: - Penurunan tekanan = 1458 Pa
- Kecepatan minimum = 1 mdt - Kecepatan maksimum = 2 mdt
4 Kipas tengah di atas rak paling atas, di tengah ruang pengering, dengan parameter sebagai berikut:
- Penurunan tekanan = 583 Pa - Kecepatan minimum = 0.05 mdt
- Kecepatan maksimum = 0.2 mdt 5 5 Kipas atas di atas penukar panas, dengan parameter sebagai berikut:
- Penurunan tekanan = 1458 Pa - Kecepatan minimum = 1 mdt
- Kecepatan maksimum = 2 mdt 6 Dinding terbuat dari plastik dengan parameter sebagai berikut:
- Fluks panas = 12.5 Wm
2
- Suhu dinding = 36
o
C - Ketebalan dinding = 0 mm
- Koefisien pindah panas konveksi h = 1 Wm
2
K - Emisivitas = 0.95 didekati dengan emisivitas kaca, Holman, 1997
- Laju pembentukan panas = 0 Wm
3
7 Rak ada 8 buah bertingkat dianggap sebagai porous jump dengan parameter sebagai berikut: - Permeabilitas permukaan
α = 1.896 x 10
8
m
2
- Tebal rak = 0.01 m - Koefisien porous jump C
2
= 8203.1 1m 8 Penukar panas sebagai radiator dengan parameter sebagai berikut:
- Koefisien kehilangan k = 1855 - Koefisien pindah panas konveksi h = 35 Wm
2
K - Suhu penukar panas = 64
o
C - Fluks panas = 653.1 Wm
2
9 Sumber panas dari surya dianggap dipindahkan pada pelat yang berada di bawah dinding atap, dianggap sebagai radiator dengan parameter sebagai berikut:
- Koefisien kehilangan k = 26694 - Koefisien pindah panas konveksi h = 32 Wm
2
K - Suhu penukar panas = 64
o
C - Fluks panas = 500 Wm
2
5.4.4.3.2. Perhitungan secara Rinci Parameter Kondisi Batas pada Pengering ERK Skala
Lapang
Perhitungan secara rinci dari masing-masing parameter kondisi batas pada pengering ERK skala lapang tersebut di atas diuraikan di bawah ini.
1 Perhitungan parameter kondisi batas pada dinding a. Koefisien pindah panas konveksi h pada dinding.
Suhu fluida operasi pada dinding = 36
o
C
Sifat Nilai
Massa jenis 1.127 kgm
3
Panas Jenis 1.007 kJkg
o
C Konduktivitas panas
0.0272 Wm.K Viskositas dinamik
1.99 x 10
-5
Pa.dt Viskositas kinematik
1.77 x 10
-5
Bilangan Prandtl 0.7
Koefisien pindah panas konveksi pada dinding dianggap sebagai konveksi bebas. Nilai h ini dinyatakan dalam persamaan yang diberikan Churchill dan Chu dalam Holman
1997:
8 2
5 3
2 3
10 x
4 .
9 10
x 77
. 1
1 .
2 1
309 1
8 .
9 Tx
g Gr
=
=
=
−
ν β
Ra = Gr Pr = 9.4x10
8
x 0.7 = 6.6 x 10
8
[ ]
[ ]
9 4
16 9
4 1
8 9
4 16
9 4
1
7 .
492 .
1 10
x 6
. 6
x 67
. 68
. Pr
492 .
1 Ra
67 .
68 .
Nu +
+ =
+ +
=
Nu = 0.68 + 107.41.305 = 83 Jadi
K m
W 1
1 .
2 0272
. x
83 x
k Nu
h
2
= =
⋅ =
2 Perhitungan parameter kondisi batas pada rak. Rak berupa plat berlubang dianggap sebagai porous jump
. a. Permeabilitas permukaan
α dihitung dengan persamaan FLUENT ver. 5.3:
2 8
2 3
2 2
3 2
p
m 10
x 896
. 1
4 .
1 4
. 150
004 .
1 150
D
−
= −
= −
= ε
ε α
D
p
= diameter produk cengkeh = 0.4 cm = 0.004 m Å = porositas tumpukan produk cengkeh = 0.4
b. Koefisien porous jump C
2
dihitung dengan persamaan FLUENT ver. 5.3:
m 1
1 .
8203 4
. 4
. 1
004 .
5 .
3 1
D 5
. 3
C
3 3
p 2
= −
= −
= ε
ε
3 Perhitungan parameter kondisi batas pada penukar panas a. koefisien kehilangan k pada penukar panas
Suhu fluida operasi pada penukar panas = 48.45
o
C Sifat
Nilai Massa jenis
1.092 kgm
3
Panas Jenis 1.0075 kJkg
o
C Konduktivitas panas
0.028 Wm.K Viskositas dinamik
1.95 x 10
-5
Pa.dt
Penurunan tekanan ∆p dihitung dari daya kipas bawah P = 100 W
A
inlet
= 0.1 m x 1 m x 2 buah = 0.2 m
2
∆p = P çv
inlet
A
inlet
= 100 x 0.7 0.24 x 0.2 = 1458 Pa Jadi
1855 22
. 1
x 092
. 1
1458 x
2 v
p 2
k
2 2
kipas
= =
∆ =
ρ
b. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h
HE
pada penukar panas Suhu fluida operasi pada penukar panas = 48.45
o
C
r HE
HE HE
a r
r r
.
t t
A h
t t
Cp m
− =
−
r .
m
= ñ
r
v
inlet
A
inlet
= 1.092 kgm
3
x 0.24 mdt x 0.2 m
2
= 0.0524 kgdt Jadi
K m
W 35
45 .
