BAB 5
SIMULASI DAN ANALISIS HASIL
Pada bab ini akan dijelaskan hasil-hasil simulasi yang didapatkan dari persamaan pemanasan menggunakan microwave yang disimulasikan dengan menjalankan program MATLAB 7.0. Sebelum simulasi dilakukan, akan dijelaskan terlebih dahulu macam-macam penyajian dalam simulasi.
5.1 Macam-Macam Penyajian Dalam Simulasi
Macam-macam simulasi yang dilakukan pada penelitian ini adalah :
1. Mensimulasikan hasil dari penyelesaian Persamaan (4.51) yang terdapat pada Lampiran 1 dari pias satu dengan 25 node. Dalam simulasinya akan disajikan dalam bentuk tabel dan grafik dalam tiga dimensi. Adapun parameter-parameter yang digunakan terdapat pada Tabel 5.1.
2. Mensimulasikan hasil pada pias satu dengan 100 node. Dalam simulasinya akan disajikan dalam bentuk tabel dan grafik dalam tiga dimensi. Adapun parameter-parameter yang digunakan terdapat pada Tabel 5.1.
3. Mesimulasikan hasil dari penyelesaian Persamaan (4.51) yang terdapat pada Lampiran 1 dengan mengambil 20 node bagian tengah. Pada sumulasi ketiga ini ditunjukkan dalam bentuk tabel dan grafik dalam dua dimensi. Adapun parameter-parameter yang digunakan terdapat pada Tabel 5.1.
4. Mensimulasikan hasil dari penyelesaian Persamaan (4.51) yang terdapat pada Lampiran 1 dengan perubahan-perubahan parameter kecepatan dengan mengambil 20 node bagian tengah. Hasil dari simulasi ini ditunjukkan dalam bentuk tabel dan grafik dalam dua dimensi. Adapun parameter-parameter lain yang digunakan terdapat pada Tabel 5.1.
5. Mensimulasikan hasil dari penyelesaian Persamaan (4.51) yang terdapat pada Lampiran 1 dengan perubahan-perubahan parameter besar sumber panas (q) dengan mengambil 20 node bagian tengah. Hasil dari simulasi ini ditunjukkan
dalam bentuk tabel dan grafik dalam dua dimensi. Adapun parameter-parameter lain yang digunakan terdapat pada Tabel 5.1.
6. Mensimulasikan hasil dari penyelesaian Persamaan (4.51) yang terdapat pada Lampiran 1 dengan perubahan-perubahan parameter panjang jari-jari (r) dengan mengambil 20 node bagian tengah. Hasil dari simulasi ini ditunjukkan dalam bentuk tabel dan grafik dalam dua dimensi. Adapun parameter-parameter lain yang digunakan terdapat pada Tabel 5.1.
7. Mensimulasikan hasil dari penyelesaian Persamaan (4.51) yang terdapat pada Lampiran 1 dengan perubahan-perubahan parameter waktu (t) dengan mengambil 20 node bagian tengah. Hasil dari simulasi ini ditunjukkan dalam bentuk tabel dan grafik dalam dua dimensi. Adapun parameter-parameter lain yang digunakan terdapat pada Tabel 5.1.
5.2 Simulasi dan Analisis Hasil
5.2.1 Hasil Simulasi Dalam Tiga Dimensi (25 node)
Pada simulasi ini meggunakan parameter-parameter pada Tabel 5.1.
