Kajian Pola Sebaran Aliran Udara Panas Pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan Computational Fluid Dynamics

KAJIAN POLA SEBARAN ALIRAN UDARA PANAS

PADA MODEL PENGERING EFEK RUMAH KACA HIBRID

TIPE RAK BERPUTAR MENGGUNAKAN

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

PUJI WIDODO

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN

SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Kajian Pola Sebaran Aliran Udara Panas pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan Computational Fluid Dynamics adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal dan dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.

Bogor, 20 Agustus 2009

Puji Widodo

ABSTRACT

PUJI WIDODO. Study of heatflow distribution pattern on Hybrid Green-house Effect (GHE) Solar Dryer with Rotating Racks Type Using Computational Fluid Dynamics (CFD). Under supervision of DYAH WULANDANI and Y. ARIS PURWANTO

Uniformity of moisture content of product is one of the problem at GHE Solar Dryer with static racks type dan horizontal rotating racks type. The distribution of heatflow inside the chamber during drying period has an effect on the uniformity of moisture content in the product. The hypothesis in this study was the geometry of drying chamber as well as the position of inlet-outlet has an effect on the heatflow distribution in GHE.

The objective of this study were : 1) to study the heatflow distribution in GHE solar dryer with rotating racks by simulation model using computational fluid dynamic (CFD), 2) to validate the model, and 3) to design GHE solar dryer prototype, and 4) to simulate of heatflow distribution inside GHE prototype.

There were 6 scenarios of GHE solar dryer model that simulated based on outlet form and inlet position. The parameter for simulation process were solar radiation, airflow velocity, ambient relative humidity, and drying chamber boundary condition. The solar dryer model was selected based on the CFD analysis which resulted the higest average temperature.

It was found that Scenario 5 resulted the average temperature of 43.5oC with standard deviation 2.2oC and average airflow velocity of 0.13m/s with standard deviation 0.15m/s . Validation of temperature at scenario 5 for three experiments resulted the absolute percentage determination (APD) of 0.36%, 1.97%. dan 2.42%. For airflow velocity resulted APD of 0.38%, 0.33% and 0.76%. Relative humidity resulted APD of 0.38%, 0.36% dan 0.76%.

Based on these results, the GHE solar dryer was then designed and constructed. The prototype of GHE solar dryer with rotating racks has dimention of 250x150x190 cm, has 3 silinders , 48 racks, 3 fans and 3 radiators with the capasity of 100 kg of products. The simulation using CFD for the prototype of GHE solar dryer showed that the average temperature distribution was 53.6oC with standard deviation of 1.28oC and the average velocity distribution of 0.30m/s with standartd deviation of 0.2m/s.

Key words : GHE solar dryer, computational fluid dynamic, drying process, ,

simulation model of GHE.

RINGKASAN

PUJI WIDODO. Kajian Pola Sebaran Aliran Udara Panas Pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan Computational Fluid

Dynamics (CFD). Dibimbing oleh DYAH WULANDANI dan Y ARIS

PURWANTO.

Keseragaman kadar air akhir produk yang dikeringkan masih menjadi masalah yang banyak dijumpai pada pengering ERK tipe rak statis dan rak yang berputar secara horisontal. Keseragaman kadar air produk ini akan berpengaruh terhadap kualitas produk. Salah satu penyebabnya adalah distribusi aliran udara panas yang tidak merata di dalam ruang pengering selama proses pengeringan.

Distribusi aliran udara panas diduga dipengaruhi oleh bentuk geometri ruang pengering dan posisi penempatan inlet-outlet. Analisis CFD dapat digunakan untuk menentukan model distribusi suhu yang terbaik melalui simulasi dan validasi model pengering.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkaji pola aliran udara optimal model pengering efek rumah kaca tipe rak berputar dengan melakukan simulasi menggunakan software Gambit dan Fluent; Menguji dan menvalidasi model pengering efek rumah kaca; Merancang prototipe pengering ERK dan melakukan simulasi pola aliran udara pada prototipe pengering ERK.

Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan model Gambit dan simulasi Fluent dalam 6 skenario alat pengering berdasarkan bentuk geometri ruang pengering dan posisi inlet-outlet agar diperoleh model pengering ERK hibrid yang optimum. Variabel input dalam proses simulasi meliputi : iradiasi matahari, suhu, kecepatan aliran udara, sifat-sifat udara dan material pengering.

Berdasarkan analisis CFD kemudian ditentukan pemilihan model secara kuantitatif didasarkan pada rata-rata simulasi CFD suhu tertinggi dan digunakan sebagai acuan dalam pembuatan model ERK hibrid tipe rak berputar skala labolatorium.

Validasi simulasi dilakukan dengan membandingkan nilai suhu dan kecepatan udara antara hasil pengukuran dengan hasil simulasi dari model pengering yang optimum. Validasi suhu Skenario 5 yang dilakukan dengan 3 kali percobaan diperoleh hasil bahwa nilai simpangan mutlak 0.36% , 1.97% dan 2.42%, sedangkan validasi kecepatan aliran udara diperoleh simpangan mutlak 0.38%, 0.33% dan 0.76% serta validasi kelembaban udara diperoleh bahwa simpangan mutlak 0.38%, 0.36% dan 0.76%.

Hasil validasi distribusi suhu, kecepatan dan kelembaban udara digunakan sebagai pertimbangan untuk membuat rancangan pengering ERK hibrid tipe rak berputar skala lapang. Rancangan pengering ERK hibrid tipe rak berputar skala lapang memiliki kapasitas pengeringan 100 kg produk dan memiliki dimensi panjang, lebar dan tinggi berturut-turut 250, 150 dan 180 cm, di dalam ruang pengering terdapat 3 silinder sebagai tempat bergantung 48 rak pengering, terdapat pula 3 kipas dan 3 radiator.

Simulasi suhu CFD pada pengering ERK hibrid tipe rak berputar skala lapang menunjukkan bahwa distribusi suhu rata-rata ruang pengering 53.6oC dengan deviasi standar 1.2oC dan distribusi kecepatan aliran udara rata-rata 0.30m/dt dengan deviasi standar 0.2 m/dt sehingga pengering ERK skala lapang ini sesuai untuk digunakan sebagai alat pengering cengkeh yang optimal.

@Hak Cipta milik IPB, tahun 2008 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang

1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa

mencantumkan atau menyebutkan nara sumber

a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyususnan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah

b. Pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya

KAJIAN POLA SEBARAN ALIRAN UDARA PANAS

PADA MODEL PENGERING EFEK RUMAH KACA HIBRID

TIPE RAK BERPUTAR MENGGUNAKAN

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

PUJI WIDODO F151070081

Tesis

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada

Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

Judul Tesis : Kajian Pola Sebaran Aliran Udara Panas Pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan

Computational Fluid Dynamics

Nama : Puji Widodo NRP : F151070081

Disetujui Komisi Pembimbing

Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si Dr. Ir. Y. Aris Purwanto,M.Sc

Ketua Anggota

Diketahui :

Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

Dr.Ir. Radite P. A. Setiawan, M.Agr Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodipuro, MS

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Alloh SWT dengan segala Maha KesempurnaanNya, dan shalawat kepada Nabi Muhammad SAW sebagai tauladan umat.

Alhamdulillah, penulis dapat menyelesaikan penelitian dengan judul ”Kajian Pola Sebaran Udara Panas Pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan Computational Fluid Dynamics.

Penelitian ini merupakan bagian dari penelitian Hibah Bersaing pada proyek Pengembangan Alat Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) Hybrid Tipe Rak Berputar Untuk Penyeragaman Aliran Udara Panas yang dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional, 5 Maret 2008.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan rasa terima kasih yang mendalam kepada :

1. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si selaku ketua komisi pembimbing, atas segala arahan dan bimbingannya selama pendidikan, penelitian dan penyelesaian tesis.

2. Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M.Sc sebagai anggota komisi pembimbing, atas segala arahan dan bimbingannya selama pendidikan, penelitian dan penyelesaian tesis.

3. Dr.Ir. Teguh Wikan Widodo, M.Sc sebagai penguji luar komisi pada ujian tesis.

4. Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Proyek Hibah Bersaing, Surat Perjanjian Pelaksanaan Desentralisasi Penelitian No. 318/SP2H/PP2M/2008, yang telah memberikan dana dalam penelitian ini.

