PERPINDAHAN MASSA, MOMENTUM DAN ENERGI SECARA SIMULTAN PADA SISTEM PENGERING MUHAMAD SYAIFUL

Transkripsi

1 PERPINDAHAN MASSA, MOMENTUM DAN ENERGI SECARA SIMULTAN PADA SISTEM PENGERING MUHAMAD SYAIFUL SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 007

2 PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa disertasi saya dengan judul Perpindahan Massa, Momentum dan Energi Secara Simultan pada Sistem Pengering asli karya saya dengan arahan komisi pembimbing dan bukan hasil jiplakan atau tiruan dari tulisan siapapun serta belum diajukan dalam bentuk apapun kepada Perguruan Tinggi manapun. Bogor, Agustus 007 Muhamad Syaiful NRP ii

3 RINGKASAN MUHAMAD SYAIFUL. Perpindahan Massa, Momentum dan Energi Secara Simultan Pada Sistem Pengering. Dibimbing oleh KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY HARTULISTIYOSO, dan DYAH WULANDANI. Pengeringan bahan pangan umumnya bertujuan untuk mengawetkan bahan yang mudah rusak sehingga mutu dapat dipertahankan selama penyimpanan. Proses pengeringan terjadi melalui penguapan air, cara ini dilakukan dengan menurunkan kelembaban nisbi udara dengan mengalirkan udara panas disekeliling bahan, sehingga kecepatan uap air bahan lebih besar dari pada tekanan uap air di udara. Perbedaan tekanan ini menyebabkan terjadinya aliran uap air dari bahan ke udara Penelitian yang dilakukan ini merupakan penelitian dasar tentang teori pengeringan yang sifatnya ingin mengkaji secara mendalam mekanisme dan karakteristik pengeringan dalam kaitannya dengan aliran udara panas sebagai media pengering berdasarkan teori perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan. Pengaturan kondisi udara panas dalam pengering merupakan hal penting guna mendapatkan proses pengeringan yang optimal baik dari segi biaya maupun kondisi proses. Pengetahuan karakteristik proses pengeringan ini sangat berguna untuk merancang alat pengering yang efisien, menghasilkan mutu pengeringan yang prima dengan mengatur kondisi aliran udara, suhu dan kelembabannya secara tepat. Secara umum tujuan penelitian adalah untuk melakukan kajian terhadap transportasi momentum, energi dan massa secara simultan pada proses penguapan air dalam bahan padat ke dalam aliran udara panas. Melalui kajian mendasar ini diharapkan dapat ditentukan metodologi operasi yang optimal untuk mendapatkan hasil pengeringan yang prima. Luaran penelitian ini berupa kondisi operasional aliran udara panas pada proses pengeringan produk berdasarkan perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan dengan pendekatan teori boundary layer (lapisan batas). Hasil penelitian yang dilakukan terhadap produk gabah dengan pemodelan persamaan matematik perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan pada sistem pengering dapat memberikan gambaran tentang profil kecepatan, suhu dan RH udara pengering terhadap dimensi panjang rak pengering, tinggi ruangan kosong diatas rak serta dapat menentukan fraksi massa uap air yang terbawa oleh aliran udara keluar sistem. Model persamaan matematik perpindahan massa, momentum dan energi ini dapat memberikan petunjuk tentang kondisi parameter suhu, kecepatan dan massa secara serentak dalam operasi proses penguapan air bahan. Beberapa pengujian telah dilakukan dengan menggunakan sebuah rak dengan lebar 40 cm dan panjang 50 cm. Beberapa nilai dari fluks massa diperoleh didalam parameter tak berdimensi yang bervariasi dari nilai K= 0.68 sampai dengan K = 0.79 yang menunjukkan tingkat perbedaan dalam proses pengeringan. Ketebalan dari lapisan batas hydrodinamik (berdasarkan model) selama pengeringan gabah adalah.08 cm, 1.4 cm,.09 cm dan.8 cm yang masing-masing untuk percobaan 1,,3 dan 4 sedangkan ketebalan lapisan batas termal selama percobaan ini masing-masing adalah.8 cm, 1,55 cm,,36 cm, dan,08 cm. Nilai rata-rata fluk massa pada kondisi adalah 0.15e-03 kg/m dtk, 0.3e-03 kg/m dtk, 0.17e-03 kg/m dtk dan 0.7e-03 kg/m dtk. Dari hasil percobaan ini nampak jelas bahwa percobaan 4 memberikan fluk massa terbesar terhadap pengurangan kadar air bahan, oleh karena itu kondisi ini dapat digunakan sebagai referensi untuk kondisi pengeringan yang optimum. Pengukuran kecepatan massa udara dalam penelitian ini adalah kg/sdtk untuk percobaan 01, kg/dtk untuk percobaan 0 dan kg/dtk untuk percobaan 03. iii

4 Pada perconbaan 01 kecepatan udara aliran bebas 0.4 m/dtk sama dengan kecepatan tak berdimensi v = u /v= 0.78, dengan suhu 37.6 o C, dimana kecepatan tertinggi ratarata aliran udara adalah 0.33 m/dtk ±0.0 m/dtk SD pada ketinggian 35 mm di atas rak. Pada percobaan 0 kecepatan tertinggi rata-rata aliran udara 0.34 m/dtk ± m/dtk SD, pada 50 mm di atas rak. Sedangkan pada percobaan 04, kecepatan tertinggi ratarata adalah 0.3 m/dtk ( =0.68) pada 5 mm di atas rak. Nilai rata-rata tertinggi suhu udara pada percobaan 01 adalah o C ± 0.9 o C pada 50 mm di atas rak. Suhu tak berdimensi, T =( T-To)/( T -To) pada percobaan ini Pada percobaan 0, suhu udara rata-rata tertinggi diperoleh 36.0 o C ± 0.1 SD pada 50 mm di atas rak, dengan suhu tak berdimensi, T = 0.83, sedangkan pada percobaan 03, rata-rata tertinggi suhu udara 36.5 o C ± 0.1 SD dengan suhu tak berdimensi ( T = 0.84) pada 45 mm di atas rak. Untuk percobaan 04, rata-rata tertinggi suhu udara oc ± 0.1 SD dan suhu tak berdimensi ( T = 0.78). Profil RH dari keempat percobaan berturut-turut untuk percobaan 01, % ±1.59 % SD, percobaan 0, % ± 1.4% SD, percobaan 03, % ± 1.1 % SD dan percobaan 04, % ± 1.3%SD. Energi yang dibutuhkan untuk mengeringkan gabah pada percobaan 01, dari kadar air 4.67%bb menjadi 14.93%bb adalah W selama 7.30 jam, dengan rata-rata fluk massa kg/m dtk. Pada Percobaan 0, kebutuhan energi adalah W dengan flkuk massa kg/m dtk selama 7.16 jam. Sementara pada percobaan 03, dibutuhkan energi 8.36 W dengan flu massa kg/m dtk selama 7.16 jam. Guna mempelajari lebih jauh mengenai proses pengeringan ini dipergunakan juga teknik CFD. Penggunaan teknik simulasi CFD secara keseluruhan memberikan gambaran pola aliran udara dan profil suhu mendekati kenyataan dalam percobaan yang dilakukan. Dimana pada lebar 1 cm dan panjang 50 cm, suhu dan kecepatan udara di atas rak berkisar anatar 34 o C sampai 34.8 o C dan kecepatan udara berkisar antara 0.18 m/dtk sampai 0.1 m/dtk. Untuk panjang rak 5 cm dengan lebar 4 cm kisaran kecepatan udaranya adalah 0. m/dtk sampai 0.3 m/dtk dengan suhu berkisar antara 34.8 o C dan 35. o C. Kadar air akhir gabah pada penelitian ini berturut-turut adalah % (bb) untuk percobaan 01, 14.5% bb, untuk percobaan 0, % bb untuk percobaan 03 dan % bb untuk percobaan 04. Profil suhu dan kecepatan udara, tebal lapisan batas hidrodinamik dan termal dapat dibuktikan dengan model perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan pada sistem pengering. Kecepatan dan suhu udara pada aliran bebas merupakan parameter penting dalam proses perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan untuk penguapan air produk. Aliran laminar sangat menentukan untuk mendapatkan kecepatan dan suhu yang seragam pada permukaan rak pengering dan ketebalan lapisan batas yang terbentuk, dimana udara panas masuk dalam lapisan batas akan memanaskan air yang terdapat pada lapisan permukaan dan mengangkut uap air yang terjadi keluar sistem menuju udara lingkungan. Penggunaan straw pada ruang pengering sebagai penyearah aliran udara dapat memberikan kecepatan aliran udara yang merata ke arah bagian lebar rak. Kata Kunci : Tebal lapisan batas, pengeringan produk, CFD, perpindahan panas, massa dan momentum simultan. iv

5 ABSTRACT MUHAMAD SYAIFUL. Simultaneous, Mass, Momentum and Energy Transfer in a Drying System. Advisors: KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY HARTULISTIYOSO, and DYAH WULANDANI The drying of food material generally aims to reduce moisture of food to a level save for long period of storage. The drying process occurs by applying heat to the product to evaporate moisture from the product to the ambient air. The operating velocity, temperature, and RH of the drying air surrounding the product should be kept at a certain level during the drying process so that moisture migration from the product to the ambient air could be accomplished in an efficient manner preventing thermal stress which may induce fissures and other quality damage to the product. The focus of this research is related to basic drying mechanism, where heat, momentum and mass transfer which occurs simultaneously will influence the rate of moisture migration out of the product. The change in mass flu of moisture will influence the RH profile and in turn will change both the temperature and drying air flow rate. The understanding this basic phenomenon will lead to understanding on how to manipulate these three controlling parameters of a drying process, namely the air velocity, the temperature and RH in designing a drying system. The main objective of this research was to understand first the interrelationship among the three controlling parameters of air velocity, temperature and RH distribution surrounding the product to be dried using the basic theory of simultaneous, mass, momentum and energy transfer. A slab containing rough rice which is porous materials was chosen as a model to conduct analysis. Automatic weighing system to measure mass flu of moistrure from the product was specially designed for the purpose of this study using strain gage and strain recorder. The amount stratin then was calibrated with different weight of load. Several test runs were conducted using a perforated slab 4 cm wide and 50 cm long. The values of mass flu epressed in terms of dimensionless parameter (K), were varied from K = 0.68, to K =0.79. to indicate the different degree of drying process. The thickness of hydrodynamic boundary layer ( based on the model) during the drying of rough rice were.08 cm, 1.4 cm,.09 cm and.8 cm, respectively for test run 1,, 3, and 4, while the thickness of thermal boundary layer during these test runs were.8 cm, 1.55 cm,.36 cm and.08 cm, respectively. The average mass flu under these conditions were 0.15e-03 kg/m s, 0.3 e-03 kg/m s, 0.17e-03 kg/m s and 0.7e-03 kg/m s, respectively. From these tests it was clear that the test run 04 gave the largest mass flu of moisture and, therefore, should be used as future reference in determining the optimum drying condition. The measured air velocity during these test runs were is kg/s at run 01, kg/s at run 0,and kg/s at run 03. At run 01, the air velocity at free stream was 0.4 m/s, equivalent to the dimensionless velocity, v = u /u = 0.78, with air temperature of 37.6 o C, while the highest average air velocity was 0.33 m/s ±0.0 m/s SD located at 35 mmm above the slab. In run 0. the highest average air velocity was 0.34 m/s± m/s, SD located at 50 mm above the slab. During test run 04, the highest air velocity was 0.3 m/s ( =0.68) located at 5 mm above the slab. The highest average air temperature during run 01 was o C ± 0.9 o C located at 50 mm above the slab. The dimensionless temperature, T =( T-To)/( T -To) under this test condition was equal to In run 0, highest average air temperature was 36.0 oc ± 0.1 SD located at 50 mm above the slab, with the equivalent dimensionless temperature, T = 0.83, while in run 03, the highest average air temperature temperature was 36.5 o C ± 0.1 SD ( T = 0.84) located at 45 mm above the slab. In run 04, the highest average air temperature was o C ± 0.10 SD ( T = 0.58). v

6 RH profiles obtained during the 4 test runs indicated that the average RH for test run 01, was % ±1.59 %, SD, % ± 1.4% SD for test run 0, % ± 1.10 % SD for test run 03, and % ± 1.3%SD in run 04. The energy required to dry rough rice in test run 01 from 4.67%wb to 14.93%wb were W for 7.30 hours, with average mass flu of kg/m s. In test run 0, the rate of applied heat and its duration was W with the resulting average mass flu of kg/m obtained during the drying duration of 7.16 hours. In test run 03, the applied heat was 8.36 W with mass flu of vapour kg/m s and lasted for 7.16 hours. In order to study in depth behaviour of the drying process, CFD technique was applied. Using CFD simulation techniques better picture of air stream and temperature profiles above the drying slab were obtained. The resulting air velocity as well as the temperature profile using CFD were in good agreement with those obtained from the eperiment. When the width of the slab was at 1 cm and length of 50 cm the temperature and air velocity along the slab varied between 34 o C to 34.8 o C and the air velicty between 0.18 m/s to 0.1 m/s. When the length of the slab was reduced to 5 m, the proper width of the slab was 4 cm to create better variation of air velocity ( 0. m/s to 0.3 m/s) and temperature ( 34.8 o C to 35. o C). The final moisture content of tested rough rice was % ( w) in run 01, 14.5% wb, in run 0, % wb in run 03 and % wb in run 04, respectively. Temperature and velocity profile of air, thickness of hydorodynamic and thermal boundary layer can be proved with model of simultaneous mass, momentum and energy transfer in a drying system. Velocity and temperature of air at free stream represent important parameter in the process of transfer of mass, momentum and energy of siumultaneous for the water evaporation of product. Stream of laminarvery determining to get uniform temperature and velocityat surface dryer rack and was thickness formed boundary layer, where hot air enter in boundary layer will heated water found on surface coat and transport aqueous vapour that happened go out systemto environmental air. Usage of straw at dryer room as rectifier of air stream can give velocity of air stream which flatten up at widw shares of rack. Keywords : Boundary layer thickness,drying of porous materials on slab, CFD, simultaneous heat, mass and momentum transfer. vi

7 @ Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 007 Hak Cipta dilindungi Undang-undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB vii

8 PERPINDAHAN MASSA, MOMENTUM DAN ENERGI SECARA SIMULTAN PADA SISTEM PENGERING MUHAMAD SYAIFUL Disertasi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 007 viii

9 Penguji Luar Komisi : Ujian Tertutup : 1. Dr. Ir. Meika Syahbana Rusli Ujian Terbuka : 1. Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Sc. Dr. Ir. Ridwan Thahir, APU i

10 JUDUL DISERTASI : Perpindahan Massa, Momentum dan Energi Secara Simultan pada Sistem Pengering NAMA : Muhamad Syaiful N R M : F TEP Disetujui Komisi Pembimbing Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSAE Ketua Dr. Ir. Edy Hartulistiyoso, MSc. Anggota Dr. Ir. Dyah Wulandani, MSi. Anggota Diketahui Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Dekan Sekolah Pascasarjana IPB Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan, M.Sc Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS Tanggal Ujian : 30 Juli 007 Tanggal Lulus :