48 64
x 2
. 1
36 45
. 48
x 5
. 1007
x 0524
. t
t A
t t
Cp m
h
2 r
HE HE
a r
r r
. HE
= −
− =
− −
=
4 Perhitungan parameter kondisi batas pada sumber panas dari surya a. Perhitungan koefisien kehilangan k
Radiasi surya diteruskan oleh dinding dan diterima oleh plat yang diletakkan di bawah dinding. Plat dianggap sebagai radiator. Perhitungan parameter kondisi batas pada
radiator tersebut adalah: Suhu fluida operasi pada sumber panas tersebut = 48.45
o
C Penurunan tekanan
∆p dihitung dari daya kipas tengah P = 40 W A
inlet
= 0.1 m x 1 m x 2 buah = 0.2 m
2
∆p = P çv
inlet
A
inlet
= 40 x 0.70.24 x 0.2 = 583 Pa Jadi
26694 2
. x
092 .
1 583
x 2
v p
2 k
2 2
kipas
= =
∆ =
ρ
b. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h
R
pada sumber panas dari surya Suhu fluida operasi pada sumber panas tersebut = 48.45
o
C Asumsi: Sumber energi dari matahari dengan intensitas radiasi I = 500 Wm
2
dipindahkan ke plat yang “dianggap” berada di bawah dinding atap bangunan.
r R
R R
R
t t
A h
IA −
=
Jadi
K m
W 32
45 .
48 64
500 t
t A
IA h
2 r
R R
R R
= −
= −
=
5.4.5. Validasi Simulasi Aliran Udara pada Pengering ERK
Validasi model simulasi dilakukan dengan membandingkan nilai suhu, RH dan kecepatan udara hasil perhitungan dengan hasil pengukuran pada pengering ERK skala laboratorium, pada
titik-titik tertentu yang diinginkan, yaitu titik-titik di bidang YZ dengan jarak X= 40 cm, dengan jarak antar titik 10 cm. Kriteria hasil validasi dianalisis dengan metoda curve
-fitting.
5.4.6. Parameter Pengukuran
Bangunan pengering ERK skala lapboratorium dibagi dalam beberapa grid, dengan dimensi grid 10 cm x 10 cm menggunakan benang Lihat Gambar V-6. Parameter yang diukur selama
percobaan adalah suhu, RH dan kecepatan angin pada setiap titik pada grid yang terbentuk setelah
kondisi steady konstan.
Gambar V-6. Grid yang dibentuk oleh benang pada pengering ERK skala laboratorium.
5.5. HASIL DAN PEMBAHASAN
5.5.1. Simulasi Aliran Fluida pada Pengering ERK Skala Laboratorium
Grid dari benang halus
Penukar panas dan kipas pada
inlet Air panas sbg
pemanas tambahan yang dipanaskan
oleh kompor listrik Pompa untuk
mengisap air panas dari
radiator
outlet
5.5.1.1. Bentuk Grid Hasil Simulasi
Grid dibuat dengan ketentuan minimal terdapat 3 titik node pada setiap ruas sisi dari bentuk yang bersangkutan. Bentuk grid yang dihasilkan dari perhitungan simulasi model
pengering ERK dengan CFD dinyatakan dalam Gambar V-7.
Gamba r V-7. Grid pada p
5.5.1.2. Distribusi Suhu dan Kecepatan Udara Pengering pada Pengering ERK Skala
Laboratorium
Distribusi suhu dan kecepatan udara pengering dalam pengering ERK skala laboratorium masing-masing dinyatakan dalam Gambar V-8 dan Gambar V-9.
Udara panas dari penukar panas terdorong ke depan sepanjang inlet dan disebarkan ke seluruh ruang pengering. Suhu yang paling besar berada di depan
inlet 44
o
C dan setelah menyebar ke tengah dan atas ruang pengering suhu mulai berkurang. Namun demikian suhu ruang mempunyai kecenderungan seragam di
bagian tengah dan atas bangunan dengan nilai rata-rata 40
o
C dengan kisaran antara 36
o
C hingga 44
o
C, yang ditunjukkan oleh warna biru pada Gambar V-8.
Kecepatan aliran udara tinggi terdapat di depan kipas inlet, yaitu pada kisaran 0.96 hingga 1.28 mdt dan melewati bagian bawah ruang pengering menuju outlet. Selanjutnya kecepatan
Kategori