5. Teman-teman TMP satu angkatan 2007: Pak Sigit, Mas Arief, Mas Wilson, Pak Edy, Mas Wahyu, Pak Tahir, Bu Anik, Bu Novi, Bu Ida dan Bu Yuli serta Pak Lilik dan Mas Diswandi, atas kebersamaannya selama pendidikan dan kepada Pak Harto, Mas Firman dan Mas Darma, atas bantuan teknis selama penelitian.

KAJIAN POLA SEBARAN ALIRAN UDARA PANAS

PADA MODEL PENGERING EFEK RUMAH KACA HIBRID

TIPE RAK BERPUTAR MENGGUNAKAN

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

PUJI WIDODO

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN

SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Kajian Pola Sebaran Aliran Udara Panas pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan Computational Fluid Dynamics adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal dan dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.

Bogor, 20 Agustus 2009

Puji Widodo

ABSTRACT

PUJI WIDODO. Study of heatflow distribution pattern on Hybrid Green-house Effect (GHE) Solar Dryer with Rotating Racks Type Using Computational Fluid Dynamics (CFD). Under supervision of DYAH WULANDANI and Y. ARIS PURWANTO

Uniformity of moisture content of product is one of the problem at GHE Solar Dryer with static racks type dan horizontal rotating racks type. The distribution of heatflow inside the chamber during drying period has an effect on the uniformity of moisture content in the product. The hypothesis in this study was the geometry of drying chamber as well as the position of inlet-outlet has an effect on the heatflow distribution in GHE.

The objective of this study were : 1) to study the heatflow distribution in GHE solar dryer with rotating racks by simulation model using computational fluid dynamic (CFD), 2) to validate the model, and 3) to design GHE solar dryer prototype, and 4) to simulate of heatflow distribution inside GHE prototype.

There were 6 scenarios of GHE solar dryer model that simulated based on outlet form and inlet position. The parameter for simulation process were solar radiation, airflow velocity, ambient relative humidity, and drying chamber boundary condition. The solar dryer model was selected based on the CFD analysis which resulted the higest average temperature.

It was found that Scenario 5 resulted the average temperature of 43.5oC with standard deviation 2.2oC and average airflow velocity of 0.13m/s with standard deviation 0.15m/s . Validation of temperature at scenario 5 for three experiments resulted the absolute percentage determination (APD) of 0.36%, 1.97%. dan 2.42%. For airflow velocity resulted APD of 0.38%, 0.33% and 0.76%. Relative humidity resulted APD of 0.38%, 0.36% dan 0.76%.

Based on these results, the GHE solar dryer was then designed and constructed. The prototype of GHE solar dryer with rotating racks has dimention of 250x150x190 cm, has 3 silinders , 48 racks, 3 fans and 3 radiators with the capasity of 100 kg of products. The simulation using CFD for the prototype of GHE solar dryer showed that the average temperature distribution was 53.6oC with standard deviation of 1.28oC and the average velocity distribution of 0.30m/s with standartd deviation of 0.2m/s.

Key words : GHE solar dryer, computational fluid dynamic, drying process, ,

simulation model of GHE.

RINGKASAN

PUJI WIDODO. Kajian Pola Sebaran Aliran Udara Panas Pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan Computational Fluid

Dynamics (CFD). Dibimbing oleh DYAH WULANDANI dan Y ARIS

PURWANTO.

Keseragaman kadar air akhir produk yang dikeringkan masih menjadi masalah yang banyak dijumpai pada pengering ERK tipe rak statis dan rak yang berputar secara horisontal. Keseragaman kadar air produk ini akan berpengaruh terhadap kualitas produk. Salah satu penyebabnya adalah distribusi aliran udara panas yang tidak merata di dalam ruang pengering selama proses pengeringan.

Distribusi aliran udara panas diduga dipengaruhi oleh bentuk geometri ruang pengering dan posisi penempatan inlet-outlet. Analisis CFD dapat digunakan untuk menentukan model distribusi suhu yang terbaik melalui simulasi dan validasi model pengering.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengkaji pola aliran udara optimal model pengering efek rumah kaca tipe rak berputar dengan melakukan simulasi menggunakan software Gambit dan Fluent; Menguji dan menvalidasi model pengering efek rumah kaca; Merancang prototipe pengering ERK dan melakukan simulasi pola aliran udara pada prototipe pengering ERK.

Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan model Gambit dan simulasi Fluent dalam 6 skenario alat pengering berdasarkan bentuk geometri ruang pengering dan posisi inlet-outlet agar diperoleh model pengering ERK hibrid yang optimum. Variabel input dalam proses simulasi meliputi : iradiasi matahari, suhu, kecepatan aliran udara, sifat-sifat udara dan material pengering.

Berdasarkan analisis CFD kemudian ditentukan pemilihan model secara kuantitatif didasarkan pada rata-rata simulasi CFD suhu tertinggi dan digunakan sebagai acuan dalam pembuatan model ERK hibrid tipe rak berputar skala labolatorium.

Validasi simulasi dilakukan dengan membandingkan nilai suhu dan kecepatan udara antara hasil pengukuran dengan hasil simulasi dari model pengering yang optimum. Validasi suhu Skenario 5 yang dilakukan dengan 3 kali percobaan diperoleh hasil bahwa nilai simpangan mutlak 0.36% , 1.97% dan 2.42%, sedangkan validasi kecepatan aliran udara diperoleh simpangan mutlak 0.38%, 0.33% dan 0.76% serta validasi kelembaban udara diperoleh bahwa simpangan mutlak 0.38%, 0.36% dan 0.76%.

Hasil validasi distribusi suhu, kecepatan dan kelembaban udara digunakan sebagai pertimbangan untuk membuat rancangan pengering ERK hibrid tipe rak berputar skala lapang. Rancangan pengering ERK hibrid tipe rak berputar skala lapang memiliki kapasitas pengeringan 100 kg produk dan memiliki dimensi panjang, lebar dan tinggi berturut-turut 250, 150 dan 180 cm, di dalam ruang pengering terdapat 3 silinder sebagai tempat bergantung 48 rak pengering, terdapat pula 3 kipas dan 3 radiator.

Simulasi suhu CFD pada pengering ERK hibrid tipe rak berputar skala lapang menunjukkan bahwa distribusi suhu rata-rata ruang pengering 53.6oC dengan deviasi standar 1.2oC dan distribusi kecepatan aliran udara rata-rata 0.30m/dt dengan deviasi standar 0.2 m/dt sehingga pengering ERK skala lapang ini sesuai untuk digunakan sebagai alat pengering cengkeh yang optimal.

@Hak Cipta milik IPB, tahun 2008 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang

1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa

mencantumkan atau menyebutkan nara sumber

a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyususnan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah

b. Pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya

KAJIAN POLA SEBARAN ALIRAN UDARA PANAS

PADA MODEL PENGERING EFEK RUMAH KACA HIBRID

TIPE RAK BERPUTAR MENGGUNAKAN

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

PUJI WIDODO F151070081

Tesis

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada

Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

Judul Tesis : Kajian Pola Sebaran Aliran Udara Panas Pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan

Computational Fluid Dynamics

Nama : Puji Widodo NRP : F151070081

Disetujui Komisi Pembimbing

Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si Dr. Ir. Y. Aris Purwanto,M.Sc

Ketua Anggota

Diketahui :

Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

Dr.Ir. Radite P. A. Setiawan, M.Agr Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodipuro, MS

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Alloh SWT dengan segala Maha KesempurnaanNya, dan shalawat kepada Nabi Muhammad SAW sebagai tauladan umat.

Alhamdulillah, penulis dapat menyelesaikan penelitian dengan judul ”Kajian Pola Sebaran Udara Panas Pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan Computational Fluid Dynamics.

Penelitian ini merupakan bagian dari penelitian Hibah Bersaing pada proyek Pengembangan Alat Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) Hybrid Tipe Rak Berputar Untuk Penyeragaman Aliran Udara Panas yang dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan Nasional, 5 Maret 2008.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan rasa terima kasih yang mendalam kepada :

1. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si selaku ketua komisi pembimbing, atas segala arahan dan bimbingannya selama pendidikan, penelitian dan penyelesaian tesis.

2. Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M.Sc sebagai anggota komisi pembimbing, atas segala arahan dan bimbingannya selama pendidikan, penelitian dan penyelesaian tesis.

3. Dr.Ir. Teguh Wikan Widodo, M.Sc sebagai penguji luar komisi pada ujian tesis.

4. Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Proyek Hibah Bersaing, Surat Perjanjian Pelaksanaan Desentralisasi Penelitian No. 318/SP2H/PP2M/2008, yang telah memberikan dana dalam penelitian ini.

