PENGUJIAN DAN SIMULASI MESIN PENGERING PRODUK PERTANIAN TENAGA SURYA
DENGAN KAPASITAS 25 KG/SIKLUS MENGGUNAKAN PROGRAM CFD
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
HENRIANTO SITANGGANG NIM. 050401020
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
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. 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.
adapun judul dari Skripsi ini yaitu ”Pengujian dan simulasi mesin pengering produk
pertanian tenaga surya dengan kapasitas 25 kg/siklus menggunakan program CFD”.
Dalam menyelesaikan Skripsi ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagi pihak
baik materil ataupun moril. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan
terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Orang Tua saya, K. Situmorang dan seluruh keluarga tercinta yang telah memberikan
dukungan baik moril maupun materil kepada penulis tanpa pamrih.
2. Bapak Dr.Eng Himsar Ambarita ST, MT selaku dosen pembimbing Skripsi yang telah
meluangkan waktu dan pikiran untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Skripsi
ini.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara .
4. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara .
5. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara.
6. Kepada Dikki Girsang, ST yang telah bekerja sama-sama dalam menjalankan dan
7. Eka Kurniati Hasibuan, Amd yang telah memberikan semangat, dukungan, dan doa
dalam menyelesaikan skripsi ini.
8. Ucapan terima-kasih juga kepada semua mahasiswa Teknik Mesin umumnya, dan
khususnya sesama rekan-rekan stambuk 2005.
Dalam menyelesaikan tugas ini penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna
tersusunnya Skripsi ini. Saya mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak yang
bersifat membangun. Akhir kata, Penulis mengharapkan semoga Skripsi ini dapat
bermanfaat bagi pembaca.
Medan, Maret 2011
Penulis,
HENRIANTO SITANGGANG
ABSTRAK
Desain sebuah mesin pengering dengan menggunakan udara alami sebagai fluida kerja.
Untuk membuat gambaran mesin pengering dilakukan terlebih dahulu pada software
gambar AutoCAD. Setelah mendapatkan nilai titik-titiknya kemudian melakukan
simulasi awal dengan menggunakan softwareGambit untuk membuat geometri face
kemudian dimesh dan terakhir dibuat kondisi batas pada mesin pengering.
Hasil dari geometri yang telah di gambar pada softwareGambit kemudian di dimulasikan
dengan menggunakan softwarefluend dengan menggunakan data awal dari hasil
penelitaan yang telah dilakukan sebelumnya pada skripsi “RANCANG BANGUN
MESIN PENGERING JAGUNG ENERGI SURYA DENGAN KAPASITAS 25
KG/SIKLUS”. Kemudian mengatur kondisi batas kondisi hasil skripsi diatas.
Dari hasil simulasi yang dilakukan dengan menggunakan softwarefluend didapatkan
bentuk laju aliran fluida melalui colektor hingga keluar menuju cerobong mesin
pengering. Dari hasil simulasi ini dapat disimpulkan bahwa bentuk dan besar dari rak
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ...i
SPESIFIKASI TUGAS...ii
KATA PENGANTAR...iii
ABSTRAK...iv
DAFTAR ISI...v
DAFTAR GAMBAR...viii
DAFTAR SIMBOL...x
DAFTAR TABEL...xii
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1Latar belakang ………1
1.2Tujuan ………3
1.3Manfaat Analisa CFD ………3
1.4Batasan Masalah ………4
1.5Metode Pembahasan ………4
1.6Sistematika Penulisan ………4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ………5
2.1Pengeringan ………5
2.2Jenis-jenis Pengeringan………...6
2.3Sistem Energi Matahari………...8
2.4Spesifikasi Alat Uji Hasil Perancangan...9
2.4.1 Kolektor...9
2.4.2 Bak Pengering...11
2.4.3 Tray...13
2.5Produk Dan Energi Yang Dibutuhkan Untuk Pengeringan………….………..14
2.5.1 Jagung...14
2.5.2 Energi Yang Dibutuhkan Untuk Pengeringan...15
2.6 Aliran Fluida...23
BAB III CFD FLUENT DAN PENDEKATAN NUMERIK ………...27
3.1 Computational Fluid Dynamics (CFD)………..27
3.1.1 Pengertian Umum CFD………..27
3.1.2 Penggunaan CFD………...……….28
3.1.3 Manfaat CFD………..29
3.1.4 Proses Simulasi CFD………..29
3.1.5 Metode Diskritisasi CFD………30
3.2 Pengenalan Fluent………...………...31
3.2.2 Struktur Program Fluent……….………32
3.2.3 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT………...……….33
3.3 PendekatanNumerikpada CFD Fluent………..………..35
3.3.1 Ketentuan Matematis...35
3.3.2 Persamaan Kontinuitas, Momentum danEnergi………...………...….36
3.3.3 Fisik Aliran Kompresibel………...………39
3.3.4 Model Turbulensi……….………..40
3.3.5 Persamaan Umum Transport Skalar, Diskritisasi dan Solusi……....…42
3.3.6 Penyelesaian Persamaan Linear………...43
3.3.7 Dasar Penyelesaian Tekanan (Pressure-Based Solver)………..……...44
3.3.8 Diskritisasi (Metode Interpolasi)………..………...45
3.3.9 Pressure Velocity Coupling………...47
3.3.10 Grafik Kompatibilitas Model FLUENT………...…...49
BAB IV DATA PENGUJIAN DAN PENGOLAHAN DATA...51
4.1 Data Pengujian...51
4.2 Pengolahan Data ...57
BAB V PERMODELAN GEOMETRI……….63
5.1 Pendahuluan………....63
5.2 Prose Permodelan Geometri Bak Pengering yang telah Direncanakan……...65
5.2.1 Prose Pembuatan Geometri dari Bak Pengering………...65
5.2.2 Proses Solving dan Postprocessing Geometri dari Bak Pengering…...71
BAB VI ANALISA DAN HASIL SIMULASI………75
6.1 Pendahuluan………....75
6.2 Simulasi Kontur………...…………...75
BAB VII KESIMPULAN DAN SARAN………87
7.1 Kesimpulan ...……….………....87
7.2 Saran ………..88
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
Gambar 2.1 Kolektor...9
Gambar 2.2 Bak Pengering...12
Gambar 2.3 Tray...13
Gambar 2.4 Skema sistem pengering dengan energi surya...22
Gambar 3.1 StrukturKomponen Program FLUET ………...….………...32
Gambar 3.2 Diagram Alir Prosedur Simulasi ………...34
Gambar 3.3 Volume control digunakan untuk mengilustrasikan diskritisasi persamaan transport scalar ………...………...43
Gambar 3.4 Volume control satu dimensi …………....………...47
Gambar 3.5 Kompatibilitas model pada FLUENT ………...50
Gambar 4.1 Skema pengukuran temperature pada alat pengering...51
Gambar 4.2 Titik pengukuran kecepatan udara masuk pada kolektor...54
Gambar 5.1 Tampilan awal GAMBIT ………...64
Gambar 5.2 Tampilan awal FLUENT ………...65
Gambar 5.3 Tampilan hasil mesh untuk model 1 ………...………....67
Gambar 5.4 Tampilan hasil mesh untuk model 2 ………...………....68
Gambar 5.5 Tampilan hasil mesh untuk model 3 ………...………....69
Gambar 5.6 Tampilan hasil mesh untuk model 4 ………...…………...70
Gambar 5.7 Kotak dialog untuk export mesh file ………..………...71
Gambar 5.8 Tampilan hasil smooth/swap grid ………..………...73
Gambar 6.1 Kontur kecepatan pada mesin pengering untuk model 1...76
Gambar 6.2 Kontur kecepatan pada mesin pengering untuk model 2...76
Gambar 6.3 Kontur kecepatan pada mesin pengering untuk model 3...77
Gambar 6.4 Kontur kecepatan pada mesin pengering untuk model 4 ...77
Gambar 6.5 Kontur temperature pada mesin pengering untuk model1...78
Gambar 6.6 Kontur temperature pada mesin pengering untuk model 2 ...78
Gambar 6.7 Kontur temperature pada mesin pengering untuk model 3 ...79
Gambar 6.8 Kontur temperature pada mesin pengering untuk model 4 ...79
Gambar 6.9 Kontur tekanan pada mesin pengering untuk model 1 ...80
Gambar 6.11 Kontur tekanan pada mesin pengering untuk model 3 ...81
