Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan April hingga bulan Juni 2018 di Laboratorium Teknik Biosistem Program Studi Keteknikan Pertanian Fakultas Pertanian dan Pusat Riset Sustainable Energy Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan.
Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan adalah padi varietas ciherang sebanyak 35 kg dengan umur tanaman 120 hari dan sekam padi sebanyak 5,6 kg sebagai bahan bakar biomassa. Alat yang digunakan dalam penelitian adalah sensor suhu tipe DS18B20, sensor suhu dan RH tipe DHT22, termokopeltipe K, data logger, heater, microcontroller suhu,kipas sentrifugal/blower, aplikasi solidwork, software ANSYS, stopwatch.
Metode Penelitian 1. Metode ekperimen
Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimentatif yaitu dengan melakukan pengamatan dengan 17 titik penyebaran suhu dan 4 titik penyebaran sensor RH yang tersebar pada silinder pengering. 1 buah sensor suhu dan RH ditempelkan pada HE, 1 buah sensor suhu dan RH pada bagian hopper, 13 sensor suhu lain pada dinding silinder dan 2 lainnya diletakkan di bagian outlet suhu dan outlet bahan hasil pengeringan. Geometri titik-titik pengukuran dapat dilihat pada Gambar 2.
Posisi sensor suhu di dalam silinder pengering dijelaskan pada Tabel 3.
Tabel 4. Posisi sensor suhu didalam ruang pengering.
Kode Sensor
Jumlah Posisi Fungsi
01 1 Pangkal silinder bagian atas Sensor suhu
02 1 Tengah silinder bagian atas Sensor suhu
03 1 Pangkal silinder bagian bawah Sensor suhu 04 1 Tengah silinder bagian bawah Sensor suhu 05 1 Pangkal silinder bagian bawah Sensor suhu 06 1 Tengah silinder bagian bawah Sensor suhu
07 1 Ujung silinder bagian bawah Sensor suhu
08 1 Tengah silinder bagian atas Sensor suhu
09 1 Tengah silinder bagian atas Sensor suhu
10 1 Ujung silinder bagian atas Sensor suhu
11 1 Ujung silinder bagian bawah Sensor suhu
12 1 Tengah silinder bagian atas Sensor suhu
13 1 Pangkal silinder bagian atas Sensor suhu
14 1 Pipa masuk HE Sensor suhu dan RH
15 1 Umpan masuk gabah (hopper) Sensor suhu dan RH 16 1 Umpan keluar udara panas Sensor suhu dan RH
17 1 Tempat gabah keluar Sensor suhu dan RH
2. Metode Simulasi CFD
Pembuatan simulasi meliputi serangkaian tahap yang diawali dengan pengumpulan data teknik dan diakhiri dengan penyajian hasil simulasi berupa plot kontur serta tampilan aliran udara didalam pengering rotary dryer. Pengumpulan data teknik dilakukan sebagai langkah awal sebelum melakukan simulasi.
Pencarian sejumlah data dari berbagai sumber dilakukan sebagai kebutuhan database dalam solidwork. Data yang dicari meliputi nilai parameter dari fluida udara kering, material penyusun ruang pengering. Nilai parameter yang dibutuhkan adalah specific heat ratio (cp/cv), berat molekul (kg/mol), viskositas dinamik (Pas), panas jenis (J/kg K), konduktivitas termal (W/m K) dan densitas (kg/m3).
a. Pembentukan geometri
Dengan menggunakan software Gambit 2.2.30 akan dibuat geometri dari alat pengering. Pembentukan geometri dengan Gambit secara garis besar dapat dilakukan dengan dua teknik yaitu :
1. Bottom-up
Pembentukan goemetri yang dilakukan dengan pembuatan entity yang paling dasar yaitu dari membuat titik, kemudian dari kumpulan titik menjadi garis, kumpulan garis menjadi bidang dan kemudian dirubah menjadi volume.
2. Top-down
Metode top-down adalah pembuatan geometri yang dimulai dari pembuatan entity yang paling tinggi yaitu dari pembuatan volume atau bidang sesuai dengan bentuk dasar yang telah disediakan oleh Gambit (face/volume primitives).
b. Meshing geometri alat pengering
Setelah membuat geometri pada gambit, langkah selanjutnya adalah melakukan pembagian obyek menjadi bagian yang lebih kecil atau meshing (Lampiran. 8). Konsep pembuatan mesh pada gambit hampir sama dengan konsep pembuatan geometri. Pada proses meshing, juga terdapat metode bottom-up dan top-down. Untuk mendefinisikan sebuah geometri, kita harus memasukkan informasi dalam kondisi batas (boundarycondition). Penentuan kondisi batas meliputi beberapa hal :
1. Mengidentifikasi lokasi kondisi batas seperti sisi masuk (inlet), sisi keluar (outlet), dinding (wall) dan lain-lain.
2. Memasukkan informasi atau data pada batas yang telah ditentukan. Data yang diperlukan pada batas tergantung dari tipe kondisi batas dan model fisik yang dipakai (turbulensi, persamaan energi, multi fase dan lain-lain).