11 PRAKATA Puji dan syukur jangan pernah berhenti untuk kita panjatkan bagi pemilik segala kesempurnaan, Allah SWT yang Maha Agung, seiring salawat dan salam untuk nabi Muhammad SAW manusia termulia dan suri tauladan dalam kehidupan ini. Hanya karena limpahan rahmatnya atas karunia akal, penulis dapat menyelesaikan disertasi ini. Tema yang dipilih dalam disertasi ini adalah Perpindahan Massa, Momentum dan Energi Secara Simultan pada Sistem Pengering. Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih atas bimbingan, saran, dan nasehat tentang filosofi keilmuan serta ide-ide juga bantuan dana maupun sarana yang begitu besar manfaatnya bagi penulis, selama kuliah dan dalam penyelesaian disertasi ini, serta kegiatan-kegiatan ilmiah lainnya, kepada : 1. Prof. Dr. Kamaruddin Abdullah, MSAE sebagai Ketua Komisi Pembimbing. Dr. Ir. Edy Hartulistiyoso sebagai Anggota Komisi Pembimbing 3. Dr. Ir. Dyah Wulandani sebagai Anggota Komisi Pembimbing 4. Prof. Dr. Ir. Budi Indra Setiawan, M.Agr selaku Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Sekolah Pascasarjana IPB 5. Dr. Ir. Meika Syahbana Rusli selaku Dosen Penguji Luar komisi Pembimbing pada sidang ujian tertutup 6. Dr. Ir, Ridwan Thahir, APU selaku penguji pada sidang ujian terbuka 7. Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan., M.Sc. selaku penguji pada sidang ujian terbuka 8. Pimpinan Institut Pertanian Bogor (IPB) yang telah memberikan izin kepada penulis untuk menempuh pendidikan S3 ini. 9. Seluruh staf administrasi yang telah banyak membantu kelancaran dalam penyelesaian studi. 10. Dirjen Pendidikan Tinggi atas dana bantuan melalui Program BPPS, 11. Bapak dan Ibu Staf Pengajar di Departemen Teknik Pertanian, dan khususnya kepada Staf Laboratorium/teknisi labroratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Fateta IPB atas bantuan yang sangat besar selama studi dan pelaksanaan penelitian. 1. Teman-teman di Universitas Bengkulu dan di Fateta IPB 13. Semua pihak yang tidak mungkin disebutkan satu-persatu, atas segala bantuan, kerja sama dan dukungan moril dan materil pada penulis hingga selesainya disertasi ini. Ketulusan kasih sayang, pengorbanan serta doa ayah dan bapak yang telah tiada serta amak ( yang sedang sakit ) dan mama ( yang sudah uzur ) selama ini, adalah penyemangat bagi penulis dalam menyelesaikan studi ini. Ketulusan yang tak mungkin mampu penulis membalasnya. Doa tulus dan bantuan yang diberikan adik-adikku serta seluruh keluarga, adalah dukungan besar untuk penulis dalam mengikuti pendidikan ini. i

12 Ucapan terima kasih penuh cinta dan sayang untuk ananda Arin Risfadina Syaiful dan Agusdian, Verani Indiarma Syaiful serta Mirza Muhammad Ilham Syaiful, isteriku, Pudiwati Syaiful, atas segala pengertian, pengorbanan, kesabaran dan doanya serta yang selalu memberi dukungan moril dan materil kepada penulis agar tetap maju dan tidak patah semangat dalam menyelesaikan pendidikan S3 ini. Khusus untuk cucunda tercinta Disya Addin Nabila Agusdian, kehadirannya menjadi penyemangat tersendiri. Harapan seiring doa penulis, semoga karya ilmiah ini bermanfaat dan segala budi baik serta bantuan semua pihak yang telah diberikan kepada penulis, Insya Allah bernilai ibadah dan mendapat pahala tak pernah putus dari Allah Subhannahu Wata ala serta semoga kita selalu dibimbingannya dalam mengamalkan ilmu dengan baik dan benar juga senantiasa berusaha menjadi hambanya yang ikhlas dan pandai bersyukur, Aaamiiin!!! Bogor, Agustus 007 Muhamad Syaiful ii

13 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bengkulu pada tanggal 16 Nopember 1957, anak dari Bachtiar Husin dan Mainar. Anak pertama dari sembilan bersaudara. Penulis menyelesaikan Sekolah Dasar di SD Negeri 1 Teladan Bengkulu (tahun lulus 1970), Sekolah Menengah Pertama di SMP Negeri 1 Bengkulu (tahun lulus 1973). Tahun 1974 penulis sekolah di Sekolah Teknik Menengah Budi Utoma di Jakarta. Penulis menamatkan Sekolah Menengah Atas di SMA Putra Indonesia Yogyakarta (lulus tahun 1978). Pada tahun 1978 penulis melanjutkan pendidikan di Universitas Gadjah Mada pada Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik UGM dan memperoleh gelar Sarjana Muda Teknik Kimia tahun 1984 dan gelar Sarjana Teknik Kimia tahun 1986 di UGM. Pada tahun 1987 sampai sekarang penulis bekerja sebagai Staf Pengajar di Jurusan Teknologi Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Bengkulu (UNIB). Tahun 1990, penulis mendapat kesempatan mengikuti pendidikan program Magister (S) pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian di Program Pascasarjana IPB melalui dana pendidikan dari TMPD dan lulus pada tahun 1993, di bawah bimbingan Dr. Kamaruddin Abdullah sebagai Ketua, Dr. Atjeng M. Syarief sebagai anggota dan Soedarsono, M.Sc sebagai anggota Penulis mengikuti program studi Doktor (S3) pada Program Studi Ilmu Ketekniakn Pertanian IPB dengan dana pendidikan dari BPPS pada tahun 003. Selama mengikuti pendidikan program S3 ini penulis telah mengikuti beberapa seminar. Sebagian dari karya ilmiah ini telah dipublikasikan dan disajikan dalam : Jurnal Ilmu-Ilmu Pertanian Indonesia (Indonesian Journal of Agricultural Sciences), Vol.9, UNIB, Bengkulu. Karya-karya ilmiah tersebut merupakan bagian dari program pendidikan S3. Penulis menikah dengan Ir. Pudiwati Thamrin pada tahun 198 dan dikarunia tiga orang putra-putri yaitu, Arin Risfadina, Verani Indiarma dan Mirza Muhammad Ilham, serta seorang cucu Disya Addin Nabila. Bogor, Agustus 007 Muhamad Syaiful iii

14 DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL... vii DAFTAR GAMBAR... DAFTAR LAMPIRAN... v DAFTAR SIMBOL... vii I. PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan dan Manfaat Sistematika Disertasi... 7 II. STUDI PUSTAKA Prinsip Dasar Proses Penguapan air Anatomi Gabah Proses Penguapan Air Gabah Penukar Panas Radiator RH Udara Pengering III. TEORI PERPINDAHAN MOMENTUM, ENERGI DAN DAN MASSA SECARA SIMULTAN Pendahuluan Teori Lapisan Batas Pendekatan Teoritis Pemodelan Transport Momentum, Energi dan Massa pada Sistem Pengering Pendefinisian Boundary Condition dan Initial Condition Ketebalan Lapisan Batas Hidrodinamik dan Lapisan Batas Termal Penentuan Nilai Difusivitas Teori Pengeringan Lapis Tipis Pemodelan Matematik Menentukan Me, K dan Dv Penentukan Dimensi Ring Tranduser iv

15 DAFTAR ISI (Lanjutan) Halaman IV. KAJIAN CFD PADA PROSES ALIRAN FLUIDA Penelitian Sebelumnya Cara Kerja Fluent Dalam Pemecahan Masalah Aliran Fluida Simulasi Dinamika Aliran Fluida dengan CFD Model Persamaan Atur Simulasi CFD Tahapan Simulasi CFD pada Alat Pengering V. PERCOBAAN Bahan dan Alat Waktu dan Tempat Prosedur Penelitian Proses Perhitungan Simulasi CFD VI. HASIL DAN PEMBAHASAN Penentuan Nilai Difusivitas Kajian Perindahan Massa, Momentum dan Energi Pola Aliran Udara dalam Ruang Pengering Menentukan Gradien Kecepatan, Suhu dan Massa Tak Berdimensi Validasi Distribusi Kecepatan dan Suhu Udara Pengering Perbandingan Hasil Percobaan Kecepatan, Suhu dan RH pada Panjang Permukaan Rak 5 cm dan 50 cm Perbandingan Hasil Percobaan Kecepatan dan Suhu pada Lebar Rak 1 cm dan 4 cm Distribusi Massa Uap dan Fluks Masa Uap dalam Lapisan Batas Penentuan Tebal Lapisan Batas Hidrodinamik dan Termal Penentukan Massa Udara Masuk Lapisan Batas Koefisien Perpindahan Panas dan Massa Sepanjang Permukaan Gabah Koefisien Gesek dan Gaya Geser Sepanjang Permukaan Gabah Rasio Tinggi Aliran Bebas dan Panjang Permukaan Lapisan Batas dengan Tebal Lapisan Batas Kebutuhan Energi Penguapan Air dalam Lapisan Batas v

16 DAFTAR ISI (Lanjutan) Halaman 6.3. Kajian CFD pada Aliran Fluida Data Input dalam Simulasi CFD Pembentukan Grid Perhitungan Distribusi Kecepatan Udara dalam Ruang Pengering Validasi Kecepatan Data Pengukuran dengan Simulasi CFD Distribusi Suhu Udara dalam Ruang Pengering Validasi Suhu Pengukuran dengan Simulasi CFD VII. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN vi

17 DAFTAR TABEL Halaman -1 Klasifikasi gabah berdasarkan panjang beras pecah kulit Sub-tipe gabah berdasarkan perbandingan panjang terhadap lebar beras pecah kulit Deskripsi padi jenis varietas IR Bahan dan peralatan yang digunakan dalam penelitian Hasil perhitungan nilai difusivitas massa gabah selama proses penguapan air Kelembaban udara lingkungan dan ruang pengering selama percobaan Sifat fisik udara dan uap air pada suhu rata-rata kondisi operasi 37.6 o C Kecepatan tak berdimensi dan jarak tak berdimensi pada ketinggian 15 mm 50 mm Nilai ragam kecepatan udara dalam ruang pengering (percobaan 1a) Nilai ragam suhu udara dalam ruang pengering (percobaan 1a) Nilai ragam kecepatan udara dalam ruang pengering (percobaan 1b) Nilai ragam suhu udara dalam ruang pengering (percobaan 1b) Nilai ragam kecepatan udara dalam ruang pengering (percobaan a) Nilai ragam suhu udara dalam ruang pengering (percobaan a) Nilai ragam kecepatan udara dalam ruang pengering (percobaan b) Nilai ragam suhu udara dalam ruang pengering (percobaan b) Nilai ragam kecepatan udara ruang pengering (percobaan 3a) Nilai ragam suhu udara dalam ruang pengering (percobaan 3a) Nilai ragam suhu dan kecepatan udara ruang pengering (percobaan 3 b) Nilai ragam suhu dan kecepatan udara ruang pengering (percobaan 4a) vii

18 DAFTAR TABEL (lanjutan) Halaman 6-17 Nilai ragam suhu dan kecepatan udara dalam ruang pengering (percobaan 4b) Perbandingan hasil percobaan suhu, kecepatan dan RH antara panjang permukaan rak 5 cm dengan 50 cm pada lebar rak 1 cm, pada kecepatan 0.4 m/dtk dan suhu 37.6 o C Analisis ragam untuk suhu, kecepatan dan RH untuk lebar rak 1 cm pada panjang 5 cm dan 50 cm (v = 0.4 m/dtk dan T = 37.6 o C) Perbandingan hasil percobaan suhu, kecepatan dan RH antara panjang rak 5 cm dengan 50 cm untuk lebar rak 1 cm, pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C Analisis ragam untuk suhu, kecepatan dan RH untuk lebar rak 1 cm pada panjang 5 cm dan 50 cm (v = 0.33 m/dtk dan T = 36.8 o C) Perbandingan hasil percobaan suhu dan kecepatan antara lebar rak 1 cm dengan 4 cm untuk panjang rak 50 cm pada percobaan 1 (a) dan percobaan 1 (b) Analisis ragam untuk suhu, kecepatan untuk lebar rak 1 cm dan 4 cm pada panjang 50 cm (v = 0.4 m/dtk dan T = 37.6 o C) Perbandingan hasil percobaan suhu dan kecepatan antara lebar rak 1 cm dengan 4 cm untuk panjang rak 5 cm pada percobaan (a) dan percobaan (b) Analisis ragam untuk suhu, kecepatan untuk lebar rak 1 cm dan 4 cm pada panjang 5 cm (v = 0.4 m/dtk dan T = 37.6 o C) Perubahan konsentrasi uap air dalam lapisan batas terhadap jarak tak berdimensi Fluks massa uap air dalam lapisan batas sepanjang permukaan gabah Tebal lapisan batas massa, termal dan udara yang masuk pada lapisan batas sepanjang permukaan gabah Jumlah aliran massa udara yang masuk lapisan batas sepanjang permukaan gabah 50 cm Koefisien perpindahan panas dan massa gabah sepanjang permukaan lapisan batas Koefisien gesek dan gaya geser sepanjang permukaan gabah Parameter proses perpindahan massa, momentum dan energi untuk penguapan air gabah pada lapisan batas Nilai-nilai kondisi batas Sifat fisik material Distribusi kecepatan udara diatas rak pada bidang yz untuk z = 1 cm viii

19 DAFTAR TABEL (lanjutan) Halaman 6-36 Distribusi kecepatan udara diatas rak pada bidang yz untuk z = 4 cm Distribusi suhu udara diatas rak pada bidang yz untuk z = 1 cm Distribusi suhu udara diatas rak pada bidang yz untuk z = 4 cm Perbandingan suhu dan kecepatan antara z = 1 cm dengan z=4 cm untuk panjang permukaan rak 5 cm (T = 37.6 C dan v = 0.4 m/dtk ) Analisis ragam untuk suhu dan kecepatan pada panjang permukaan rak 5 cm antar arah z = 1 cm dengan z = 4 cm Perbandingan suhu dan kecepatan antara z = 1 cm dengan z = 4 cm untuk panjang permukaan rak 50 cm (T = 37.6 C dan v = 0.4 m/dtk ) Analisis ragam untuk suhu dan kecepatan pada panjang permukaan rak 50 cm antar arah z = 1 cm dengan z = 4 cm i