Gambar 6.12 Kontur tekanan pada mesin pengering untuk model 4...81
Gambar 6.13 Vektor kecepatan pada mesin pengering untuk model 1 ...82
Gambar 6.14 Vektor kecepatan pada mesin pengering untuk model 2...83
Gambar 6.15 Vektor kecepatan pada mesin pengering untuk model 3 ...83
Gambar 6.16 Vektor kecepatan pada mesin pengering untuk model 4...84
Gambar 6.17 Vektor tekanan pada mesin pengering untuk model 1 ...84
Gambar 6.18 Vektor tekanan pada mesin pengering untuk model 2 ...85
Gambar 6.19 Vektor tekanan pada mesin pengering untuk model 3 ...85
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
A Luas sisi masuk sudu total
b Lebar sudu m
I Intensitasradiasi W/
Q Daya W
tot Total energi yang hilang W/
Tp Temperatur rata-rata plat
To Temperatur rata-rata sekitar
Ub Energi yang hilangkearahbawah W/
Uats Energi yang hilangkearahatas W/
Usmp Energi yang hilangkearahsamping W/
k Konduktifitas kJ/kg
l lebar m
N Jumlahpenutup / kaca -
ß Sudut kemiringan kolektor 0
σ Konstanta Stefan-Bolltzmann W/m
Emisivitas plat -
Emisivitas plat -
Faktor perpindahan panas -
ṁ Laju aliran massa kg/s
Temperatur udar keluar
ηk Efisiensikolektor -
Diameter hidraulik m
Re Bilangan Reynolds -
ρ Densitas kg/
V Kecepatan aliran udara m/
µ Viskositas dinamik kg/m.s
Energi total kj
Energi untuk memanaskan daun kj
Energi untuk penguapan kj
Energi memanaskan air yang dikandung jagung kj
L Panjang m
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
Tabel 2.1 Aplikasi CFD dalam berbagai bidang...24 Tabel 4.1 Data temperature I pada mesin pengering dengan produk yang
dikeringkan...52
Tabel 4.2 Data temperature II pada mesin pengering dengan produk yang
dikeringkan...52
Tabel 4.3 Data temperatur III pada mesin pengering dengan produk yang
dikeringkan...53
Tabel 4.4 Data temperature IV pada mesin pengering dengan produk yang
dikeringkan...53
Tabel 4.5 Data kecepatan udara I pada mesin pengering dengan produk yang
dikeringkan...55
Tabel 4.6 Data kecepatan udara II pada mesin pengering dengan produk yang
dikeringkan...55
Tabel 4.7 Data kecepatanudara III pada mesin pengering dengan produk yang
dikeringkan...56
Tabel 4.8 Data kecepatanudara IV pada mesin pengering dengan produk yang
dikeringkan...56
ABSTRAK
Desain sebuah mesin pengering dengan menggunakan udara alami sebagai fluida kerja.
Untuk membuat gambaran mesin pengering dilakukan terlebih dahulu pada software
gambar AutoCAD. Setelah mendapatkan nilai titik-titiknya kemudian melakukan
simulasi awal dengan menggunakan softwareGambit untuk membuat geometri face
kemudian dimesh dan terakhir dibuat kondisi batas pada mesin pengering.
Hasil dari geometri yang telah di gambar pada softwareGambit kemudian di dimulasikan
dengan menggunakan softwarefluend dengan menggunakan data awal dari hasil
penelitaan yang telah dilakukan sebelumnya pada skripsi “RANCANG BANGUN
MESIN PENGERING JAGUNG ENERGI SURYA DENGAN KAPASITAS 25
KG/SIKLUS”. Kemudian mengatur kondisi batas kondisi hasil skripsi diatas.
Dari hasil simulasi yang dilakukan dengan menggunakan softwarefluend didapatkan
bentuk laju aliran fluida melalui colektor hingga keluar menuju cerobong mesin
pengering. Dari hasil simulasi ini dapat disimpulkan bahwa bentuk dan besar dari rak
BAB I PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Sinar matahari adalah salah satu gelombang elektromagnetik yang memancarkan
energi, yang disebut dengan energi surya, ke permukaan bumi secara terus menerus.
Energi ini mempunyai sifat antara lain tidak bersifat polutan, tidak dapat habis
(terbarukan) dan juga gratis. Bumi menerima daya radiasi surya sekitar 108 PW
(1PW=1015W), atau dalam 1 tahun total energi surya yang sampai di permukaan bumi
sekitar 3.400.000 EJ (1EJ=1018J). Hanya diperlukan 2 jam radiasi sinar surya untuk
memenuhi kebutuhan energi dunia selama satu tahun sebesar 474 EJ (data tahun 2008).
Tetapi, potensi energi yang sangat besar ini belum dimanfatkan secara optimal dan masih
terbuang begitu saja. Suatu studi menyebutkan energi surya yang sudah dimanfaatkan
sebesar 5 GW melalui sel surya dan 88 GW melalui pemanas air. Jumlah ini tidak ada
artinya dibandingkan dengan radiasi yang diterima bumi.
Sebagai negara yang terletak di daerah katulistiwa, yaitu pada 60 LU – 110 LS dan 950 BT
– 1410 BT, dan dengan memperhatikan peredaran matahari dalam setahun yang berada pada
daerah 23,50 LU dan 23,50 LS akan mengakibatkan suhu di Indonesia cukup tinggi (antara 26º C
- 35º C) dan bila saat cuaca cerah akan disinari matahari selama 6 –7 jam dalam sehari. Bagian
barat Indonesia mendapat rata-rata radiasi sebesar 4,5 KWh/m2/hari dengan varisi bulanan
sekitar 10% dan bagian timur 5,1 kWH/m2/hari dengan varisi bulanan sekitar 9%. Sifat radiasi
matahari yang diperoleh di daerah ini dapat dikatakan lebih kecil perubahannya terhadap
rata-rata tiap tahunnya. Dilain pihak, pancaran radiasi ini sifatnya periodik setiap hari dan setiap
tahunnya secara terus menerus.
Ada dua cara memanfaatkan energi surya yang berlimpah ini, yaitu dengan sel
surya dan surya termal. Teknologi dengan sel surya tergolong efisien dan bersih, tetapi
memerlukan peralatan yang cukup mahal. Sementara, teknologi surya termal adalah
peralatan yang rumit dan relatif lebih mudah untuk dilakukan. Secara global pemanfaatan
energi surya termal masih jauh lebih banyak dibanding sel surya. Fakta ini menunjukkan
bahwa tersedia energi surya yang cukup besar dan dapat dimanfaatkan dalam bentuk
energi termal.
Industri pengering, termasuk pengeringan produk pertanian adalah termasuk
salah satu proses produksi yang banyak menggunakan energi. Studi di beberapa negara
menunjukkan bahwa persentasi konsumsi energi nasional untuk pengeringan relatif
cukup besar. Menurut studi negara-negara seperti USA, Kanada, Perancis, Inggris
mengkonsumsi sekitar 10-15% dari energi nasionalnya untuk pengeringan. Jerman dan
Denmark bahkan lebih besar yaitu sekitar 20-25%. Meskipun belum ada studi yang
melaporkannya, diperkirakan Indonesia dan negara-negara lainnya, menggunakan
konsumsi energi nasionalnya untuk pengeringan pada kisaran 5-25%. Secara global, data
tahun 2007 menyatakan 86,4% konsumsi energi dunia dipasok oleh sumber energi
berbasis fosil seperti minyak bumi, gas alam, dan batubara. Pembakaran sumber energi
berbasis fosil ini setara dengan pelepasan 21,3 Gigaton karbon dioksida ke alam, tetapi
alam dengan bantuan hutan hanya mampu menyerap setengah dari jumlah ini. Oleh
karena itu akan ada penambahan karbon dioksida sekitar 10,6 Gigaton pertahun. Jika
tidak ada langkah konkrit, ini akan meningkat terus di tahun-tahun mendatang seiring
dengan meningkatnya kebutuhan energi dunia. Gas inilah salah satu yang akan
menyebabkan pemanasan global, dan jika lajunya tidak dikurangi akan membahayakan
kelangsungan hidup bumi sebagai planet yang bisa dihuni umat manusia dan mahluk
hidup lainnya. Fakta-fakta ini menunjukkan bahwa proses pengeringan termasuk salah
satu penyumbang pelepasan karbon dioksida ke alam yang relatif besar.
