Simulasi Kolektor Surya Tipe Plat Datar Dengan Sudut 600 Dan Boks Pengering Pada Mesin Pengering Hasil Pertanian

SIMULASI KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR

DENGAN SUDUT 60

0

DAN BOKS PENGERING PADA

MESIN PENGERING HASIL PERTANIAN

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

NEHEMIA SEMBIRING

NIM. 080401042

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

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.

Adapun judul dari skripsi ini yaitu ” SIMULASI KOLEKTOR SURYA TIPE PLAT DATAR DENGAN SUDUT 600 DAN BOKS PENGERING PADA MESIN PENGERING HASIL PERTANIAN”.

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.

Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis banyak kesulitan dan kendala akan tetapi penulis juga mendapat dukungan dari berbagi pihak berupa semangat doa nasehat maupun spirit yang terus menopang penulis dalam menyelesaikan laporan ini. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT. selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Orang Tua penulis dan seluruh keluarga tercinta baik abang, kakak dan adik yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil kepada penulis tanpa pamrih.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara .

4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara .

6. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

7. Rekan-rekan 1 tim skripsi, Indra Gunawan Purba dan Fadli Rian Arikundo yang telah meluangkan waktunya bersama untuk berdiskusi bertukar pikiran juga memberikan kritik dan saran terhadap penulis.

8. Ibu S. Farah Dina dan Abang Haznam yang juga telah membantu penulis selama proses penyusunan skripsi ini mulai dari awal sampai akhir.

9. Ucapan terima-kasih juga kepada seluruh mahasiswa Teknik Mesin angkatan 2008, yaitu Agorlif Efrata Sianturi, S.T, Rio Arinedo Gurky S.T, Heri Firmansyah Lumbantoruan, S.T, Ferdinand A Lubis, S.T, Yosua Surbakti S.T, Michael Hasibuan S.T, Peter Manurung S.T, Stefanus Tobing, Herto Marbun dan rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin 2008 yang tidak bisa disebutkan satu-persatu, para abang senior 2006 dan 2007 dan adik-adik junior 2010 dan 2012 semua yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

Dalam menyelesaikan tugas ini penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna menyusun skripsi ini. Penulis mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata, Penulis mengharapkan semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca.

Medan, April 2013 Penulis,

Nehemia Sembiring

ABSTRAK

Tugas akhir ini adalah simulasikan kolektor surya dan ruang boks pengering. Alat pengering tersebut dioperasikan di Gedung Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara Lantai 4, dengan prinsip kerja alat tersebut adalah cahaya matahari yang masuk ke dalam ruang kolektor akan memanaskan plat absorber selanjutnya dengan bantuan perpindahan panas konveksi natural temperatur udara optimum pada plat absorber akan membuat temperatur pada ruang kolektor ikut naik dan kemudian masuk kedalam ruang boks pengering. Data yang diperoleh dari hasil pengukuran di lapangan kemudian dianalisa atau divalidasi dengan menggunakan perangkat lunak CFD. Asumsi-asumsi yang digunakan pada simulasi CFD, antara lain : kondisi steady, incompressible, aliran laminar dan model yang dibuat dalam bentuk 3-D dan 2-D, serta pemberian kondisi batas pada objek yang akan dianalisa. Tujuan Tugas akhir ini adalah menganalisa dan mempelajari : distribusi temperatur dan aliran fluida secara numerik pada permukaan plat absorber, pada ruang boks pengering yang kosong dan pada ruang boks pengering yang diberikan beban (diisi). Berdasarkan hasil simulasi, diambil kesimpulan baik distribusi temperatur dan aliran fluida sesuai dengan pencatatan hasil pada saat pengukuran.

ABSTRACT

The final task is simulates solar collectors and dryer box space. The drier is operated at the House Masters in Mechanical Engineering of Sumatera Utara University 4th Floor, the device working principle is that sunlight coming into the collector absorber plate will heat up further with the help of natural convection heat transfer of air temperature at the optimum absorber plate temperature in the room will make collectors go up and then go into a newspaper box. Data obtained from measurements in the field and then analyzed or validated by using CFD software. The assumptions used in the CFD simulation, among others: steady, incompressible, laminar flow and the model created in the form of 3-D and 2-D, as well as the provision of boundary conditions on the object to be analyzed. The purpose of final task is to analyze and study: temperature distribution and fluid flow numerically on the surface of the absorber plate, the dryer box empty space and the space given load dryers box (stuffed). Based on simulation results, it is concluded both temperature distribution and fluid flow according to the records at the time of measurement results.

