Simulasi Kolektor Surya Tipe Plat Datar Dengan Sudut 600 Dan Boks Pengering Pada Mesin Pengering Hasil Pertanian
SIMULASI KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR
DENGAN SUDUT 600 DAN BOKS PENGERING PADA
MESIN PENGERING HASIL PERTANIAN
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
NEHEMIA SEMBIRING
NIM. 080401042
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
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.
Adapun judul dari skripsi ini yaitu ” SIMULASI KOLEKTOR SURYA
TIPE PLAT DATAR DENGAN SUDUT 600 DAN BOKS PENGERING
PADA MESIN PENGERING HASIL PERTANIAN”.
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.
Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak kesulitan dan kendala
akan tetapi penulis juga mendapat dukungan dari berbagi pihak berupa semangat
doa nasehat maupun spirit yang terus menopang penulis dalam menyelesaikan
laporan ini. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih
yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT. selaku dosen pembimbing,
yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi
kepada penulis.
2. Orang Tua penulis dan seluruh keluarga tercinta baik abang, kakak dan
adik yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil kepada
penulis tanpa pamrih.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara .
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara .
5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT. dan Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah
Isranuri selaku dosen pembanding I dan II yang telah memberikan
masukan dan saran dalam menyelesaikan skripsi ini.
Universitas Sumatera Utara
6. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
7. Rekan-rekan 1 tim skripsi, Indra Gunawan Purba dan Fadli Rian Arikundo
yang telah meluangkan waktunya bersama untuk berdiskusi bertukar
pikiran juga memberikan kritik dan saran terhadap penulis.
8. Ibu S. Farah Dina dan Abang Haznam yang juga telah membantu penulis
selama proses penyusunan skripsi ini mulai dari awal sampai akhir.
9. Ucapan terima-kasih juga kepada seluruh mahasiswa Teknik Mesin
angkatan 2008, yaitu Agorlif Efrata Sianturi, S.T, Rio Arinedo Gurky S.T,
Heri Firmansyah Lumbantoruan, S.T, Ferdinand A Lubis, S.T, Yosua
Surbakti S.T, Michael Hasibuan S.T, Peter Manurung S.T, Stefanus
Tobing, Herto Marbun dan rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin 2008
yang tidak bisa disebutkan satu-persatu, para abang senior 2006 dan 2007
dan adik-adik junior 2010 dan 2012 semua yang telah mendukung dan
memberi semangat kepada penulis.
Dalam menyelesaikan tugas ini penulis telah mencoba semaksimal
mungkin guna menyusun skripsi ini. Penulis mengharapkan kritik dan saran dari
semua pihak yang bersifat membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik.
Akhir kata, Penulis mengharapkan semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi
pembaca.
Medan, April 2013
Penulis,
Nehemia Sembiring
NIM : 080401042
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Tugas akhir ini adalah simulasikan kolektor surya dan ruang boks
pengering. Alat pengering tersebut dioperasikan di Gedung Magister Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara Lantai 4, dengan prinsip kerja alat tersebut
adalah cahaya matahari yang masuk ke dalam ruang kolektor akan memanaskan
plat absorber selanjutnya dengan bantuan perpindahan panas konveksi natural
temperatur udara optimum pada plat absorber akan membuat temperatur pada
ruang kolektor ikut naik dan kemudian masuk kedalam ruang boks pengering.
Data yang diperoleh dari hasil pengukuran di lapangan kemudian dianalisa atau
divalidasi dengan menggunakan perangkat lunak CFD. Asumsi-asumsi yang
digunakan pada simulasi CFD, antara lain : kondisi steady, incompressible, aliran
laminar dan model yang dibuat dalam bentuk 3-D dan 2-D, serta pemberian
kondisi batas pada objek yang akan dianalisa. Tujuan Tugas akhir ini adalah
menganalisa dan mempelajari : distribusi temperatur dan aliran fluida secara
numerik pada permukaan plat absorber, pada ruang boks pengering yang kosong
dan pada ruang boks pengering yang diberikan beban (diisi). Berdasarkan hasil
simulasi, diambil kesimpulan baik distribusi temperatur dan aliran fluida sesuai
dengan pencatatan hasil pada saat pengukuran.