5. Teman-teman TMP satu angkatan 2007: Pak Sigit, Mas Arief, Mas Wilson, Pak Edy, Mas Wahyu, Pak Tahir, Bu Anik, Bu Novi, Bu Ida dan Bu Yuli serta Pak Lilik dan Mas Diswandi, atas kebersamaannya selama pendidikan dan kepada Pak Harto, Mas Firman dan Mas Darma, atas bantuan teknis selama penelitian.

Muhammad Zaky Ramadhan merupakan penyemangat bagi penulis dalam menyelesaikan sekolah pasca sarjana.

Penulis menyadari masih terdapat kekurangan dalam penulisan penelitian ini. Oleh karena itu kritik, saran dan koreksi sangat kami harapkan demi penyempurnaan penelitian dan semoga bermanfaat.

Bogor, 20 Agustus 2009

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Yogyakarta pada tanggal 23 Oktober 1965 dari ayah Basuki dan Ibu Bunijah. Penulis merupakan putra kedua dari tiga bersaudara.

Tahun 1985 penulis lulus dari SMA Negeri 3 Yogyakarta dan pada tahun yang sama lulus seleksi penerimaan mahasiswa baru pada Fakultas Teknologi Pertanian , Jurusan Mekanisasi Pertanian, Universitas Gadjah Mada Yogyakarta.

Pada bulan Agustus Tahun 1994, penulis lulus program S-1, dan pada bulan Januari 1995 penulis bekerja di Balai Besar Pengembangan Mekanisasi Pertanian, Badan Penelitian dan Pengembangan, Departemen Pertanian RI sebagai Perekayasa pada mesin prosesing sampai saat sekarang.

Selama bekerja di Balai Besar Pengembangan Mekanisasi Pertanian, penulis telah mengahasilkan rekayasa alat : pelet pakan ternak, pengering pelet tipe rak, mesin pemanen kedelai, perontok polong kacang tanah, pengering kacang tanah, pengupas kacang tanah, sortir kacang tanah, pengering kista artemia, delinter kapas tipe kering, dan pengering semprot (spary dryer) kapasitas 1 dan 5 liter/jam.

Tahun 1999, penulis berkesempatan mendapat tugas training dari Departemen Pertanian pada program Farm Mechanization II di Tsukuba, Jepang yang diselenggarakan oleh JICA pada bulan Februari sampai November.

Tahun 2007, penulis mendapat ijin tugas belajar untuk melanjutkan ke sekolah pasca sarjana, Institut Pertanian Bogor pada Program Studi Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Fakultas Teknik Pertanian, Departemen Teknik Pertanian.

Tahun 2008, penulis turut serta dalam penelitian Hibah Bersaing yang dibiayai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi pada tanggal 5 Maret. Selama penelitian telah dihasilkan 2 makalah seminar dengan judul Analisis Computable

Fluid Dynamics (CFD) pada Model Pengering Efek Rumah Kaca Hybrid Tipe

Rak Berputar untuk Pengeringan Cengkeh yang disampaikan pada Seminar Nasional Mekanisasi Pertanian, Cimanggu-Bogor, 23 Oktober 2008 dan makalah Simulasi Model Pengering ERK Hibrid Tipe Rak Berputar Menggunakan

Computational Fluid Dynamics (CFD) yang disampaikan pada seminar

i

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR ISI……… i

DAFTAR TABEL ………. ii

DAFTAR GAMBAR ……… iii

DAFTAR LAMPIRAN ……… iv

DAFTAR SIMBOL ………... v

BAB I. PENDAHULUAN ……… 1

1.1. Latar Belakang ……….. 1

1.2. Hipotesa... 3

1.3. Tujuan Penelitian ……….. 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ………. 4

2.1. Pengeringan ………... 4

2.2. Pengering Berenergi Surya ………... 6 2.3. Hasil-hasil Pengering ERK Pada Berbagai Produk Pertanian ………….. 8

BAB III. PENDEKATAN TEORI ……….. 9

3.1 Teknik Simulasi CFD ……… 9

3.2. Proses Simulasi CFD ………. 10

3.3. Metode Diskritisasi CFD ……….. 11

3.4. RH Udara Pengering………. 14

BAB IV METODOLOGI ………. 15

4.1. Waktu dan Tempat Penelitian ………... 15 4.2. Peralatan dan Bahan ……….. 15

4.2.1. Peralatan ……….. 15

4.2.2. Bahan ……….. 15

4.3. Tahapan Penelitian ……… 17

4.3.1. Penentuan Rancangan Model Pengering ERK……… 19 4.3.2. Pengujian dan Validasi ……… 21 4.3.3. Perancangan prototipe pengering ERK……… 24

BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN ……….. 26

ii

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 1. Laju pengering rata-rata pada masing-masing rak ……… 8 Tabel 2. Kondisi batas pada simulasi suhu dan kecepatan udara

skenario 1-6……… 28

Tabel 3. Kondisi batas pada validasi suhu, kecepatan dan RH ruang pengering... 41 Tabel 4. Perancangan pengering ERK skala Lab. ... 48

iii

DAFTAR GAMBAR

iv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman Lampiran 1. Data percobaan 1, 2 dan 3 ...………..…… 56 Lampiran 2. Perhitungan kondisi batas ruang pengering………. 65 Lampiran 3. Perhitungan simulasi suhu pada skenario 1-6... 71 Lampiran 4. Perhitungan simulasi kecepatan udara ruang pengering ... 73 Lampiran 5. Perhitungan kondisi batas ruang pengering untuk validasi

suhu, kecepatan dan RH udara ... 75 Lampiran 6. Validasi suhu udara ruang pengering... 77 Lampiran 7. Validasi kecepatan udara ruang pengering ... 80 Lampiran 8. Validasi RH udara ruang pengering ... 83 Lampiran 9. Perhitungan kondisi batas ruang pengering ... 86 Lampiran 10. Lampiran 10. Perhitungan rancangan pengering ERK

hibrid skala lapang... 93 Lampiran 11. Distribusi suhu memotong x = 1250mm pada pengering

v

DAFTAR SIMBOL

Simbol : Keterangan : Satuan

A : luas penampang m2

H : kelembaban mutlak kg/kg

a

H : kelembaban mutlak lingkungan kg/kg udara kering

w

H : kelembaban mutlak bahan kg/kg udara kering

N : jumlah data -

P : tekanan Pa

Pv : tekanan uap Pa

s

P : tekanan jenuh air Pa

c

Q : Nilai hasil simulasi

o

Q : Nilai hasil pengukuran

R : konstanta gas ideal J/mol oC

a

RH : kelembaban udara lingkungan %

r

RH : kelembaban udara pengering %

i

S : sumber gerakan energi dalam m3dtk-1

Mx

S : sumber gerakan momentum arah x m3dtk-1

My

S : sumber gerakan momentum arah y m3dtk-1

Mz

S : sumber gerakan momentum arah z m3dtk-1

T : suhu oC

a

T : suhu lingkungan oC

w

T : suhu bahan oC

W : kadar air %

h : koefisien konveksi W/moC

k : koefisien konduksi W/moC

t : waktu Detik

u : kecepatan arah x m/dtk

v : kecepatan arah y m/dtk

w : kecepatan arah z m/dtk

x : koordinat arah x m/dtk

y _{: koordinat arah y Detik}

z : koordinat arah z m/dtk

ρ _{: berat jenis kg/m}3

u

ρ : densitas arah x kg/m3

v

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Pengeringan pada produk pertanian tertentu (cengkeh) menghendaki

kandungan minyak dalam bahan tetap utuh sehingga diperlukan pencegahan

terhadap penguapan minyak dan tidak dilakukan pengadukan agar diperoleh

bahan yang akan dikeringkan tidak mengalami penurunan kualitas. Oleh karena

itu diperlukan pengering cengkeh tipe rak. Pada umumnya, pengeringan produk

pertanian masih dilakukan secara tradisional yaitu pengeringan dengan cara

penjemuran di bawah sinar matahari secara langsung.

Usaha untuk melakukan proses pengeringan dapat pula dilakukan dengan

menggunakan pengering efek rumah kaca (ERK), yaitu bangunan berbentuk segi

empat, silinder atau kerucut terpancung dan berdinding transparan. Dinding

plastik transparan ini berfungsi sebagai perangkap gelombang panjang yang

dipancarkan oleh sinar matahari, sehingga terjadi akumulasi panas yang

dimanfaatkan untuk pengeringan produk pertanian. Salah satu keuntungan dengan

menggunakan pengering ERK adalah produk lebih bersih dan tidak

terkontaminasi dengan bahan yang tidak dikehendaki.