Tabel 5.1 Parameter-parameter yang digunakan dalam pemanasan
No Parameter Ukuran Satuan
1 q(sumber panas) 1500 W
2 ( kecepatan ) 0.0000315 m t-1
3 k(daya hantar )* 0,57 Wm-1K-1
4 Cp(panas jenis )* 3943.7 J kg-1K-1
5 ( kepadatan )* 1047.9 kg m-1
6 T( suhu cairan susu) 293.15 0K
7 TA(suhu ruangan ) 298.15 0K
8 t(waktu ) 1200 det
9 r(jari-jari) 0.085 m
10 z(tinggi ) 0.044 m
Dengan menggunakan program listing yang ada pada Lampiran 3 serta dengan parameter-parameter pada Tabel 5.1, didapatkan hasil yang disajikan dalam Tabel 5.2 dan Gambar 5.1
Tabel 5.2 Hasil simulasi distribusi suhu dalam dua dimensi dengan 25 node Iterasi suhu dalam derajad Kelvin
Node T Node T Node T Node T Node T
1 320.70 6 322.11 11 322.15 16 322.10 21 320.40
2 336.67 7 340.30 12 340.45 17 340.28 22 336.17
3 341.30 8 346.05 13 346.29 18 346.02 23 340.75
4 342.56 9 347.76 14 348.03 19 347.72 25 341.99
5 342.96 10 348.34 15 348.64 20 348.31 25 342.39
Gambar 5.1 Grafik distribusi suhu pada susu cair dalam tiga dimensi
Pada simulasi ini, volume susu cair satu liter dimasukkan dalam tabung yang berukuran panjang jari-jari 0.085m (8.5 cm) dan tinggi 0.044 m (4.4 cm), sedangkan tinggi tabung 15 cm. Dari hasil penghitungan yang dilakukan pada proses pemanasan selama 1200 detik (20 menit), suhu susu cair yang mula-mula 293.160K menjadi 348.640K (pada node ke 15) atau 75.480C, suhu ini hampir sama dengan proses pasteurisasi. Suhu susu cair yang bagian tengan lebih tinggi dari pada yang tepi, hal ini diakibatkan oleh sumber panas dari microwave
5.2.2 Hasil Simulasi Dalam Tiga Dimensi dengan 100 Node
Untuk mendapatkan hasil yang akurasinya lebih tinggi, maka pada simulasi ini menggunakan 100 node (10x10). Parameter-parameter yang digunakan tetap seperti pada Tabel 5.1. Hasil dari simulasi dengan menggunakan program listing yang ada pada Lampiran 4 dapat dilihat pada Tabel 5.3 dan Gambar 5.2
Tabel 5.3 Hasil simulasi distribusi suhu dalam tiga dimensi dengan 100 node
Gambar 5.2 Grafik distribusi suhu pada susu cair dalam tiga dimensi
Berdasarkan hasil simulasi pada Tabel 5.3, maka hasilnya tidak beda dengan hasil simulasi yang diperlihatkan pada Tabel 5.3. Selisih suhu paling tinggi hanya 0.230K, sedangkan suhu paling rendah sama besar, yaitu 320.70K.
5.2.3 Hasil Simulasi Dalam Dua Dimensi dengan 20 Node
Pada simulasi ini diambil 20 node bagian tengah dari penyelesaian Persamaan (4.51). Parameter-parameter yang digunakan seperti pada Tabel 5.1 di atas. Hasil dari simulasi dengan menggunakan program listing yang ada pada Lampiran 5 dapat dilihat pada Tabel 5.4 dan grafik pada Gambar 5.3.
Tabel 5.4 Hasil simulasi distribusi suhu pada susu cair dalam dua dimensi Iterasi suhu dalam derajad Kelvin
Node T Node T 1 322.16 11 348.78 2 340.47 12 348.78 3 346.32 13 348.78 4 348.07 14 348.78 5 348.58 15 348.78 6 348.72 16 348.78 7 348.77 17 348.78 8 348.78 18 348.78 9 348.78 19 348.79 10 348.78 20 348.87
Berdasarkan hasil simulasi di atas, suhu tertinggi mencapai 348.870K. Selisih suhu paling tinggi hanya 0.230K jika dibandingkan dengan dengan suhu pada Tabel 5.2. Simulasi ini selanjutnya akan digunakan sebagai acuan untuk melihat pengaruh kecepatan, sumber panas, panjang jari-jari, serta waktu pada waktu proses pemanasan.
5.2.4 Hasil Simulasi dengan Perubahan Kecepatan, Besar Sumber Panas, Panjang Jari-jari, dan Waktu
a. Hasil Simulasi dengan Perubahan Kecepatan
Pada simulasi ini parameter-parameter yang digunakan seperti pada Tabel 5.1 dengan merubah parameter besar kecepatan. Parameter kecepatan (w1)=0.0000305 m/det, kecepatan (w2)=0.0000315 m/det, dan kecepatan (w3) = 0.0000325 m/det. Hasil simulasi dengan menggunakan program listing yang ada pada Lampiran 6 dapat dilihat pada Tabel 5.5 dan Gambar 5.4.