20 DAFTAR GAMBAR Halaman -1 Skema distribusi suhu pada radiator dengan aliran lawan arah Diagram proses pemanasan udara pada kurva psychrometric Profil-profil kecepatan untuk lapisan batas laminar dalam aliran melewati plat datar Diagram proses perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan pada sistem pengering Aliran tangensial sepanjang ujung yang tajam pada bidang pipih dengan perpindahan massa dalam arus Volume kendali untuk analisa momentum integral lapisan batas Volume kendali untuk neraca panas lapisan batas Model ring transduser dan diagram skematis pengukuran regangan Gambar tiga dimensi alat yang digunakan dalam percobaan Perpindahan panas dan massa proses pengeringan gabah pada sebuah rak dalam alat uji sistem pengering Lokasi titik pengukuran suhu dan kecepatan diatas rak produk pada jarak = 5 cm dan = 50 cm Diagram alir proses perhitungan Kurva perubahan kadar air (% bk) gabah selama proses penguapan terhadap waktu pada T = 36.8 o C dan v = 0.33 m/dtk Kurva perubahan kadar air (% bk) gabah selama proses penguapan air terhadap waktu pada T = 37.6 o C dan v = 0.4 m/dtk Kurva perubahan kadar air (% bk) gabah selama proses penguapan air terhadap waktu pada T = 37. o C dan v = 0.39 m/dtk Profil kecepatan tak berdimensi terhadap jarak tak berdimensi pada kondisi tanpa beban pengering (rak kosong) Distribusi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm dan panjang permukaan rak 50 cm dan lebar 1 cm Validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang permukaan rak 50 cm dan lebar 1 cm Distribusi pengukuran suhu dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm dan panjang permukaan rak 50 cm dan lebar 1 cm Validasi pengukuran suhu dengan model matematik lapisan batas untuk panjang permukaan rak 50 cm dan lebar 1 cm... 8

21 DAFTAR GAMBAR (lanjutan) Halaman 6-9 Distribusi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm dan panjang rak 50 cm dan lebar 4 cm Profil validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang permukaan rak 50 cm dan lebar 4 cm Distribusi pengukuran suhu dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm dan panjang rak 50 cm dan lebar 4 cm Validasi pengukuran suhu udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 50 cm dan lebar 4 cm Validasi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk panjang permukaan rak 5 cm dan lebar 1 cm Validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 1 cm Distribusi pengukuran suhu dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm, panjang rak 5 cm dan lebar 1 cm Profil validasi pengukuran suhu dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 1 cm Distribusi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk panjang 5 cm dan lebar 4 cm Profil validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 4 cm Distribusi pengukuran suhu dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm, panjang rak 5 cm dan lebar 4 cm Validasi pengukuran suhu udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 4 cm Distribusi pengukuran kecepatan udara ruang pengering dengan hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas untuk panjang rak 50 cm dan lebar 1 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C Profil validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 50 cm dan lebar 1 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C Distribusi pengukuran suhu dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk panjang rak 50 cm dan lebar 1 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C i

22 DAFTAR GAMBAR (lanjutan) Halaman 6-4 Profil validasi pengukuran suhu dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 50 cm dan lebar 1 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C Distribusi pengukuran kecepatan udara ruang pengering dengan hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas untuk panjag rak 5 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C Profil validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 4 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C Distribusi pengukuran suhu ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 4 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C Profil validasi pengukuran suhu dengan model matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan 1.5 cm dan panjang rak 5 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C Perbedaan kecepatan rata-rata terhadap panjang permukaan rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 1 (a) dan percobaan (a) Perbedaan suhu rata-rata terhadap panjang rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 1 (a) dan percobaan (a) Perbedaan RH rata-rata terhadap panjang rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 1 (a) dan percobaan (a) Perbedaan kecepatan rata-rata terhadap panjang permukaan rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 3 (a) dan percobaan 4 (a) Perbedaan suhu rata-rata terhadap panjang rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 3 (a) dan percobaan 4 (a) Perbedaan RH rata-rata terhadap panjang rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 3 (a) dan percobaan 4 (a) Distribusi konsentrasi uap air sepanjang jarak tak berdimensi pada panjang permukaan rak 50 cm Perubahan fluks massa uap air dalam lapisan batas terhadap jarak tak berdimensi pada permukaan rak Tebal lapisan massa dan termal yang terbentuk sepanjang lapisan permukaan gabah 50 cm Kurva laju aliran massa udara sepanjang lapisan permukaan gabah 50 cm Hubungan antara koefisien pindah panas dan massa dengan panjang lapisan permukaan gabah Perubahan nilai koefisien gesek dan gaya geser sepanjang permukaan lapisan batas gabah... 1 ii

23 DAFTAR GAMBAR (lanjutan) Halaman 6-41 Kurva perbandingan tebal lapisan batas terhadap rasio tinggi aliran bebas dengan panjang lapisan permukaan Pembentukkan grid pada domain perhitungan Profil kecepatan diatas rak pengering pada bidang yz Profil kecepatan udara diatas rak untuk lebar rak 1 cm dari tepi Kurva distribusi kecepatan udara diatas rak pengering pada tepi depan rak dengan lebar rak 1 cm Profil verifikasi kecepatan pengukuran dengan simulasi CFD pada tepi depan rak dan lebar rak 1 cm Kurva distribusi kecepatan udara diatas rak pengering pada panjang rak 5 cm dari tepi depan dan lebar rak 1 cm Profil verifikasi kecepatan pengukuran dengan simulasi CFD pada panjang rak 5 cm dari tepi depan dan lebar rak 1 cm Kurva distribusi kecepatan udara diatas rak pengering pada panjang rak 50 cm dari tepi depan dan lebar rak 1 cm Profil verifikasi kecepatan pengukuran dengan simulasi CFD pada panjang rak 50 cm dari tepi depan dan lebar rak 1 cm Kurva distribusi kecepatan udara di atas rak pengering pada tepi depan rak dengan lebar rak 4 cm Profil verifikasi kecepatan pengukuran dengan simulasi CFD pada tepi depan rak dan lebar rak 4 cm Kurva distribusi kecepatan udara di atas rak pengering pada panjang rak 5 cm dari tepi depan dan lebar rak 4 cm Profil verifikasi kecepatan pengukuran dengan simulasi CFD pada panjang rak 5 cm dari tepi depan dan lebar rak 4 cm Kurva distribusi kecepatan udara di atas rak pengering pada panjang rak 50 cm dari tepi depan dan lebar rak 4 cm Profil verifikasi kecepatan pengukuran dengan simulasi CFD pada panjang rak 50 cm dari tepi depan dan lebar rak 4 cm Profil suhu di atas rak pengering pada bidang yz Profil suhu udara di atas rak pengering untuk lebar rak 1 cm dari tepi Kurva distribusi suhu udara di atas rak pengering pada tepi depan rak dengan lebar rak 1 cm Profil verifikasi suhu pengukuran dengan simulasi CFD pada tepi depan rak dan lebar rak 1 cm iii

24 DAFTAR GAMBAR (lanjutan) Halaman 6-61 Distribusi suhu udara di atas rak pengering pada panjang rak 5 cm dari tepi depan dan lebar rak 1 cm Profil verifikasi kecepatan pengukuran dengan simulasi CFD pada panjang rak 5 cm dari tepi depan dan lebar rak 1 cm Distribusi suhu udara di atas rak pengering pada panjang rak 50 cm dari tepi depan dan lebar rak 1 cm Profil verifikasi kecepatan pengukuran dengan simulasi CFD pada panjang rak 50 cm dari tepi depan dan lebar rak 1 cm Kurva distribusi suhu udara di atas rak pengering pada tepi depan rak dengan lebar rak 4 cm Profil verifikasi suhu pengukuran dengan simulasi CFD pada tepi depan rak dan lebar rak 4 cm Kurva distribusi suhu udara di atas rak pengering pada panjang rak 5 cm dari tepi depan dan lebar rak 4 cm Profil verifikasi kecepatan pengukuran dengan simulasi CFD pada panjang rak 5 cm dari tepi depan dan lebar rak 4 cm Kurva distribusi suhu udara di atas rak pengering pada panjang rak 50 cm dari tepi depan dan lebar rak 4 cm Profil verifikasi kecepatan pengukuran dengan simulasi CFD pada panjang rak 50 cm dari tepi depan dan lebar rak 4 cm Perbedaan kecepatan rata-rata terhadap lebar rak 1 cm dan 4 cm untuk panjang rak 5 cm Perbedaan suhu rata-rata terhadap lebar rak 1 cm dan 4 cm untuk panjang rak 5 cm Perbedaan kecepatan rata-rata terhadap lebar rak 1 cm dan 4 cm untuk panjang rak 50 cm Perbedaan suhu rata-rata terhadap lebar rak 1 cm dan 4 cm untuk panjang rak 50 cm iv

25 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Data pengukuran dan hasil perhitungan kalibrasi ring transduser Lampiran. Perhitungan dimensi ring tranduser Lampiran 3. Program basic dan hasil perhitungan dimensi ring transduser Lampiran 4. Program basic untuk menentukan nilai Me, K, dan A Lampiran 5. Data pengukuran dan hasil hitung perubahan massa gabah untuk tebal tumpukan. cm, kecepatan udara 0.35 m/dtk dan suhu udara 36.8 o C Lampiran 6. Data pengukuran dan hasil hitung perubahan massa gabah untuk tebal tumpukan. cm, kecepatan udara 0.4 m/dtk dan suhu udara 37.6 o C Lampiran 7. Data pengukuran dan hasil hitung perubahan massa gabah untuk tebal tumpukan. cm, kecepatan udara 0.48 m/dtk dan suhu udara 37. o C Lampiran 8. Data pengukuran dan hasil hitung perubahan massa gabah untuk tebal tumpukan 1.5 cm, kecepatan udara 0.44 m/dtk dan suhu udara 37.8 o C Lampiran 9. Data pengukuran dan hasil hitung perubahan massa gabah untuk tebal tumpukan 1.5 cm, kecepatan udara 0.39 m/dtk dan suhu udara 37.4 o C Lampiran 10. Data kelembaban udara lingkungan dan ruang pengering Lampiran 11. Data suhu dan kecepatan udara pada inlet rak pengering Lampiran 1. Data pengukuran kecepatan diatas rak pengering pada percobaan Lampiran 13. Data pengukuran kecepatan diatas rak pengering pada percobaan Lampiran 14. Data pengukuran kecepatan diatas rak pengering pada percobaan Lampiran 15. Data pengukuran kecepatan diatas rak pengering pada percobaan Lampiran 16. Data pengukuran suhu diatas rak pengering pada percobaan Lampiran 17. Data pengukuran suhu diatas rak pengering pada percobaan Lampiran 18. Data pengukuran suhu diatas rak pengering pada percobaan Lampiran 19. Data pengukuran suhu diatas rak pengering pada percobaan v

26 DAFTAR LAMPIRAN (lanjutan) Halaman Lampiran 0. Hasil pengukuran kadar air akhir gabah (% bb) dengan menggunakan oven Lampiran 1. Uji F untuk perbandingan kecepatan dan suhu pada lebar rak Rak 1 cm dan 4 cm, pada kecepatan 0.4 m/dtk dan suhu suhu 37.6 o C Lampiran. Uji F untuk perbandingan kecepatan dan suhu pada lebar rak Rak 1 cm dan 4 cm, pada kecepatan 0.4 m/dtk dan suhu suhu 37.6 o C Lampiran 3. Contoh perhitungan uji t untuk menentukan ada tidaknya perbedaan hasil pengukuran dengan hasil model persamaan mamtematik lapisan batas Lampiran 4. Data kecepatan udara hasil pengukuran dan simulasi CFD untuk z = 1 cm (atau cm dari dinding alat pengering)... 0 Lampiran 5. Data kecepatan udara hasil pengukuran dan simulasi CFD untuk z = 4 cm (atau 34 cm dari dinding alat pengering)... 0 Lampiran 6. Data suhu udara hasil pengukuran dan simulasi CFD untuk z = 1 cm (atau cm dari dinding alat pengering)... 0 Lampiran 7. Data suhu udara hasil pengukuran dan simulasi CFD untuk z = 4 cm (atau 34 cm dari dinding alat pengering) Lampiran 8. Data pengukuran dan hasil simulasi CFD untuk kecepatan dan suhu udara Lampiran 9. Data pengukuran kecepatan udara dari kipas Lampiran 30. Diagram alir program basic untk perhitungan lapisan batas Lampiran 31. Program Komputer Basic untuk Perhitung Lapisan Batas Lampiran 3. Contoh perhitungan perpindahan kalor sepanjang permukaan gabah Lampiran 33. Foto bangunan alat percobaan pada sistem pengering Lampiran 34. Alat-alat ukur yang digunakan dalam penelitian Lampiran 35. Gambar tiga dimensi dan ukuran alat uji sistem pengering yang digunakan dalam penelitian... 1 Lampiran 36. Gambar 3 dimensi lokasi titik-titik pengukuran dalam percobaan vi

27 DAFTAR SIMBOL C A, : Konsentrasi uap air dalam aliran bebas, (mol/m 3 ) C f : Koefisien gesek c : Molar konsentrasi total, (mol/m 3 ) D AB D v g D AB H fg : Difusivitas uapair-udara, (m /dtk) : Difusivitas massa, (m /dtk) : Gaya gravitasi : Difusivitas uapair-udara, (m /dtk) : panas laten penguapan bahan pada suhu T bk (kj/kg) h : Koefisien pindah panas, (kw/m o C) h D L Le m& M A M B N A N B Nu : Koefisien pindah massa, (m/dtk) : Lebar, (m) : Bilangan Lewis : laju massa, (kg/dtk) : Berat molekul uap air : Berat molekul udara : Fluks molar uap air, (mol/m dtk) : Fluks molar udara, (mol/m dtk) : Bilangan Nusselt Cp : Kapasitas termal, (kj/kg o C) k : Konduktivitas panas, (W/m o C) K : Konstanta Pengeringan, (1/men) K : Fluks massa lapisan batas tak berdimensi R : Konstanta gas idel T : Suhu udara panas aliran bebas, ( o C) u v v v y A : Kecepatan arah, (m/dtk) : Kecepatan udara aliran bebas, (m/dtk) : Kecepatan aliran udara bebas arah, (m/dtk) : Kecepatan aliran udara bebas arah y, (m/dtk) : Mol fraksi uap air : panjang lapisan permukaan gabah, (m) vii

28 DAFTAR SIMBOL (Lanjutan) : Koordinat kubus, (m) y : Koordinat kubus, (m) z : Koordinat kubus, (m) Pr : Bilangan Prandtl p : Tekanan, (kpa) Pe : Bilangan Peclet Re : Bilangan Reynold Sc : Bilangan Schmidt T : Suhu, ( o C) t : Tebal tumpukan gabah, (m) Hurup Yunani α : Difusivitas termal = (k/ρcp), (m /dtk) β : Koefisien (1/ o C) ε : Fraksi void δ : Tebal lapisan batas hidrodinamik, (m) δ t : Tebal lapisan termal, (m) ρ : Densitas, (kg/m 3 ) μ : Viskositas, (kg/m dtk) υ : Viskositas kinematik = (μ/ρ), (m /dtk) τ : Tegangan geser, (kg/m ) η Λ Π Π v Π T Π AB : Variabel posisi tak berdimensi : Rasio difusivitas tak berdimensi : Operator del (gradien) : Profil tak berdimensi : Profil kecepatan tak berdimensi : Profil suhu tak berdimensi : Profil konsentrasi tak berdimensi ' AB : Gradien konsentrasi viii

29 BAB I PENDAHULUAN

30 I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Komoditas hasil pertanian, terutama gabah masih memegang peranan penting sebagai bahan pangan pokok. Revitalisasi di bidang pertanian yang telah dicanangkan Presiden pada tanggal 11 Juni 005, bertekad untuk mewujudkan swasembada beras dalam upaya mencapai ketahanan pangan nasional. Usaha pemerintah dalam meningkatkan produksi padi telah dapat ditingkatkan dari 5,14 juta ton pada tahun 003 menjadi 54,15 juta ton pada tahun 005 atau dengan laju pertumbuhan produksi sebesar 3,74 % (Hamzirwan, 007). Keberhasilan dalam meningkatkan produksi padi, harus diikuti dengan pengembangan teknologi proses dalam bidang pasca panen, khususnya proses pengeringan. Pengeringan merupakan salah satu proses pasca panen yang umum dilakukan pada berbagai produk pertanian yang bertujuan untuk menurunkan kadar air bahan sampai tingkat yang aman untuk penyimpanan atau digunakan pada proses lainnya. Hampir seluruh pengeringan pada produk pertanian dilakukan dengan proses termal. Proses pengeringan produk pertanian yang banyak dilakukan oleh petani adalah dengan cara penjemuran yaitu dengan menghamparkan produk dilantai jemur atau di pinggir jalan. Cara ini memiliki banyak kelemahan, selain dibutuhkan lahan yang luas, juga terjadi kontaminasi produk oleh debu, kotoran dan polusi kendaraan (penjemuran di pinggir jalan). Selain itu, kondisi iklim sangat mempengaruhi proses pengeringan terutama pada keadaan mendung atau hujan sehingga produk harus dipindah-pindahkan dan ini sangat sulit, memerlukan waktu yang lama bila produk yang dikeringkan dalam jumlah besar.

