KAJIAN NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL PROSES
PERPINDAHAN PANAS DAN PERPINDAHAN MASSA
PADA PENGERINGAN
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ARY SANTONY NIM. 090401003
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang memberikan limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan sebaik mungkin.
Skripsi ini berjudul “KAJIAN NUMERIK DAN EKSPERIMENTAL PROSES PERPINDAHAN PANAS DAN PERPINDAHAN MASSA PADA PENGERINGAN”. Skripsi ini disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Proses penyusunan skripsi dari awal hingga selesai yang penulis lakukan dapat terlaksana berkat bantuan dan dukungan dari semua pihak. Untuk itulah, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang mendalam dan setulusnya kepada :
1. Kedua orang tua penulis yang telah memberikan rasa cinta dan kasih sayangnya yang sangat besar kepada penulis sehingga pengerjaan skripsi ini dapat berjalan dengan baik.
2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT, selaku dosen pembimbing penulis yang telah meluangkan waktu untuk memberikan arahan dan bimbingan ilmu kepada penulis
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
4. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku Sekertaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara
5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah membimbing, membantu dan mengajari penulis selama kuliah serta dalam penyelesaian skripsi ini.
6. Seluruh teman–teman stambuk 2009, khusunya Indro, Juliono, Tri Septian, Ramadhan, Rian, Zuhdi, Chabib, Stefanus dan semua teman– teman stambuk 09 yang telah memberikan ilmu, motivasi dan dorongan kepada penulis .
motivasi kepada penulis.
8. Seluruh pihak yang banyak membantu penulis dalam pengerjaan skripsi ini .
Semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat dan ilmu bagi penulis– penulis khususnya dan bagi masyarakat pada umumnya. Penulis dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun dari pembaca .
Medan, Juli 2014
ARY SANTONY 090401003
ABSTRAK
Pengeringan merupakan proses perpindahan panas dan uap air secara simultan yang memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air dari bahan yang akan dikeringkan. Penelitian ini dilakukan dengan cara eksperimen dan simulasi. Produk hasil pertanian, yaitu kentang dipilih sebagai objek penelitian ini. Penelitian secara eksperimen dilakukan dengan mengalirkan udara panas ke arah kentang dengan kecepatan, temperatur dan RH konstan. Kemudian data temperatur serta massa yang berubah pada kentang diukur dan dicatat secara otomatis menggunakan Agilent dan Load Cell. Selain melakukan eksperimen, penelitian ini juga melakukan simulasi untuk menampilkan distribusi temperatur yang terjadi pada kentang selama pengeringan dan membandingkan hasil yang diperoleh secara numerik dengan hasil yang diperoleh secara eksperimen. Simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak CFD yaitu Ansys Fluent 14.5. Pada hasil eksperimen, diperoleh bahwa temperatur cenderung meningkat apabila waktu pengeringan bertambah. Temperatur awal kentang adalah 301,11K. Temperatur tertinggi setelah dua jam melakukan pengeringan terletak pada permukaan kentang, yaitu 316,304 K. Sedangkan temperatur pada titik tersebut yang diperoleh dari hasil simulasi adalah 316,972 K. Pada eksperimen, massa kentang cenderung berkurang apabila waktu pengeringan bertambah. Massa awal kentang sebelum dikeringkan adalah 75 gr. Hasil pengukuran massa kentang setelah dua jam melakukan pengeringan adalah 63 gr. Sedangkan massa kentang yang diperoleh dari hasil simulasi adalah 66,58 gr. Sehingga diperoleh ralat antara hasil eksperimen dan numerik berturut-turut pada pengukuran temperatur dan massa adalah 0,21% dan 5,09%.
ABSTRACT
Drying is simultaneously heat and vapor transfer process that needed heat energy to evaporate the moisture from the object that needed to be dried. This research is done by experiment and simulation. The agriculture product, i.e potato is chosen as the object for research. The experiment does by flowing hot air to the potato with fix velocity, temperature and RH. Then, the change of temperature and mass data will be measured and recorded automatically with Agilent and Load Cell. Beside of experiment, simulation also done to show the temperature distribution on potato during drying and compare the result that obtained from numeric and result that obtained from experiment. Simulation is done by CFD software, it is Ansys Fluent 14.5. For experiment result, temperature increase when drying time increase. The initial temperature of potato is 301,11 K. The highest temperature after two hours drying process locates at potato surface, it is 316,304 K. Whereas the temperature that obtained from simulation is 316,972 K. In experiment, the mass of potato decrease when drying time increase. The initial mass of potato before drying is 75 gr. The result mass of potato after two hours drying process is 63 gr. While the mass of potato that obtained from simulation result is 66,58 gr. So the error of experiment result and numeric in order for temperature measurement and mass is 0,21% and 5,09%.
