HASIL DAN PEMBAHASAN
3. Aliran kecepatan udara simulasi 3
Distribusi kecepatan udara dalam pengering pada simulasi ditunjukkan pada kontur kecepatan (Gambar 18) dan vektor kecepatan (Gambar 19). Nilai hasil simulasi selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran 3.
Gambar 18 Kontur kecepatan udara pada simulasi 3
Gambar 19 Vektor distribusi kecepatan aliran udara pada simulasi 3 Udara dengan suhu 40oC dihembuskan melalui lubang inlet menuju plenum kemudian melewati lantai berlubang disebarkan ke seluruh bagian bak tumpukan. Kecepatan aliran udara tertinggi terdapat di bagian lubang inlet, yaitu pada kisaran 13.2 m/s yang ditunjukkan oleh warna merah. Aliran udara ini mengalami turbulensi di dalam plenum sebelum melewati lantai pengering yang berlubang. Kecepatan udara di dalam plenum mengalami penurunan yaitu pada kisaran 6.78 m/s yang diambil pada titik tengah plenum. Saat melewati lantai berpori kecepatan udara mengalami penurunan berkisar pada 0.706 m/s
22
pada lapisan bawah, 0.673 m/s pada lapisan tengah dan 0.183 m/s pada lapisan di atas tumpukan.
Gambar 20 Vektor distribusi kecepatan udara sisi bawah plenum pada simulasi 3 Berdasarkan Gambar 20, vektor kecepatan aliran udara pada plenum terjadi turbulensi yang tinggi saat aliran masuk dari inlet. Namun aliran tidak sampai membentur sisi ujung plenum. Arah aliran kemudian menyebar ke arah sisi dinding kanan dan kiri plenum mengikuti bentuk plenum dimana kecepatan aliran pada dinding plenum yang paling tinggi. Kecepatan aliran udara setelah melewati lantai berlubang mengalami penurunan. Kecepatan aliran pada posisi dekat dengan inlet lebih tinggi dibanding di ujung. Arah vektor saat melewati lantai berlubang bergerak miring ke samping cenderung tidak beraturan. Arah vektor aliran kecepatan udara pada tumpukan gabah tampak lurus ke atas. Arah vektor aliran kecepatan udara di atas tumpukan gabah sedikit tidak beraturan. Hal tersebut terlihat dari adanya aliran yang mengarah ke atas, ke samping dan sedikit ke arah bawah. Pada posisi outlet belakang terlihat arah vektor aliran udara yang lebih tinggi dibanding sisi lainnya. Pada posisi outlet tengah terjadi cekungan karena arah vektor pada lokasi ini terdistribusi ke arah belakang dan sedikit ke arah bawah. Pada posisi tengah seperti ada tekanan aliran dari atas yang bertemu dengan aliran dari bawah sehingga aliran terdesak ke sisi belakang. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 21.
23
Pemilihan Desain
Tingkat keragaman kecepatan aliran udara dan penurunan tekanan pada ketiga simulasi didapatkan dari nilai rata-rata hasil simulasi. Nilai keragaman dan masing-masing standar deviasi tersebut digunakan untuk mengevaluasi pengaruh bentuk geometri terhadap keseragaman kecepatan aliran udara dan penurunan tekanan yang terjadi pada kondisi operasi yang sama. Berdasarkan nilai rata-rata dan standar deviasi hasil simulasi maka dipilih desain yang akan dipabrikasi.
Kontur kecepatan aliran udara pada tiga lapisan ketebalan secara vertikal dan horisontal dari hasil simulasi untuk simulasi 1, 2 dan 3 dapat dilihat pada Gambar 22, 23 dan 24. Pada Simulasi 1 kecepatan aliran udara terkecil terdapat pada ketebalan 20 cm dengan nilai 0.678 m/s, sementara kecepatan terbesar terdapat pada ketebalan 65 cm dengan nilai 0.688 m/s, sedangkan rata-rata kecepatan aliran udara adalah sebesar 0.565 m/s. Standar deviasi rata-rata kecepatan aliran udara pada simulasi 1 sebesar 0.0139 m/s.
Gambar 22 Profil kecepatan aliran udara simulasi 1
Untuk simulasi 2, kecepatan aliran udara terkecil berada pada ketebalan 20 cm sebesar 0.661 m/s, sedangkan kecepatan terbesar berada pada ketebalan 65 cm sebesar 0.686 m/s. Kecepatan aliran udara rata-rata pada simulasi 2 adalah sebesar 0.560 m/s. Standar deviasi rata-rata kecepatan aliran udara pada simulasi 2 sebesar 0.0131 m/s.