Masalah yang terjadi pada proses pengeringan cengkeh menggunakan

rak-rak statis adalah ketidakseragaman pada penurunan kadar air, suhu dan lama

waktu pengeringan antara rak atas, tengah dan bawah. Perbedaan hasil ini

diperoleh karena perbedaan posisi rak dalam ruang pengering. Udara pada rak-rak

yang dekat dengan sumber panas pada umumnya akan memiliki suhu yang tinggi

dan sebaliknya yang jauh dari sumber panas akan memiliki suhu yang rendah. Hal

tersebut di atas menyebabkan kualitas hasil pengeringan cengkeh yang tidak

seragam.

Wulandani (1997) melaporkan bahwa perbedaan suhu terjadi pada ruang

pengering pada proses pengeringan kopi berkisar 6oC antara bagian atas dan

bawah plat hitam yang dipasang horisontal di atas ruang pengering pada ruang

pengering transparan tipe bak. Mursalim (1995) mendapatkan perbedaan suhu

sekitar 10oC antara rak bagian tengah dan bawah pada pengeringan panili.

2

merata khususnya pengeringan yang menggunakan tipe rak pada pengeringan

cengkeh. Nampan-nampan pada tipe rak ini dapat menyebabkan distribusi udara

yang kurang baik dan menurunkan kinerja pengeringan karena waktu

pengeringan terlama dari produk yang terletak di nampan tertentu menjadi

penyebab lama pengeringan secara keseluruhan, dan masalah ini menentukan

total kapasitas pengeringan. Ratnawati (2003), melaporkan bahwa perbedaan suhu

terjadi pada ruang pengering sekitar 8.4oC antara rak bagian atas dan bagian

bawah pengering pada propses pengeringan cengkeh. Nugraha (2005),

menyatakan pula bahwa dalam proses pengeringan mahkota dewa, masalah

distribusi aliran udara panas yang belum merata menyebabkan menurunnya

kinerja alat pengering, Masalah ketidakseragaman kadar air produk hasil pertanian

juga merupakan akibat ketidakrataan aliran udara panas di dalam ruang pengering.

Untuk mengatasi permasalahan tersebut di atas, maka dalam penelitian ini

akan dirancang alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) tipe rak berputar dengan

sistim pemanasan hibrid (surya dan biomassa) agar diperoleh keseragaman suhu

dalam ruang pengering atau produk yang dikeringkan akan menerima panas yang

sama di setiap posisi rak-rak berputar.

Untuk menentukan disain optimum, dalam perancangan ERK tipe rak

berputar vertikal skala labolatorium digunakan analisis Computational Fluid

Dyanamics (CFD). Disain optimum didasarkan pada keseragaman nilai suhu dan

kecepatan aliran udara. CFD adalah sistem analisis yang meliputi aliran fluida,

perpindahan panas, dan fenomena seperti reaksi kimia yang berdasarkan simulasi

komputer. CFD pada penelitian ini menggunakan software Gambit dan software

Fluent yang mampu melakukan simulasi sebaran udara panas dan kecepatan aliran

udara ke dalam virtual model atau prototipe dari sebuah sistem dengan

menerapkan kondisi nyata di lapang dan hasil analisis CFD dapat berupa prediksi

secara kuantitatif dan kualitatif. Simulasi distribusi dan pola aliran udara panas ini

diharapkan dapat menentukan disain ruang pengering beserta penempatan inlet

dan outlet secara lebih tepat sehingga tujuan keseragaman aliran udara panas

3

1.2. Hipotesa

Hipotesa penelitian ini adalah bahwa distribusi dan pola aliran udara panas

diduga dipengaruhi oleh geometri ruang pengering, lokasi penempatan inlet dan

outlet.

1.3. Tujuan penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Mengkaji pola aliran udara optimal dari 6 model pengering efek rumah kaca

tipe rak berputar dengan melakukan simulasi menggunakan software Gambit

dan Fluent.

2. Menguji dan menvalidasi model pengering efek rumah kaca.

3. Merancang prototipe pengering ERK lapang dan melakukan simulasi pola

aliran udara pada prototipe pengering ERK.

Kajian pola sebaran aliran udara panas dan validasi dilakukan untuk untuk

memprediksi, seleksi dan merancang kinerja pengering ERK hibrid tipe rak

berputar skala labolatoirum dan untuk menilai ketepatan model pengering ERK

lapang terhadap model yang dibentuk oleh CFD.

Output dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan pengering efek rumah

kaca hibrid tipe rak berputar skala labolatorium dengan pola sebaran aliran udara

panas yang merata pada ruang pengering melalui penempatan inlet, outlet, kipas,

sumber pemanas tertentu, sehingga diperoleh pola sebaran aliran udara panas

optimal.

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengeringan

Pengeringan merupakan proses pengurangan kadar air bahan sampai

mencapai kadar air tertentu sehingga menghambat laju kerusakan bahan akibat

aktivitas biologis dan kimia (Brooker,1982). Menurut Fellow (2000), pengeringan

didefinisikan sebagai penerapan panas dalam kondisi terkontrol untuk

menghilangkan sejumlah air yang terkandung dalam bahan, sedangkan Henderson

dan Perry (1976) menyatakan bahwa pengeringan adalah proses pengeluaran air

dari suatu bahan pertanian menuju kadar air keseimbangan dengan udara

sekeliling atau pada tingkat kadar air dimana mutu bahan pertanian dapat dijaga

dari serangan jamur, aktivitas serangga dan enzim.

Dasar proses pengeringan adalah terjadinya penguapan air bahan ke udara

karena perbedaan kandungan air antara udara dengan bahan yang dikeringkan.

Agar suatu bahan menjadi kering, maka udara harus memiliki kandungan uap air

atau kelembaban nisbi yang relatif rendah dari bahan yang dikeringkan.

Pada saat suatu bahan dikeringkan, maka akan terjadi dua proses secara

bersamaan yaitu : (1) perpindahan energi panas dari lingkungan untuk

menguapkan air pada permukaan bahan, dan (2) perpindahan massa (air) di dalam

bahan akibat penguapan pada proses pertama. Air yang diuapkan terdiri dari air

bebas dan air terikat. Air bebas berada di permukaan dan yang pertama kali

mengalami penguapan (Mujumdar dan Devahastin, 2001).

Henderson dan Perry (1976) dan Brooker (1982), menyatakan bahwa proses

pengeringan dapat dibagi dua periode, yaitu : periode laju pengeringan tetap dan

laju pengeringan menurun. Selama laju pengeringan tetap, bahan mengandung air

cukup banyak dimana pada permukaan bahan berlangsung penguapan yang

lajunya dapat disamakan dengan laju penguapan pada permukaan air bebas.

Keadaan lingkungan sangat berpengaruh terhadap laju penguapan. Laju

pengeringan tetap berakhir pada saat laju difusi air dari bahan telah turun sehingga

lebih lambat dari laju penguapan. Periode ini berlangsung sangat singkat pada

5

Mekanisme pengeringan pada laju pengeringan menurun meliputi dua proses

yaitu pergerakan air dari dalam bahan ke permukaan bahan dan pengeluaran air

dari permukaan bahan ke udara sekitarnya. Laju pengeringan menurun terjadi

setelah laju pengeringan konstan dimana kadar air bahan lebih kecil dari pada

kadar air kritis (Henderson dan Perry, 1976). Sedangkan menurut Helmand dan

Singh (1980), menyatakan bahwa selama periode laju pengeringan konstan, laju

kadar air berpindah dari bahan dibatasi oleh laju evaporasi dari permukaan air

pada bahan. Laju pengeringan ini kontinyu sepanjang migrasi kadar air ke

permukaan dimana evaporasinya lebih cepat dari pada evaporasi di permukaan

dan laju evaporasinya dinyatakan dalam persamaan berikut :

) (

) (

a w m w

a _{k A H H}

L T T hA dt

dw₌ − _{= −}

... (1)

Pengeringan periode laju menurun terjadi setelah kadar air mencapai titik

kritis, proses pengeringan berlangsung pada laju yang menurun secara linear.