Kata kunci
: kolektor,boks pengering, konveksi alamiah, CFD
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
The final task is simulates solar collectors and dryer box space. The drier is
operated at the House Masters in Mechanical Engineering of Sumatera Utara
University 4th Floor, the device working principle is that sunlight coming into the
collector absorber plate will heat up further with the help of natural convection
heat transfer of air temperature at the optimum absorber plate temperature in the
room will make collectors go up and then go into a newspaper box. Data obtained
from measurements in the field and then analyzed or validated by using CFD
software. The assumptions used in the CFD simulation, among others: steady,
incompressible, laminar flow and the model created in the form of 3-D and 2-D,
as well as the provision of boundary conditions on the object to be analyzed. The
purpose of final task is to analyze and study: temperature distribution and fluid
flow numerically on the surface of the absorber plate, the dryer box empty space
and the space given load dryers box (stuffed). Based on simulation results, it is
concluded both temperature distribution and fluid flow according to the records at
the time of measurement results.
Keywords: collectors, box dryer, natural convection, CFD
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ...................................................................................... i
ABSTRAK ........................................................................................................ iii
ABSTRACT ...................................................................................................... iv
DAFTAR ISI ..................................................................................................... v
DAFTAR TABEL ............................................................................................ vii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ viii
DAFTAR SIMBOL .......................................................................................... xi
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ...................................................................................... 1
1.2 Batasan Masalah ................................................................................... 2
1.3 Tujuan Penelitian .................................................................................. 2
1.4 Manfaat Penelitian ................................................................................ 3
1.5 Sistematika Penelitian........................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA...................................................................... 5
2.1 Sejarah Pengeringan ............................................................................. 5
2.1.1 Proses Pengeringan ...................................................................... 6
2.1.2 Jenis-Jenis Pengeringan ............................................................... 6
2.2 Perpindahan Panas ................................................................................ 11
2.2.1 Konduksi ...................................................................................... 11
2.2.2 Konveksi ...................................................................................... 12
2.2.3 Radiasi ......................................................................................... 14
2.3 Konveksi Alamiah (Natural Convection) ............................................. 15
2.3.1 Persamaan Empirik Konveksi Alamiah Permukaan Luar ........... 15
2.3.2 Konveksi Natural pada Ruang Tertutup ...................................... 22
2.4 Computational Fluid Dynamic (CFD) .................................................. 27
2.4.1 Pengertian Umum CFD ............................................................... 28
2.4.2 Aplikasi Penggunaan CFD .......................................................... 29
2.4.3 Manfaat CFD ............................................................................... 29
2.4.4 Proses Simulasi CFD ................................................................... 30
2.4.5 Metode Diskritisasi CFD ............................................................. 31
2.5 Pengenalan Software CFD.................................................................... 32
Universitas Sumatera Utara
2.5.1 Struktur Program CFD................................................................. 32
2.5.2 Langkah Penyelesaian Masalah dan Perencanaan
Analisis CFD ............................................................................... 33
2.5.3 Persamaan Pembentuk Aliran ...................................................... 36
2.5.4 Diskritisasi (metode interpolasi) pada CFD ................................ 40
BAB III METODE PENELITIAN ................................................................. 42
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian............................................................... 42
3.2 Alat dan Bahan yang Digunakan .......................................................... 42