Untuk mengurangi pemakaian energi berbasis fosil yang akan menyebabkan pemanasan
global, salah satunya adalah pemanfaatan energi sinar matahari. Pemanfaatan energi sinar
matahari dapat digunakan pada mesin pengering, seperti mesin pengering jagung. Pengolahan
pasca panen hasil pertanian atau perkebunan mempunyai peranan penting dalam kehidupan
masyarakat Indonesia, yang sekaligus juga merupakan sumber pemasukan devisa negara yang
cukup besar. Dengan penerapan sistem energi sinar matahari pada teknologi ini, diharapkan akan
mempercepat proses pengeringan jagung. Selain untuk mempercepat pengeringan, juga dapat
1.2. Tujuan
Adapun tujuan dari skripsi ini adalah menguji mesin pengering jagung, yang telah
direncanakan dan difabrikasi pada tugas akhir sebelumnya dan mensimulasikan medan aliran
fluida yang terjadi di dalam ruang pengering. Simulasi akan dilakukan dengan menggunakan
perangkat lunak CFD. Simulasi ini diharapkan dapat memberikan gambaran pola aliran udara
pengering di dalam ruang pengering saat proses pengeringan terjadi. Sebagai catatan pola aliran
udara pengering ini sangat sulit didapatkan secara eksperiment, karena keterbatasan alat ukur
yang dimiliki. Kemudian simulasi akan dilanjutkan untuk melakukan modifikasi
1.3. Manfaat Analisa CFD
Ditinjau dari segi manfaat terdapat empat hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus
menggunakan CFD, yakni :
1. Untuk melakukan simulasi aliran fluida yang terjadi pada mesin pengering.
2. Untuk mengetahui distribusi temperatur, laju aliran, dan distribusi kecepatan fluida yang
terjadi pada mesin pengering.
3. Dapat melakukan modifikasi susunan rak pengering di dalam ruang pengering.
4. Untuk membandingkan distribusi kecepatan dan distribusi temperatur yang terbaik setiap
model rak pada mesin pengering.
1.4. Batasan Masalah
Dalam penulisan skripsi ini, akan dibahas tentang analisa CFD pada mesin pengering
dengan menggunakan kolektor surya untuk proses pengeringan jagung. Untuk mendapatkan
tujuan pada simulasi ini, batasan masalah yang digunakan adalah kondisi steady dan temperatur
1.5 Metode Pembahasan
Metode pembahasan yang digunakan adalah: Studi literature yaitu mengumpulkan
berbagai informasi dan data dari buku teks, internet dan makalah–makalah yang berhubungan
dengan mesin pengering dan jagung. Dan melakukan beberapa tahapan seperti identifikasi,
analisis sistem, simulasi sistem, analisis hasil. Dimana hasil atau keluaran dari suatu tahap akan
menjadi masukan bagi tahap selanjutnya. Berdasarkan batasan masalah yang telah ditetapkan,
penulisan skripsi ini adalah pengujian mesin pengering dan simulasi aliran fluida.
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pembaca dalam memahami tulisan ini, maka dilakukan pembagian bab
berdasarkan isinya. Tulisan ini akan disusun dalam beberapa bab : I. Pendahuluan, II. Tinjauan
Pustaka, III. Teori Simulasi CFD, IV. Data Pengujian dan Pengolahan Data, V. Permodelan
Geometri, VI. Analisa dan Hasil Simulasi, VII. Kesimpulan dan Saran.
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengeringan
Pengeringan merupakan salah satu unit operasi energi paling intensif dalam pengolahan
pasca panen. Unit operasi ini diterapkan untuk mengurangi kadar air produk seperti
berbagai buah-buahan, sayuran, dan produk pertanian lainnya setelah panen. Pengeringan
adalah proses pemindahan panas dan uap air secara simultan yang memerlukan panas
untuk menguapkan air dari permukaan bahan tanpa mengubah sifat kimia dari bahan
tersebut. Dasar dari proses pengeringan adalah terjadinya penguapan air ke udara karena
perbedaan kandungan uap air antara udara dan bahan yang dikeringkan. Laju pemindahan
kandungan air dari bahan akan mengakibatkan berkurangnya kadar air dalam bahan
tersebut.
Pada prinsipnya, pengeringan bertujuan untuk mengurangi kadar air yang terkandung
pada bahan sampai pada kadar air yang diinginkan. Tujuan mengurangi kadar air adalah
untuk memperpanjang kehidupan rak-produk bio-asal dengan mengurangi kadar air ke
tingkat yang cukup rendah sehingga menghambat pertumbuhan mikroorganisme, reaksi
enzimatik, dan reaksi lainnya yang memperburuk produk pertanian tersebut.
Faktor-faktor yang berpengaruh dalam proses pengeringan adalah suhu,
kelembaban udara, laju aliran udara, kadar air awal bahan dan kadar air akhirbahan.
a. Proses perpindahan panas
Proses perpindahan panas terjadi karena adanya perbedaan suhu udara pengering dengan
suhu bahan yang akan dikeringkan, dimana suhu udara pengering lebih tinggi dari suhu
bahan. Panas yang dialirkan melalui udara pengering akan meningkatkan suhu bahan,
sehingga air dalam bahan berubah wujud menjadi uap air.
b. Proses perpindahan Massa
Peningkatan suhu bahan karena proses perpindahan panas akan menyebabkan tekanan
uap air di dalam bahan lebih tinggi dari tekanan uap air pada udara pengering, sehingga
Kelembaban relatif udara pengering akan turun dengan adanya peningkatan suhu udara
pengering, Hal ini menyebabkan kelembaban relatif udara pengering lebih rendah dari
kelembaban relatif bahan. Selanjutnya panas yang dialirkan ke permukaaan bahan akan
meningkatkan tekanan uap air bahan sehingga tekanan uap air bahan lebih tinggi dari
tekanan uap air udara pengering. Dengan kondisi demikian akan terjadi perpindahan
massa uap air dari bahan ke udara pengering dan disebut sebagai proses penguapan.
Proses penguapan air dari bahan akan terus berlangsung sampai terjadi kesetimbangan
tekanan uap air antara bahan dengan pengering.
2.2 Jenis-Jenis Pengeringan
Jenis-jenis pengeringan berdasarkan karakteristik umum dari beberapa pengering
konvensional dibagi atas 8 bagian, yaitu : (Arun S. Mujumdar, Chung Lim Law. 2009)
a) Baki atau wadah
Pengeringan jenis baki atau wadah adalah dengan meletakkan material yang akan
dikeringkan pada baki yang lansung berhubungan dengan media pengering. Cara
perpindahan panas yang umum digunakan adalah konveksi dan perpindahan panas secara
konduksi juga dimungkinkan dengan memanaskan baki tersebut.
b) Rotary
Pada jenis ini ruang pengering berbentuk silinder berputar sementara material yang
dikeringkan jaruh di dalam ruang pengering. Medium pengering, umumnya udara panas,
dimasukkan ke ruang pengering dan bersentuhan dengan material yang dikeringkan
dengan arah menyilang. Alat penukar kalor yang dipasang di dalam ruang pengering
untuk memungkinkan terjadinya konduksi.
c) Flash
Pengering dengan flash (flash dryer) digunakan untuk mengeringkan kandungan air yang
ada di permukaan produk yang akan dikeringkan. Materi yang dikeringkan dimasukkan
dan mengalir bersama medium pengering dan proses pengeringan terjadi saat aliran
medium pengering ikut membawa produk yang dikeringkan. Setelah proses pengeringan
d) Spray
Teknik pengeringan spray umumnya digunakan untuk mengeringkan produk yang
berbentuk cair atau larutan suspensi menjadi produk padat. Contohnya, proses
pengeringan susu cair menjadi susu bubuk dan pengeringan produk-produk farmasi. Cara
kerjanya adalah cairan yang akan dikeringkan dibuat dalam bentuk tetesan oleh atomizer
dan dijatuhkan dari bagian atas. Medium pengering (umumnya udara panas) dialirkan
dengan arah berlawanan atau searah dengan jatuhnya tetesan. Produk yang dikeringkan
akan berbentuk padatan dan terbawa bersama medium pengering dan selanjutnya
dipisahkan dengan hydrocyclone.
e) Fluidized bed
Pengeringan dengan menggunakan kecepatan aliran udara yang relatif tinggi menjamin
medium yang dikeringkan terjangkau oleh udara. Jika dibandingkan dengan jenis wadah,
jenis ini mempunyai luas kontak yang lebih besar.
f) Vacum
Pengeringan dengan memanfaatkan ruangan bertekanan udara rendah. Dimana pada
ruangan tersebut tidak terjadi perpindahan panas, tetapi yang terjadi adalah perpindahan
massa pada suhu rendah.
g) Membekukan
Pengeringan dengan menggunakan suhu yang sangat rendah. Biasanya digunakan pada
produk-produk yang bernilai sangat tinggi, seperti produk farmasi dan zat-zat kimia
lainnya.
h) Batch dryer
Pengeringan jenis ini hanya baik digunakan pada jumlah material yang sangat sedikit,
seperti penggunaan pompa panas termasuk pompa panas kimia.