DAFTAR ISI

1.3 Tujuan Penelitian ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Sistematika Penelitian... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Sejarah Pengeringan ... 5

2.1.1 Proses Pengeringan ... 6

2.1.2 Jenis-Jenis Pengeringan ... 6

2.2 Perpindahan Panas ... 11

2.2.1 Konduksi ... 11

2.2.2 Konveksi ... 12

2.2.3 Radiasi ... 14

2.3 Konveksi Alamiah (Natural Convection) ... 15

2.3.1 Persamaan Empirik Konveksi Alamiah Permukaan Luar ... 15

2.3.2 Konveksi Natural pada Ruang Tertutup ... 22

2.4 Computational Fluid Dynamic (CFD) ... 27

2.4.1 Pengertian Umum CFD ... 28

2.4.2 Aplikasi Penggunaan CFD ... 29

2.4.3 Manfaat CFD ... 29

2.4.4 Proses Simulasi CFD ... 30

2.5.1 Struktur Program CFD... 32

2.5.2 Langkah Penyelesaian Masalah dan Perencanaan Analisis CFD ... 33

2.5.3 Persamaan Pembentuk Aliran ... 36

2.5.4 Diskritisasi (metode interpolasi) pada CFD ... 40

BAB III METODE PENELITIAN ... 42

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ... 42

3.2 Alat dan Bahan yang Digunakan ... 42

3.2.1 Peralatan Pengukuran ... 42

3.3 Bahan Pengujian ... 51

3.4 Persiapan Pengukuran... 54

3.5 Prosedur Penelitian ... 54

BAB IV ANALISA DATA ... 52

4.1 Data Hasil Pengukuran ... 56

4.1.1 Pengukuran Temperatur Udara Harian, Kecepatan Angin, dan Radiasi Surya ... 56

4.1.2 Pengukuran Temperatur Plat Absorber dan Temperatur pada Ruang Boks Pengering ... 57

4.2 Perpindahan Panas pada Kolektor ... 59

4.2.1 Perhitungan Panas yang Dimanfaatkan (Quse) ... 59

4.3 Validasi Hasil Pengujian dengan Menggunakan Solver CFD ... 61

4.3.1 Pembuatan Model Mesin Pengering ... 61

4.3.2 Diskritisasi (meshing) Model ... 63

4.3.3 Menentukan Kondisi Batas (Boundary Conditions) ... 66

4.3.4 Simulasi Numerik Menggunakan Solver CFD ... 68

4.3.5 Hasil Simulasi Pada Tanggal 2 Maret 2013 ... 70

4.3.6 Hasil Simulasi Untuk Model II ... 74

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 79

5.1 Kesimpulan ... 79

5.2 Saran ... 80

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Spesifikasi load cell ... 45

Tabel 3.2 Spesifikasi pyranometer ... 46

Tabel 3.3 Spesifikasi Wind Velocity sensor ... 47

Tabel 3.4 Spesifikasi Measurement apparatus ... 48

Tabel 3.5 Spesifikasi T and RH smart sensor ... 49

Tabel 4.1 Pengukuran cuaca tanggal 2 Maret 2012 ... 56

Tabel 4.2 Pengukuran temperatur plat dan temperatur ruang boks tanggal 2 Maret 2012 ... 58

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1a Jenis pengering rotary dryer ... 7

Gambar 2.1b Jenis pengering flash dryer ... 8

Gambar 2.1c Jenis pengering spray dryer... 9

Gambar 2.1d Jenis pengering fluidized dryer ... 9

Gambar 2.1e Jenis pengering vacuum dryer ... 10

Gambar 2.1f Jenis pengering freeze dryer ... 10

Gambar 2.1g Jenis pengering batch dryer ... 11

Gambar 2.2 Perpindahan panas konduksi melalui sebuah plat ... 12

Gambar 2.3 Perpindahan panas konveksi dari permukaan plat ... 13

Gambar 2.4 Konveksi natural pada bidang miring ... 17

Gambar 2.5 Konveksi natural pada bidang horizontal (type a) ... 19

Gambar 2.6 Konveksi natural pada bidang horizontal (type b) ... 20

Gambar 2.7 Konveksi natural pada silinder vertical ... 21

Gambar 2.8 Konveksi natural pada silinder horizontal ... 22

Gambar 2.9 Konveksi natural pada ruang persegi yang dipanasi dari samping ... 23

Gambar 2.10 Ruang tertutup yang tinggi dan yang rendah ... 26

Gambar 2.11 Ruang tertutup yang dipanasi dari bawah ... 23

Gambar 2.12 Alur Penyelesaian Masalah CFD ... 35

Gambar 2.13 Hukum Kekekalan Massa pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ... 37