3.2.1 Peralatan Pengukuran.................................................................. 42
3.3 Bahan Pengujian ................................................................................... 51
3.4 Persiapan Pengukuran........................................................................... 54
3.5 Prosedur Penelitian ............................................................................... 54
BAB IV ANALISA DATA ............................................................................... 52
4.1 Data Hasil Pengukuran ......................................................................... 56
4.1.1 Pengukuran Temperatur Udara Harian, Kecepatan Angin,
dan Radiasi Surya ........................................................................ 56
4.1.2 Pengukuran Temperatur Plat Absorber dan Temperatur pada
Ruang Boks Pengering ................................................................ 57
4.2 Perpindahan Panas pada Kolektor ........................................................ 59
4.2.1 Perhitungan Panas yang Dimanfaatkan (Quse) ............................. 59
4.3 Validasi Hasil Pengujian dengan Menggunakan Solver CFD .............. 61
4.3.1 Pembuatan Model Mesin Pengering ............................................ 61
4.3.2 Diskritisasi (meshing) Model....................................................... 63
4.3.3 Menentukan Kondisi Batas (Boundary Conditions).................... 66
4.3.4 Simulasi Numerik Menggunakan Solver CFD ............................ 68
4.3.5 Hasil Simulasi Pada Tanggal 2 Maret 2013 ................................ 70
4.3.6 Hasil Simulasi Untuk Model II .................................................... 74
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 79
5.1 Kesimpulan ........................................................................................... 79
5.2 Saran ..................................................................................................... 80
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi load cell ........................................................................... 45
Tabel 3.2 Spesifikasi pyranometer ..................................................................... 46
Tabel 3.3 Spesifikasi Wind Velocity sensor ....................................................... 47
Tabel 3.4 Spesifikasi Measurement apparatus .................................................. 48
Tabel 3.5 Spesifikasi T and RH smart sensor .................................................... 49
Tabel 4.1 Pengukuran cuaca tanggal 2 Maret 2012 ........................................... 56
Tabel 4.2 Pengukuran temperatur plat dan temperatur ruang boks
tanggal 2 Maret 2012 ......................................................................... 58
Tabel 4.3 Pemilihan kondisi batas ..................................................................... 66
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1a Jenis pengering rotary dryer ........................................................ 7
Gambar 2.1b Jenis pengering flash dryer .......................................................... 8
Gambar 2.1c Jenis pengering spray dryer.......................................................... 9
Gambar 2.1d Jenis pengering fluidized dryer .................................................... 9
Gambar 2.1e Jenis pengering vacuum dryer ...................................................... 10
Gambar 2.1f Jenis pengering freeze dryer ......................................................... 10
Gambar 2.1g Jenis pengering batch dryer ......................................................... 11
Gambar 2.2 Perpindahan panas konduksi melalui sebuah plat .......................... 12
Gambar 2.3 Perpindahan panas konveksi dari permukaan plat ......................... 13
Gambar 2.4 Konveksi natural pada bidang miring ............................................ 17
Gambar 2.5 Konveksi natural pada bidang horizontal (type a) ......................... 19
Gambar 2.6 Konveksi natural pada bidang horizontal (type b) ......................... 20
Gambar 2.7 Konveksi natural pada silinder vertical .......................................... 21
Gambar 2.8 Konveksi natural pada silinder horizontal...................................... 22
Gambar 2.9 Konveksi natural pada ruang persegi yang dipanasi
dari samping ................................................................................... 23
Gambar 2.10 Ruang tertutup yang tinggi dan yang rendah ............................... 26
Gambar 2.11 Ruang tertutup yang dipanasi dari bawah .................................... 23
Gambar 2.12 Alur Penyelesaian Masalah CFD ................................................. 35
Gambar 2.13 Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah
Elemen Fluida 3 Dimensi ............................................................. 37
Gambar 2.14 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah
Elemen Fluida 3 Dimensi ............................................................38
Gambar 2.15 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x .......38
Gambar 2.16 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen .............39