Pada bagian tugas akhir ini akan dilakukan simulasi pada pengeringan tipe wadah dengan
menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi pemanas udara pengering.
Seperti dijelaskan sebelumnya, penerapan sistem energi matahari ini adalah untuk
mereduksi waktu proses pengeringan dari pengeringan yang biasa dilakukan yaitu dengan
penjemuran langsung. Sistem pengeringan dengan energi matahari seperti yang akan diterapkan
pada percobaan ini merupakan sistem tidak langsung ( Indirect type dryer ) dimana pengumpulan
energi matahari dilakukan di tempat terpisah diluar bagian pengeringan, kemudian dihubungkan
ke tempat pengeringan melalui suatu fluida yang berfungsi sebagai fluida pengering yang dalam
hal ini adalah udara. Pengumpulan energi surya dan transfernya pada fluida kerja dilakukan
melalui suatu alat yang disebut kolektor matahari ( solar collector ).
Pada sistem yang dirancang hanya menggunakan udara lingkungan dan pemanasan hanya dilakukan padperhari.
2.4 Spesifikasi
Alat Uji Hasil
Perancangan
2.4.1 Kolektor
Untuk ukuran bersih kolektor ( ruang pengumpul udara panas ) yang di rancang
dalam penelitian ini adalah disesuakan dengan ukuran kaca yang tersedia di pasaran dan
Gambar 2.1 Kolektor
- Panjang = 2 m
- Lebar = 1,5 m
- Tinggi = 0,1 m
Plat seng
Jenis absorber yang di gunakan adalah plat seng dengan ketebalan 0,3 mm yang mudah
dijumpai di pasaran dimana kehantaran termalnya adalah 112.2 W/ m0C, sedangkan
emisivitasnya adalah 0,97. Plat ini cukup tipis dan ringan, maka di harapkan respon
kenaikan temperatur terhadap peningkatan intensitas radiasi matahari juga cukup cepat.
Kemudian Absorbernya di cat dengan warna hitam buram ( black paint ).
Kaca
Cover yang digunakan dalam kolektor ini dipilih tipe kaca yang umum dipakai untuk
bangunan ( kaca jendela ) atau yang disebut dengan ordinary glass dengan ketebalan 5mm.
Kaca jenis ini memiliki sifat – sifat sebagai berikut :
Konduktivitas termal = 0,78 W/m.0C
Reflektivitas = 0,08 – 0,09
Absorbsivitas < 1%
Emisivitas = 0,88
Isolator
Pemilihan isolator ini didasarkan pada selisih temperatur, yaitu antara temperatur yang
dihasilkan degan temperatur udara lingkungan dimana isolator ini akan meminimalisasi
terjadinya fluks atau kehilangan panas ke arah bawah absorber. Untuk isolator yang
digunakan dalam penelitian ini mempertimbangan faktor biaya dan berat isolator itu sendiri,
agar kolektor yang dibuat nantinya tidak terlalu berat. Untuk isolator yang telah kita pilih
terbuat dari kertas dimana kehantaran termalnya adalah 0,06 W/m0C. Untuk menggunakan
kertas sebagai bahan isolator pada penelitian ini, peneliti menyusun kertas tersebut dibawah
absorber dengan ketebalan 2cm. Hal ini dilakukan agar isolator yang dibuat tidak terlalu
berat.
2.4.2 Bak Pengering
Rangka bak pengering terbuat dari besi siku ukuran 30mm x 30mm x 6000mm,
rangka bak pengerik di bentuk dan dilas sesuai dengan gambar yang didisain (Gambar
2.2) kemudian dibuat dinding untuk penyekat udara dari bahan plat seng dengan tebal
0,3mm. Dinding tersebut dilengketkan pada rangka bak pengering dengan cara di revet
serta dilakukan pematrian untuk menghundari kebocoran udara panas. Kemudian plat
seng dicat dengan warna hitam buram,agar dapat menyerap panas dengan lebih cepat.
Pada bak pengering dilengkapi dengan pintu yang berguna untuk memasukan dan
mengeluarkan produk yang dikeringkan. Di pintu tersebut dibuat kaca yang
mamungkinkan kita dapat mengetahui temperature tiap rak, dengan cara melihat
thermometer yang sengaja digantungkan pada setiap rak pengering. Di bagian atas bak
pengering dibuat cerobong udara, bertujuan untuk memperlancar sirkulasi udara pada
proses pengeringan. Ukuran bersih ruang pengering adalalah:
- Lebar bak
pengering = 1 m
- Tinggi bak
pengering = 1 m
- Tinggi kaki bak
pengering = 1,2 m
- Jarak dari
setiap rak kearah atas =
0,2 m
- Tinggi bagian
yang akan memberikan
efek thermal
chimney = 0,86 m
- Sudut bagian
yang akan memberikan
efek thermal
chimney = 600
- Tinggi
cerobong = 0,5 m
- Diameter
Gambar 2.2 Bak pengering
2.4.3 Tray
Tray digunakan untuk menampung biji jagung yang selanjutnya akan diletakkan
pada tiap tingkatan rak yang telah di buat di dalam bak pengering. Rangka tray pengering
terbuat dari balok kayu yang berukuran 45mm x 45mm. Kemudian untuk tempat jagung
dibuat kawat kasa dengan ukuran tiap lubang 5mm x 5mm. Ukuran tiap tray adalah :
-Lebar = 0,9 m
Gambar 2.3 Tray
2.5 Produk dan Energi yang Dibutuhkan untuk Pengeringan
2.5.1 Jagung
Jagung ( Zea Mays ) merupakan salah satu komoditas tanaman pangan yang
mempunyai peranan strategis dalam pembangunan pertanian dan perekonomian
Indonesia. Komoditas ini mempunyai fungsi multiguna, baik untuk pangan maupun
Dalam kurun waktu lima tahun terakhir kebutuhan jagung untuk bahan baku
industri pakan, makanan dan minuman terus meningkat 10-15% per tahun. Dengan
demikian, ketersediaan bahan baku jagung sangat berpengaruh terhadap kinerja industri
peternakan dan penyediaan protein hewani yang sangat dibutuhkan dalam meningkatkan
kualitas sumber daya manusia Indonesia. Dalam perekonomian nasional, jagung
ditempatkan sebagai kontributor terbesar kedua setelah padi dalam subsektor tanaman
pangan.
Biji jagung kaya akan karbohidrat, sebagian besar berada pada endospermium.
Selain daripada itu jagung juga mengandung Kalori, Protein, Lemak, Kalium, Fosfor,
Ferrum, Vit A, Vit B1 dan Air. Panen dilakukan pada saat jagung mencapai kemasakan
biji yang tepat, yaitu daun-daunnya telah menguning kering biji agak mengering dan
keras. Pada saat pemanenan jagung , air yang dikandung oleh biji jagung berkisar
35-40%. Apabila panen dilakukan terlalu awal menyebabkan biji akan keriput dan bobot
rendah. Panen terlalu lama apabila musim penghujan, akan mengakibatkan biji dapat
terserang cendawan (Aspergillus flavus ) yang dapat menghasilkan aflatoksisn ( dapat
bersifat racun yang menyebabkan kanker hati pada manusia).
Sebelum diolah untuk berbagai produk, jagung terlebih dahulu mengalami proses
pengeringan yang bertujuan untuk mengurangi kadar air pada biji sehingga kadar air
turun menjadi 9 – 15%. Pengeringan juga bertujuan untuk meningkatkan daya simpan
serta menambah nilai ekonomis dari pada jagung tersebut.
Pengeringan dapat dilakukan dengan pengeringan alami dan pengeringan buatan.