Gambar 2.14 Hukum Kekekalan Momentum Arah Sumbu-x pada Sebuah Elemen Fluida 3 Dimensi ...38

Gambar 2.15 Kerja yang Dikenakan pada Sebuah Elemen Arah Sumbu-x ...38

Gambar 2.16 Fluks Panas yang Melintasi Permukaan Sebuah Elemen ...39

Gambar 2.17 Volume control satu dimensi ...41

Gambar 3.1 Laptop... 42

Gambar 3.5 Hobo Microstation data logger ... 46

Gambar 3.6 Alat Ukur Hobo Microstation data logger ... 49

Gambar 3.7 Mesin Pengering ... 51

Gambar 3.8 Ubi kayu ... 51

Gambar 3.9 Triplek ... 52

Gambar 3.10 Rockwool ... 52

Gambar 3.11 Kaca ... 53

Gambar 3.12 Sterofoam ... 53

Gambar 3.13 Plat Seng ... 54

Gambar 3.14 Diagram Alir Penelitian ... 55

Gambar 4.1 Grafik temperatur udara lingkungan dan radiasi matahari pada tanggal 2 Maret 2013 ... 57

Gambar 4.2 Grafik temperatur plat dan boks pengering pada tanggal 02 Maret 2013 ... 58

Gambar 4.3a Model 3 Dimensi mesin pengering ... 62

Gambar 4.3b Model 2 Dimensi mesin pengering ... 63

Gambar 4.4a Proses mesh edge mesin pengering ... 63

Gambar 4.4b Proses mesh vol mesin pengering ... 64

Gambar 4.4c Proses mesh face mesin pengering ... 64

Gambar 4.4d Model yang telah di mesh (Mesh Edges) ... 65

Gambar 4.4e Model yang telah di mesh (Mesh Volumes) ... 65

Gambar 4.4f Model yang telah di mesh (Mesh Face) ... 66

Gambar 4.5 Pemberian kondisi batas ... 68

Gambar 4.6a Distribusi kontur temperatur pada plat ... 70

Gambar 4.6b Distribusi kontur temperatur pada kolektor (keseluruhan) ... 71

Gambar 4.6c Distribusi kontur temperatur pada boks ... 71

Gambar 4.6d Distribusi kontur temperatur pada kolektor dan boks ... 72

Gambar 4.6e Distribusi kontur temperatur pada mesin pengering (potongan) .. 72

Gambar 4.6f Distribusi vector kecepatan udara pada mesin pengering ... 73

Gambar 4.6g Distribusi kontur tekanan fluida pada mesin pengering ... 73

Gambar 4.7b Distribusi konturAliran Udara melewati ubi

pada boks Pengering ... 75 Gambar 4.7c Distribusi vector kecepatan udara pada mesin pengering ... 76 Gambar 4.8a Grafik perbandingan hasil Pengukuran dan simulasi

pada ruang kolektor ... 77 Gambar 4.8b Grafik Perbandingan hasil pengukuran dan simulasi

DAFTAR SIMBOL

Huruf Latin

Simbol Keterangan Satuan

q Laju perpindahan panas W

k Konduktivitas termal W/m.K

A Luas penampang m2

K Keliling m

T Temperatur 0C

Nu Bilangan nusselt -

L Panjang plat m

RaL Bilangan Rayleigh -

GrL Bilangan Grashof -

q‟‟ Fluks panas W/m2

g Gravitasi bumi m/s2

Tp Temperatur plat 0C

Tr Temperatur fluida 0C

Pr Bilangan Prandatl -

cp Panas jenis J/kg.K

Huruf Yunani

Simbol Keterangan Satuan

Emisitivitas permukaan plat -

Tetapan Boltzman W/m2.K4

ρ Massa jenis (density) kg/m3

β Koefisien ekspansi -