Tabel 5.5 Hasil simulasi dengan perubahan kecepatan
Node
Iterasi suhu dalam derajad Kelvin
w(1)= 0.0000305 m/det w(2)= 0.0000315 m/det w(3)= 0.0000325 m/det … .. .. .. 6 348.73 348.73 348.72 7 348.77 348.77 348.77 8 348.78 348.78 348.78 9 348.78 348.78 348.78 10 348.78 348.78 348.78 11 348.78 348.78 348.78 12 348.78 348.78 348.78 13 348.78 348.78 348.78 14 348.78 348.78 348.78
15 348.78 348.78 348.78 16 348.78 348.78 348.78 17 348.78 348.78 348.78 18 348.78 348.78 348.78 19 348.77 348.79 348.80 20 348.34 348.82 349.31
Gambar 5.4 Grafik pengaruh kecepatan aliran terhadap proses pemanasan
Berdasarkan hasil yang diperoleh dari Tabel 5.4, kenaikan kecepatan dari 0.0000305 m/det ke 0.0000315 m/det (kenaikan 0.000001m/det) mengakibatkan kenaikan suhu dari 348.340K menjadi 348.820K (naik 0.480K), sedangkan kenaikan kecepatan dari 0.0000315 m/det ke 0.0000325 m/det (kenaikan 0.000001m/det) mengakibatkan kenaikan suhu dari 348.820K menjadi 349.310K (naik 0.490K), disamping itu kenaikan hanya berpengaruh pada nilai akhir sedangkan yang lainnya hampir tidak terjadi perubahan. Kenaikan kecepatan ini megakibatkan kenaikan suhu sangat kecil
Sesuai dengan sifat fluida dari pada susu cair bahwa susu cair termasuk jenis fluida non-Neutonian, artinya bahwa kecepatan pergerakan cairan akan mempercepat proses pemanasan.
a. Hasil Simulasi dengan Perubahan Besar Sumber Panas
Pada simulasi ini paramter-parameter yang diunakan seperti pada Tabel 5.1 dengan mengubah besar sumber panas. Parameter-parameter besar sumber panas (q) yang digunakan adalah q (1) = 1000 W, q(2) =1500 W, dan q(3) = 2000 W. Hasil dari simulasi dengan menggunakan program listing yang ada pada Lampiran 7 dapat dilahat pada Tabel 5.6 dan grafik pada Gambar 5.5
Tabel 5.6 Hasil simulasi dengan perubahan besar sumber panas Node
Iterasi suhu dalam derajad Kelvin
q (1)=1000 W q (2)= 1500 W q(3)= 2000 W … … … … 6 330.20 348.73 367.25 7 330.23 348.77 367.31 8 330.24 348.78 367.32 9 330.24 348.78 367.33 10 330.24 348.78 367.33 11 330.24 348.78 367.33 12 330.24 348.78 367.33 13 330.24 348.78 367.33 14 330.24 348.78 367.33 15 330.24 348.78 367.33 16 330.24 348.78 367.33 17 330.24 348.78 367.33 18 330.24 348.78 367.33 19 330.24 348.79 367.33 20 330.27 348.82 367.38
Gambar 5.5 Grafik pengaruh besar sumber panas terhadap proses pemanasan
Berdasarkan hasil yang diperoleh dari Tabel 5.5, kenaikan besar sumber panas dari 1000 W ke 1500 W megakibatkan kenaikan suhu susu cair dari 330.270K menjadi 348.820K (naik 18.550K atau 5.6%), sedangkan pada kenaikkan besar sumber panas dari 1500 W ke 2000 W mengakibatkan kenaikan sushu susu cair dari 348.820K menjadi 367.380K (naik 18.560K atau 5.6%).
c. Hasil Simulasi dengan Perubahan Panjang Jari-jari
Pada simulasi ini parameter panjang jari-jari tabung (r) yang dirubah sedangkan paramter-parameter yang lain tetap menggunakan parameter-parameter pada Tabel 5.1 . Parameter-parameter jari-jari (r) yang digunakan adalah r (1) = 0.085 m (volume =1 liter), r (2) = 0.1m (volume= 1.38 liter), dan r (3) = 0.115 m (1.83 liter). Hasil dari simulasi dengan menggunakan program listing yang ada pada Lampiran 8 dapat dilahat pada Tabel 5.7 dan grafik pada Gambar 5.6.