31 Menyadari pentingnya proses pengeringan terhadap produk untuk keperluan penyimpanan dalam waktu lama, telah banyak peneliti melakukan penelitian yang berkaitan dengan pengeringan produk pertanian dan perikanan, baik yang menyangkut aspek mutu maupun segi disain alat pengering serta penggunaan energi terbarukan dalam proses pengeringannya. Guna mengatasi masalah yang timbul dalam pengeringan dengan cara penjemuran, berbagai penelitian telah banyak dilakukan dalam pengembangan pengeringan buatan. Abdullah, K (1993) memperkenalkan metoda pengeringan untuk mengganti metoda penjemuran yaitu dengan menerapkan Pengering Efek Rumah Kaca (ERK). Ide dasar dari pengering surya ini adalah mengintregrasikan fungsi penyerap panas (kolektor surya) dan ruang pengering, sehingga biaya konstruksi dapat ditekan, selain menciptakan kondisi pengering yang bersifat hygienis dan dengan dibantu pemanas tambahan dari tungku biomassa dapat beroperasi secara kontinyu siang dan malam dan pada cuaca buruk. Pengering ERK terdiri dari bangunan berdinding transparan, yang dilengkapi dengan plat hitam sebagai pengumpul panas, bangunan transparan ini sekaligus berfungsi sebagai kolektor surya dan juga berfungsi sebagai pelindung dari hujan dan kotoran. Gelombang pendek dari sinar surya dilewatkan melalui dinding transparan dan selanjutnya diserap oleh plat hitam serta komponen-komponen lainya di dalam bangunan pengering, hal ini akan menyebabkan meningkatnya suhu udara dalam ruang pengering. Udara panas yang dihasilkan digunakan sebagai media pengering untuk memanaskan dan penguapan air produk. Dalam perkembangannya, pengering ERK telah banyak dilakukan uji coba terhadap berbagai produk pertanian, seperti daun tembakau rajangan (Samsuri, 199), gabah, benih tanaman hortikultura (Abdullah, dkk, 1994), panili (Mursalim, 1995), rumput laut (Sukarmanto, 1996), Kakao (Nelwan, 1997), kopi (Wulandani, 1997), dll. 3

32 Masalah utama yang terdapat dalam pengering ERK ini adalah distribusi aliran udara yang kurang merata, terutama pada pengeringan tipe rak. Untuk megatasi masalah pengaliran udara, Nelwan (005) melakukan penelitian terhadap biji kakao dengan pengering ERK berbentuk silinder yang menggunakan rak berputar dalam mengkaji aspek keteknikan pengeringan dengan bantuan energi surya sebagai sumber energi termal. Pengering ini memiliki enam komponen utama yang terdiri dari dinding transparan, rak berputar, seng pelat hitam setengah cangkang silindris, ruang pembakaran, penggerak putaran dan kipas ekshaus. Ratarata suhu pengeringan berkisar antara o C, dengan rata-rata kelembaban relatif berkisar antara %. Distribusi aliran udara panas merupakan faktor penting yang menjadi performansi suatu pengering. Studi yang dilakukan terdahulu memperlihatkan ketidak seragaman dari kecepatan udara, suhu dan RH udara pengering, Wulandani (1997) melaporkan bahwa perbedaan suhu yang terjadi dalam ruang pengering sekitar 6 o C antara bagian atas dan bagian bawah plat hitam yang dipasang horizontal diatas bak pengering tipe ERK. Guna lebih meningkatkan performansi alat pengering ERK dari segi teknis dan ekonomis, Wulandani (005) melakukan penelitian terhadap komoditi cengkeh pada pengering ERK dengan cara mengatur letak komponen-komponen alat pengering (kipas, inlet, penukar panas dan outlet) untuk meningkatkan keseragaman kecepatan udara, suhu dan RH dalam ruang pengering. Skenario simulasi penataan posisi komponen-komponen alat pengering untuk melihat sebaran suhu, kecepatan udara dan RH dalam ruang pengering dilakukan dengan kajian CFD (Computational Fluid Dynamics). Melalui simulasi aliran udara Wulandani (005) melaporkan bahwa dimensi pengering ERK dengan ukuran 3,6 3,6.4 m 3 yang dilengkapi 3 buah kipas serta dua inlet dan dua outlet dapat menghasilkan keseragaman suhu, kecepatan dan RH. Dimana suhu yang dihasilkan seluruh rak ( 8 rak) adalah 45,3 o C dengan nilai ragam sebesar 1,6 o C dan nilai rata-rata kecepatan udara adalah 0,05 m/dtk. 4

33 Selain itu, Abdullah dkk (004) juga memodifikasi bentuk pengering ERK dengan Tipe Limas Heksagonal geometri dari bangunan transparan diubah sedemikian rupa sehingga operator dapat melakukan pemuatan dan pengeluaran produk dari luar bangunan. Disamping itu, sel surya dapat diinstalasi untuk menggerakkan seluruh kipas pengeluaran sehingga pengering dapat dioperasikan pada daerah-daerah yang belum terjangkau oleh jaringan listrik nasional. Pengering tipe ini telah banyak diaplikasikan untuk berbagai produk seperti ikan, dendeng jantung pisang, rumput laut dan lain-lain. Untuk ikan pelegis (Nababan, 005), mendapatkan fluktuasi suhu pengering berkisar antara o C. Berdasarkan studi-studi yang telah dilakukan terdahulu untuk mendapatkan aliran udara yang seragam dilakukan dengan perubahan bentuk geometri alat pengering EK serta mengatur tataletak komponen-komponen alat pengering, seperti kipas, penukar panas, inlet dan outlet. Sedangkan penelitian-penelitian dasar tentang sistem pengering yang sifatnya ingin mengkaji secara mendalam mekanisme dan karateristik pengeringan guna mendapatkan aliran udara yang seragam belum banyak dilakukan. 1.. Perumusan Masalah Pengeringan komoditi pertanian khususnya bahan pangan umumnya bertujuan untuk mengawetkan bahan sehingga mutu dapat dipertahankan selama penyimpanan atau untuk proses lainnya. Seperti yang telah dikemukakan diatas, guna mendapatkan distribusi aliran udara, suhu dan RH udara dalam ruang pengering yang seragam, Wulandani (005) telah melakukan penelitian penegring ERK tipe rak dengan pengaturan letak kipas, inlet dan outlet pada bangunan alat pengering secara makro tentang energi, momentum dan kontinyuitas pada seluruh ruang pengering dengan mengasumsikan udara kering tanpa mempertimbangankan pengeruh penguapan air dari roduk. Berdasarkan hasil penelitian Wulandani (005), pengering ERK mampu memberikan performansi 5

34 pengeringan yang cukup bagus. Namun demikian dalam pemodelan yang digunakan tidak mempertimbangkan pengaruh uap air hasil pengeringan dari produk. Wulandani (005) mengasumsikan udara kering saja yang dianalisis di dalam ruang pengering, sehingga kadar air hasil produk kering hasil pengukuran masih terdapat perbedaan antar bagian dalam rak dan antar rak. Guna mendapatkan hasil yang lebih mendekatikondisi sebenarnya dalam ruang pengering perlu dlakukan penelitian dasar tentang sistem pengering yang sifatnya ingin mengkaji secara mendalam mekanisme dan karakteristik pengeringan dalam kaitannya dengan aliran udara panas sebagai media pengering. Pemecahan masalah dalam pengaliran udara panas akan diupayakan dalam penelitian dasar ini melalui kajian terhadap perpindahan energi, momentum dan massa secara simultan pada lapisan batas produk yang dikeringkan, sehingga pengaruh penguapan produk menjadi pertimbangan dalam penetuan parameter suhu, kecepatan udara dan perubahan massa uap air dalam lapisan batas produk Tujuan dan Manfaat Penelitian ini bertujuan untuk melakukan kajian terhadap transpor momentum, energi dan massa secara simultan pada proses penguapan air dalam bahan padat ke dalam aliran udara panas. Pada kajian ini dilakukan analisa mendalam terhadap masing-masing unit kondisi operasi dari sistem termal dan perubahan massa pada proses penguapan air dalam bahan padat. Secara keseluruhan kajian dalam penelitian ini meliputi : 1. Penentuan parameter model struktural lapisan kering pada proses penguapan air bahan padat ke dalam aliran udara panas.. Melakukan validasi model teori boundary layer dan simulasi CFD. 6

35 3. Untuk mendapatkan karakteristik kondisi operasional aliran udara panas pada proses pengeringan produk melalui perpindahan massa, energi dan momentum secara simultan. Melalui kajian mendasar ini diharapkan dapat ditentukan metodologi operasi yang optimal pada sistem pengering Sistematika Disertasi Garis besar disertasi ini membahas hasil kajian perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan dalam proses pengeringan suatu produk pertanian (gabah). Secara keseluruhan disertasi ini terdiri dari 7 Bab dan setiap bab mengandung isi yang saling terkait dalam mengkaji permasalahan penelitian pengeringan yang dilakukan. Bab I meberikan uraian tentang latar belakang dan tujuan penelitian dan perkembangan penelitian pengering ERK yang telah dilakukan beberapa tahun belakangan untuk berbagai komoditi hasil pertanian dan perikanan. Uraian ini meliputi disain alat dan parameter pengeringan yang berkaitan dengan aliran udara panas dalam ruang pengering, yaitu kecepatan udara, suhu dan kelembaban udara. Bab II membahas tentang studi pustaka mengenai prinsip dasar pengeringan melalui uraian terhadap proses penguapan air bahan dalam suatu produk, uraian tentang anatomi gabah serta proses penguapan air gabah. Dalam bab ini juga diuraikan tentang aliran udara, kelembaban udara pengering dan model persamaan alat penukar panas radiator. Bab III membahas tentang teori perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan dalam proses penguapan air pada permukaan bahan yang berbentuk slab (plat datar). Penjabaran persamaan yang berkaitan dengan teori lapisan batas (boundary layer), disamping itu juga diuraikan tentang teori pengeringan lapisan tipis untuk menentukan nilai difusivitas massa yang akan digunakan dalam model persamaan matematik lapisan batas, penentuan dimensi ring tranduser dalam kaitannya untuk mendapatkan perubahan kadar air produk selama proses penguapan. Bab IV 7

36 mengandung isi tentang teori CFD dan cara kerja software fluent sebagai alat validasi model matematik dan simulasi dinamika aliran fluida, bahasan tentang radiator yang digunakan sebagai alat penukar panas dalam sistem pengering. Bab V memberikan uraian tentang metoda percobaan yang dilakukan dalam penelitian yang meliputi penggunaan bahan dan alat, waktu dan tempat serta prosedur penelitian. Bab VI berisi uraian tentang hasil kajian dan analisis proses perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan pada penguapan air produk (gabah), serta uraian tentang distribusi suhu, kecepatan udara dan RH pada posisi panjang dan lebar rak pengering, ketebalan lapisan batas dan koefisien gesek permukaan gabah terhadap aliran udara panas, aliran massa udara dalam lapisan batas. Disamping itu bab ini juga memberikan bahasan tentang validasi model matematik lapisan batas yang digunakan dalam kajian perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan. Bab VII berisi tentang uraian kesimpulan dan saran dari hasil kajian dan analisis proses perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan pada sistem pengering. 8

37 BAB II STUDI PUSTAKA

38 II. STUDI PUSTAKA.1. Prinsip Dasar Proses Penguapan Air Pada proses penguapan air (pengeringan) bahan produk pertanian merupakan suatu upaya memindahkan kandungan air dengan penerapan panas dan secara praktis dikatakan sebagai upaya untuk menjaga kualitas suatu produk selama penyimpanan, untuk menekan bakteri dan jamur serta perkembang-biakan insekta (Henderson and Perry, 1976). Pengeringan terjadi melalui penguapan cairan dengan pemberian panas ke bahan basah yang akan dikeringkan. Sumber panas pada proses pengeringan dapat disediakan melalui konveksi (pengering langsung), konduksi (pengering sentuh atau tak langsung) dan radiasi. Seluruh cara pengeringan, kecuali dielektrik, menyediakan panas pada objek yang dikeringkan sehingga panas harus berdifusi ke dalam padatan dengan cara konduksi. Cairan harus bergerak ke batas bahan sebelum diangkut keluar oleh udara pembawa. Pergerakan air di dalam padatan dapat terjadi melalui salah satu atau lebih dari mekanisme pindah massa berikut ini (Devahastin, 000) : 1). Difusi cairan, jika padatan basah berada pada suhu dibawah titik didih cairannya. ). Difusi uap, jika cairan tersebut menguap dalam bahan. 3). Difusi Knudsen, jika pengeringan berlangsung pada tekanan vakum. 4). Beda tekanan hidrostatik, bila laju penguapan internal melampaui laju pergerakan uap melalui padatan ke lingkungan sekitar. 5). Kombinasi dari mekanisme diatas. 10