Menurut Brooker, (1974), beberapa parameter yang mempengaruhi waktu

yang dibutuhkan dalam proses pengeringan, antara lain :

1. Suhu udara pengering

Laju penguapan air bahan dalam pengering sangat ditentukan oleh kenaikan

suhu. Bila suhu pengering dinaikkan maka panas yang dibutuhkan untuk

penguapan air bahan menjadi berkurang. Suhu udara pengering berpengaruh

terhadap lama pengeringan dan kualitas bahan hasil pengeringan. Makin tinggi

suhu udara pengering, maka proses pengeringan makin singkat.

2. Kelembaban relatif udara pengering

Kelembaban udara relatif berpengaruh terhadap pemindahan cairan dari

dalam ke permukaan bahan. Kelembaban relatif juga menentukan besarnya

tingkat kemampuan udara pengering dalam menampung uap air di permukaan

bahan. Semakin rendah udara pengering, makin cepat pula proses pengeringan,

karena mampu menyerap dan menampung air lebih banyak dari pada udara

dengan kelembaban relatif yang lebih tinggi.

Laju penguapan air dapat ditentukan berdasarkan perbedaan tekanan uap air

pada udara yang mengalir dengan tekanan uap air pada permukaan bahan yang

6

kelembaban relatif udara. Semakin tinggi suhu, maka kelembaban relatif udara

makin turun sehingga tekanan uap jenuhnya akan naik.

3. Kecepatan udara pengering

Pada proses pengeringan, udara berfungsi sebagai pembawa panas untuk

menguapkan kandungan air pada bahan serta mengeluarkan uap air tersebut. Air

yang dikeluarkan dari bahan dalam bentuk uap dan harus secepatnya keluar dari

bahan. Bila tidak segera dipindahkan, maka akan membuat kondisi jenuh pada

permukaan bahan, sehingga akan memperlambat pengeluaran air selanjutnya.

Aliran udara yang ceat akan membawa uap air dari permukaan bahan dan

mencegah uap air tersebut menjadi jenuh di permukaan bahan. Semakin besar

volume udara yang mengalir, maka semakin besar pula kemampuan udara untuk

membawa uap air yang ada di permukaan bahan.

2.2. Pengering berenergi surya

Tujuan utama suatu sistem berenergi surya adalah mengumpulkan energi

radiasi surya menjadi panas. Dalam aplikasi pengeringan komoditi pertanian

terdapat tiga cara pengumpulan dan pengubahan energi surya yaitu :

(1) Penjemuran. Komoditi pertanian dihamparkan di atas tanah sehingga terkena

sinar matahari langsung. Hal ini menyebabkan jumlah panas yang hilang ke tanah

sangat banyak dan bahan yang dikeringkan akan menyerap uap air dari tanah

selama pengeringan; (2) Glanzing material yaitu menempatkan bahan pertanian di

bawah bahan kaca. Bahan kaca tertembus gelombang pendek sinar matahari

tetapi tidak tembus gelombang panjang inframerah (radiasi surya) sehingga

menimbulkan efek ruamah kaca. Bahan kaca penangkap energi surya berfungsi

sebagai : bahan penutup yang tak tembus radiasi panas yang dipantulkan oleh

bahan yang dikeringkan, sehingga panas terperangkap oleh penutup dan berfungsi

sebagai pembungkus untuk mengurangi kehilangan panas secara konveksi;

(3) meletakkan bahan pertanian dalam wadah (container) yang berfungsi penyerap

panas (absorber). Cara ketiga ini merupakan cara yang paling efektif dalam

pengumpulan energi surya dengan kehilangan panas yang rendah dan investasi

7

Panas yang terjadi di dalam pengering ERK sebagai akibat dari energi

gelombang pendek yang dipancarkan oleh matahari, diserap benda yang ada di

dalamnya, sebagian energi ini diserap dan dipantulkan dalam bentuk gelombang

panjang yang tak tembus penutup transparan. Lapisan penutup transparan

memungkinkan radiasi gelombang pendek dari matahari masuk dan menyekat

radiasi gelombang panjang (Abdullah et al., 1990).

Pengering efek rumah kaca (Abdullah et al., 1996) adalah sistem pengering

bertenaga surya dan struktur bangunan tembus cahaya yang memanfaatkan efek

rumah kaca. Sistem ini dapat digunakan pada pengeringan berbagai komoditas

pertanian, murah dibanding dengan sistem yang sudah ada, dan menghasilkan

kualitas yang memadai.

Jika matahari mengenai bahan tembus cahaya, maka sebagian sinar itu

diteruskan selain diserap dan dipantulkan kembali. Oleh karena itu penutup

transparan memerlukan bahan yang memiliki daya tembus (trasmissivity) yang

tinggi dengan daya serap (absortivity) dan daya pantul (reflektivity) yang rendah

agar memerangkap gelombang pendek sebanyak mungkin.

Suhu udara di dalam ruang pengering ERK berfluktuatif karena sangat

dipengaruhi oleh keberadaan surya. Iradiasi surya sifatnya selalu berubah dan

besar iradiasinya sangat dipengaruhi oleh waktu, lokasi dan musim. Oleh karena

itu pada sistem pengering ini masih diperlukan energi tambahan lainnya seperti

energi hasil pembakaran biomassa.

Faktor-faktor yang mempengaruhi proses pengeringan (Hall, 1957) yaitu :

faktor yang berhubungan dengan udara pengeringan dan faktor yang berhubungan

dengan sifat bahan yang dikeringkan. Faktor yang berhubungan dengan udara

pengeringan adalah suhu udara, debit aliran dan kelembaban udara pengering,

sedangkan faktor yang berhubungan dengan sifat bahan adalah bentuk, ukuran,

ketebalan bahan yang dikeringkan serta tekanan parsialnya. Menurut Suharto

(1991), faktor yang berpengaruh terhadap pengeringan diantaranya adalah suhu

dan kelembaban lingkungan, kecepatan aliran udara pengering, kadar air bahan,

8

2.3. Hasil-hasil pengering ERK pada berbagai produk pertanian

Pengeringan cengkeh dengan menggunakan rak pada pengering efek rumah

kaca telah menghasilkan penurunan kadar air, suhu dan lama waltu pengeringan

yang tidak seragam antara rak atas, tengah dan bawah. Hasil penelitian pengering

efek rumah kaca untuk pengeringan cengkeh ditunjukkan pada Tabel 1. sebagai

berikut :

Tabel 1. Laju pengeringan rata-rata pada masing-masing rak

Parameter Satuan Rak 1 Rak 2 Rak3

Suhu rak oC 46.9 39.6 38.5

Kadar air awal % bb 70.8 70.8 70.8

Kadar air akhir %bb 13.8 13.5 13.7

Laju pengeringan %bk/jam 5.5 3.4 3.1

Lama oengeringan Jam 40 65 70

(Sumber : Ratnawati.T, 2003)

Perbedaan hasil ini diperoleh karena perbedaan posisi rak dalam ruang

pengering sehingga distribusi suhu dalam ruang pengering pada masing-masing

rak tidak seragam, pada rak 1 mendapat panas yang tinggi sedangkan pada rak 3

panas yang diterima paling kecil, begitu pula dengan laju dan lama waktu

pengeringan.

Wulandani, (2005) melaporkan bahwa terjadi perbedaan yang cukup besar

antara suhu rak atas, tengah dan bawah dengan keragaman rata-rata 3.5oC dan

nilai ragam maksimum 4.5oC terjadi pada siang hari dengan tingkat radiasi surya

rata-rata 538 W/m2 yang sangat berpengaruh pada rak bagian atas. Perubahan

suhu pada rak atas mempunyai pola dan nilai yang hampir sama dengan

penjemuran. Suhu udara di rak tengah dan bawah lebih rendah dibandingkan

dengan suhu udara di rak atas, karena posisinya terhalang oleh sinar matahari oleh

rak-rak diatasnya. Namun demikian suhu udara di rak tengah memiliki

kecenderungan dan nilai yang sama dengan suhu udara di rak bawah.

Sebaran suhu udara pengering pada suhu lingkungan 32-34oC sebagai suhu

inlet dan suhu radiator 53-56oC dan iradiasi surya rata-rata 800.6 W/m2 diperoleh

sebaran suhu di dalam ruang pengering antara 37-46oC dan pada kecepatan aliran

udara inlet 1 dengan kecepatan 0.66 m/dt dan pada inlet 2 mengalir kecepatan

udara 1.35 m/dt sehingga sebaran kecepatan udara di dalam ruang pengering

0.01-0.7 m/dt (Nugraha, 2005).