24
Gambar 23 Profil kecepatan aliran udara simulasi 2
Untuk simulasi 3, kecepatan aliran udara terkecil berada pada ketebalan 20 cm sebesar 0.669 m/s, sedangkan kecepatan terbesar berada pada ketebalan 45 cm sebesar 0.674 m/s. Kecepatan aliran udara rata-rata pada simulasi 3 adalah sebesar 0.556 m/s. Standar deviasi rata-rata kecepatan aliran udara pada simulasi 3 sebesar 0.016 m/s.
Gambar 24 Profil kecepatan aliran udara pada 3 ketinggian simulasi 3 Perbandingan standar deviasi kecepatan aliran udara dalam lapisan tumpukan pada tiga simulasi disajikan secara grafis pada Gambar 25, sementara penyajian datanya dapat dilihat pada Lampiran 4.
25
Gambar 25 Perbandingan standar deviasi kecepatan udara dalam lapisan tumpukan pada simulasi CFD
Gambar 26 Standar deviasi rata-rata pada ketiga simulasi CFD
Pada Gambar 26 disajikan perbandingan nilai standar deviasi kecepatan udara pada ketiga simulasi. Berdasarkan Gambar 26, simulasi 1 memiliki nilai standar deviasi rata-rata sebesar 0.0139, simulasi 2 sebesar 0.031 dan simulasi 3 sebesar 0.0155. Simulasi 2 memiliki standar deviasi rata-rata yang paling kecil. Hal tersebut menunjukkan bahwa simulasi 2 memiliki tingkat keseragaman kecepatan udara yang lebih baik dibandingkan simulasi 1 dan 3.
Validasi Pressure Drop
Validasi pressure drop dilakukan dua tahap yaitu pada awal penentuan nilai porositas model tumpukan gabah dan pada pengukuran saat uji kinerja pengering gabah. Validasi yang dilakukan diawal yakni bertolok ukur pada nilai korelasi
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 20 45 65 70 St da nda r de via si k ec epa ta n u da ra (m/ s) Ketinggian (cm)
Simulasi 1 Simulasi 2 Simulasi 3
0.0110 0.0120 0.0130 0.0140 0.0150 0.0160
simulasi 1 simulasi 2 simulasi 3
S tanda r de viasi ra ta -ra ta Simulasi CFD
26
kurva pressure drop antara simulasi dengan persamaan airflow resistance (ASAE D272.3 Mar 1996). Persamaan airflow resistance yang digunakan ialah :
=
o e ( ) ... (8)
nilai a dan b merupakan konstanta dalam airflow resistance. Nilai a ialah 2.57x104 Pa.s2/m3 dan nilai b ialah 13.2 m2.s/m3 (Shedd 1953).
Validasi data pressure drop CFD dan data pressure drop berdasarkan persamaan airflow resistance dilihat pada Gambar 27. Berdasarkan trial and error
yang dilakukan dalam simulasi ditetapkan nilai porositas pada model simulasi tumpukan gabah yaitu 30%. Adapun nilai porositas dari padi dan beras berdasarkan data penelitian ASAE Wratten et al (1969) dalam Champ (1996) ialah antara 46 sampai 60% tergantung pada varietas dan kadar air. Nilai porositas yang diperoleh pada pendekatan CFD cukup berbeda dengan data literatur. Hal ini dapat disebabkan oleh varietas padi dan kadar air yang berbeda serta pendefinisian bentuk porous pada cell zone gabah yang tidak sama persis pada bentuk porous
tumpukan gabah yang sebenarnya.