Gambar 2.17 Volume control satu dimensi .......................................................41
Gambar 3.1 Laptop............................................................................................. 42
Gambar 3.2 Agilient 34972 A ............................................................................. 43
Gambar 3.3 Spesifikasi Agilient 34972 A .......................................................... 44
Gambar 3.4 Load Cell ........................................................................................ 45
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.5 Hobo Microstation data logger ...................................................... 46
Gambar 3.6 Alat Ukur Hobo Microstation data logger .................................... 49
Gambar 3.7 Mesin Pengering............................................................................. 51
Gambar 3.8 Ubi kayu ......................................................................................... 51
Gambar 3.9 Triplek ............................................................................................ 52
Gambar 3.10 Rockwool ...................................................................................... 52
Gambar 3.11 Kaca.............................................................................................. 53
Gambar 3.12 Sterofoam ..................................................................................... 53
Gambar 3.13 Plat Seng....................................................................................... 54
Gambar 3.14 Diagram Alir Penelitian ............................................................... 55
Gambar 4.1 Grafik temperatur udara lingkungan dan radiasi matahari pada
tanggal 2 Maret 2013 .................................................................... 57
Gambar 4.2 Grafik temperatur plat dan boks pengering pada tanggal
02 Maret 2013 ............................................................................... 58
Gambar 4.3a Model 3 Dimensi mesin pengering .............................................. 62
Gambar 4.3b Model 2 Dimensi mesin pengering .............................................. 63
Gambar 4.4a Proses mesh edge mesin pengering .............................................. 63
Gambar 4.4b Proses mesh vol mesin pengering ................................................. 64
Gambar 4.4c Proses mesh face mesin pengering ............................................... 64
Gambar 4.4d Model yang telah di mesh (Mesh Edges) ..................................... 65
Gambar 4.4e Model yang telah di mesh (Mesh Volumes) .................................. 65
Gambar 4.4f Model yang telah di mesh (Mesh Face) ....................................... 66
Gambar 4.5 Pemberian kondisi batas ............................................................... 68
Gambar 4.6a Distribusi kontur temperatur pada plat ......................................... 70
Gambar 4.6b Distribusi kontur temperatur pada kolektor (keseluruhan) ......... 71
Gambar 4.6c Distribusi kontur temperatur pada boks ....................................... 71
Gambar 4.6d Distribusi kontur temperatur pada kolektor dan boks .................. 72
Gambar 4.6e Distribusi kontur temperatur pada mesin pengering (potongan) .. 72
Gambar 4.6f Distribusi vector kecepatan udara pada mesin pengering ............. 73
Gambar 4.6g Distribusi kontur tekanan fluida pada mesin pengering .............. 73
Gambar 4.7a Distribusi kontur Aliran Udara melewati ubi
pada boks Pengering .................................................................... 75
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.7b Distribusi kontur Aliran Udara melewati ubi
pada boks Pengering .................................................................... 75
Gambar 4.7c Distribusi vector kecepatan udara pada mesin pengering ............ 76
Gambar 4.8a Grafik perbandingan hasil Pengukuran dan simulasi
pada ruang kolektor ...................................................................... 77
Gambar 4.8b Grafik Perbandingan hasil pengukuran dan simulasi
Pada boks pengering .................................................................... 78
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
Huruf Latin
Simbol
Keterangan
Satuan
q
Laju perpindahan panas
W
k
Konduktivitas termal
W/m.K
A
Luas penampang
m2
K
Keliling
m
T
Temperatur
0
Nu
Bilangan nusselt
-
L
Panjang plat
m
RaL
Bilangan Rayleigh
-
GrL
Bilangan Grashof
-
q‟‟
Fluks panas
W/m2
g
Gravitasi bumi
m/s2
Tp
Temperatur plat
0
C
Tr
Temperatur fluida
0
C
Pr
Bilangan Prandatl
-
cp
Panas jenis
J/kg.K
Quse
Energi yang dimanfaatkan
Watt
C
Universitas Sumatera Utara
Huruf Yunani
Simbol
Keterangan
Satuan
Emisitivitas permukaan plat
-
Tetapan Boltzman
W/m2.K4
ρ
Massa jenis (density)
kg/m3
β
Koefisien ekspansi
-
μ
Viskositas
Ns/m2
Universitas Sumatera Utara
DENGAN SUDUT 600 DAN BOKS PENGERING PADA
MESIN PENGERING HASIL PERTANIAN
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
NEHEMIA SEMBIRING
NIM. 080401042
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
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.