9

BAB III

PENDEKATAN TEORI

3.1. Teknik Simulasi CFD

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah ilmu yang mempelajari cara

memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, rekasi kimia, dan fenomena lainnya

dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika atau model matematika

(Tuakia, 2008). Menurut Versteeg dan Malalasekera (1995) CFD adalah sistem

analisis yang meliputi aliran fluida, perpindahan panas dan fenomena seperti

reaksi kimia yang berdasarkan simulasi komputer. Pada saat sekarang aplikasi

CFD sudah banyak diterapkan pada disain mesin, ruang pembakaran, gas turbin

dan tungku pembakaran. Ditinjau dari istilah CFD bisa berarti suatu teknologi

komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda

atau zat-zat yang mengalir.

Pada dasarnya, persamaan-persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis

berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial (PDE=Partial Differential

Equation) yang menyatakan hukum-hukum konversi massa, momentum dan

energi.

Perangkat lunak (software) CFD mampu untuk melakukan simulasikan

aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak,

aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur dan sistem akustik

hanya dengan pemodelan di komputer. Software CFD ini dapat membuat virtual

prototipe dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan

kondisi nyata di lapang. Software CFD akan memberikan data-data,

gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan

sistem disain. Hasil analisis CFD dapat berupa prediksi kualitatif maupun prediksi

kuantitatif tergantung dari persoalan dan data input.

Keuntungan penggunaan CFD adalah :

1. Pemahaman Mendalam (Insight)

Analisis CFD mampu mendesain sistem atau alat yang sulit dibuat

prototipenya atau sulit untuk dilakukan pengujian. Analisis ini mampu masuk

10

2. Prediksi Menyeluruh (Foresight)

CFD adalah alat untuk memprediksi yang akan terjadi pada alat atau sistem

yang didisain dengan satu atau lebih kondisi batas dan dapat segera

menentukan disain optimal.

3. Efisiensi waktu dan biaya (Efficiency).

Foresight yang diperoleh CFD mampu membantu untuk mendisain lebih cepat

dan hemat uang. Analisis CFD akan lebih efisien waktu riset dan disain

sehingga akan mencapai ke sasarannya.

3.2. Proses Simulasi CFD

Seorang enjiner dalam merancang mesin memiliki berbagai alasan untuk

mendapatkan pengembangan persamaan-persamaan, namun masalah utamanya

dalam mendisain sistem termal adalah : (1) menyediakan proses simulasi termal

dan (2) mengembangkan pernyataan secara matematis untuk optimasi. Simulasi

secara nyata dan problem-problem optimasi harus dilaksanakan dengan

menggunakan komputer dan mengoperasikannya dengan persamaan-persamaan

dari pada tabel data (Stoecker, 1989).

Dalam membangun simulasi CFD dalam perancangan diperlukan tiga

tahapan yang meliputi:

1. Preprocessing

Preprocessing adalah membuat model dalam paket CAD (Computer Aided

Design), membuat mesh yang sesuai, dan menerapkan kondisi batas dan

sifat-sifat fluidanya.

2. Solving

Solvers merupakan program inti pencari solusi dalam CFD untuk menghitung

kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing.

3. Postprocessing

Postprocessing adalah adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data

hasil simulasi CFD yang berupa gambar, kurva dan animasinya. Post Processor

yang meliputi : tampilan geometri domain dan grid, plot vektor, pergerakan

11

Semua program pendekatan CFD dilakukan melalui prosedur sebagai

berikut :

1. Software Gambit melakukan :

a. Pembuatan geometri model

b. Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil

(meshing)

2. Software Fluent melakukan :

a. Pendefinisian model fisik, misalnya : persamaan-persamaan gerak, entalpi,

konversi spesies untuk zat-zat yang didefinisikan.

b. Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termasuk di dalamnya sifat-sifat dan

perilaku dari batas-batas model. Untuk kasus transient, kondisi awal juga

didefinisikan.

c. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan

secara iterasi, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transien.

d. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD

3.3. Metode Diskritisasi CFD

CFD sebenarnya mengganti persamaan-persamaan differential parsial dari

kontinuitas, momentum, dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar. CFD

merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum atau memiliki

jumlah sel tak terhingga menjadi model yang diskrit atau jumlah sel terhingga

(Tuakia, 2008). Persamaan pengatur aliran fluida adalah persamaan diferensial

parsial. Komputer digital tidak dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan

tersebut secara langsung. Oleh karena itu persamaan diferensial ini harus

ditransformasikan ke dalam persamaan aljabar yang sederhana dan disebut dengan

metode diskritisasi (Versteeg dan Malalasekera, 1995).

Ada beberapa teknik diskritisasi yang digunakan dan masing-masing

berdasarkan prinsip yang berbeda. Beberapa teknik tersebut adalah :

a. Metode beda hingga (Finite Difference methode)

b. Metode elemen hingga (Finite element methode)

12

Dalam simulasi pola aliran udara, udara digambarkan secara kuantitatif

dalam besaran suhu dan kecepatan dalam persamaan diferensial, dalam

koordinat Cartesian dan dipecahkan dengan menggunakan teknik CFD tiga

dimensi yang didasarkan pada analisis numerik dengan metode volume hingga.

Pemecahan simulasi dengan menggunakan software CFD : FUENT 6.1 dan

pembentukan geometri alat menggunakan software Gambit.

Kondisi batas dinyatakan sebagai berikut :

a. Kecepatan udara pada semua dinding dan atap pengering pada arah x,y dan

z adalah 0.

b. Kecepatan udara pada dinding rak pengering pada arah x, y dan z adalah 0.

c. Kecepatan udara pada kipas besarnya ditentukan berdasarkan kebutuhan

udara untuk menguapkan air dari sejumlah massa bahan.

Pemecahan masalah aliran (kecepatan, tekanan, suhu dan lain-lain)

didefinisikan pada titik (nodal) di dalam tiga sel. Ketepatan CFD dibentuk oleh

sejumlah sel di dalam grid. Secara umum semakin besar jumlah sel, ketelitian

hasil pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak selalu seragam, semakin halus

pada bagian yang memiliki variasi cukup besar dan semakin kasar untuk bagian

yang relatif tidak banyak perubahan.

Persamaan aliran fluida menyatakan hukum kekekalan fisika dalam bentuk

matematis, yaitu terdiri dari persamaan-persamaan :

1 Massa fluida kekal

2 Laju perubahan momentum sama dengan resultansi gaya pada partikel

fluida (Hukum II Newton)

3 Laju perubahan energi sama dengan resultansi laju panas yang

ditambahkan dan laju kerja yang diberikan pada partikel fluida ( Hukum

I Termodinamika).

Kekekalan Massa 3 Dimensi Steady-State

Laju kenaikan massa dalam elemen fluida = Laju net masssa ke dalam elemen

terbatas

Atau dituliskan alam bentuk matematis :

0 ) ( ) ( ) (

= ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂

z w y

v x

u ρ ρ

ρ

13

Persamaan (2) disebut sebagai persamaan kontinuitas untuk fluida. Ruas kiri

menggambarkan laju net massa keluar dari elemen melewati batas dan dinyatakan

sebagai faktor konveksi.

Persamaan Momentum dalam 3 Dimensi Staedy State

Persamaan momentummerupakan persamaan Navier-Stokes dalam bentuk

yang sesuai dengan volume hingga , sebagai berikut :

Momentum x :

Mx S z u y u x u u x z u w y u v x u

u _⎥+

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 ρ

ρ ...(3)

Momentum y :

My S z v y v x v u y z v w y v v x v

u _⎥+

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 ρ

ρ ...(4)

Momentum z :

Mz S z w y w x w u z z w w y w v x w

u _⎥+

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 ρ

ρ ...(5)

Persamaan energi dalam 3 Dimensi Steady State

Persamaan energi diturunkan dari hukum pertama termodinamika yang

menyatakan bahwa : laju perubahan energi partikel fluida = laju npenambahan

panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan laju kerja yang diberikan

pada partikel.