Beberapa peneliti menemukan bahwa laju aliran udara, permukaan dan karakteristik bentuk dari bijian, ukuran dan konfigurasi kekosongan tumpukan, kadar air, variasi ukuran partikel, ketebalan bahan, tingkat pengemasan, dan jumlah dari material asing mempengaruhi pressure drop dari laju aliran udara yang melewati biji-bijian (Champ 1995). Pada ketebalan bahan dan kadar air yang sama, terlihat bahwa laju aliran udara mempengaruhi pressure drop yang terjadi pada tumpukan gabah. Laju aliran yang tinggi menunjukkan pressure drop yang terjadi juga tinggi. Sedangkan semakin rendah laju aliran udara menunjukkan
pressure drop yang terjadi juga semakin rendah. Hal tersebut dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Data pressure drop CFD, pengukuran dan kurva Shedd
airflow (m3/s m2) pressure drop CFD (Pa/m) pressure drop ukur (Pa/m)
pressure drop kurva Shedd (Pa/m) 0.21 899.2 882.9 830.3 0.2 782.1 804.4 795.7 0.1 292.4 333.5 305.4 0.05 131.8 157.0 126.8 0.03 72.4 58.9 69.3
27
Gambar 27 Validasi pressure drop CFD dengan kurva Shedd (1953) Berdasarkan grafik yang ditunjukkan oleh Gambar 27, nilai korelasi yang dimiliki oleh validasi tersebut ialah sebesar 0.9936 dan persamaannya mendekati 1. Sehingga asumsi pada simulasi CFD telah cukup baik digunakan sebagai prediksi kondisi yang sebenarnya. Nilai pressure drop hasil simulasi CFD selanjutnya divalidasi dengan pressure drop yang diperoleh dari hasil pengukuran. Validasi pressure drop hasil simulasi CFD dengan hasil pengukuran dilihat pada Gambar 28.
Gambar 28 Validasi pressure drop CFD dengan pressure drop pengukuran Berdasarkan grafik yang ditunjukkan oleh Gambar 28, nilai korelasi yang dimiliki oleh validasi tersebut ialah sebesar 0.9957 dan persamaannya mendekati 1. Sehingga hasil simulasi CFD memiliki nilai yang mendekati hasil pengukuran. Profil kontur distribusi tekanan pada simulasi secara vertikal disajikan pada Gambar 29. Pada Gambar 29 terlihat bahwa tekanan udara yang paling tinggi berada pada plenum. Tekanan terlihat semakin menurun setelah melewati plat berlubang dan terus menurun sepanjang tumpukan.
y = 0.9544x + 9.776 R² = 0.9936 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 pr essur e dr op S he dd, P a/m
pressure drop CFD, Pa/m
y = 0.9855x + 18.08 R² = 0.9957 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 Pr essur e dr op plenum ukur (P a/m )
28
Gambar 29 Kontur tekanan pada simulasi 2
Validasi Kecepatan Aliran Udara
Hasil validasi kecepatan aliran udara CFD berupa kontur distribusi kecepatan aliran udara, menunjukkan besar dan arah aliran udara sebagai media pengering yang digunakan dalam pengering gabah. Validasi model dilakukan dengan membandingkan data pengukuran dan data simulasi CFD pada 13 titik pengukuran. Nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran kecepatan udara pada bidang-xz dengan ketinggian-y dapat dilihat pada Lampiran 5.
Gambar 30 Validasi kecepatan aliran udara hasil simulasi CFD dengan hasil pengukuran
29 Berdasarkan Gambar 30 terlihat bahwa kecepatan aliran udara hasil simulasi hampir mengikuti data pengukuran, walaupun secara garis besar memiliki nilai yang berbeda cukup signifikan. Perbedaan ini salah satunya disebabkan oleh penentuan asumsi media berpori tumpukan pada simulasi CFD. Pendefinisian bentuk pori oleh CFD berbeda dengan kondisi yang sebenarnya sehingga menyebabkan perbedaan hasil yang diperoleh.
Gambar 30 menunjukkan penyajian grafis hasil validasi kecepatan udara dengan membandingkan kecepatan udara hasil pengukuran dan hasil simulasi pada tiga ketebalan dalam tumpukan. Berdasarkan Gambar 33 terlihat bahwa kecepatan udara pada ketinggian 70 cm atau tepat di atas tumpukan gabah sangat rendah dibanding kedua lapisan lainnya. Pada lapisan 20 dan 45 cm atau di dalam tumpukan gabah, laju aliran udara yang tinggi dikarenakan adanya pori dalam tumpukan gabah. Pori tumpukan gabah tersebut berupa cell zone gabah yang menggunakan porous formulation physical velocity sehingga terjadi peningkatan kecepatan aliran udara pada seluruh wilayah berpori. Pada lapisan 70 cm atau di luar cell zone gabah, kecepatan lebih rendah karena secara default terpilih opsi
superficial velocity. Pada superficial velocity, kecepatan aliran udara tidak mengalami peningkatan seperti kecepatan udara yang terjadi di dalam pori. Perbedaan antara data kecepatan udara hasil pengukuran dan kecepatan udara hasil simulasi CFD diberikan dalam nilai standar deviasi rata-rata sebesar 0.051 m/s. Penyimpangan dari hasil validasi dinyatakan dalam rata-rata error sebesar 14.9%.
Hasil Uji Kinerja Pengeringan Gabah