SIMULASI MENGGUNAKAN CFD

Simulasi dengan menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD) dilakukan untuk mengetahui sebaran suhu serta kecepatan yang ada di dalam alat pengering Sunbeam Food Dehydrator. Simulasi dilakukan pada saat kondisi alat pengering dalam keadaan kosong dan tidak dilakukan simulasi pada saat terdapat bahan untuk dikeringkan. Hal ini dikarenakan karakterisitk fisik dan kimia serta geometri dari bahan pertanian yang berubah terhadap waktu (real time) selama proses pengeringan, sehingga pendefinisiannya dalam simulasi menjadi sangat kompleks dan membutuhkan penelitian lebih lanjut.

1. Hasil simulasi sebaran suhu

Gambar 37 dan Gambar 38 memperlihatkan sebaran suhu di dalam ruang pengering dalam kondisi kosong. Sebaran suhu di dalam alat pengering disajikan dalam irisan penampang tampak depan serta tampak atas. Hal ini dilakukan untuk mengetahui apakah sebaran suhu yang ada di dalam ruang pengering telah berlangsung secara merata.

46

Gambar 37. Sebaran suhu pada irisan penampang alat pengering

Berdasarkan hasil simulasi sebaran suhu pada irisan penampang yang tersaji pada Gambar 37 diketahui bahwa sebaran suhu di dalam alat pengering cukup beragam. Hal ini terlihat dari perbedaan cukup besar antara suhu udara pada plenum, suhu udara pada rak-rak pengering, hingga suhu udara yang keluar melalui lubang outlet. Mula-mula udara pengering yang dihembuskan dari plenum memiliki suhu 70–75 oC. Udara pengering kemudian dihembuskan hingga membentur rak dasar dan akhirnya menyebar menuju rak-rak pengering yang berada di atasnya. Udara pengering mengalami penurunan suhu selama melewati rak-rak pengering. Penurunan suhu tersebut disebabkan oleh adanya kehilangan panas dari udara pengering melalui dinding serta material rak dari alat pengering. Suhu yang dicapai oleh udara pengering saat berada pada rak-rak pengering adalah sebesar 65–70 oC. Material alat pengering yang semula memiliki suhu awal sebesar ± 28 oC mengalami peningkatan yang cukup signifikan hingga akhirnya mencapai suhu ± 55 oC. Peningkatan panas pada dinding tersebut disebabkan oleh adanya kehilangan panas dari udara pengering menuju dinding secara konveksi. Panas tersebut juga mempengaruhi perubahan suhu udara lingkungan yang berada di sekitar dinding alat pengering. Hal itu terlihat dari peningkatan suhu udara lingkungan yang berada di sekitar dinding alat pengering yang semula 27 oC menjadi 35–40 oC.

Panas dari udara pengering tidak seluruhnya dapat menjangkau bagian terluar dari rak pengering. Dari Gambar 38 terlihat bahwa bagian terluar dari rak 3 hingga rak 1 memiliki suhu yang sedikit lebih rendah bila dibandingkan dengan suhu udara pengering di sekitarnya, yaitu sebesar 55–65 oC. Hal ini disebabkan oleh adanya pengaruh arah aliran dari udara pengering yang tidak mampu menjangkau hingga bagian terluar dari rak-rak pengering. Nilai sebaran suhu hasil simulasi pada setiap rak di dalam alat pengering tersaji pada Tabel 13.

47

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Gambar 38. Sebaran suhu tampak atas di dalam alat pengering (a) rak dasar; (b) rak 5; (c) rak 4; (d) rak 3; (e) rak 2; (f) rak 1

48

Tabel 13.Sebaran suhu hasil simulasi pada setiap rak dalam alat pengering

No. Keterangan Rak 1

(oC) Rak 2 (oC) Rak 3 (oC) Rak 4 (oC) Rak 5 (oC) Rak dasar (oC)

1 1.5 cm dari dinding pengering 55.82 58.60 62.97 62.56 66.40 68.54 2 3.0 cm dari dinding pengering 67.40 67.80 68.07 68.61 69.07 69.39 3 4.5 cm dari dinding pengering 68.35 68.38 68.51 69.04 69.25 69.43 4 6.0 cm dari dinding pengering 68.52 68.51 68.59 69.12 68.99 69.41 5 7.5 cm dari dinding pengering 68.67 68.67 68.72 69.06 69.07 69.43 6 9.0 cm dari dinding pengering 68.81 68.80 68.84 69.02 69.10 69.47 7 10.5 cm dari dinding pengering 68.90 68.89 68.91 69.04 69.11 69.51 8 12.0 cm dari dinding pengering 68.97 68.98 69.14 69.53 69.49 69.74 9 13.5 cm dari dinding pengering 68.08 69.19 69.80 69.80 69.92 70.15

Rata-rata 67.06 67.54 68.17 68.42 68.93 69.45

2. Hasil simulasi sebaran kecepatan

Pada Gambar 39 dan Gambar 40 diperlihatkan sebaran kecepatan udara pengering di dalam ruang pengering dalam kondisi kosong. Sebaran kecepatan udara pengering di dalam alat pengering ini disajikan dalam irisan penampang tampak depan serta tampak atas. Hal ini dilakukan untuk mengetahui apakah sebaran kecepatan yang ada di dalam ruang pengering telah berlangsung secara merata.