Adapun judul dari skripsi ini yaitu ” SIMULASI KOLEKTOR SURYA
TIPE PLAT DATAR DENGAN SUDUT 600 DAN BOKS PENGERING
PADA MESIN PENGERING HASIL PERTANIAN”.
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.
Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak kesulitan dan kendala
akan tetapi penulis juga mendapat dukungan dari berbagi pihak berupa semangat
doa nasehat maupun spirit yang terus menopang penulis dalam menyelesaikan
laporan ini. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih
yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT. selaku dosen pembimbing,
yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi
kepada penulis.
2. Orang Tua penulis dan seluruh keluarga tercinta baik abang, kakak dan
adik yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil kepada
penulis tanpa pamrih.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara .
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara .
5. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT. dan Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah
Isranuri selaku dosen pembanding I dan II yang telah memberikan
masukan dan saran dalam menyelesaikan skripsi ini.
Universitas Sumatera Utara
6. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
7. Rekan-rekan 1 tim skripsi, Indra Gunawan Purba dan Fadli Rian Arikundo
yang telah meluangkan waktunya bersama untuk berdiskusi bertukar
pikiran juga memberikan kritik dan saran terhadap penulis.
8. Ibu S. Farah Dina dan Abang Haznam yang juga telah membantu penulis
selama proses penyusunan skripsi ini mulai dari awal sampai akhir.
9. Ucapan terima-kasih juga kepada seluruh mahasiswa Teknik Mesin
angkatan 2008, yaitu Agorlif Efrata Sianturi, S.T, Rio Arinedo Gurky S.T,
Heri Firmansyah Lumbantoruan, S.T, Ferdinand A Lubis, S.T, Yosua
Surbakti S.T, Michael Hasibuan S.T, Peter Manurung S.T, Stefanus
Tobing, Herto Marbun dan rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin 2008
yang tidak bisa disebutkan satu-persatu, para abang senior 2006 dan 2007
dan adik-adik junior 2010 dan 2012 semua yang telah mendukung dan
memberi semangat kepada penulis.
Dalam menyelesaikan tugas ini penulis telah mencoba semaksimal
mungkin guna menyusun skripsi ini. Penulis mengharapkan kritik dan saran dari
semua pihak yang bersifat membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik.
Akhir kata, Penulis mengharapkan semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi
pembaca.
Medan, April 2013
Penulis,
Nehemia Sembiring
NIM : 080401042
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Tugas akhir ini adalah simulasikan kolektor surya dan ruang boks
pengering. Alat pengering tersebut dioperasikan di Gedung Magister Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara Lantai 4, dengan prinsip kerja alat tersebut
adalah cahaya matahari yang masuk ke dalam ruang kolektor akan memanaskan
plat absorber selanjutnya dengan bantuan perpindahan panas konveksi natural
temperatur udara optimum pada plat absorber akan membuat temperatur pada
ruang kolektor ikut naik dan kemudian masuk kedalam ruang boks pengering.
Data yang diperoleh dari hasil pengukuran di lapangan kemudian dianalisa atau
divalidasi dengan menggunakan perangkat lunak CFD. Asumsi-asumsi yang
digunakan pada simulasi CFD, antara lain : kondisi steady, incompressible, aliran
laminar dan model yang dibuat dalam bentuk 3-D dan 2-D, serta pemberian
kondisi batas pada objek yang akan dianalisa. Tujuan Tugas akhir ini adalah
menganalisa dan mempelajari : distribusi temperatur dan aliran fluida secara
numerik pada permukaan plat absorber, pada ruang boks pengering yang kosong
dan pada ruang boks pengering yang diberikan beban (diisi). Berdasarkan hasil
simulasi, diambil kesimpulan baik distribusi temperatur dan aliran fluida sesuai
dengan pencatatan hasil pada saat pengukuran.