Keyword : drying, heat transfer, evaporation, CFD
DAFTAR ISI
2.2 Faktor yang Mempengaruhi Pengeringan ... 6
2.3 Jenis-jenis Alat Pengeringan ... 8
2.4 Tinjauan Perpindahan Panas ... 13
2.4.1 Konduksi ... 13
2.4.2 Konveksi ... 14
2.4.3 Radiasi ... 20
2.5 Analogi Perpindahan Massa (Difusi) dan Perpindahan Panas .. 20
2.5.1 Konsentrasi ... 22
2.6.1 Perpindahan Massa Konduksi ... 24
2.4.2 Perpindahan Massa Konveksi ... 29
2.7 Psikometrik ... 34
2.7.1 Rasio Humiditas (Humidity Ratio) ... 34
2.7.2 Humiditas Relatif (Relative Humidity, RH) ... 35
2.7.3 Humiditas Spesifik ... 36
2.8 Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 36
2.8.1 Penggunaan CFD ... 36
2.8.2 Manfaat CFD ... 37
2.8.3 Metode Diskritisasi CFD ... 37
2.9 Persamaan Umum untuk Aliran Fluida ... 38
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 46
3.1 Tempat dan Waktu ... 46
3.6 Prosedur Penelitian dan Simulasi ... 52
3.6.1 Studi Literatur ... 54
3.6.2 Eksperimen dan Pengumpulan Data ... 54
3.6.3 Simulasi Secara CFD ... 54
3.6.4 Analisa Data ... 54
3.6.5 Penarikan Kesimpulan ... 54
3.7 Prosedur Eksperimental ... 55
3.8 Prosedur Numerik ... 59
4.1 Analisa Perpindahan Panas dan Perpindahan Massa pada Kentang ... 69
4.1.1 Sifat Udara ... 69
4.1.2 Temperatur pada Kentang ... 70
4.1.3 Perubahan Massa pada Kentang ... 72
4.2 Validasi Terhadap Eksperimen ... 74
4.3 Analisis Perpindahan Panas dan Perpindahan Massa Teoritis . 85 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 88
5.1 Kesimpulan ... 88
5.2 Saran ... 88
DAFTAR PUSTAKA ... xiii
LAMPIRAN 1 DATA PERUBAHAN MASSA KENTANG SELAMA PROSES PENGERINGAN PADA TANGGAL 12 MEI 2014 LAMPIRAN 2 DATA PERHITUNGAN PERUBAHAN MASSA KENTANG
SECARA TEORITIS SELAMA DUA JAM PROSES PENGERINGAN PADA TANGGAL 12 MEI 2014
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.6 Perpindahan panas secara konduksi ... 13
Gambar 2.7 Proses perpindahan panas konveksi ... 14
Gambar 2.8 Daerah batas laminar dan turbulen suatu aliran plat ... 15
Gambar 2.9 Grafik yang menunjukkan koefisien perpindahan panas rata-rata untuk plat datar dengan campuran antara aliran laminar dan turbulen ... 17
Gambar 2.10 Konveksi natural yang terjadi pada telur panas ... 18
Gambar 2.11 Perpindahan massa air secara konduksi melalui benda padat ... 21
Gambar 2.12 Perpindahan massa uap air secara konveksi dari permukaan ke aliran udara ... 21
Gambar 2.13 Zat A berdifusi dalam zat B (sebagai medium) dalam satuan volume... 22
Gambar 2.14 Perpindahan massa secara konduksi ... 25
Gambar 2.15 Temperatur dan konsentrasi pada bidang batas dua medium ... 27
Gambar 2.16 Uap cairan berdifusi ke dalam gas ... 28
Gambar 2.17 Kekekalan massa pada elemen dua dimensi ... 39
Gambar 2.18 Komponen gaya sejajar sumbu-x pada elemen 2 dimensi 41 Gambar 2.19 Komponen kerja dan panas pada sebuah elemen ... 42
Gambar 3.1 Kentang sebelum dipotong ... 46
Gambar 3.2 Kentang setelah dipotong dan dibentuk ... 46
Gambar 3.3 Agilent ... 47
Gambar 3.4 Aluminium S Type Load Cell ... 47
Gambar 3.5 RH Meter ... 48
Gambar 3.6 Electric Hot Air Generation TSK-10 ... 49
Gambar 3.7 Stabilizer ... 50
Gambar 3.8 Drying Chamber ... 51
Gambar 3.9 Sterefoam yang sudah dibentuk ... 51
Gambar 3.10 Diagram Alir Pengerjaan Penelitian... 53
Gambar 3.11 Penyambungan blower, stabilizer, drying chamber dan Load cell ... 55
Gambar 3.12 Pengaturan interval waktu RH meter di komputer ... 55