Tabel 5.7 hasil simulasi dengan perubahan jari-jari tabung
Node Iterasi suhu dalam derajad Kelvin
r(1)=0.085 m r(2)=0.1 m r(3)=0.115 m
… … … …
7 348.77 340.42 334.26 8 348.78 340.43 334.27 9 348.78 340.44 334.27 10 348.78 340.44 334.27 11 348.78 340.44 334.27 12 348.78 340.44 334.27 13 348.78 340.44 334.27 14 348.78 340.44 334.27 15 348.78 340.44 334.27 16 348.78 340.44 334.27 17 348.78 340.44 334.27 18 348.78 340.44 334.27 19 348.79 340.44 334.27 20 348.82 340.47 334.30
Berdasarkan hasil yang diperoleh pada Tabel 5.7, jika jari-jari tabung diubah dari 0.085 m menjadi 0.1m mengakibatkan penurunan suhu dari 348.820K menjadi 340.470K (turun 8.350K atau 2.4 %), sedangkan jika jari-jari tabung dinaikkan lagi menjadi 0.115 m , maka mengakibatkan penurunan suhu dari 340.470K menjadi 334.30K (turun 6.170 K atau turun 1.8% ). Pada simulasi ini walaupun diberikan kenaikan jari-jari yang sama namur tidak berakibat mengalami penurunan suhu yang sama.
d. Hasil simulasi dengan perubahan waktu
Pada simulasi ini parameter waktu (t) yang dirubah sedangkan paramter-parameter yang lain tetap menggunakan paramter-parameter-paramter-parameter pada Tabel 5.1 . Parameter-parameter j waktu (t) yang digunakan adalah t (1) = 20 menit, t(2) = 22 menit, dan t(3)=24 menit. Hasil dari simulasi dengan menggunakan program listing yang ada pada Lampiran 9 dapat dilahat pada Tabel 5.8 dan grafik pada Gambar 5.7
Tabel 5.8 Hasil simulasi dengan perubahan waktu
Node Iterasi suhu dalam derajad Kelvin
t(1)=20 menit t(2)=22 menit t(3)=24 menit
… ... … … 6 348.73 355.26 363.35 7 348.77 355.33 363.48 8 348.78 355.36 363.52 9 348.78 355.36 363.54 10 348.78 355.37 363.54 11 348.78 355.37 363.54 12 348.78 355.37 363.54 13 348.78 355.37 363.55 14 348.78 355.37 363.55 15 348.78 355.37 363.55
16 348.78 355.37 363.55
17 348.78 355.37 363.55
18 348.78 355.37 363.55
19 348.79 355.37 363.55
20 348.82 355.42 363.60
Gambar 5.7 Grafik pengaruh waktu terhadap proses pemanasan
Berdasarkan hasil yang diperoleh pada Tabel 5.8, jika waktu pemanasan dari 20 menit menjadi 22 menit mengakibatkan kenaikan dari 348.820K menjadi 355.420K (naik 8.60K atau 2.9 %), sedangkan jika waktu pemanasan dari 22 menit menjadi 24 menit mengakibatkan kenaikan suhu dari 355.420K menjadi 363.60K (naik 8.180K atau 2.8 %). Pada simulasi ini penambahan waktu 2 menit saja dapat mempengaruhi kenaikan suhu cukup signifikan.
Berdasarkan hasil dari simulasi-simulasi tersebut diatas menunjukkan bahwa pemanasan susu sapi cair sangat dipengaruhi oleh empat faktor yaitu: kecepatan aliran, besar sumber panas, panjang jari-jari ( volume), dan waktu.
5.3 Hubungan Pemanasan dan Pengawetan
Untuk melengkapi penelitian ini penulis mengadakan praktikum dengan peralatan microwave yang berukuran sebagaimana tersebut dalam bab 2. Untuk menguji keawetan ( life time) susu sapi cair tersebut, penulis menggunakan bahan methyline blue. Adapun hasil yang diperoleh dari praktikum dapat dilihat pada Tabel 5.9. Pada penelitian ini susu yang telah dipanaskan kemudian didiamkan secara alami tanpa perlakuan lain-lain, selanjutnya kira-kira 15 jam kemudian diuji dengan menggunkan methyilene blue, untuk mengetahui dengan pasti kerusakan susu.