• Untuk pengeringan alami: Jagung langsung dijemur dibawah sinar matahari atau
penjemuran di atas lantai, tikar anyaman dan lain sebagainya.
• Untuk pengeringan buatan: Dengan menggunakan mesin pengering untuk menghemat
tenaga manusia dan mempercepat proses pengeringan, terutama pada saat musim hujan.
Pada sistem yang dirancang hanya menggunakan udara lingkungan dan pemanasan hanya
listrik. Diharapkan dengan bantuan kolektor surya dapat diperoleh temperatur pengering
diatas 40 0C dengan asumsi waktu penggunaan 7 jam perhari.
2.5.2 Energi yang dibutuhkan untuk pengeringan
1. Energi yang dihasilkan Kolektor
Besarnya energi yang dihasilkan oleh kolektor dari radiasi surya adalah dengan
menggunakan persamaan :
Q = Akol x I ………2.1
Dimana :
Q = Daya yang di hasilkan dari radiasi matahari oleh kolektor (W)
Akol = Luas kolektor (m2)
I = Intesitas matahari ( W/m2 )
Energi berguna dari kolektor adalah perbedaan antara energi radiasi yang diserap
absorber terhadap kerugian termalnya.
Q = ΔT = Akol . [ I – Utot ( Tp – T0 )]
Q = Akol . [ I – Utot ( Tp – T0 )] ...2.2
Dimana,
Q = Energi berguna dari kolektor ( W )
Akol = Luas plat absorber ( m2 )
Utot = Total energi yang hilang karena terjadi fluks ( W/m2 0C )
Tp = Temperatur rata- rata plat absorber (0C)
T0 = Temperatur rata- rata sekitar (0C )
Untuk mencari energi berguna kolektor dengan memakai persamaan 2.2 terlebih
dahulu kita mencari Utot.
Utot = Ub + Uats + Usmp……….2.3
Dimana ,
Ub = Energi yang hilang ke arah bawah ( W/m2 0C )
Uats = Energi yang hilang ke arah arah atas ( W/m2 0C )
Usmp = Energi yang hilang ke arah arah samping ( W/m2 0C )
Ub = ………...……….2.4
Dimana,
k = Konduktifitas dari kolektor ( W/m 0C )
L = Tebal isolator yang digunakan ( m )
Uats =
……….………2.5
Dimana,
β = Sudut kemiringan kolektor
C = 520(1 - 0,000051β2 ) untuk 0° ≤ ≤ 70°
e = 0,43 (1 - )
= Temperatur plat absorber (0C )
= Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 1 W/m.0C4
= Temperatur sekitar (0C )
f = (1 + 0,089 - 0,1166 . )(1 + 0,07866N)
= Emisivitas plat
= Emisivitas kaca
= Koefisien perpindahan kalor konveksi.
Usmp = 2 . [ ] ...2.6
Faktor pemindahan panas kolektor
)
, menyatakan rasio antara energi yangberguna aktual dari kolektor terhadap energi berguna maksimum yang dapat diperoleh
kolektor. Untuk suhu udara masuk diambil 30,2 0 C, diambil dari rata-rata udara masuk
selama penelitian.
= ………..………..2.7
Dimana,
Cp = 1,0059kj/kg.0C
= Temperatur masuk udara (0C)
= Temperatur udara keluar kolektor (0C)
Untuk menghitung efisiensi kolektor dipakai persamaan :
ηk = x 100% ………2.8
2. Energi untuk pengeringan jagung
Kebutuhan energi total untuk pengeringan jagung adalah jumlah dari kebutuhan
energi untuk memanaskan jagung, energi untuk memanaskan air yang dikandung jagung
dan energi untuk menguapkan air jagung. Massa jagung yang dipergunakan dalam
penelitian adalah 25kg dan setelah mengalami pengeringan menjadi 18,75 kg. Kadar air
awal jagung dalam penelitian adalah 37%, kadar air yang dikandung jagung setelah
mengalami pengeringan adalah 9-15 % (dianggap kering). Panas spesifik jagung adalah
3,98 kj/kg 0C.
= + + ……….2.9
Dimana,
=
Energi total untuk pengeringan jagung (kj)= Energi yang dipakai untuk memanaskan daun (kj)
= Energi yang dipakai untuk memanaskan air yang dikandung jagung (kj)
= Energi yang dipakai untuk penguapan (kj)
= ( - ) ………..……2.10
Dimana,
Cpj = Panas spesifik jagung ( kj/kg0C.)
Ti = Suhu jagung akhir (0C)
= diasumsikan sama dengan temperature udara keluar kolektor (420C)
T0 = Suhu jagung awal (0C)
= Diasumsikan sama dengan temperatur masuk (30,20C).
Maka,
Emd = ( 0,15 x 16,75 kg) x 3,98 kj/kg 0C (42 - 30,2) 0C
= 117,9 kj
Eair = Mair Cp.air ( Ti – To)………....……….2.11
Dimana,
Eair = Energi yang digunakan untuk memanaskan air (kj)
Mair = Massa air yan dikandung jagung (kg)
Cp.air = Panas spesifik jagung ( kj/kg0C.)
Ti = Temperatur akhir air dalam jagung ( 420C)
To = Temperatur awal air dalam jagung (30,20C)
Maka,
Eair = (0,37 x 25 kg) x 1,0059 kj/kg 0C. ( 42– 30,2) 0C
Ept = Mair x hfg ………..2.12
Dimana, hfg = Enthalpy penguapan (2419 kj/kg)
(Sumber : K.A.Kobe and R.E.Lynn.1993)
Dan selanjutnya harus diketahui berapa massa uap air yang akan dikeluarkan dari
25 kg jagung, yaitu dengan memakai persamaan :
Mair =
1 1 0
1 X
X X
−− x M b ...2.13
Dimana ,
Xo = Kadar air jagung awal
Xi = Kadar air jagung akhir
Mb = Massa jagung basah (kg)
Maka,
Mair = 25 kg
= 6,25 kg.
Maka ,
Ept = 6,47 kg x 2419 kj/kg
= 15481,6 kj
Maka kita dapat mengetahui harga Etot yaitu ;
Kaca
Solar Kolektor
Ud ara
luar
Drying chamber
α
Cerobong
isolator
Solar collector Glass cover
2.6 Aliran Fluida
Untuk menentukan koefisien gesek yang akan dipergunakan untuk menentukan
bilangan Reynolds jika penampang tempat saaluranya tidak berbentuk lingkaran di
dasarkan atas diameter hidraulik
)
.=
………..2.14
Dimana,
A = Luas penampang aliran (m2).
P = perimeter saluran udara (m).
Untuk menentukan bilangan Reynolds kita menggunakan,
Re = = ……… ...2.15
G =
………2.16
Dimana,
Re = Bilangan Reynold
ρ = Densitas (kg/m3)
V = Kecepatan aliran udara (m/s2)
μ =
Viskositas dinamik (kg/m.s)= Laju aliran masa (kg/s)
Computation fluid dinamic (CFD) menggunakan komputer dan matematika terapan untuk
memodelkan situasi aliran fluida. Tolak ukur keberhasilannya adalah bagaimana hasil
simulasi numerik sesuai dengan percobaan kasus alam dimana percobaan laboratorium
dapat dibentuk, dan bagaimana simulasi dapat memprediksikan fenomena yang sangat
kompleks yang tidak dapat diisolasi di laboratorium. CFD menjadi bagian terpadu dari
desain teknik dan lingkungan analisis dari beberapa perubahan karena kemampuannya
memprediksi kinerja rancangan baru atau proses sebelum diciptakan.