Dengan menggunakan Persamaan 4, 5, 6, 7. Kondisi batas yang dijadikan input diolah dan dikembangkan menjadi suatu model dengan menggunakan software Fluent 18.1 sehingga diperoleh suatu output. Data input kondisi batas (boundary condition) dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 5. Data input kondisi batas (boundary condition) untuk Fluent 18.1pada
Pengaturan dasar pada Fluent 18.1 diawali dengan memilih pressure-based sebagai tipe solver, implicit sebagai formulation, absolute sebagai tipe velocity formulation dan steady sebagai tipe time dan mengaktifkan model energi.
Model k-epsilon digunakan pada penelitian ini karena model ini yang sering digunakan pada simulasi aliran fluida dan perpindahan panas. Model k-epsilon merupakan model turbulensi yang cukup lengkap dengan dua persamaan yang memungkinkan kecepatan turbulen (turbulen velocity) dan skala panjang (length
scales) ditentukan secara independen (Tuakia, 2008). Analisis turbulensi pada aliran udara dalam ruang pengering dilakukan dengan model k-epsilon untuk memprediksi kecepatan distribusi udara. Persamaan-persamaan tersebut diselesaikan dengan metode iterasi (Pantakar, 1980).
3. Metode Validasi
Validasi model simulasi dilakukan dengan membandingkan data hasil pengukuran langsung dan data hasil simulasi CFD pada titik tertentu yang diinginkan. Validasi dilakukan untuk mengetahui seberapa akurat hasil perhitungan menggunakan program CFD dibandingkan dengan pengukuran langsung. Hal ini ditandai dengan nilai koefisien determinasi (R2), apabila nilai mendekati 1 maka simulasi CFD sudah mendekati hasil yang sebenarnya.
Prosedur Penelitian
- Pengukuran langsung
1. Menyalakan sumber energi pemanas
2. Memasukkan 5 kg gabah ke dalam tabung silinder melalui hopper inlet
3. Melakukan pengukuran kecepatan aliran udara, suhu dan RH secara langsung di kondisi suhu ruang.
4. Mencatat masing-masing hasil pengukuran.
- Metode simulasi
1. Menggambar geometri alat pengering rotary tipe hibrid pada perangkat lunak Solid Works 2015 dan software Gambit 2.2.30 2. Menentukan inlet dan outlet udara pada alat pengering.
3. Menentukan kondisi batasan dan domain model ruang pengering, kemudian dilakukan proses grid (meshing) dengan interval tertentu.
4. Setelah itu geometri yang sudah dibuat diekspor ke program Fluent untuk dilakukan analisa lebih lanjut. Proses yang dilakukan pada program fluent antara lain :
a. Mendefenisikan model dan ditentukan solver.
b. Menentukan jenis fluida dan material penyusun bangunan alat.
c. Menentukan kondisi operasi (operating condition) yang terlibat.
d. Memasukkan nilai kondisi-kondisi batas (boundary condition) terhadap domain yang sudah dibuat dengan program Solid Works 2015.
e. Melakukan proses inisialisasi.
f. Melakukan proses iterasi.
g. Dilihat tampilan hasil simulasi dalam bentuk grid, kontur (suhu, dan kecepatan), vektor (suhu, kecepatan).
Parameter Penelitian
Secara umum, ada dua nilai parameter yang digunakan dalam simulasi CFD, yaitu data pengukuran langsung (sensor dan alat ukur) dan perhitungan matematika. Data yang didapat dengan pengukuran langsung adalah :
1. Suhu rata-rata
Pengukuran suhu menggunakan sensor suhu dan data logger untuk membaca hasil pengukuran suhu. Pengukuran dilakukan pada beberapa titik di dalam ruang pengering dan dinding ruang pengering. Pengambilan data dilakukan setiap 30 menit sekali.
2. Kecepatan aliran udara panas
Pengukuran kecepatan aliran udara dilakukan dengan menggunakan anemometer pada bagian belakang ruang pengering.
3. Kecepatan aliran udara kipas sentrifugal menuju ruang pengering
Pengukuran dilakukan dengan menggunakan anemometer pada bagian depan silinder pengering.
Data yang diperoleh dari perhitungan matematika pada Persamaan 8, 10, 11, 12, 13 dan 14 untuk mendapatkan input data terdapat pada Lampiran 2.
Asumsi dalam Simulasi CFD
Asumsi yang digunakan dalam simulasi suhu dan kecepatan aliran udara yaitu :
1. Udara bergerak dalam kondisi steady.
2. Aliran udara dianggap turbulen.
3. Udara tidak tertekan (incompresible , konstan.
4. Panas jenis, konduktifitas dan viskositas udara konstan.
5. Udara di sekitar laboratorium dianggap konstan selama simulasi.
6. Kapasitas gabah didalam ruang pengering dianggap 5 kg.
Kondisi Awal Dalam Simulasi CFD
Untuk semua simulasi dilakukan pada kondisi awal sebagai berikut : 1. Kecepatan udara awal adalah 0 m/s.
2. Permukaan suhu dinding luar = suhu lingkungan (30o C).
3. Tekanan udara adalah 1 atm (101,325 kPa).