Kata kunci
: kolektor,boks pengering, konveksi alamiah, CFD
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
The final task is simulates solar collectors and dryer box space. The drier is
operated at the House Masters in Mechanical Engineering of Sumatera Utara
University 4th Floor, the device working principle is that sunlight coming into the
collector absorber plate will heat up further with the help of natural convection
heat transfer of air temperature at the optimum absorber plate temperature in the
room will make collectors go up and then go into a newspaper box. Data obtained
from measurements in the field and then analyzed or validated by using CFD
software. The assumptions used in the CFD simulation, among others: steady,
incompressible, laminar flow and the model created in the form of 3-D and 2-D,
as well as the provision of boundary conditions on the object to be analyzed. The
purpose of final task is to analyze and study: temperature distribution and fluid
flow numerically on the surface of the absorber plate, the dryer box empty space
and the space given load dryers box (stuffed). Based on simulation results, it is
concluded both temperature distribution and fluid flow according to the records at
the time of measurement results.
Keywords: collectors, box dryer, natural convection, CFD
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ...................................................................................... i
ABSTRAK ........................................................................................................ iii
ABSTRACT ...................................................................................................... iv
DAFTAR ISI ..................................................................................................... v
DAFTAR TABEL ............................................................................................ vii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ viii
DAFTAR SIMBOL .......................................................................................... xi
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ...................................................................................... 1
1.2 Batasan Masalah ................................................................................... 2
1.3 Tujuan Penelitian .................................................................................. 2
1.4 Manfaat Penelitian ................................................................................ 3
1.5 Sistematika Penelitian........................................................................... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA...................................................................... 5
2.1 Sejarah Pengeringan ............................................................................. 5
2.1.1 Proses Pengeringan ...................................................................... 6
2.1.2 Jenis-Jenis Pengeringan ............................................................... 6
2.2 Perpindahan Panas ................................................................................ 11
2.2.1 Konduksi ...................................................................................... 11
2.2.2 Konveksi ...................................................................................... 12
2.2.3 Radiasi ......................................................................................... 14
2.3 Konveksi Alamiah (Natural Convection) ............................................. 15
2.3.1 Persamaan Empirik Konveksi Alamiah Permukaan Luar ........... 15
2.3.2 Konveksi Natural pada Ruang Tertutup ...................................... 22
2.4 Computational Fluid Dynamic (CFD) .................................................. 27
2.4.1 Pengertian Umum CFD ............................................................... 28
2.4.2 Aplikasi Penggunaan CFD .......................................................... 29
2.4.3 Manfaat CFD ............................................................................... 29
2.4.4 Proses Simulasi CFD ................................................................... 30
2.4.5 Metode Diskritisasi CFD ............................................................. 31
2.5 Pengenalan Software CFD.................................................................... 32
Universitas Sumatera Utara
2.5.1 Struktur Program CFD................................................................. 32
2.5.2 Langkah Penyelesaian Masalah dan Perencanaan
Analisis CFD ............................................................................... 33
2.5.3 Persamaan Pembentuk Aliran ...................................................... 36
2.5.4 Diskritisasi (metode interpolasi) pada CFD ................................ 40
BAB III METODE PENELITIAN ................................................................. 42
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian............................................................... 42