Dalam rancangan dan pengembangannya, program CFD dianggap sebagai alat numerik
standar yang memprediksikan bukan hanya cairan dari perilaku aliran, tetapi juga
pemindahan panas, massa (seperti pernafasan atau disolusi), perubahan fase (seperti
pembekuan, peleburan, dan pendidihan), reaksi kimia (pembakaran atau pengkaratan),
gerakan mekanik (seperti perputaran impeller, piston, kipas), dan tekanan atau deformasi
yang berkaitan dengan struktur padatan (seperti tekukan massa pada angin). Bidang
pengembangan CFD disamping proses produksi makanan dapat dilihat pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Aplikasi CFD dalam berbagai bidang (Bin Xia, Da-Wen Sun. 2002)
Aplikasi pada Industri
Aerospace
Arsitektur
Otomotif
Biomedis
Kimia dan Proses
Pembakaran
Elektonik dan Komputer
kaca manufaktur
HVAC (pemanasan, ventilasi, dan
pendingin)
Daya
Laut
Mekanais
Metalurgi
Nuklir
Kereta Desain
Mesin Turbo
Air
Aplikasi pada Lingkungan
Polusi Udara (atmosfir)
Perhitungan Iklim
Kebakaran pada Bangunan
Arus Laut
Pencemaran Perairan
Keselamatan
Aplikasi pada bidang
Kedokteran
Aliran Fluida Cadiovascular (jantung,
pembuluh darah)
Aliran Fluida di Paru-paru dan Pernafasan
CFD tumbuh dari pendekatan matematika yang menjadi alat penting dalam hampir setiap
cabang dinamika fluida. Ini memungkinkan untuk analisa yang lebih mendalam terhadap
mekanika fluida dan efek local dalam sejumlah peralatan. Sebagian hasil CFD akan
memberikan kinerja penting, kehandalan yang lebih baik serta peningkatan kepercayaan,
perbaikan konsistensi produk, dan produktivitas pabrik yang tinggi. Keuntungan
menggunakan CFD dapat dikategorikan sebagai berikut :
Memberikan pemahaman yang rinci tentang distribusi aliran, penurunan berat, pemindahan
manjer pabrik pemahaman yang lebih baik dan lebih mendalam dari apa yang terjadi dalam
proses atau sistem.
Memungkinkan untuk mengevaluasi perubahan geometrik dengan sedikit waktu dan biaya
bila dibandingkan dengan pengujian di laboratorium.
Dapat menjawab beberapa pertanyaan “Bagaimana seandainya” dalam waktu singkat.
Mampu untuk mengurangi permasalahan scale-up karena model didasarkan pada fisika
fundamental dan independensi skala.
Dapat digunakan mensimulasikan kondisi yang khusus yang tidak dapat dilakukan secara
eksperiment seperti pada temperatur sangat tinggi atau pada kondisi yang berbahaya seperti
di dalam oven.
Banyak proses produksi makanan seperti pendinginan, pengeringan,
pemanggangan, pencampuran, pembekuan, pemasakan, pasteurisasi dan sterilisasi
bekerja berdasarkan prinsip aliran fluida. Penggunaan CFD pada industri makanan telah
memberikan wawasan baru terhadap insinyur pangan dan pemahaman terhadap kinerja
kemungkinan peralatan makanan pada tahap desain dan kepercayaan terhadap kualitas
atau keamanan produk makanan (FRPERC, 1995). Peralatan seperti oven, alat penukar
panas, lemari display pendingin dan pengering spray telah ditingkatkan melalui
penerapan teknik CFD dalam membantu menjelaskan dari operasi mereka dan proses
desain. CFD telah menjadi alat yang ampuh dalam pembangunan, trouble shooting dan
optimasi proses makanan.
BAB III
manjer pabrik pemahaman yang lebih baik dan lebih mendalam dari apa yang terjadi dalam
proses atau sistem.
Memungkinkan untuk mengevaluasi perubahan geometrik dengan sedikit waktu dan biaya
bila dibandingkan dengan pengujian di laboratorium.
Dapat menjawab beberapa pertanyaan “Bagaimana seandainya” dalam waktu singkat.
Mampu untuk mengurangi permasalahan scale-up karena model didasarkan pada fisika
fundamental dan independensi skala.
Dapat digunakan mensimulasikan kondisi yang khusus yang tidak dapat dilakukan secara
eksperiment seperti pada temperatur sangat tinggi atau pada kondisi yang berbahaya seperti
di dalam oven.
Banyak proses produksi makanan seperti pendinginan, pengeringan,
pemanggangan, pencampuran, pembekuan, pemasakan, pasteurisasi dan sterilisasi
bekerja berdasarkan prinsip aliran fluida. Penggunaan CFD pada industri makanan telah
memberikan wawasan baru terhadap insinyur pangan dan pemahaman terhadap kinerja
kemungkinan peralatan makanan pada tahap desain dan kepercayaan terhadap kualitas
atau keamanan produk makanan (FRPERC, 1995). Peralatan seperti oven, alat penukar
panas, lemari display pendingin dan pengering spray telah ditingkatkan melalui
penerapan teknik CFD dalam membantu menjelaskan dari operasi mereka dan proses
desain. CFD telah menjadi alat yang ampuh dalam pembangunan, trouble shooting dan
optimasi proses makanan.
BAB III
3.1 Computational Fluid Dynamics (CFD)
Dalam aplikasinya, aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu fenomena yang
sangat banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya pengkondisian udara bagi
bangunan dan mobil, pembakaran di motor bakar dan sistem propulsi, interaksi berbagai
objek dengan udara atau air, aliran kompleks pada penukar panas dan reactor kimia, dan
lain sebagainya, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk
kebutuhan penelitian tersebut bahkan sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan
suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka
berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics (CFD) yang
dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik.
3.1.1 Pengertian Umum CFD
Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut :
- Computational : segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik
atau komputasi
- Fluid Dynamics : dinamika dari segala sesuatu yang mengalir.
Ditinjau dari istilah di atas, maka CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang
memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat yang mengalir.
Maka secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida,
perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan
persamaan matematika (model matematika). Pada dasarnya,
persamaan-persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan-persamaan-persamaan-persamaan
diferensial parsial atau dikenal dengan istilah PDE (Partial Differential Equation) yang
mempresentasikan hukum-hukum kekekalan massa (kontinuitas), momentum dan energi
Pengembangan sebuah perangkat lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan
untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda
bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dan struktur, dan sistem akustik
hanya dengan permodelan di komputer. Dengan menggunakan software ini dapat dibuat
virtual prototype dari sebuah system atau alat yang ingin dianalisa dengan menerapkan
kondisi nyata di lapangan. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan
data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi
keandalan sistem yang akan didesain.
3.1.2 Penggunaan CFD
Dalam aplikasinya CFD dapat dipergunakan bagi :
- Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman.
- Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya.
- Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan.
- Bidang petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery.
- Bidang kedokteran untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodynamics)
- Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan terjadinya bencana alam.
- Analis failure untuk mencari sumber-sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem
pembakaran atau aliran uap panas.
- Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan
yang diakibatkannya.
Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut :
1. Studi konsep dari desain baru
2. Pengembangan produk secara detail
3. Analisis kegagalan atau troubleshouting
4. Desain ulang (re-design)
Ditinjau dari segi manfaat terdapat tiga hal yang merupakan alasan kuat kenapa
harus menggunakan CFD, yakni :insight, foresight, dan efficiency.
1) Insight – Pemahaman Mendalam
Apabila dalam mendesain sebuah system atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya
atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk digunakan
secara virtual ke dalam alat/sistem yang dapat disaksikan melalui CFD yang belum
tentu dapat dilihat dengan cara lainnya.
2) Foresight – Prediksi Menyeluruh
Dikarenakan CFD adalah alat untuk memprediksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem
yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas, maka dapat ditentukan desain
yang optimal.
3) Efficiency – Efisiensi Waktu dan Biaya
Foresight yang diperoleh dari CFD dapat membantu untuk mendesain lebih cepat dan
lebih hemat biaya. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain
sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai ke pasaran.
3.1.4 Proses Simulasi CFD
Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan
simulasi CFD, yaitu sebagai berikut :
1) Preprocessing
Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model
CFD. Teknisnya adalah membuat membuat model dalam paket CAD (Computer Aided
Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat
fluidanya.
Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada
saat preprocessing.
3) Postprocessing
Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini
adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa
gambar, kurva , dan animasi.
Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu
sebagai berikut :
1) Pembuatan geometri dari model/problem
2) Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing)
3) Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan-persamaan gerak + entalpi + konversi
species (zat-zat yang kita definisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan)
4) Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termasuk didalamnya sifat-sifat dan perilaku dari
batas-batas model/problem. Untuk kasus transient, kondisi awal juga didefinisikan.
5) Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iterative, bisa
dalam kondisi tunak (steady state) atau transient.
6) Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.
3.1.5 Metode Diskritisasi CFD
Secara matematis CFD mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari
kontinuitas, momentum dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar linear.CFD
merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak
terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).
Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan
diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah :
- Metode beda hingga (finite difference method)
- Metode volume hingga (finite volume method)
- Metode elemen batas (boundary element method)
- Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method)
Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menentukan kestabilan dari program
numerik/CFD yang dibuat atau program software yang ada. Oleh karenanya diperlukan
kehati-hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang
kosong atau diskontinu.