39 Struktur fisik padatan atau bahan yang dikeringkan dapat berubah selama pengeringan, karena perpindahan uap air juga berubah dengan bertambahnya waktu pengeringan. Untuk suatu model alat pengering yang menggunakan sumber energi udara panas, ada beberapa kondisi yang perlu diperhatikan, yaitu meliputi: (i). (ii). Kondisi suhu dan RH udara pengeringan, Aliran udara (airflow), berkaitan dengan spesifikasi blower (kipas), (iii). Spesifikasi heater (alat pindah panas), berkaitan dengan pemanasan udara sebagai media pengering, (iv). Spesifikasi ruang pengeringan, dan (v). Perhitungan waktu pengeringan... Anatomi Gabah Gabah adalah butir beras yang masih terbungkus didalam sekam yang telah dirontokkan dari malainya. Secara umum gabah terdiri dari sekam, beras pecah kulit (kariopsis) dan embrio. Sekam merupakan kulit terluar terdiri dari dua lembar daun yang disebut dengan lemma dan palea, mengandung silika sekitar 37.5% %. Kedua lembar daun ini setangkup membungkus rapat beras pecah kulit dan terdapat sedikit rongga udara pada bagian ujung-ujungnya (Ruiten, 1981) Beras pecah kulit dibungkus oleh lapisan sangat tipis disebut dengan perikarp. Lapisan ini tembus cahaya, berwarna keabu-abuan dan berfungsi sebagai penjaga lapisan sebelah dalam terhadap rembesan oksigen, CO dan uap air. Dibawah lapisan ini terdapat aleuron yang kaya akan vitamin, mineral dan protein (Ruiten, 1981). Bagian utama kariopsis ini adalah sel pati endosperma yang menempati 88 % dari bobot kariopsis (Juliano, 197). Pada bagian kariopsis, selsel pati bentuknya memanjang dan tersusun secara radial, sedangkan pada bagian 11

40 dalam (pusat) bentuknya lebih simetris (Ruiten, 1981). Kariopsis ini memegang peranan penting dalam pengeringan karena sebagian besar air berada di dalamnya. Species padi yang dibudidayakan di Asia, adalah Oriza Sativa Linn yang terbagi dalam kelompok utama yaitu jenis indica dan japonica. Jenis indica lebih banyak tumbuh di daerah tropis, terdiri dari varietas-varietas berukuran panjang, ramping dan agak pipih. Beberapa ada yang berukuran medium sampai pendek. Jenis japonica banyak tumbuh di daerah sub tropis yang agak dingin, berukuran pendek dan bundar (Leonard dan Martin, 1963). Berdasarkan ukurannya, padi dapat diklasifikasi atas dua cara, yakni tipe dan sub-tipe gabah (Ruiten, 1981). Tipe gabah adalah klasifikasi berdasarkan panjang keseluruhan dari beras pecah kulit yang terbagi dalam empat kelas (Tabel -1). Tabel -1. Klasifikasi gabah berdasarkan panjang beras pecah kulit (Ruiten, 1981). Kelas Panjang Beras Pecah Kulit (mm) 1. Ekstra panjang > Panjang > 6.5 < Sedang > 5.5 < Pendek < 5.5 Sub-tipe gabah adalah klasifikasi berdasarkan perbandingan panjang terhadap lebar dari beras pecah kulitnya, dengan klasifikasi ini terdapat tiga sub-tipe gabah seperti yang terlihat pada Tabel -. Tabel -. Sub-tipe gabah berdasarkan perbandingan panjang terhadap lebar beras pecah kulit (Ruiten, 1981). Kelas Perbandingan Panjang/lebar 1. Ramping > 3.0. Gemuk >.0 < Bundar >.0 1

41 Bambang, dkk (007) jenis tanaman padi yang banyak ditanam oleh petani adalah jenis varietas IR 64. Tingginya minat menanam IR 64 karena lebih menyukai beras dengan butir panjang, bening dengan tekstur nasi sedang sampai pulen. Tabel -3 memperlihatkan deskripsi padi varietas IR 64. Tabel -3. Deskripsi padi jenis varietas IR 64 Keterangan Deskripsi Umur Tanaman hari Bentuk Tanaman Tegak Tinggi Tanaman cm Anakan Produktif 0-35 batang Warna Kaki Hijau Warna Batang Hijau Warna Telinga Daun Tidak bewarna Warna Lidah Daun Tidak bewarna Warna Daun Hijau Muka Daun Kasar Posisi Daun Tegak Daun Bendera Tegak Bentuk Gabah Ramping, panjang Warna Gabah Kuning Bersih Kerontokan Tahan Kerebahan Tahan Tekstur Nasi Pulen Kadar Amilosa 3% Bobot 1000 Butir 4,1 gram Rata-rata Hasil 5,0t/ha GKG Potensi Hasil 6,0t/haGKG Dilepas Tahun 1986 Sumber : Bambang, et al (007).3. Proses Penguapan Air Gabah Proses pengolahan gabah kering dapat ditinjau sebagai suatu sistem produksi, yang mengubah masukan-masukan menjadi suatu produk yang dapat 13

42 dipasarkan untuk memenuhi kebutuhan konsumen. Masukan-masukan kedalam sistem produksi ini adalah bahan baku (gabah), tenaga kerja, modal, energi dan informasi. Mengingat sifat produk pertanian adalah komoditas yang mudah mengalami kerusakan atau pembusukan (perishable) dan umumnya bersifat musiman, maka daya tahan simpannya relatif singkat. Oleh karena itu sangat diperlukan teknik penanganan (handling) dan pengolahan (processing) yang baik agar dapat disimpan dalam jangka waktu lama. Proses pengeringan gabah adalah upaya menghilangkan sebagian air yang terkandung dalam gabah melalui penguapan dengan menggunakan energi panas, yaitu dengan mengalirkan udara diatas permukaan gabah yang berada dalam rak. Kandungan air tersebut dikurangi sampai batas tertentu sehingga mikroorganisme tidak dapat tumbuh lagi didalamnya. Pengeringan gabah umumnya bertujuan untuk mengawetkan bahan sehingga mutu dapat dipertahankan selama penyimpanan. Tujuan lainnya adalah mengurangi biaya dan memudahkan pengemasan, penanganan, penyimpanan dan transportasi dengan berkurangnya berat dan volume bahan. Proses penguapan air gabah ini dilakukan dengan menurunkan kelembaban nisbi udara dengan mengalirkan udara panas sejajar dengan permukaan bahan, sehingga tekanan uap air bahan lebih besar dari pada tekanan uap air di udara. Perbedaan tekanan ini menyebabkan terjadinya aliran uap air dari bahan ke udara. Faktor utama yang mempengaruhi kecepatan penguapan dari suatu bahan pangan adalah sifat fisik dan kimia bahan, pengaturan geometris bahan dalam alat pengering, sifat fisik lingkungan dan karakteristik alat pengering. Sifat fisik dan kimia bahan meliputi bentuk, ukuran, komposisi dan kadar airnya. Pengaturan geometris bahan berhubungan dengan permukaan alat atau media pemindah 14

43 panas, sedangkan sifat fisik lingkungan dan karakteristik pengering meliputi suhu, kelembaban, kecepatan udara dan efisiensi perpindahan panas..4. Penukar Panas Radiator Analisis alat penukar panas radiator dengan menggunakan metoda Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD). Metoda LMTD merupakan harga pendekatan untuk menentukan nilai perbedaan suhu antara dua fluida dalam alat penukar panas secara keseluruhan (Welty dkk, 004). T T h, in T c, out T 1 Fluida panas Fluida dingin T T T h, out T c, in Gambar -1. Skema distribusi suhu pada radiator dengan aliran lawan arah q = U A Δ......(-1) ΔT lm T lm ΔT ΔT1 ΔT1 ΔT = =.. (-) ln ( ΔT / ΔT ) ln ( ΔT / ΔT ) 1 1 Aliran perpindahan panas yang tejadi didalam radiator merupakan aliran lawan arah (menyilang), nilai ΔTlm harus dikalikan dengan faktor koreksi (F). Nilai faktor koreksi F didapat dari memplotkan nilai Y dan Z pada grafik faktor koreksi untuk aliran lawan arah satu laluan, dimana : 15

44 Tc,o Tc,i Y = dan T T h,i c,i Th,i Th,o Z =.....(-3) T T c,o c,i Nilai koefisien konveksi keseluruhan dari radiator dihitung berdasarkan keseimbangan energi. U m Cp (T out in = & (-4) A Rd ΔT T lm ) Perhitungan koefisien kehilangan pada alat penukar panas radiatar dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : 1 Δp = k L ρ v f...(-5) Koefisien kehilangan (k L ) pada alat penukar panas radiator dihitung berdasarkan penurunan tekanan (Δp) dari daya kipas yang digunakan. P η Δp = (-6) v in A in Δp k L =......(-7) ρv f Koefisien pindah panas pada dinding dianggap sebagai pindah panas konveksi bebas. Dimana koefisien pindah panas (h) dinyatakan dalam persamaan yang diberikan Churchill dan Chu dalam Holman, gβ T Gr =...(-8) ν Ra = Gr Pr...(-9) 0.67(Ra) 1/ 4 Nu = (-10) 4/9 1 (0.49 /Pr) 9/16 + Nu k h =...(-11) (koefisien pindah panas konveksi pada dinding) 16

45 .5. RH Udara Pengering Dalam proses pengeringan, udara pada suhu lingkungan T A dipanasi sampai suhu udara mencapai T B (Gambar -1). Pemanasan udara dalam proses pengeringan ini dapat digambarkan dalam kurva psychrometric. Perubahan suhu selama proses pemanasan pada kurva psychrometric berlangsung pada garis horizontal AB pada kondisi tekanan uap dan kelembaban mutlak (H) tetap. Selama pemanasan terjadi dianggap tidak terjadi penambahan uap air, sehingga jumlah udara kering yang masuk ruang pengering sama dengan jumlah udara kering keluar. Dari kurva psychrometric pada kondisi tekanan atmosferik, bila suhu meningkat maka akan terjadi penurunan kelembaban udara. A RH A Pemanasan B RH B H T A Temperatur o C T B Gambar -. Diagram proses pemanasan udara pada kurva psychrometric Kelembaban relatif (RH) yang dinyatakan dalam persen merupakan perbandingan antara tekanan uap terhadap tekanan jenuh air pada suhu ruang pengering tersebut, yang dinyatakan dalam persamaan (Brooker dkk, 1973) : P v RH =...(-1) P s Sedangkan kelembaban mutlak (H) konstan selama pemanasan, yaitu : 17

46 H P v =...(-13) P atm P v dimana, T o K dan P v < P atm Selama proses pemanasan berlangsung, tekanan uap (P v ) juga konstan. Bila kelembaban udara lingkungan (RH a ) dan kelembaban udara pengering (RH r ), maka : RH r = sa......(-14) RH a P P sr Ps ln = R A + BT + CT + DT FT GT 3 + ET 4...(-15) T o K, (dari Keenan dan Keyes, dalam ASAE Standard, 1994) dimana : R = D = A = E = B = F = C = G =

47 BAB III TEORI PERPINDAHAN MOMENTUM, ENERGI DAN MASSA SECARA SIMULTAN

48 III. TEORI PERPINDAHAN MOMENTUM, ENERGI DAN MASSA SECARA SIMULTAN 3.1. Pendahuluan Pengeringan adalah suatu cara untuk menguapkan atau menghilangkan sebagian air yang terkandung dalam bahan melalui proses penguapan dengan menggunakan energi panas. Kandungan air tersebut dikurangi sampai batas kadar air keseimbangan dengan udara normal disekitarnya, sehingga mikroorganisme, jamur tidak dapat tumbuh lagi didalamnya (Henderson and Perry, 1976). Pengeringan bahan pangan umumnya bertujuan untuk mengawetkan bahan yang mudah rusak sehingga mutu dapat dipertahankan selama penyimpanan. Proses pengeringan terjadi melalui penguapan air, cara ini dilakukan dengan menurunkan kelembaban nisbi udara dengan mengalirkan udara panas disekeliling bahan, sehingga tekanan uap air bahan lebih besar dari pada tekanan uap air di udara. Perbedaan tekanan ini menyebabkan terjadinya aliran uap air dari bahan ke udara. Faktor utama yang mempengaruhi kecepatan pengeringan dari suatu bahan pangan adalah sifat fisik dan kimia bahan, pengaturan geometris bahan dalam alat pengering, sifat fisik lingkungan dan karakteristik alat pengering. Sifat fisik dan kimia bahan meliputi bentuk, ukuran, komposisi dan kadar airnya. Pengaturan geometris bahan berhubungan dengan permukaan alat atau media pemindah panas, sedangkan sifat fisik lingkungan dan karakteristik pengering meliputi suhu, kelembaban, kecepatan udara dan efisiensi perpindahan panas. Masalah utama yang timbul dalam proses pengeringan yang kurang baik adalah penurunan kualitas seperti distribusi kadar air yang besar, kerusakan akibat jamur atau perubahan biokimia yang tidak diinginkan. Bila distribusi aliran udara tidak merata akan menyebabkan laju pengeringan bahan juga tidak merata. 0

49 Hal ini dapat mengakibatkan kandungan air yang terdapat dalam produk tidak merata dan berbeda antar bagian produk yang dikeringkan. Pendistribusian aliran udara merupakan salah satu masalah yang timbul pada proses pengeringan, terutama pada pengeringan tipe rak (Charm, 1978). Untuk mengatasi hal tersebut, perlu dikembangkan dan dikaji proses penguapan air dalam bahan dengan cara mempelajari mekanisme perpindahan momentum, energi dan massa secara simultan berdasarkan teori boundary layer dari udara panas yang dilewatkan secara sejajar pada permukaan bahan yang dikeringkan. Penentukan parameter model struktural dari lapisan kering pada proses penguapan air yang tepat, sangat membantu mengurangi masalah yang timbul pada saat sistem beroperasi, termasuk distribusi aliran udara pengering.. Berdasarkan uraian diatas, dalam proses penguapan air bahan (pengeringan) sangat diperlukan kondisi operasi proses dalam hal ini suhu, kecepatan dan RH seragam selama proses berlangsung. Pada sistem termal yang menyangkut proses penguapan air bahan selalu didekati dengan menyusun persamaan keseimbangan momentum, energi dan massa yang dalam penerapannya berlangsung secara simultan dalam bentuk rumusan model matematika sehingga dapat dilakukan kajian simulasi untuk mendapatkan kondisi operasi yaitu suhu, kecepatan dan RH yang seragam selama proses pengeringan. 3.. Teori Lapisan Batas Untuk mendapatkan model atau persamaan tebal lapisan batas (boundary layer) pada sebuah flate plate (plat datar) seperti terlihat pada Gambar 5-1 (Brodkey and Harry, 1989). 1

50 Bila fluida mengalir sepanjang suatu permukaan, baik alirannya laminar maupun turbulen, gerakan partikel-partikel fluida didekat permukaan diperlambat oleh adanya gaya-gaya viskos. Partikel-partikel fluida yang berbatasan dengan permukaan melengket pada permukaan itu dan mempunyai kecepatan nol relatif terhadap batas. Pengaruh gaya-gaya viskos yang berasal dari perbatasan itu meluas ke dalam fluida, tetapi pada jarak dekat dari permukaan tersebut kecepatan partikel-partikel fluida mendekati kecepatan aliran bebas yang tidak terganggu. Fluida yang terdapat dalam daerah yang berperubahan kecepatan yang besar itu disebut lapisan batas (boundary layer) (Kreith, 1973). Pada dasarnya lapisan batas membagi medan aliran disekitar sebuah benda kedalam dua wilayah, yaitu sebuah lapisan tipis yang menutupi permukaan benda dimana gradien kecepatan besar serta gaya viskos besar, dan sebuah daerah diluar lapisan ini dimana kecepatan hampir sama dengan kecepatan aliran bebasnya dan pengaruh viskos dapat diabaikan. Bentuk profil kecepatan di dalam lapisan batas tergantung pada jenis alirannya, bila dianggap fluidanya adalah udara yang mengalir melewati sebuah plat datar yang ditempatkan dengan permukaannya sejajar terhadap aliran udara, maka pada tepi depan (leading edge) plat, hanya partikel-partikel fluida yang langsung bersinggungan dengan permukaan tersebut yang menjadi lambat gerakannya, sedangkan fluida lainnya terus bergerak dengan kecepatan aliran bebas (free stream) yang tidak terganggu di depan plat. Bergeraknya fluida sepanjang plat, menyebabkan semakin banyak terhambatnya gaya-gaya geser fluida sehingga ketebalan lapian batas akan bertambah (Kreith, 1973).