Atau dalam persamaan matematis :

i S z T y T x T k z w y v x u p z T w y T v x T

u _⎥+

⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 ρ ...(6) Persamaan State

Kecepatan fluida selalu mencari keseimbangan secara termodinamika,

kecuali adanya gangguan. Jika digunakan variabel ρ dan p, maka persamaan state

untuk p dan i :

P = p (ρ,T) ...(7)

14

Untuk gas ideal :

P = ρ R T ...(9)

I = C v T ...(10)

3.4. RH Udara Pengering

Pemanasan udara dalam proses pengeringan dapat digambarkan dalam kurva

psychrometric. Perubahan suhu selama pemanasan, berlangsung berbentuk garis

horisontal pada kurva psychrometric, pada kondisi tekanan uap tetap dan kondisi

kelembaban mutlak tetap. Selama pemanasan dianggap tidak terjadi penambahan

uap air, artinya jumlah udara kering yang masuk sama dengan jumlah udara

kering keluar. Pada kondisi tekanan atmosfir, bila suhu meningkat maka akan

terjadi penurunan kelembaban udara.

RH merupakan perbandingan antara tekanan uap terhadap tekanan jenuh air

pada suhu ruangan.

RH =

Ps P_v

...(11)

Kelembaban mutlak (H) konstan selama pemanasan, karena :

H =

v atm

v

P P

P −

6219 . 0

, dimana 255.38 ≤T≤533.16oK dan Pv < Patm ...(12)

Maka tekanan uap (Pv) juga konstan selama proses pemanasan. Jika

kelembaban udara lingkungan (RHa) dan kelembaban udara pengering (RHr),

maka :

sr sa a r

P P RH RH

= ...(13)

ln ₂

4 3 2

GT FT

ET DT CT BT A R P_s

−

+ + + + = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛

...(14)

255.38 ≤T≤533.16oK (Keenan dan Keyes, 1936) dalam ASAE Standard 1994. dimana :

R = 22105649.25 D = 0.12558 x 10-3

A = -27405.526 E = -0.48502 x 10-7

B = 97.5413 F = 4.34903

15

BAB IV

METODOLOGI

4.1. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan Maret 2008 sampai Maret 2009.

Lokasi penelitian di Labolatorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen

Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB, Bogor.

4.2. Peralatan dan Bahan

4.2.1. Peralatan

Peralatan yang digunakan untuk penelitian ini adalah :

1. Pengering tipe Efek Rumah Kaca (ERK) Tipe Rak Berputar

2. Thermocouple tipe CC, dengan ketelitian 0.05oC

3. Chino Recorder Yokogawa tipe 3058, dengan ketelitian 0.05 mV

4. Multimeter digital model YEW tipe 2506A,dengan ketelitian 0.05 Ohm

5. Hotwire Anemometer model Lutron tipe AM-4204HA, dengan ketelitian

0.05 m/dt

6. Pyranometer model EKO tipe MS-401

7. Software Gambit 2.2.30 serta software Fluent 6.1

4.2.2.Bahan

Model pengering ERK hybrid (Gambar 1) yang digunakan dalam

penelitian adalah bangunan segiempat transparan yang terdapat lubang input

pada sisi samping dan pada sisi yang berlawan terdapat lubang output dengan

bentuk limas terpancung dan pada bagian dalamnya terdapat delapan rak yang

dapat berputar, radiator yang ditempat di tengah sisi bawah bangunan

pengering yang dilandasi plat hitam. Pada lubang pengeluaran (outlet)

16

Gambar 1. Model pengering ERK hibrid skala lab.

Disain pengering ERK hybrid tipe rak berputar terdiri dari :

(1) Rangka pengering dengan dimensi 1200x860x1350 mm terbuat dari besi

stall 30x30 mm;

(2) Rak pengering berjumlah 8 rak berukuran 200x600x30 mm;

(3) Atap dan dinding berupa plastik mika polyethyline transparan tebal

0.0005 m;

(4) Lantai terbuat dari plat besi tebal 1 mm yang dilapisi cat warna hitam

sebagai absorber panas;

(5) Radiator berperan sebagai alat penukar panas dari air panas ke udara

dalam pengering;

(6) Kipas radiator untuk meratakan suhu udara dalam pengering dan kipas

outlet untuk mengeluarkan udara panas;

(7) Sistem transmisi terdiri dari sprocket and chain dan

17

Disain model pengering ERK hybrid tipe rak berputar terdapat pada

Gambar 2.

Gambar 2. Disain model pengering ERK hibrid

Keterangan :

1. Atap 5. Lubang inlet dan outlet 2. Rangka pengering 6. Kipas

3. Rak 7. Lantai 4. Radiator

4.3. Tahapan Penelitian

Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi 3 tahapan yaitu :

1. Melakukan kajian pola sebaran aliran udara optimal dari 6 model pengering

efek rumah kaca yang terdiri dari : Menggambar geometri model alat

pengering dengan menggunakan software Gambit, Melakukan simulasi

aliran udara (suhu dan kecepatan) dengan menggunakan software Fluent,

Membentuk pola aliran udara suhu, kecepatan dan RH dan melakukan

pemilihan model alat pengering yang optimum.

2. Pengujian dan validasi model pengering ERK hibrid : Tahap ini diawali

dengan pembuatan model alat pengering skala labolatorium yang optimum

yang didasarkan pada hasil tahap 1. Kemudian dilakukan pengujian. Hasil

pengujian digunakan untuk melakukan validasi simulasi CFD.

3. Perancangan pengering ERK hibrid skala lapang. Tahap ini melakukan

perancangan prototipe pengering ERK hibrid skala lapang , membentuk

geometri alat pengering hibrid skala lapang dan melakukan simulasi dengan

menggunakan software Fluent. (Lihat Gambar 3).

1

2

3

4

5

6

[image:44.612.180.456.121.244.2]

18

Gambar 3 Diagram alur penelitian

Pembuatan Geometri prototipe dan

Simulasi

Menggambar geometri model alat pengering dengan software Fluent

Mulai

Simulasi aliran udara Suhu, Kecepatan dan RH

Pola aliran udara Suhu, Kecepatan dan RH

Pemilihan model alat pengering yang

optimum

Pembuatan model alat pengering skala labolatorium

Pengujian (data, suhu, kecepatan dan RH)

Perancangan prototipe pengering ERK skala lapang

19

4.3.1. Penentuan rancangan model pengering ERK

a. Pembuatan Model Gambit

Tahap pertama dalam simulasi CFD adalah pembuatan geometri alat

pengering dengan mengunakan software Gambit 2.2.30. Di dalam

program ini ditentukan domain dan kondisi batas model pengering yang

meliputi ruang pengering, saluran inlet dan outlet, rak kipas dan penukar

panas, lalu dilakukan pembuatan proses pembuatan grid dengan interval

tertentu.

Dalam pembuatan model ini terdapat dua model pengering yaitu

bangunan kotak transparan dengan bagian atap lengkung dengan inlet

pada dinding depan dan outlet pada dinding datar di belakang, sedangkan

model lainnya memiliki stukrtur sama dengan dinding belakang berbentuk

prisma segiempat terpancung. Model pengering ini berdimensi panjang

1100 mm, lebar 860 mm, tinggi 1350 mm dan tinggi lengkung atap 200

mm, sebagaimana terdapat pada Gambar 4.

Model 1 Model 2

Gambar 4. Model pengering ERK hibrid

Keterangan :

1. Lubang inlet 4. Fan 2. Lubang outlet 5. Radiator 3. Rak

Pada model 1 terdapat 3 skenario bentuk geometri model pengering,

demikian halnya dengan model 2 juga terdapat 3 skenario bentuk geometri

model pengering berdasarkan posisi lubang inlet pada ketinggian 1000, 675

dan 337.5 mm dari permukaan lantai, sehingga model pengering memiliki 6

skenario bentuk geometri model pengering seperti terdapat pada Gambar 5. 1

2,4 2,4

3 4

20

Gambar 5. Skenario bentuk geometri model pengering

b. Simulasi dengan Fluent

Geometri yang sudah dibuat diekspor ke Fluent untuk analisis lebih

lanjut. Program Fluent melakukan proses input data Fluent sebagai

berikut :

1. Mendifinisikan

a. Model, dimana didalamnya ditentukan solver tiga dimensi,

pemakaian energi, viscos model (laminer/turbulen)

b. Menentukan jenis fluida dan material penyusun bangunan

pengering yang digunakan serta sifat termofisiknya.

c. Menentukan kondisi operasi (Operation Condition)

d. Memasukkan nilai-nilai kondisi batas (Boundary Condition)

terhadap domain yang sudah dibuat dengan program Gambit.

2. Melakukan proses inisialisasi

3. Melakukan proses iterasi

Skenario 1 Skenario 2

Skenario 3 Skenario 4

21

4. Melihat tampilan hasil simulasi dalam bentuk Grid, Kontur (suhu,

kecepatan, tekanan dan lain-lain), Vektor (suhu, kecepatan , tekanan

dan lain-lain) sesuai dengan kebutuhan.