3.2 Pengenalan FLUENT
Salah satu software yang digunakan dalam pengembangan kode CFD adalah
FLUENT, yaitu satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga
(finite volume method). FLUENT menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga
dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur
sekalipun dengan cara yang realtif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh FLUENT
adalah tipe 2D triangular-quadritelar, 3D tetrahedral-hexahedral-pyramid-wedge, dan
mesh campuran (hybrid). FLUENT juga memungkinkan untuk memperhalus atau
memperbesar mesh yang sudah ada.
Bahasa program FLUENT ditulis dalam bahasa C, sehingga memiliki struktur data
yang efisien dan lebih fleksibel. FLUENT juga dapat digunakan bersama dengan
arsitektur klien/server, sehingga dapat dijalankan sebagai proses terpisah secara simultan
pada klien desktop workstation dan computer server. Semua fungsi yang dibutuhkan
untuk menghitung suatu solusi dan menampilkan hasilnya dapat diakses pada FLUENT
melalui menu yang interaktif.
Beberapa alasan mengapa menggunakan FLUENT yaitu :
- FLUENT mudah untuk digunakan
- Model yang realistik (tersedia berbagai pilihan solver)
m
- Cepat dalam penyajian hasil (bisa dengan parallel komputer)
- Visualisasi yang mudah dimengerti
3.2.1 Struktur Program FLUENT
Dalam satu paket program FLUENT terdapat beberapa produk, yaitu :
- FLUENT
- prePDF, merupakan preprocessor untuk memodelkan pembakaran non-premixed pada
FLUENT.
- GAMBIT, merupakan preprocessor tambahan yang dapat membuat volume mesh dari
boundary mesh yang sudah ada.
- Filter untuk mengimpor mesh permukaan dan atau volume dari program CAD/CAE
seperti ANSYS, CGNS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN dll.
Geometri dan mesh dapat dibuat menggunakan GAMBIT. Selain itu, dapat juga
menggunakan Tgrid untuk membuat mesh volume triangular, tetrahedral, atau hybrid
dari mesh bidang yang sudah ada.Struktur dari komponen tersebut dapat dilihat pada
Gambar 3.1.
GAMBIT - Setup geometri
- Pembuatan
- Perhitungan dari
look-up tables
FLUENT
- Impor&adaptasi mesh
- Pemodelan fisik
- Kondisi batas
- Sifat-sifat material
- Perhitungan
Gambar 3.1 Struktur Komponen Program FLUENT
3.2.2 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT
Ada beberapa hal yang harus diperhatikan ketika akan meyelesaikan suatu kasus
dengan menggunakan FLUENT, yaitu :
1) Menentukan tujuan pemodelan
2) Pemilihan model komputasional
3) Pemilihan model fisik
4) Penentuan prosedur
Setelah merencanakan analisis CFD pada model, maka langkah-langkah umum
penyelesaian analisis CFD pada FLUENT sebagai berikut :
1) Membuat geometri dan mesh pada model
2) Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D)
3) Mengimpor mesh model (grid)
4) Melakukan pemeriksaan pada mesh model
5) Memilih formulasi solver
6) Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisis, misalnya : laminar, turbulen,
reaksi kimia, perpindahan kalor dan lain-lain.
7) Menentukan sifat material yang akan dipakai
8) Menentukan kondisi batas
TGrid
- Mesh triangular 2D
- Mesh tetrahedral 3D
9) Mengatur parameter kontrol solusi
10) Initialize the flow field
11) Melakukan perhitungan/iterasi
12) Memeriksa hasil iterasi
13) Menyimpan hasil iterasi
14) Jika perlu, memperhalus grid kemudian dilakukan iterasi ulang untuk mendapatkan hasil
yang lebih baik.
Mulai Pembuatan geometri (memasukkan
Pendefinisian bidang batas
Pengecekan mesh
Mesh bai
Ti
Y Data sifat fisik
Fluida (udara) Solid (gelas
Gambar 3.2 Diagram Alir Prosedur Simulasi
3.3 Pendekatan Numerik pada CFD FLUENT
3.3.1 Ketentuan Matematis
- Memungkinkan dimana, jumlah vektor yang diperlihatkan dengan bentuk tanda panah
(misalnya; , ). Sebagai pengganti untuk vektor dan matriks yang diaplikasikan kedalam
persamaan linear (misalnya; matriks identitas, I).
Penentuan kondisi batas
Proses numerik
Iterasi ero
Plot distribusi Tekanan, Temperatur, Y
Ti
- Lambang operator ∇, menunjukkan seperti gradien, yang menwakili jumlah bentuk derivatif
parsial yang berkaitan dengan semua arah yang dipilih dalam sistem koordinat. Didalam
koordinat Cartesian, ∇ didefinisikan menjadi :
+ + ……….………(3.1)
Lambang ∇ ditunjukkan dalam beberapa cara :
• Gradien jumlah vektor skalar dari komponen parsial derivatif,
∇p= + + ……….(3.2)
• Gradien jumlah vektor persamaan tensor orde tingkat kedua,
∇ = ..……..(3.3)
Persamaan tensor ini biasanya ditulis dalam bentuk :
………….…….………..…...(3.4)
∇ = ……….….(3.5)
• Bentuk operator ∇.∇, dimana biasanya ditulis dalam bentuk dan dikenal sebagai
persamaan Laplace :
= + + ………....(3.6)
berbeda dengan bentuk , dimana didefinisikan sebagai :
= + + …………...…(3.7)
- Sebuah pengecualian untuk penggunaan pada tekanan Reynolds, dimana ketentuan ini
digunakan pada notasi tensor Cartesian. Dalam hal ini, kita juga dapat mencari beberapa
komponen vektor kecepatan yang ditulis seperti , ,dan .
3.3.2 Persamaan Kontinuitas, Momentum dan Energi
Untuk semua aliran, FLUENT memecahkan persamaan kekekalan untuk massa dan
momentum. Untuk aliran menyertakan perpindahan panas atau bersifat kompresibel, dipecahkan
sebuah persamaan tambahan untuk kekekalan energi. Penambahan persamaan transport juga
dipecahkan ketika aliran adalah turbulen.
- Persamaan kekekalan massa
Persamaan kekekalan massa, atau persamaan kontinuitas, dapat ditulis sebagai berikut :
+∇.(ρ )= ………...(3.8)
aliran inkompressibel maupaun kompressibel. Sumber adalah massa yang ditambah untuk
fase terus-menerus.
Untuk geometri dua dimensi, persamaan kontinuitas sebagai berikut :
(C.R.Chen and Nguyen Vu Lan. 2009)
= ….…………(3.9)
Dimana, adalah koordinat aksial, adalah koordinat radial, adalah kecepatan aksial, dan
adalah kecepatan radial.
- Persamaan kekekalan momentum
Kekekalan momentum inersia (tanpa percepatan) sebagai acuan diuraikan :
(C.R.Chen and Nguyen Vu Lan. 2009)
+∇. = −∇p+∇. +ρ + ……….(3.10
Dimana, padalah tekanan statis, tegangan tensor, ρ dan adalah gaya gravitasi benda dan
gaya eksternal benda.
Tegangan tensor diberikan oleh : (C.R.Chen and Nguyen Vu Lan. 2009)
=μ ………...(3.11)
Dimana, μ kecepatan molekul, I adalah unit tensor, dan masa kedua pada sisi sebelah kanan
efek dilatasi volume.
Untuk bidang dua dimensi, persamaan kekekalan momentum aksial dan radial, sebagai
berikut : (C.R.Chen and Nguyen Vu Lan. 2009)
− + ....(3.12)
Dan
+ + =−
...(3.13)
Dimana :
∇. = ...………..(3.14)
Dan adalah kecepatan putaran.
- Persamaan energi
FLUENT memecahkan persamaan energi dalam bentuk berikut : (C.R.Chen and Nguyen Vu
Lan. 2009)
+∇.( )=∇ + …..……(3.15)
Dimana, adalah konduktivitas efektif , dimana adalah konduktivitas panas
turbulen, didefinisikan menurut bentuk turbulen yang digunakan), dan adalah flux difusi
jenis j.
termasuk pada persamaan panas reaksi kimia dan persamaan panas volumetrik lainnya.