51 Daerah aliran bebas v = v v y = v u = u Boundary Layer u = u u =0.99u u =0.99u Y X u T u C A u y δ L y δ τ ο T w, C A, Gambar 3-1. Profil-profil kecepatan untuk lapisan batas laminar dalam aliran melewati plat datar. Dimana kecepatan udara pada lapisan batas mencapai 99 persen dari nilai kecepatan aliran uadara bebas u, sehingga tebal lapisan batas hidrodinamik sebagai jarak dari permukaan sampai titik dimana kecepatan lokal u mencapai 99 persen dari nilai kecepatan aliran bebas u. Peralihan bentuk aliran fluida dari tepi depan sampai titik dimana lapisan batas menjadi turbulen tergantung pada kontur permukaan, kekasaran permukaan, tingkat gangguan, dan perpindahan panas. Untuk aliran yang tenang dan tidak ada gangguan maka aliran laminar dapat bertahan pada lapisan batas dengan bilangan Reynold sebesar (Brodkey and Harry, 1989), jika permukaan plat kasar atau aliran sengaja diberi gangguan, maka aliran dapat menjadi turbulen pada bilangan Reynold Dalam kondisi rata-rata aliran yang melewati plat datar menjadi turbulen, bilangan Reynold lokal besarnya sekitar (Kreith, 1973, Prijono, 1999) 3

52 3.3. Pendekatan Teoritis Kajian yang mendasar mengenai teori pengeringan bersumber dari teori perpindahan momentum, energi dan massa (Bird et al, 1966, Brodkey and Harry 1989, Treybal, 1981) karena pada proses pengeringan (penguapan) yang diakibatkan oleh perpindahan massa, momentum dan energi pada kenyataannya berlangsung secara simultan. Laju perpindahan massa sangat tergantung dari pada suhu dan laju aliran udara yang akan mengangkut uap air dari bahan yang dikeringkan keudara luar. Pada proses pengeringan gabah yang diteliti, pendekatan teoritis yang digunakan dalam kajian terhadap perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan berdasarkan teori lapisan batas, dimana ketiga parameter struktural diatas terjadi secara serentak (Gambar 3-). Produk yang dikeringkan ditempatkan diatas rak (pengering tipe kabinet) dengan mengalirkan udara panas secara sejajar diatas permukaan gabah yang dikeringkan dan air yang diuapkan diangkut oleh udara keluar dari sistem ke udara lingkungan. Sistem Pengering Perpindahan Energi Perpindahan Massa Simultan 60 cm 60 cm Perpindahan Momentum 40 cm Permukaan Penguapan Panjang Inlet Li = 0 cm Panjang Permukaan Penguapan Lp = 50 cm Panjang Outlet Lo = 0 cm Gambar 3-. Diagram proses perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan pada sistem pengering 4

53 Pemodelan Transport Momentum, Energi dan Massa Pada Sistem Pengering Penyelesaian secara simultan perpindahan momentum, energi dan massa berdasarkan teori lapisan tipis pada proses pengeringan, dapat menggambarkan mekanisme perpidahan secara rinci dan analisa yang lebih teliti. Untuk mengetahui proses perpindahan momentum, energi dan massa dengan teori lapisan tipis dapat dilihat pada sistem aliran seperti yang terlihat pada Gambar 3-3 (Bird et al, 1966) dibawah ini. Aliran Luar Y Π v = 1 Π T = 1 Π AB = 1. Transisi Garis konstan Π Permukan : Π v = 0 Π T = 0 Π AB = 0 Ujung masuk v o Laminer Turbulen X Gambar 3-3. Aliran tangensial sepanjang ujung yang tajam pada bidang pipih dengan perpindahan massa dalam arus. Suatu padatan A yang pipih dan mudah menguap bersublimasi pada kondisi mantap ke dalam suatu arus gas A dan B, yang mendekati bidang secara tangensial dalam arah dengan kecepatan v. Untuk menentukan profil kecepatan, suhu dan konsentrasi pada lapisan batas. Diasumsikan tidak terjadi reaksi kimia dan tidak ada gaya-gaya luar selain gaya gravitasi, kehilangan energi karena gesekan diabaikan. Sifat-sifat fisik, ρ,μ, Cp, k, c dan D AB konstan. 5

54 Persamaan lapisan batas untuk sistem ini (Bird et al, 1966) : Kontinyuitas : v v y + y = (3-1) Persamaan Gerak : v v + v y v y y v = v y (3-) Persamaan Energi : v T + v y T y T = α......(3-3) y Persamaan Kontinyuitas Uap Air : v A + v y A y = D AB A y......(3-4) Pendefinisian boundary condition dan initial condition Guna mendapatkan model persamaan matematik perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan dalam proses penguapan air bahan, maka persamaan (3-1) (3-4) penyelesaiannya dilakukan secara eksak berdasarkan kondisi awal dan kondisi batas yang digunakan dalam system Kondisi Awal Pada analisis perpindahan momentum, energi dan massa dalam ruang pengering dinyatakan dengan kondisi awal seperti berikut : - Kecepatan udara pada semua dinding dan atap pengering pada arah, y dan z adalah nol. - Kecepatan udara pada dinding rak pengering arah, y dan z adalah 0 - Tekanan udara adalah tekanan barometrik = 1 atm = Pa - Suhu udara pengering disemua dinding dan atap pengering pada arah, y, dan z sama dengan suhu lingkungan T a (30 o C). 6

55 Kondisi Batas Pendefinisian kondisi batas (boundary condition) dan kondisi awal (initial condition) berdasarkan bentuk saluran dalam ruang pengering yang digambarkan dalam koordinat cartesian dengan sumbu terletak pada kiri dalam bawah, dengan dimensi; panjang arah = 90 cm, tinggi arah y = 60 cm dan lebar arah z = 60 cm. Dimensi rak bahan produk adalah cm. Kondisi batas pada proses perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan pada lapisan batas laminar, adalah : 0 atau y = ; v = v ; T = T ; A = A pada y = 0 v = 0, T = T 0, A = Ao, N B = 0 Untuk aliran laminar pada flat plate, nilai bilangan Reynold, Re < (Kreith, 1973, Prijono, 1999) pada kecepatan dan jarak tak berdimensi, kondisi batas pada v, T dan A adalah : pada 0 atau y = ; Π v = 1 y = 0 ; Π v = 0 kondisi batas pada Π v, adalah η = 0 ; Π v = 0 η = ; Π v = 1 Untuk lapisan batas hidrodinamik kondisi batas dalam menentukan persamaan model matematik adalah : Kecepatan udara aliran lokal u = 0 pada tinggi y = 0 u = u pada tinggi y = δ u = 0 pada tinggi y = δ y 7

56 Untuk lapisan batas termal kondisi batas adalah : T = T w pada y = 0 T = 0 y pada y = δ t T = T pada y = δ t Asumsi - Bilangan Prandtl udara konstan (panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan). - Aliran udara pada penampang kipas mempunyai kecepatan yang seragam. - Aliran udara lokal adalah laminar dengan bilangan Re (Kreith,1973) - Fluida tak mampu mampat dan keadaan aliran steady state. - Gaya geser pada arah y dapat diabaikan - Tidak terdapat perubahan tekanan pada arah tegak lurus rak Persamaan atur yang berkaitan dengan dinamika fluida meliputi persamaan atur kontinuitas, konservasi momentum, energi dan uap air. Model persamaan matematis yang diperoleh dipecahkan dengan cara analisa numerik menggunakan bantuan program bahasa GW-Basic. Untuk mendapatkan kecepatan v, persamaan kontinyuitas dapat diintegralkan menjadi : v y = v yo y u 0 dy......(3-5) atau v y = M AN ρ A0 y u 0 dy...(3-6) Dari hukum Fick, nilai N A0 adalah (dimana pada y = 0, N B0 = 0), 8

57 A N ( ) A0 = cdab y= 0 + A0 N A0 + N B0 y c D N (3-7) AB A A0 = y= 0 1 A0 y untuk struktur padatan yang berongga (berpori), koefisien difusivitas dinyatakan dalam bentuk koefisien difusivitas efektif, yaitu : ε D AB = D τ, eff AB....(3-8) dimana : ε = fraksi void τ = faktor koreksi terhadap panjang/jarak (umumnya bernilai 1,5 5) dengan memasukkan nilai N A0 persamaan (3-7) dan (3-8) ke persamaan (3-6), akan diperoleh persamaan kecepatan dalam bentuk : M Bila; M A = M B, maka bentuk A c = 1 ρ v y DAB, 1 A y eff = y= 0 A0 y u 0 dy... (3-9) M Bila; M A M B, maka bentuk A c 1 ρ v y M D A AB, eff A = y= M 1 y B A0 0 y u (3-10) Dalam pemodelan persamaan matematis pada perpindahan momentum, energi dan massa secara simultan, dimana M A M B (yaitu; uap air dan udara). Untuk menyelesaikan persamaan (3-10), digunakan bilangan tak berdimensi sebagai berikut (Bird et al, 1966) : v u = u u u 0 0 u = u (3-11) T T T0 = T T (3-1) 9

58 AB = A A A0 A (3-13) persamaan fisis tak berdimensi untuk konsentrasi, suhu dan kecepatan aliran, dengan asumsi kedua gas (udara dan uap air) mempunyai sifat yang sama, adalah : v υ Λ v = ; ΛT = = Pr ; v α υ Λ AB = = Sc..(3-14) D AB Bentuk kondisi batas pada peubah profil Π dan tidak adanya panjang karakteristik di dalam sistem aliran, metoda kombinasi dari peubah-peubah dapat digunakan, adapun bentuk kombinasi yang digunakan : y v η =.....(3-15) υ Dengan menggunakan bilangan-bilangan tak berdimensi seperti diatas, maka diperoleh bentuk umum untuk persamaan gerak, energi dan kontinyuitas uap air pada lapisan batas. Persamaan (3-10), yaitu persamaan kecepatan uap air pada lapisan batas diubah dalam bentuk variabel tak berdimensi, menjadi : Suku pertama ruas kanan ; M M A B D 1 [( Π + ] AB, eff A M A AB, eff A A0 ) y= 0 = A0 y M B 1 A0 y D AB M ( ) A A A0 DAB, eff ' = Π AB (0) M 1 B A0 A0 y= (i) u Suku kedua ruas kanan ; = u Π v = u Π v η = u η Π v [ y u υ ] η = u Π v y η u 1 υ 3 / = u 1 1 Π v η η....(ii) dari persamaan (5-17), diferensial y terhadap η diperoleh ; 30

59 31 η υ d u dy =... (iii) dengan memasukan (ii) dan (iii) pada suku kedua ruas kanan persamaan (3-10), didapat ; = dy u y 0 η η η υ υ η η η υ η υ η d u u u d u u v v u Π = Π 0 0 = η υ η d Π v (iv) dari persamaan (i) dan (iv), maka bentuk persamaan kecepatan (3-10) menjadi : Π + Π = η η υ 0 ' 0, 0 (0) 1 ) ( v AB A eff AB A A B A y D M M v......(3-16) Dengan mensubtitusikan persamaan (3-16) ke dalam persamaan (3-4) menggunakan bilangan tak berdimensi seperti diatas, maka diperoleh bentuk umum untuk persamaan gerak, energi dan kontinyuitas uap air pada lapisan batas. 0 ' 0, 0 (0) 1 ) ( y y d D M M u v AB A eff AB A A B A Π Λ = Π Π Π Π υ η υ η...(3-17) dengan kondisi batas pada v, T dan A menjadi : pada 0 atau y = ; Π = 1 y = 0 ; Π = 0 Berdasarkan bentuk kombinasi η tersebut, maka persamaan (3-17) dapat dinyatakan sebagai berikut : " ' 0 ' 0 0 (0) 1 1 = Λ Λ η dη M M v AB A A B A AB......(3-18)

60 Dari persamaan (3-18) dapat dilihat bahwa laju pindah massa pada dinding dinyatakan dalam bentuk gradient konsentrasi ' AB (0), yang secara langsung mempengaruhi profil-profil Π v, Π T, dan Π AB. Persamaan (3-18) dapat dinyatakan dalam bentuk yang lebih sederhana : f η = K + dη......(3-19) 0 v 1 M A A0 ' dimana; K = Π AB (0) AB M B 1 Λ A (3-0) K= fluks massa tak berdimensi pada dinding (K>0 massa uap masuk dalam aliran bebas) K = 0 (tidak terjadi perpindahan massa dalam aliran bebas) dan ' " Λf =......(3-1) kondisi batas pada Π, adalah pada η = 0 ; Π = 0 η = ; Π = 1 Besaran K menunjukkan laju aliran massa tidak berdimensi pada dinding, dan nilainya konstan untuk lapisan batas laminar. Dari persamaan (3-19) (3-1), dapat dihitung profil kecepatan, suhu dan konsentrasi Ketebalan Lapisan Batas Hidrodinamik dan Lapisan Batas Termal Lapisan Batas Hidrodinamik Untuk menentukan besarnya tebal lapisan batas yang terbentuk dari aliran fluida (udara) yang mengalir sejajar dengan plat (produk), digunakan analisa persamaan eksak sebagai pendekatannya tanpa kehilangan pemahaman fisik tentang proses yang berlangsung. 3

61 Dari volume kendali pada Gambar 3-4 yaitu bidang 1,, A-B dan dinding, dimana kecepatan aliran bebas diluar lapisan batas adalah u dan tebal lapisan batasnya δ. Komponen kecepatan yang tegak lurus dinding diabaikan, dan hanya kecepatan arah yang dibahas. Volume kendali ini cukup tinggi sehingga mencakup lapisan batas, yaitu H > δ. y A B H dy u δ 1 d Gambar 3-4. Volume kendali untuk analisa momentum integral lapisan batas Neraca momentum : Massa yang mengalir melalui bidang 1 : ρ u dy Momentum yang mengalir melalui bidang 1 : H 0 H 0 ρ u dy Momentum yang mengalir melalui bidang : H 0 H d ρ u dy + u dy d d ρ 0 H H d Massa yang mengalir melalui bidang : ρ u dy + u dy d d ρ 0 0 Aliran massa yang mengalir pada bidang terdapat kelebihan aliran masa bila dibandingkan terhadap aliran massa pada bidang 1. 33