5. Mendapatkan informai data yang terkait hasil simulasi untuk

keperluan validasi Plot (XY plot, Histogram, Residual).

Asumsi yang digunakan dalam simulasi pola sebaran aliran udara

panas sebagai berikut:

1. Udara bergerak dalam kondisi steady state

2. Aliran udara diangap laminer

3. Udara tidak terkompresi (incompressible), ρ konstan

4. Bilangan Prandlt udara konstan (panas jenis, konduktivitas dan

viskositas udara konstan.

5. Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi

6. Iradiasi surya didefinisikan sebagai fluks dari atap dan dinding–

dinding bangunan pengering.

Hasil yang diperoleh dari simulasi dengan Fluent berupa model-model

distribusi suhu dan kecepatan pada skenario 1 sampai dengan skenario 6.

c.Penentuan model optimum

Penentuan model optimum ditentukan oleh nilai rata-rata suhu

tertinggi dari distribusi suhu pada skenario 1 – 6. Nilai rata-rata

didapatkan dari curve-fitting bidang distribusi lapisan tengah model

pengering (jarak bidang distribusi suhu terhadap sumbu z 550mm) yang

disusun menjadi data tabel XY dengan nilai suhu tertentu.

Model optimum pengering hibrid yang terpilih sebagai acuan untuk

divalidasikan dan distribusi kecepatan pada skenario 1-6 yang terpilih

yaitu skenario yang mengikuti pada model optimum yang terpilih.

4.3..2. Pengujian dan Validasi

Pengujian dan validasi didasarkan pada model optimum pengering

22

a. Pengujian

Pengujian model pengering ERK hibrid dilakukan tanpa beban,

dan parameter yang diukur meliputi : iradiasi matahari, suhu,

kecepatan dan kelembaban. Pengukuran suhu dilakukan pada suhu :

lingkungan, inlet, uotlet, dinding model pengering, atap dan lantai

serta suhu dalam ruang pengering. Pengukuran kecepatan aliran udara

dan kelembaban udara dilakukan pada : inlet, outlet dan di dalam

ruang pengering. Pengukuran dilakukan pada posisi bidang XY yang

memotong sumbu. kecepatan aliran udara dan kelemababn udara

terhadap sumbu Z = 432.5 0mm.

1. Iradiasi Surya

Pyranometer diletakkan disamping alat pengering yang tidak

terhalang sinar matahari. Pengukuran dilakukan saat alat mulai

dioperasikan sampai percobaan selesai dan data keluarannya berupa

tegangan (mV) yang terlihat pada multimeter. Nilai 1 mV keluaran

Pyranometer setara dengan 1000/7 Watt/m2.

2. Suhu dan kecepatan aliran udara

Pengukuran suhu udara menggunakan termokopel, dan Hotwire

anemometer. Pengukuran suhu dilakukan pada titik-titik suhu :

lingkungan, ruang pengering, radiator, Inlet dan outlet.

Titik-titik pengukuran suhu, kecepatan aliran udara dan

kelembaban udara di dalam ruang pengering menggunakan grid 10

artinya pengukuran suhu pada setiap dimensi 10 cm arah panjang X,

10 cm arah lebar Z dan 10 cm arah tinggi Y dengan menggunakan

Hotwire Anemometer, sehingga terdapat 9 lapis pengukuran dan

dalam satu lapis pengukuran terdapat 110 titik pengukuran, sehingga

jumlah total titik pengukuran suhu, kecepatan dan kelembaban udara

masing-masing terdapat 990 data.

3. Kelembaban Udara (RH Udara)

Pengukuran kelembaban udara mengunakan termometer bola

basah dan kering dan kelembaban udara yang diukur meliputi

[image:50.612.221.414.105.219.2]

23

Gambar 6. Letak titik pengukuran suhu, kecepatan udara dan RH

b. Validasi Simulasi

Dalam validasi simulasi model pengring terdapat 3 percobaan

dengan 3 ulangan yaitu: bidang yang dianalisis percobaan 1 pada

posisi Z=10, 30 dan 70 cm; bidang yang dianalisis percobaan 2 pada

posisi Z=20,40 dan 70 cm; dan biodang yang dianalisis percobaan 3

pada posisi X=20,40 dan 60 cm. Bidang yang dianalisis adalah bidang

distribusi suhu dan kecepatan aliran udara pada model pengering

optimum.

Validasi model simulasi dilakukan dengan membandingkan nilai

suhu, kecepatan dan kelembaban udara hasil perhitungan dengan hasil

pengukuran pada bangunan pengering, pada grid 10 cm. Kriteria hasil

validasi dianalisis dengan metode Curve-fitting, yaitu cara penentuan

titik-titik suhu, kecepatan, dan kelembaban udara pada bidang simulasi

ke dalam bentuk data XY dan dibuat grafik korelasi data titik-titik

pengukuran CFD terhadap data titik pengukuran lapang.

Hasil validasi simulasi model pengering menggunakan CFD

dapat berupa kontur distribusi suhu dan kecepatan udara. Parameter

validasinya ditentukan oleh simpangan mutlaknya (APD) sebagai

berikut :

Simpangan mutlak (APD)

∑

(

)

_⎥

⎦ ⎤ ⎢

⎣

⎡ −

=

ukur hitung ukur

y y y

n

24

4.3.3 Perancangan prototipe pengering ERK

Dalam melakukan perancangan prototipe pengering ERK

dibutuhkan beberapa parameter yang berkaitan dengan kinerja prototipe

yaitu antara lain : jenis produk, kapasitas produk, kadar air awal dan akhir,

dan suhu pengeringan. Jenis produk yang akan digunakan dalam

perancangan ini adalah cengkeh.

Untuk mencegah menguapnya minyak cengkeh dalam proses

pengeringan maka pengeringan cengkeh perlu dilakukan pada suhu

optimum 55oC dan suhu maksimum yang diijinkan 60oC. Proses

pengeringan bertujuan untuk menurunkan kadar air rata-rata bunga

cengkeh setelah dipanen dari kadar air 70% basis basah menjadi kadar air

14% basis basah agar aman dari jamur dan bakteri (Argo, 1984).

Performansi alat pengering ERK secara teknis meliputi : iradiasi

surya, laju pengeringan, kadar air, energi surya dan listrik yang diterima

alat pengering, panas yang digunakan untuk menaikkan suhu dan

menguapkan air bahan, efisiensi pengeringan dan energi spesifik

pengeringan.

Penurunan kadar air produk selama proses pengeringan dihitung

berdasarkan :

Kadar air (% bb) = 100%

tan

x m m

m

pada air

air

+ ………. (17)

Kadar air (% bk) = 100%

tan

x m

m

pada

air _{……….. (18)}

Laju pengeringan

Laju pengeringan produk :

t M M

dt

dM o t

Λ −

= …..………. (19)

Energi untuk pengeringan (kJ) terdiri dari :

a. Energi panas dari iradiasi surya

25

b. Energi panas radiator

Q_RD =3.6UA_RD(T_RD −T_r)t ……….………… (21) Total energi panas yang dikandung dalam udara pengering

RD IR E Q Q

Q = + ……… (22)

c. Energi listrik untuk kipas dan pompa air

Pkt

Q_L =3.6 ………. (23)

Kebutuhan energi untuk pengeringan produk (kJ) terdiri dari :

a. Panas yang digunakan untuk menaikkan suhu bahan

Pkt M

C_pp =0.837+0.034( _o)3.6 .………...…………. (24) (Siebel, 1982)

Q_l1 =m_oC_pp(T_mak −T_init)….……… (25) b. Panas yang digunakan untuk menguapkan air bahan

) ( 386 . 2 503 .

2 T_p

Hfg = − ……….. (26)

0.1≤T(oC)≤65.57 (Brooker, 1982)

Hfg m

Q₂ = _u. ………...……… (27) Energi total untuk menaikkan suhu bahan dan energi penguapan bahan

(QD), kJ

2 1 Q

Q

Q_D = + .. ……… (28)

Efisiensi pengeringan

a. Efisiensi sistem pengering

% 100

x Q Q

S D S =

η .. ………. (29)

b. Energi spesifik pengering

mu Q_S

T =

26

BAB V

HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1. Simulasi Model Pengering dengan Gambit

5.1.1. Bentuk domain 3D model pengering

Bentuk domain 3D ruang pengering diperoleh dari pr