Dalam persamaan (4.15) : E=h − + ………..(3.16)
Dimana, enthalpy h didefinisikan untuk gas ideal yaitu :
Dan untuk aliran kompresibel yaitu :
h = + ………...…………(3.18)
Dalam persamaan tersebut, adalah fraksi massa dan,
………...……(3.19)
Dimana, adalah 298,15 K.
3.3.3 Fisik Aliran Kompresibel
Aliran kompresibel secara khas dikarakteristikkan oleh tekanan total dan
temperatur total pada aliran. Untuk gas ideal, jumlah ini dapat menjadi hubungan
untuk tekanan statis dan temperatur sebagai berikut :
(C.R.Chen and Nguyen Vu Lan. 2009)
= exp ( )…...(3.20)
Untuk ,konstan, maka persamaan menjadi :
= …………...……...(3.21)
= ………..(3.22)
Aliran turbulen dikenali dengan adanya medan kecepatan yang berfluktuasi.
Fluktuasi kecepatan tersebut membawa berbagai besaran seperti momentum, energi,
konsentrasi partikel, sehingga besara tersebut juga ikut berfluktuasi.
FLUENT menyediakan beberapa model turbulensi, yaitu :
• Model Spalart-Allmaras
• Model k-epsilon (k – ε) o Standardk – ε
o Renormalization-group (RNG)
o Realizable k – ε
• Model k-omega (k – ω)
o Standardk – ω
o Shear-stress transport (SST)
• Model Reynolds stress (RSM)
o Model Linear pressure-strain RSM
o Model Quadratic pressure-strain RSM
o Model Low-Re stress-omega RSM
• Model Large Eddy Simulation (LES) – khusus 3 dimensi
- Persamaan transport model Standardk – ε
Model ini merupkan model semi empiris yang dikembangkan Launder&Spalding. Merupakan
model turbulensi yang cukup lengkap dengan dua persamaan yang memungkinkan kecepatan
turbulen (turbulent velocity) dan skala panjang (length scales) ditentukan secara independen.
Energi kinetik turbulen k, dan nilai disipasi ε, diperoleh dari mengikuti persamaan
+ =
+ + −ρε− + ………(3.23)
Dan
……(3.24)
Dalam persamaan ini :
: mewakili generasi energi kinetik turbulen yang merupakan gradient kecepatan
rata-rata.
: mewakili generasi energi kinetik turbulen yang merupakan gaya apung (buoyancy).
: mewakili kontribusi fluktuasi dilatasi dalam kompresibel turbulen untuk angka
disipasi keseluruhan.
, , adalah konstan
dan angka Prandtl turbulen
dan adalah sumber yang didefinisikan pengguna.
- Bentuk viskositas turbulen
Bentuk turbulen atau viskositas Eddy , dikomputasi dengan kombinasi k – ε, sebagai berikut
:
………..(3.25)
Dimana, adalah konstan.
- Model konstan
, , , ,
Nilai tetap ini dideterminasi dari eksperimen udara dan air pada dasar aliran turbulen yang
homogen.
3.3.5 Persamaan Umum Transport Skalar, Diskritisasi dan Solusi
FLUENT menggunakan teknik basis volume control untuk mengkonversi persamaan
umum transport skalar ke sebuah persamaan aljabar yang dipecahkan secara numerik.
Teknik control volume ini terdiri dari integrasi persamaan transport masing-masing
control volume, yang menghasilkan persamaan diskrit yang menyatakan hukum
kekekalan pada basis control volume.
Diskritisasi persamaan pembentuk aliran dapat dengan sangat mudah diilustrsikan dengan
mempertimbangkan persamaan kekekalan unsteady untuk jumlah transport skalar ϕ ini dapat
ditunjukkan dengan mengikuti persamaan yang ditulis dalam bentuk integral pada volume
control V sebagai berikut :
(I.Dincer, A.Z.Sahin.2004)
………..(3.26)
Dimana :
ρ = massa jenis
= kecepatan vector dalam dua dimensi
= area permukaan vector
=koefisien difusi untuk
=gradien dalam dua dimensi
Persamaan (3.26) diaplikasikan untuk masing-masing volume control, atau cell dalam
domain komputasi. Diskritisasi persamaan (3.26) yang diberikan pada cell menghasilkan :
…………..(3.27)
Dimana :
= angka masukan bidang sell
=nilai konveksi melalui bidang
= fluks massa melalui bidang
=area bidang , , bidang 2 dimensi
= gradien , pada bidang
= volume sell
Gambar 3.3 Volume control digunakan untuk mengilustrasikan diskritisasi persamaan transport
skalar
3.3.6 Penyelesaian Persamaan Linear
Linearisasi bentuk persamaan (3.27) dapat ditulis sebagai berikut :
………..(3.28)
Dimana, subscript berkenaan pada sell yang dekat, dan dan adalah linearisasi
koefisien pada dan .
FLUENT memecahkan system linear menggunakan titik implicit (Gauss-Seidel) pemecah
persamaan linear bersama dengan metode multrigid aljabar (AMG).
3.3.7 Dasar Penyelesaian Tekanan (Pressure-Based Solver)
Bentuk praktis yang sangat mudah diuraikan dengan mempertimbangkan persamaan
kontinuitas dan momentum pada kondisi steady-state dalam bentuk integral : (I.Dincer,
A.Z.Sahin.2004)
………..(3.29)
..…………(3.30)
Dimana, I adalah matriks identitas, adalah tegangan tensor, dan adalah gaya vector.
- Diskritisasi persamaan kontinuitas
Persamaan (4.30) dapat diintegrasikan diluar control volume untuk menghasilkan persamaan
diskrit :
……….………(3.31)
Dimana, adalah fluks massa melalui permukaan
……….. (3.32)
Dimana, , dan , berturut-turut adalah tekanan dan kecepatan normal,
diantara kedua sell pada salah satu sisi bidang, dan menpunyai pengaruh kecepatan dalam
sell. Dan istilah adalah fungsi , rata-rata persamaan momentum koefisien pada sell
dalam salah satu bidang .
- Diskritisasi persamaan momentum
Sebagai contoh, persamaan momentum di dapat diperoleh dengan mengubah :
(I.Dincer, A.Z.Sahin.2004)
……….(3.33)
FLUENT menggunakan skema lokasi, dimana tekanan dan kecepatan keduanya disimpan
pada pusat sell. Bentuk tetap skema interpolasi nilai tekanan pada permukaan menggunakan
koefisien persamaan momentum dalam FLUENT yaitu : (I.Dincer, A.Z.Sahin.2004)
……….(3.34)
Prosedur ini bekerja sejauh variasi tekanan diantara pusat sell adalah licin.
3.3.8 Diskritisasi (Metode Interpolasi)
Pada dasarnya, FLUENT hanya menghitung pada titik-titik simpul mesh geometri,
sehingga pada bagian di antara titik simpul tersebut harus dilakukan interpolasi untuk
mendapatkan nilai kontinyu pada sluruh domain.
Terdapat beberapa skema interpolasi yang sering digunakan yaitu :
- First-order upwind scheme
Skema interpolasi yang paing ringan dan cepat mencapai konvergen, tetapi ketelitiannya
hanya orde satu. Ketika skema ini dipilih, nilai bidang dalah sama dengan nilai pusat
Skema ini memungkinkan digunakan pada penyelesaian berbasis tekanan dan rapatan
(density)
- Second-order upwind scheme
Menggunakan persamaan yang lebih teliti sampai orde 2, sangat baik digunaan pada mesh
tri/tet dimana arah aliran tidak sejajar dengan mesh.Karena metode interpolasi yang
digunakan lebih rumit, maka lebih lambat mencapai konvergen.
Ketika skema ini dipilih, nilai bidang dikomputasi mengikuti bentuk :
………...(3.35)
Dimana, dan adalah nilai pusat sell dan gradient dalam sellupstream, dan adalah vektor
perpindahan dari pusat luasan sell upstream ke bidang pusat luasan.
- Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) scheme
Diaplikasikan untuk mesh quad/hex dan hybrid, tetapi jangan digunakan untuk elemen mesh
tri, dengan alian fluida yang berputar/swirl. Ketelitiannya mencapai orde 3 pada ukuran mesh
yang seragam.
Untuk bidang e pada Gambar 3.4, jika aliran dari kiri ke kanan, seperti itu nilai dapat ditulis
sebagai berikut : (I.Dincer, A.Z.Sahin.2004)