62 Kelebihan aliran massa ini membawa momentum pada pada arah yang besarnya adalah : u d d H u dy d ρ 0 Aliran momentum neto yang keluar volume kendali adalah : d d H 0 H ρ u dy d u u dy ρ dy...(3-) 0 Dengan menggunakan bentuk persamaan : d( ηφ) = η dφ + φ dη η dφ = d( ηφ) φ dη dalam persamaan momentum diatas, integral H 0 ρ u dy adalah fungsiφ dan u adalah fungsi η, sehingga diperoleh bentuk persamaan : u d d H 0 ρ u dy d = = d d d d u H 0 H du ρ u dy d d 0 ρ u u du dy d d H 0 H 0 ρ u dy d ρ u dy d...(3-3) karena u bukan fungsi y, maka u dapat dimasukan dalam integral, dan merupakan suatu konstanta dalam integral terhadap y. Dengan memasukan persamaan (3-3) ke dalam persamaan (3-), sehingga aliran momentum neto yang keluar volume kendali menjadi : d d H 0 H H d du u dy d u u dy ρ d + u dy d d ρ d ρ.(3-4) 0 0 Gaya tekan pada bidang 1 adalah : ph Gaya tekan pada bidang adalah : p + [( dp / d) d] H Gaya tekanan neto : dp ph { p + [( dp / d) d] H} = ( H ) d d 34

63 u Gaya geser pada dinding adalah : τ w d = μ d y= 0 y Pada bidang A-B tidak terdapat gaya geser karena gradien kecepatan sama dengan kenaikan neto daripada momentum. Dengan menggunakan jumlah gaya geser dan gaya tekanan dengan perpindahan momentum, diperoleh : τ w d dp d H d = d d H 0 ρ u dy d u d d H 0 u dy ρ d H H H = d d du u dy d u u dy d + u dy d d ρ d ρ d ρ dengan menghilangkan suku d pada masing-masing ruas, diperoleh : dp d du τ w H = ( ρ u dy....(3-5) d d H H u u) u dy + d 0 0 Persamaan (3-5) adalah persamaan momentum integral untuk lapisan batas. Karena lapisan batas sangat tipis, dapat diasumsikan bahwa tekanan di dp lapisan batas pada setiap adalah konstan, yaitu p( ) = p ( ) atau = 0. d Untuk aliran tak mampumampat dapat diperoleh hubungan antara u dan p dari persamaan Bernoulli. dp d dp = = 0 = ρ u d du d Untuk kondisi tekanan konstan, persamaan lapisan batas integral menjadi : d ρ d δ u ( u u) u dy = τ w = μ y= 0 y 0...(3-6) dimana limit atas integral diganti dengan δ karena integran adalah nol untuk y > δ karena u =u untuk y > δ. 35

64 Guna menyelesaikan persamaan lapisan batas, maka syarat-syarat yang harus dipenuhi oleh fungsi kecepatan itu adalah : u = 0 u = u u = 0 y pada pada pada y = 0 y = δ y = δ Pada kondisi tekanan tetap, persamaan momentum menghasilkan : d u = 0 pada y = 0 dy Karena kecepatan u dan v adalah nol pada y = 0, maka profil kecepatan pada setiap lokasi adalah sama., artinya semuanya mempunyai ketergantungan fungsional yang sama pada koordinat y dan ada 4 syarat batas yang harus dipenuhi. Untuk pendekatan, fungsi kecepatan yang memenuhi ke 4 persyaratan batas digunakan bentuk fungsi polinomial derajad 3, yaitu : u = C 1 + C y + C 3 y + C 4 y 3...(3-7) dari syarat batas, akan didapat nilai masing-masing konstanta C 1, C, C 3 dan C 4. Untuk u = 0 pada y = 0, maka C 1 = 0, sehingga : u = C y + C 3 y + C 4 y 3....(3-8) untuk u = u pada y = δ u = C δ + C 3 δ + C 4 δ 3...(3-9) du untuk = 0 = u' pada y = δ dy u' = 0 = C + C 3 δ + 3C 4 δ sehingga C = C 3 δ 3C 4 δ (3-30) d u untuk = 0 = u" pada y = 0 dy u"= 0 = C 3 + 6C 4 y, di dapat C 3 = 0 sehingga (3-3) menjadi ; C = 3C 4 δ 36

65 37 dan bentuk persamaan fungsi kecepatan (3-8) dan (3-9), menjadi : u = C y + C 4 y 3 u = C δ + C 4 δ 3 Dengan mengambil bentuk fungsi u u = + = + + = δ δ δ δ δ δ y y C y C y C C C y C y C u u Sehingga bentuk fungsi kecepatan tak berdimensi adalah : П v = = δ δ y y u u (3-31) dengan memasukkan persamaan kecepatan ke dalam persamaan (3-6), maka di dapat : δ μ μ δ δ δ δ ρ δ = = = + u y u dy y y y y u d d y (3-3) dengan mengintegralkan persamaan (5-34), diperoleh : δ μ δ ρ = u u d d (3-33) Oleh karena u dan ρ konstan, variabel-variabel diatas dapat dipisahkan, sehingga menjadi : d u d u d = = υ ρ μ δ δ (3-34) hasil integral persamaan diatas : konstanta = u υ δ Pada = 0 dan δ = 0, diperoleh :

66 υ δ = 4, (3-35) u Persamaan (3-35) adalah persamaan tebal lapisan batas hidrodinamik aliran fluida. Bila dinyatakan dengan bilangan Reynold, maka bentuk persamaan (3-35) menjadi : δ = 4,64 ( Re ) 1/ (3-36) dimana; u Re = υ Dengan mengambil bentuk kombinasi peubah-peubah : v η = y υ y y = δ 4.64 υ v = y v = 0.155η υ...(3-37) Sehingga dengan memasukkan persamaan (3-37) ke dalam persamaan (3-31), maka bentuk fungsi kecepatan tak berdimensinya menjadi : u u 3 y 1 y = δ δ = (0.155η) (0.155η) 3 u u 3 = 0.335η 0.005η...(3-38) Dengan menentukan kecepatan tak berdimensi dan jarak tak berdimensi dari persamaan (3-38), maka profil kecepatan dalam lapisan batas dapat diketahui Lapisan Batas Termal Mengingat kecepatan-kecepatan di dalam persamaan energi, u dan v pada setiap titik (,y) mempunyai harga yang sama dalam persamaan gerak. 38

67 Dengan demikian, persamaan momentum (3-) dan persamaan energi (3-3) pada lapisan batas, penyelesaian distribusi kecepatan u(,y) adalah juga merupakan penyelesaian distribusi perpindahan energi T(,y). Dengan menggunakan volume kendali seperti pada Gambar 3-5, dapat ditentukan neraca panas dalam volume kendali itu. Energi yang dikonversikan ke dalam + perpindahan panas pada dinding = energi yang dikonversikan keluar...(3-39) y CpT d d y u dy ρ d 0 δ y y y d ρ Cp ut dy ρ Cp ut dy Cp ut dy + d d ρ T w δ t dq w T = k d y w Gambar 3-5. Volume kendali untuk neraca panas lapisan batas Dengan menggabungkan besaran-besaran energi integral lapisan batas sesuai persamaan (3-39), diperoleh keseimbangan energi panas seperti berikut. CpT d d y y u dy ρ d + ρ Cp ut dy 0 0 T k d w = y ρ Cp y 0 y d ut dy + Cp ut dy d d ρ 0 ρ Cp d d y ut dy d d y 0 0 T ut dy = k y w 39

68 40 ( ) = = y w w y T y T Cp k u dy T T d d 0 α ρ...(3-40) Syarat batas yang harus dipenuhi distribusi suhu dalam aliran lapisan batas adalah : T = T w pada y = 0 =0 y T pada y = δ t T = T pada y = δ t Dengan mengambil bentuk suhu tak berdimensi П T, dan dengan cara penyelesaian yang sama dengan menentukan tebal lapisan batas hidrodinamik (δ). Sehingga batas limit atas pada persamaan (3-40) adalah y = δ t. П T = w w T T T T = t t y y δ δ......(3-41) Penyelesaikan ruas kiri persamaan (3-41) dan mensubstitusikan kecepatan u dari persamaan (3-31), adalah sebagai berikut : ( ) ( ) ( ) [ ] dy u T T T T u dy T T d d t t w w = δ δ 0 0 dy y y T T T T T T T T u T T t w w w w w = ) ( δ δ δ dy y y y y u T T t t t w + = δ δ δ δ δ ) ( + + = ) ( δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ δ t t t t t t T w u T (3-4) Dengan mengambil bentuk ζ = δ t /δ (perbandingan tebal lapisan batas termal terhadap tebal lapisan batas hidrodinamik), maka hasil integrasi persamaan (3-4) menjadi ;

69 d d δ t 3 3 w ( T T ) u dy = ( T T ) u δ ζ ζ.. (3-43) karena pada bilangan Prandtl =1, nilai ζ < 1, sehingga suku kedua dalam kurung pada persamaan (3-43) dapat diabaikan (jauh lebih kecil dari suku pertamanya), sehingga persamaan (3-43) menjadi : 3 u ( Tw T 0 δ T ) ζ = α y w 3 Tw T = α δζ...(3-44) 1 10 u 3 δ ζ δ = α...(3-45) dari persamaan (3-36), υ δ = 4, 64 maka didapatkan : u δ υ δ = sehingga persamaan (3-45) menjadi : u 10 α ζ 3 = = 0.99( Pr) 1 Pr = Bilangan Prandtl = υ sehingga diperoleh : Cp μ υ = k α 0.976(Pr) 1/ 3 ζ = atau 1/ 3 δ t = δ (Pr)......(3-46) Dari persamaan (3-46) terlihat bahwa ketebalan lapisan termal lebih kecil dibandingkan ketebalan lapisan batas hidrodinamik. Untuk menentukan laju aliran panas konveksi lokal per satuan luas adalah : h q k( T / y) = = A( T T ) ( T T ) w w w 3 k = = δ t 3 k ζδ....(3-47) dengan memasukkan tebal lapisan batas hidrodinamik persamaan (3-36) dan persamaan (3-46) ke persamaan (3-47), didapatkan : 1/ 3 1/ h = atau 0.33 k Pr Re h 1/ 3 1/...(3-48) k = 0.33Pr Re h bilangan Nuselt, N u =, maka bentuk persamaan (3-48) menjadi : k 41

70 1/ 3 1/ Nu = 0.33 (Pr) (Re)...(3-49) Koefisien perpindahan panas rata-rata untuk seluruh panjang permukaan gabah : L h 0 h = = h L = L 0 d d...(3-50) Jadi aliran panas dalam lapisan batas seluruh panjang permukaan gabah : q = h A (T T )...(3-51) w Koefisien Perpindahan Massa Koefisien perpindahan massa (mass transfer coefficient) mempunyai analogi dengan koefisien perpindahan panas, sehingga dapat didefinisikan seperti halnya perpindahan panas. m& = h A( C C )...(3-5) A A D A1 A Difusivitas yang terjadi pada keadaan steady yang melintasi ketebalan lapisan batas setebal y, adalah : m D = ( C C ) A1 A = h Δy A )...(3-53) AB & A D A( CA 1 CA Berdasarkan hukum-hukum fenomena dalam persamaan yang mengatur perpindahan massa, momentum dan energi seperti pada persamaan (3-), (3-3) dan persamaan (3-4) terlihat mempunyai keserupaan, sehingga profil suhu, kecepatan dan konsentrasi mempunyai bentuk yang sama dalam fenomena lapisan batas. Karena fenomena yang terjadi dalam lapisan batas mempunyai analogi terhadap hubungan antara profil kecepatan, profil konsentrasi massa dan profil suhu sehingga dalam persoalan perpindahan panas, hubungan fungsional koefisien pindah panas dapat dituliskan dalam bentuk : 4

71 h = f (Re, Pr)...(3-54) k sedangkan dalam hal perpindahan massa, hubungan fungsional koefisien pindah massa dapat dinyatakan dalam bentuk : hd A = f (Re, Sc)...(3-55) D AB Bilangan Schmidt ( Sc = ν / D ) menyatakan perbandingan antara profil AB kecepatan dan konsentrasi, sedangkan untuk profil suhu dan konsentrasi dinyatakan dalam bentuk bilangan Lewis ( Le = α D ). Keserupaan antara / AB persamaan-persamaan yang mengatur perpindahan massa, momentum dan energi dalam lapisan batas memberi petunjuk bahwa korelasi empirik untuk koefisien perpindahan massa mempunyai analogi dengan koefisien perpindahan panas. Hubungan empirik untuk koefisien perpindahan massa ini dinyatakan oleh Gilliland (1934) dalam Holman (1981) dalam bentuk persamaan : hd A D AB ρ u ν.03 = μ DAB (3-56) pada keadaan : 000 < Re < dan 0.6 < Sc <.5 Analogi Reynold untuk perpindahan panas dengan koefisien gesek pada lapisan batas dapat pula digunakan untuk menentukan koefisien perpindahan massa dengan koefisien gesek pada lapisan batas, pada aliran laminar, Holman, J.P, (1981) memberikan bentuk persamaan seperti berikut : untuk perpindahan panas u h / 3 f Pr = Cp ρ 8...(3-57) untuk perpindahan massa u hd A Sc Cp ρ = 8 / 3 f...(3-58) 43

72 Karena perpindahan massa dan panas terjadi secara serempak (simultan), maka koefisien perpindahan panas dapat dihubungkan dengan membagi persamaan (3-59) dengan persamaan (3-60) : h h DA / 3 / 3 Sc α / 3 = ρ Cp = ρ Cp = ρ Cp Le...(3-59) Pr D AB Gaya Geser dan Koefisien Gesekan Guna menentukan distribusi kecepatan, tebal lapisan batas dan gaya gesek pada dinding, maka persamaan gerak (3-) harus diselesaikan secara serentak (simultan) dengan persamaan kontinyuitas (3-4). Persamaan-persamaan ini diselesaikan dengan pertama-tama mendefinisikan fungsi aliran, ψ (,y) yang memenuhi persamaan kontinyuitas. v ψ = y dan v y ψ = (3-60) dengan menggunakan variable tak berdimensi v η = y.....(3-61) υ sehingga persamaan dapat ditulis dalam bentuk; ( η) ψ = υv f...(3-6) dimana f(η) menandakan suatu fungsi aliran tanpa dimensi. Bila komponen-komponen kecepatan dinyatakan dalam bentuk f(η), maka diperoleh bentuk persamaan : dan v [ f ( η) ] ψ η d = = v....(3-63) η y dη [ f ( η) ] ψ 1 υ v d v y = = η f ( η) (3-64) d dη 44