49

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Gambar 40. Sebaran kecepatan udara pengering tampak atas di dalam alat pengering (a) rak dasar; (b) rak 5; (c) rak 4; (d) rak 3; (e) rak 2; (f) rak 1

50

Gambar 39 menunjukkan bahwa terjadi penurunan kecepatan yang cukup signifikan di dalam ruang pengering. Penurunan kecepatan tersebut disebabkan oleh adanya benturan udara pengering yang berasal dari plenum saat melewati rak dasar. Benturan tersebut menyebabkan adanya turbulensi pada aliran udara pengering sehingga terjadi penurunan kecepatan yang cukup drastis, dari 3.6–4 m/s besarnya kecepatan yang berasal dari plenum menjadi 0–0.4 m/s besarnya kecepatan udara yang ada pada ruang pengering.

Selain pengaruh dari benturan udara pengering dengan rak dasar. Luasan ruang pengering yang jauh lebih besar dibandingkan dengan luasan lubang inlet dari udara pengering juga mempengaruhi penurunan kecepatan dari udara pengering. Sebab untuk besar debit yang sama, kecepatan udara pengering akan jauh berkurang.

Kecepatan dari udara pengering kembali meningkat saat udara pengering keluar melalui lubang outlet yang ada pada bagian atas dari ruang pengering. Peningkatan kecepatan tersebut disebabkan oleh adanya penyempitan luasan lubang outlet sehingga untuk besar debit yang sama, kecepatan dari udara pengering akan semakin meningkat.

Gambar 37 dan Gambar 39 memperlihatkan pola sebaran suhu dan sebaran kecepatan yang ada pada ruang pengering dalam tampak atas. Dari Gambar 37 dan Gambar 39 terlihat bahwa pola sebaran suhu serta kecepatan pada setiap rak cukup beragam, dimana suhu serta kecepatan dari rak 5 lebih besar bila dibandingkan dengan rak-rak diatasnya. Pola sebaran suhu dan kecepatan pada rak 5 juga lebih seragam bila dibandingkan dengan rak-rak yang berada di atasnya. Ketidakseragaman ini menyebabkan irisan jahe yang dikeringkan pada rak 5 akan jauh lebih cepat bila dibandingkan dengan rak-rak di atasnya. Berikut adalah perbedaan nilai sebaran suhu pengukuran dan nilai simulasi seperti yang terlihat pada Tabel 14.

Tabel 14. Perbedaan suhu udara antara hasil pengukuran dan simulasi

Titik

pengukuran Ket.

Suhu (0C)

Error (%) Ketepatan (%) Simulasi Pengukuran Selisih

1 Rak dasar 69.50 66.94 2.56 3.82 96.18 2 Rak dasar 69.43 67.71 1.72 2.54 97.46 3 Rak 5 69.18 68.11 1.07 1.57 98.43 4 Rak 5 69.07 66.16 2.91 4.40 95.60 5 Rak 4 69.16 68.27 0.89 1.30 98.70 6 Rak 4 69.06 67.60 1.46 2.16 97.84 7 Rak 3 68.72 68.23 0.49 0.72 99.28 8 Rak 3 69.03 66.89 2.14 3.20 96.80 9 Rak 2 68.97 66.51 2.46 3.70 96.30 10 Rak 2 68.67 68.04 0.63 0.93 99.07 11 Rak 1 68.96 65.62 3.34 5.09 94.91 12 Rak 1 68.67 63.36 5.31 8.38 91.62 13 Dinding rak 5 57.79 56.30 1.49 2.65 97.35 14 Dinding rak 3 57.71 56.90 0.81 1.42 98.58 15 Dinding rak 1 53.23 52.30 0.93 1.78 98.22 Maksimum 5.31 8.38 99.28 Minimum 0.49 0.72 91.62 Rata-rata 2.08 2.91 97.09

51

Berdasarkan Tabel 14 dapat dilihat bahwa error maksimum yang terjadi dalam prediksi suhu pada penelitian ini cukup besar, yaitu sebesar 8.38%. Besarnya nilai error ini kemungkinan besar disebabkan oleh penempatan termokopel yang kurang tepat serta adanya kehilangan panas dari alat pengering melalui celah-celah sambungan rak dan lubang masuk termokopel juga mempengaruhi data yang terbaca oleh termokopel.

Gambar 41.Kalibrasi suhu udara hasil pengukuran dengan simulasi

Kalibrasi antara suhu pengukuran dengan suhu simulasi dilakukan dengan menggunakan garis regresi yang terbentuk pada hubungan linier antara suhu hasil pengukuran (Y) dan hasil simulasi (X). Persamaan regresi yang terbentuk untuk simulasi suhu udara dapat dilihat pada Gambar 41. Koefisien intersep dari persamaan tersebut adalah 3.193 dan gradiennya adalah 0.923. Model persamaan ini dinilai cukup baik memprediksi suhu udara sebab persamaan ini memiliki nilai R2 sebesar 0.943 yang menunjukkan keseragaman data.