Tabel 5.9 Hubungan pemanasan dalam pengawetan
No Lama pemanasan Suhu (0C) Life time (jam)
1 20 menit 70-80 16-18
2 22 menit 80-90 18-20
3 24 menit 90-100 20-24
Sumber: praktikum sendiri( 10-15 Mei 2009)
Berdasarkan Tabel 5.9 di atas, susu cair akan memiliki life time (keawetan) lebih lama ketika dipanaskan hingga mencapai 1000C, yaitu antara 20 jam hingga 24 jam. Pada segmen ini meskipun lebih awet, tetapi jarang dilakukan oleh perusahaan, hal ini untuk menjaga kesegaran susu. Susu akan tetap segar jika hanya dipanaskan antara 700C-800C (pasteurisasi). Dan jika dipanasi hingga 1000C susu lebih awet namun kurang segar dan juga kadar gizinya berkurang.
BAB VI
KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 Kesimpulan
Kesimpulan dari hasil penelitian ini adalah:
1. Pemodelan pemanasan susu sapi cair menggunakan microwave adalah
p c r T w T t z =
T 1 T rk k r k r r r z z + '' 2 0 2 rf E2. Untuk menghitung distribusi temperatur ,maka digunakan bantuan komputer dengan bahasa pemrograman dengan bahasa program MATLAB 7.0
3. Dari hasil simulasi distribusi temperatur pada dengan volume 1 liter, kecepatan 0.0000315 m/det, panas jenis 3943 j kq-1K-1, kepadatan 1047.7 kq m-1, daya hantar termal 0.57 Wm-1K-1, suhu susu cair yang semula suhunya 293.160K, menjadi 348.640K atau 75.480K jika dipanasi selama 20 menit.
4. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses pemanasan yang mempengaruhi proses pemanasan adalah kecepatan aliran , besar sumber panas, volume, dan waktu. 5. Penambahan kecepatan 0.000001m/det menyebabkan pertambahan panas sebesar
0.480K, penambahan besar sumber panas 500 W, mengakibatkan kenaikan suhu sebesar18.560K, penambahan panjang jari-jari dari 0.085 m menjadi 0.1 m mengakibatkan penurunan suhu sebesar 8.350K, sedangkan penambahan waktu pemanasan 2 menit mengakibatkan penambahan panas sebesar 8.60K.
6. Sebelum dipanaskan life time susu 4-5 jam dan setelah dipanaskan pada suhu 700C-1000C, life time susu menjadi 16-24 jam
6.2 Saran
Untuk penelitian selanjutnya diharapkan menganalisa lebih jauh, yaitu menghitung sumber panas yang diakibatkan oleh energi gelombang elektromagnetik, jadi tidak langsung diinputkan ke persamaan perpindahan panas.
DAFTAR PUSTAKA
Apsley, D., 2005, Computational of Fluid dynamics, Spinger, Verlag Berlin Heidelberg, New York.
Buckle, K.A., Edward, R.A., Flat, G.H., and Wotton, M., 1987, Ilmu Pangan, Penerjemah Purnomo, H dan Adipono, Universitas indonesia Press, Jakarta. Ferziger.J. H., Peric M, 2002, Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer,
Verlak Berlin Heidelberg, New York.
Garniwa, I., 1996, Aplikasi Elektromagnetik, Erlangga, Jakarta
Gupta, K. C., 1979, Microwaves, Wiley Eastern Limited, New Delhi, India
Hadiwiyoto, S., 1983, Hasil-Hasil Olahan Susu, Ikan, Daging, Dan Telor, Fakultas Peternakan Universitas Brawijaya Malang.
Herawati, E., 2000, Pengolahan Pangan Asal Ternak, Ikan, dan Secara Fermentasi, Fakultas Peternakan, Universitas Islam Malang.
Holman, J. P, Jasjfi, E., 1994, Perpindahan kalor, Erlangga, Jakarta
Kreith, F., Priyono, A., 1994, Prinsip-prinsip perpindahan panas, Erlangga, Jakarta Reitz, J.R., Milford, F. J., Christy, R. W., 1993, Dasar Teori Listrik Magnet,
Penerjemah Wirosimin, S., dan Susanti, ITB, Bandung.
Versteg, H., K., Malasekera, W., 1995, An Introduction to Computational Fluid Dynamics Using the Finite Volume Method, longman group limited, london White , F., M., Hariandja, M., 1986 , Mekanika Fluida, Erlangga, Jakarta.
Winarno, F. G., dan Janei, B. S. L., 1982, Kerusakan Bahan Pangan dan Cara Pencegahannya, Galia Indonesia, Jakarta.
Zhu, J., Kuznatsov A.V, , Sandep K.P., 2006, Mathematical Modeling of Continuous Flow Heating Of Liquids, International Journal of Thermal Sciences 46 (328-341)