3.2 Alat dan Bahan yang Digunakan .......................................................... 42
3.2.1 Peralatan Pengukuran.................................................................. 42
3.3 Bahan Pengujian ................................................................................... 51
3.4 Persiapan Pengukuran........................................................................... 54
3.5 Prosedur Penelitian ............................................................................... 54
BAB IV ANALISA DATA ............................................................................... 52
4.1 Data Hasil Pengukuran ......................................................................... 56
4.1.1 Pengukuran Temperatur Udara Harian, Kecepatan Angin,
dan Radiasi Surya ........................................................................ 56
4.1.2 Pengukuran Temperatur Plat Absorber dan Temperatur pada
Ruang Boks Pengering ................................................................ 57
4.2 Perpindahan Panas pada Kolektor ........................................................ 59
4.2.1 Perhitungan Panas yang Dimanfaatkan (Quse) ............................. 59
4.3 Validasi Hasil Pengujian dengan Menggunakan Solver CFD .............. 61
4.3.1 Pembuatan Model Mesin Pengering ............................................ 61
4.3.2 Diskritisasi (meshing) Model....................................................... 63
4.3.3 Menentukan Kondisi Batas (Boundary Conditions).................... 66
4.3.4 Simulasi Numerik Menggunakan Solver CFD ............................ 68
4.3.5 Hasil Simulasi Pada Tanggal 2 Maret 2013 ................................ 70
4.3.6 Hasil Simulasi Untuk Model II .................................................... 74
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 79
5.1 Kesimpulan ........................................................................................... 79
5.2 Saran ..................................................................................................... 80
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Spesifikasi load cell ........................................................................... 45
Tabel 3.2 Spesifikasi pyranometer ..................................................................... 46
Tabel 3.3 Spesifikasi Wind Velocity sensor ....................................................... 47
Tabel 3.4 Spesifikasi Measurement apparatus .................................................. 48
Tabel 3.5 Spesifikasi T and RH smart sensor .................................................... 49
Tabel 4.1 Pengukuran cuaca tanggal 2 Maret 2012 ........................................... 56
Tabel 4.2 Pengukuran temperatur plat dan temperatur ruang boks
tanggal 2 Maret 2012 ......................................................................... 58
Tabel 4.3 Pemilihan kondisi batas ..................................................................... 66
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1a Jenis pengering rotary dryer ........................................................ 7
Gambar 2.1b Jenis pengering flash dryer .......................................................... 8
Gambar 2.1c Jenis pengering spray dryer.......................................................... 9
Gambar 2.1d Jenis pengering fluidized dryer .................................................... 9
Gambar 2.1e Jenis pengering vacuum dryer ...................................................... 10
Gambar 2.1f Jenis pengering freeze dryer ......................................................... 10
Gambar 2.1g Jenis pengering batch dryer ......................................................... 11
Gambar 2.2 Perpindahan panas konduksi melalui sebuah plat .......................... 12
Gambar 2.3 Perpindahan panas konveksi dari permukaan plat ......................... 13
Gambar 2.4 Konveksi natural pada bidang miring ............................................ 17
Gambar 2.5 Konveksi natural pada bidang horizontal (type a) ......................... 19
Gambar 2.6 Konveksi natural pada bidang horizontal (type b) ......................... 20
Gambar 2.7 Konveksi natural pada silinder vertical .......................................... 21
Gambar 2.8 Konveksi natural pada silinder horizontal...................................... 22
Gambar 2.9 Konveksi natural pada ruang persegi yang dipanasi
dari samping ................................................................................... 23
Gambar 2.10 Ruang tertutup yang tinggi dan yang rendah ............................... 26
Gambar 2.11 Ruang tertutup yang dipanasi dari bawah .................................... 23
Gambar 2.12 Alur Penyelesaian Masalah CFD ................................................. 35
Gambar 2.13 Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah
Elemen Fluida 3 Dimensi ............................................................. 37
Gambar 2.14 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah
Elemen Fluida 3 Dimensi ............................................................38
Gambar 2.15 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x .......38
Gambar 2.16 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen .............39
Gambar 2.17 Volume control satu dimensi .......................................................41
Gambar 3.1 Laptop............................................................................................. 42
Gambar 3.2 Agilient 34972 A ............................................................................. 43
Gambar 3.3 Spesifikasi Agilient 34972 A .......................................................... 44
Gambar 3.4 Load Cell ........................................................................................ 45
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.5 Hobo Microstation data logger ...................................................... 46
Gambar 3.6 Alat Ukur Hobo Microstation data logger .................................... 49
Gambar 3.7 Mesin Pengering............................................................................. 51
Gambar 3.8 Ubi kayu ......................................................................................... 51
Gambar 3.9 Triplek ............................................................................................ 52
Gambar 3.10 Rockwool ...................................................................................... 52
Gambar 3.11 Kaca.............................................................................................. 53
Gambar 3.12 Sterofoam ..................................................................................... 53
Gambar 3.13 Plat Seng....................................................................................... 54
Gambar 3.14 Diagram Alir Penelitian ............................................................... 55
Gambar 4.1 Grafik temperatur udara lingkungan dan radiasi matahari pada
tanggal 2 Maret 2013 .................................................................... 57
Gambar 4.2 Grafik temperatur plat dan boks pengering pada tanggal
02 Maret 2013 ............................................................................... 58
Gambar 4.3a Model 3 Dimensi mesin pengering .............................................. 62
Gambar 4.3b Model 2 Dimensi mesin pengering .............................................. 63
Gambar 4.4a Proses mesh edge mesin pengering .............................................. 63
Gambar 4.4b Proses mesh vol mesin pengering ................................................. 64
Gambar 4.4c Proses mesh face mesin pengering ............................................... 64
Gambar 4.4d Model yang telah di mesh (Mesh Edges) ..................................... 65
Gambar 4.4e Model yang telah di mesh (Mesh Volumes) .................................. 65
Gambar 4.4f Model yang telah di mesh (Mesh Face) ....................................... 66
Gambar 4.5 Pemberian kondisi batas ............................................................... 68
Gambar 4.6a Distribusi kontur temperatur pada plat ......................................... 70
Gambar 4.6b Distribusi kontur temperatur pada kolektor (keseluruhan) ......... 71
Gambar 4.6c Distribusi kontur temperatur pada boks ....................................... 71
Gambar 4.6d Distribusi kontur temperatur pada kolektor dan boks .................. 72
Gambar 4.6e Distribusi kontur temperatur pada mesin pengering (potongan) .. 72
Gambar 4.6f Distribusi vector kecepatan udara pada mesin pengering ............. 73
Gambar 4.6g Distribusi kontur tekanan fluida pada mesin pengering .............. 73
Gambar 4.7a Distribusi kontur Aliran Udara melewati ubi
pada boks Pengering .................................................................... 75
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.7b Distribusi kontur Aliran Udara melewati ubi
pada boks Pengering .................................................................... 75
Gambar 4.7c Distribusi vector kecepatan udara pada mesin pengering ............ 76
Gambar 4.8a Grafik perbandingan hasil Pengukuran dan simulasi
pada ruang kolektor ...................................................................... 77
Gambar 4.8b Grafik Perbandingan hasil pengukuran dan simulasi
Pada boks pengering .................................................................... 78
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
Huruf Latin
Simbol
Keterangan
Satuan
q
Laju perpindahan panas
W
k
Konduktivitas termal
W/m.K
A
Luas penampang
m2
K
Keliling
m
T
Temperatur
0
Nu
Bilangan nusselt
-
L
Panjang plat
m
RaL
Bilangan Rayleigh
-
GrL
Bilangan Grashof
-
q‟‟
Fluks panas
W/m2
g
Gravitasi bumi
m/s2
Tp
Temperatur plat
0
C
Tr
Temperatur fluida
0
C
Pr
Bilangan Prandatl
-
cp
Panas jenis
J/kg.K
Quse
Energi yang dimanfaatkan
Watt
C
Universitas Sumatera Utara
Huruf Yunani
Simbol
Keterangan
Satuan
Emisitivitas permukaan plat
-
Tetapan Boltzman
W/m2.K4
ρ
Massa jenis (density)
kg/m3
β
Koefisien ekspansi
-
μ
Viskositas
Ns/m2
Universitas Sumatera Utara