Gambar 3.13 Pemasangan RH meter di drying chamber... 56
Gambar 3.14 Pemasangan termokopel pada kentang ... 56
Gambar 3.15 Pengaturan interval waktu load cell di komputer ... 57
Gambar 3.16 Blower diaktifkan selama 10 menit... 57
Gambar 3.17 Kentang digantungkan pada Load cell ... 58
Gambar 3.18 Pengambilan data RH meter di komputer ... 58
Gambar 3.19 Pemodelan geometri dengan software Gambit 2.4 ... 59
Gambar 3.20 Tampilan mesh yang telah dibuat dengan software Gambit 2.4 ... 60
Gambar 3.21 Letak kondisi batas pada model ... 60
Gambar 3.22 Dinding kopel antara fluida dan solid ... 61
Gambar 3.23 Mengaktifkan tipe time transient dan gravitasi ... 62
Gambar 3.24 Mengaktifkan species transport ... 63
Gambar 3.25 Penentuan jenis model aliran ... 63
Gambar 3.26 Pengaturan material mixture ... 64
Gambar 3.27 Penentuan RH fluida masuk dari perhitungan fraksi massa ... 65
Gambar 3.28 Penentuan jenis solution method ... 66
Gambar 3.29 Proses iterasi ... 66
Gambar 4.1 Drying chamber dan kentang ... 68
Gambar 4.2 Titik termokopel pada kentang... 68
Gambar 4.3 Sifat udara pada tanggal 12 Mei 2014... 69
Gambar 4.5 Distribusi kontur temperatur awal pada kentang ... 71 Gambar 4.6 Kontur temperatur pada kentang yang diperoleh dari
hasil simulasi setelah 600 detik proses pengeringan ... 71 Gambar 4.7 Kontur temperatur pada kentang yang diperoleh dari
hasil simulasi setelah 3600 detik proses pengeringan ... 72 Gambar 4.8 Kontur temperatur pada kentang yang diperoleh dari
hasil simulasi setelah 7200 detik proses pengeringan ... 72 Gambar 4.9 Perubahan massa kentang selama proses pengeringan .... 73 Gambar 4.10 Hasil akhir kentang yang dikeringkan... 73 Gambar 4.11 Grafik perbandingan temperatur antara hasil dari analisa
numerik dan hasil eksperimen yang dilakukan pada
tanggal 12 Mei 2014 ... 74 Gambar 4.12 Grafik perbandingan massa antara hasil dari analisa
teoritis dan hasil eksperimen yang dilakukan pada
tanggal 12 Mei 2014 ... 82
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Konstanta untuk persamaan Hyland dan Wexler ... 36 Tabel 3.1 Kondisi Batas ... 61 Tabel 4.1 Perbandingan Data Temperatur Hasil Eksperimen dan
Hasil Numerik pada Tanggal 12 Mei 2014 ... 76 Tabel 4.2 Perbandingan Data Massa Hasil Eksperimen dan
DAFTAR SIMBOL
SIMBOL
ARTI
SATUAN
kon
Q Laju perpindahan panas konduksi W
k Konduktivitas thermal bahan W/m.K
A Luas penampang perpindahan panas m2
T Temperatur K
L Ketebalan dinding benda m
konv
Q Laju perpindahan panas konveksi W
h Koefisien konveksi W/m2.K
Re Bilangan Reynold -
ρ Massa jenis fluida kg/m3
U Kecepatan fluida mengalir m/det
µ Viskositas fluida N.det/m2
v Viskositas kinematik fluida m2/det
Pr Bilangan Prandtl -
Ra Bilangan Rayleigh -
L Dimensi geometri m
Gr Bilangan Grashof m/det2
g Percepatan gravitasi m/det2
p
c Panas spesifik kJ/kg.K
r
Q Laju perpindahan panas W
ε Emisivitas bahan -
σ Konstanta Boltzman (5,67 x 10-8) W/m2K4
ρ Kerapatan atau density kg/m3
m Massa kg
V Volume m3
w Fraksi massa -
C Konsentrasi mol mol/m3
N Jumlah mol mol
y Fraksi mol -
MR Berat molekul kg/mol
N Laju perpindahan massa mol/det
D Koeffisien difusi massa suatu zat m2/det
m Laju perpindahan massa kg/det
udara
h Koefisien konveksi perpindahan massa m/det
u
m Laju penguapan kg/det
µ Viskositas fluida N.det/m2
L
Q Panas laten W
fg
h Panas laten penguapan air J/kg
w Humidity Ratio kg uap air/kg udara
w
m Jumlah massa uap air kg uap air
a
m Jumlah massa udara kg udara