73 v v v dengan menyatakan, dan d y y sebagai fungsiη dan memasukan persamaan momentum akan diperoleh bentuk persamaan diferensial orde tiga tak linier. 3 [ f ( η) ] d [ f ( η) ] d f ( η) + = 0...(3-65) 3 dη dη dapat diselesaikan dengan syarat batas : pada = 0 pada η, ( η) = 0 η =, f, [ f ( η) ] d dη [ f ( η) ] d dη = 1 = 0 dan...(3-66)...(3-67) Penyelesaian terhadap persamaan diferensial pada persamaan (3-65) secara numerik telah diperoleh oleh Blasius (1908) dalam Frank (1973). Dimana kecepatan lokal u mencapai 99 persen dari nilai kecepatan aliran bebas u pada y ρ u nilai = 5, 0. Sehingga tebal lapisan batas hidrodinamik sebagai jarak μ dari permukaan sampai titik dimana kecepatan lokal u mencapai 99 persen dari nilai kecepatan aliran bebas u. Gaya geser pada dinding dapat diperoleh dengan memasukan gradien kecepatan pada y = 0 dari perhitungan secara numerik oleh Blasius besarnya gradien kecepatan adalah dv dy y= 0 u = 0.33 Re...(3-68) dengan memasukan gradien kecepatan pada tegangan geser permukaan per luas satuan adalah : μ dv μ u τ = = 0.33 Re......(3-69) g dy c y= 0 45

74 gaya geser dinding didekat tepi-depan sangat besar dan menurun dengan meningkatnya jarak dari tepi-depan. Bila kedua ruas persamaan (3-69) dibagi dengan tekanan kecepatan aliran bebas ρ v / g akan diperoleh : c C f τ = ρv = / g c Re....(3-70) dimana C f adalah koefisien gesek. Untuk aliran laminer melewati sebuah plat datar dengan panjang L, koefisien gesek rata-rata pada permukaan antara tepi-depan = 0 dan = L diperoleh dengan cara mengintegralkan persamaan diatas. C f = 1 L L 0 C f d = / v ρl μ......(3-71) Sehingga koefisien gesek rata-rata gesek lokal pada panjang plat L ( = L). C f sama dengan dua kali nilai koefisien 3.4. Penentuan Nilai Difusivitas Koefisien difusivitas massa dalam model persaman matematik lapisan batas pada persamaan (3-16) ditentukan berdasarkan perhitungan perubahan massa gabah (kadar air) selama proses pengeringan, dengan cara menentukan nilai kadar air keseimbangan dan konstanta pengeringan Teori Pengeringan Lapis Tipis Dalam sistem pengering, kandungan air dalam produk yang akan dikeringkan sangat menentukan proses pengeringan. Terjadinya perpindahan massa didalam produk saat pengeringan disebabkan oleh adanya perbedaan kadar air. Hukum Fick II telah banyak digunakan oleh para peneliti dengan asumsi yang digunakan adalah; perpidahan massa didalam bahan produk saat pengeringan disebabkan oleh perbedaan kadar air didalam bahan produk dan udara pengering. 46

75 Model persamaan matematik yang digunakan untuk proses perpindahan air dalam bahan produk, adalah : t M = DM...(3-7) Penyelesaian model persamaan (3-7) diatas, telah ditemukan oleh Crank (1956) dalam Young dan Whitaker (1971) dengan benda berbentuk plat tak terbatas, silinder tak terbatas, bentuk bola dan silinder terbatas. Bentuk persamaan-persamaan yang dihasilkan adalah seperti berikut : a). Plat datar tak terbatas M Me = Mo Me π 8 1 ep[ ( 1) n + K t n= 0 (n + 1) ].....(3-73) b). Silinder tak terbatas M Me = Mo Me n= 0 a 1 ep[ a α K t / π α n ]....(3-74) c). Bola terbatas M Me 6 1 = ep[ n K t] Mo Me π n n= (3-75) d). Silinder terbatas M Me 8 4 = π Mo Me π a α [ ep{ a α K t / } ] n= 0 n......(3-76) Persamaan diatas hanya valid untuk material produk yang homogen. Young dan Whitaker (1971) menyarankan bahwa asumsi tersebut tidak valid untuk material bahan pertanian yang komposit (tidak seragam). Material bahan yang komposit, mungkin akan berbeda kadar air keseimbangan dan difusivitas massanya. Young dan Whitaker (1971) menyarankan penggunaan persamaan pindah massa air dalam material bahan dalam bentuk perbedaan kadar uap air didalam pori-pori bahan sebagai daya dorong perpindahan massa air. 47

76 Young dan Whitaker (1971) menggambarkan bahwa penyelesaian persamaan matematisnya akan melibatkan pindah panas dan massa secara simultan. Beberapa peneliti telah menggunakan model dengan melibatkan pindah panas dan massa secara simultan dengan metoda pemecahan numerik. Pada permasalahan ini perubahan suhu dan kadar air dipengaruhi oleh difusivitas massa sedangkan perubahan kadar air dipengaruhi oleh konduktivitas panas Pemodelan Matematik Menentukan Me, K, D v dan A Pada proses penguapan air bahan dari suatu lapisan tipis yang dikeringkan dengan aliran udara panas, dimana besarnya nilai kadar air keseimbangan dapat ditentukan berdasarkan model persamaan pengeringan lapis tipis dari Henderson dan Perry (1976). M Me = Aep( K t) Mo Me (3-77) Dimana, konstanta A adalah faktor bentuk tergantung bentuk geometri bahan yang dikeringkan. Untuk bentuk : Lempeng : A = 8 π - = Bola : A = (8 π - ) -3 = Silinder : A = 6 π - = D V π K =, dimana D V = difusifitas massa 4 A Sedangkan Me adalah kadar air keseimbangan (% bk) dan K adalah konstanta pengeringan, yang merupakan karakteristik bahan dalam mempertahankan air yang terkandung didalamnya terhadap pengaruh suhu udara panas. 48

77 Penyelesaian persamaan pengeringan lapis tipis, bentuk dpersamaan (3-77) diatas diubah menjadi bentuk ; (Abdullah dalam Samsuri, 199) M = A( Mo Me)ep( K t) + Me (3-78) dengan : M = f ( Me, K, A) dan M = f ( Me + ΔMe, K + ΔK, A + ΔA) f ( Me + ΔMe, K + ΔK, A + ΔA) = f f ( Me, K, A) + ΔMe Me 1 ( ΔMe) f Me f + ΔK K f + ΔA A f f + ΔMe ΔK Me K + + Nilai deret 1 ( ΔMe ) f Me + f f ΔMe ΔA +... Me A...sangat kecil dan dapat diabaikan...(3 79) Sehingga persamaan (3-79) menjadi : f ( Me + ΔMe, K + ΔK, A + ΔA) = f f ( Me, K, A) + ΔMe Me + f ΔK K f + ΔA...(3 80) A Dengan mendiferensialkan persamaan (3-80) terhadap Me, K dan A, maka didapatkan : f = 1 Aep( K t) Me......(3-81) f = t A( Mo Me)ep( K t) K (3-8) f = ( Mo Me)ep( K t) A....(3-83) Dengan menggunakan metoda kuadrat terkecil (least square), persamaan (3-80) dapat dinyatakan dalam bentuk : n ( M f ( Me, K, A) ) minimum f ( Me + ΔMe, K + ΔK, A + ΔA) =...(3-84) i= 1 i i 49

78 50 dengan syarat minimum adalah : 0 = Δ = Δ = Δ A f K f Me f Dari persamaan (3-84), dapat dibuat 3 persamaan simultan dengan 3 bilangan yang tidak diketahui, yaitu ; A K Me Δ Δ Δ dan, Adapun bentuk persamaan simultannya adalah : ( ) 85) ( ),, ( = Δ = + + Δ = = = Δ n i A i f Me f i A n i K i f Me f i K n i n i Me f i Me Me f i A Me K f i M i ( ) = = = = Δ + Δ + Δ = n i i i n i i n i n i i i i i i A f K f A K f K K f Me f Me K f A K Me f M )...(3 ),, ( ( ) 87)...(3 ),, ( Δ + Δ + Δ = = = = = n i i n i i i n i n i i i i i i A f A A f K f K A f Me f Me A f A K Me f M Persamaan (3-85) (3-87) dapat dibuat dalam bentuk yang sederhana, seperti berikut : P 1 ΔMe + Q 1 ΔK + R 1 ΔA = X (3-88) P ΔMe + Q ΔK + R ΔA = X.....(3-89) P 3 ΔMe + Q 3 ΔK + R 3 ΔA = X 3...(3-90) Persamaan (3-88) (3-90), dalam bentuk matrik dapat ditulis seperti berikut ini : R Q P R Q P R Q P Δ Δ Δ A K Me = 3 1 X X X..... (3-91)

79 Untuk menyelesaikan matrik persamaan (3-91), untuk menentukan ΔMe, ΔK dan ΔA dengan cara terlebih dahulu menentukan nilai sembarang untuk ΔMe, ΔK dan ΔA. Perhitungan iterasi untuk nilai variable baru dilakukan dengan cara trial dan error. Proses iterasi dilakukan terus sampai diperoleh hasil yang konvergen antara nilai variabel yang lama dengan nilai variabel yang baru. Untuk mendapatkan hasil yang konvergen, maka harus dipenuhi syarat tertentu, yaitu nilai dari elemen-elemen diagonalnya tidak boleh mengandung nilai nol dan harga mutlak dari nilai elemen dari diagonal utamanya harus lebih besar dari harga mutlak jumlah nilai elemen-elemen yang lainnya. N a ii > a ij j i dimana N = jumlah persamaan, i = 1,, N. Dalam penyelesaian persamaan untuk menentukan nilai kadar air keseimbangan, konstanta pengeringan, difusivitas massa dan faktor bentuk dibuat dalam bentuk program komputer dengan menggunakan bahasa basic Penentukan Dimensi Ring Transduser Ring transduser digunakan untuk menentukan perubahan massa (kadar air) produk selama proses penguapan air berlangsung. Ring transduser terbuat dari bahan baja yang digunakan untuk meletakan buah sensor strain gage pada sisi luar dan dalam ring, sensor ini berfungsi untuk melihat perubahan massa air produk selama proses pengeringan dengan keluaran berupa gaya lentur (µε) yang dibaca melalui instrumen handy strain meter, yang selanjutnya dikonversikan menjadi dimensi massa. Dimensi ring transduser yang digunakan adalah dengan ukuran diameter dalam dalam 51 mm dan tebal 1.0 mm, ditempatkan buah sensor strain gage dengan resistensi 10 ohm pada sisi sebelah luar dan dalam ring. 51

80 P t R 1 R Vo 1 w R 4 R 3 Gage 1 : inside Gage : outside Vs Bridge Bo Strain meter Kalibrasi Gambar 3-6. Model ring transduser dan diagram skematis pengukuran regangan Untuk menentukan beban maksimum dan dimensi ring tranduser berdasarkan persamaan seperti berikut : 1.09 PR ε =....(3-9) E w t dimana; ε = Regangan, m P = Beban, N R = Jari-jari dalam, m E = Elastisitas, N/m w = lebar ring, m t = tebal ring, m 5

81 BAB IV KAJIAN CFD PADA PROSES ALIRAN FLUIDA

82 IV. KAJIAN CFD PADA PROSES ALIRAN FLUIDA 4.1. Penelitian Sebelumnya Computational Fluid Dynamics (CFD) merupakan program computer perangkat lunak untuk memprediksi dan menganalisa secara kuantitatif aliran fluida, perpindahan panas, transpor penomena dan reaksi kimia. Analisis aliran fluida dalam suatu sistem dengan CFD merupakan analisis numerik dengan kontrol volume sebagai elemen dari integrasi persamaan-persamaan, yang terdiri dari persamaan keseimbangan massa, momentum dan energi (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Penyelesaian persaman untuk sistem dua atau tiga dimensi dapat dilakukan secara simultan dan lebih cepat. Tata letak serta dimensi dari unit peralatan dalam suatu sistem (kipas, inlet dan lainnya) dapat diubah-ubah di dalam program simulasi guna mendapatkan kondisi operasi yang optimal. Wulandani (005) telah menggunakan model simulasi CFD dalam menganalisis aliran udara pada ruang pengering tipe kabinet dengan 8 buah rak untuk mendapatkan dimensi dan letak komponen alat pengering serta kondisi operasi yang optimal. Hasil yang dilaporkan Wulandani (005) diperoleh disain alat pengering dengan ukuran m 3, dimana terdapat dua buah inlet dengan ukuran m pada ketinggian 1.4 m serta dua buah outlet berukuran masing-masing m pada ketinggian 0.8 m pada dinding yang berseberangan dengan inlet. Kipas yang digunakan sebagai pendistribusi aliran udara digunakan 3 unit dengan masing-masing ukuran diameter 0. m dan daya kipas 100 W sebanyak unit dan 40 W 1 unit. Kondisi operasi yang diperoleh untuk suhu rata-rata seluruh rak adalah 45.4 o C dan nilai rata-rata kecepatan 0.5 m/dtk serta rata-rata RH 45.6 %. 54

83 Untuk dapat menggunakan CFD pada proses simultan momentum, energi dan massa, pemahaman sifat-sifat dasar aliran fluida sangat diperlukan. Persamaan diferensial yang menyusun profil aliran fluida harus ditransformasikan menjadi persamaan matematis yang sederhana dan disebut dengan metoda diskritisasi (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Dalam proses simultan persamaan momentum, energi dan massa, profil aliran udara digambarkan secara kuantitatif dalam besaran suhu dan kecepatan dalam persamaan diferensial dengan koordinat kartesian. Pemecahan analisis numerik dengan menggunakan software CFD Fluent dengan cara finite volume dan pembuatan gambar serta bentuk geometrik alat dilakukan dalam software Gambit. Software CFD terdiri dari tiga elemen utama, yaitu ; (1) Pre-processor, () Solver dan (3) Post-processor. 4.. Cara Kerja Fluent dalam Pemecahan Masalah Aliran Fluida Didalam pemecahan masalah aliran fluida, terlebih dahulu dibuat bentuk geometri alat, pembentukan grid (mesh) dan penentuan sifat termofisik serta kondisi batas yang dilakukan dalam software GAMBIT..30 Pemecahan masalah aliran fluida (kecepatan, tekanan, suhu dan lain-lain) didefinisikan pada node (titik) di dalam tiga sel. Ketepatan dan ketelitian hasil tergantung dari jumlah sel di dalam grid (mesh), secara umum bila jumlah sel makin banyak maka pemecahan masalah semakin baik Simulasi Dinamika Aliran Fluida dengan CFD Simulasi aliran fluida dengan CFD digunakan untuk melihat penyebaran panas berdasarkan distribusi suhu serta aliran udara pemanas dalam ruang pengering berdasarkan perhitungan simulasi CFD. 55

84 Kajian terhadap karakteristik aliran fluida pada sistem pengering dengan simulasi CFD adalah mempelajari proses pemanasan produk. Perubahan yang terjadi ditinjau dari pindah panas konduksi dan konveksi alamiah. Kontrol pindah panas konduksi dilakukan pada geometri alat pengering, sedangkan pada pindah panas konveksi alamiah berdasarkan pergerakan panas dari inlet ke ruang pengering. Proses simulasi CFD digunakan untuk melihat efek pindah panas konduksi dan konveksi alamiah selama proses pemanasan udara pengering dengan pemodelan Model Persamaan Atur Simulasi CFD Hukum Kekekalan Massa 3 Dimensi Steady State Keseimbangan massa untuk elemen fluida dinyatakan sebagai berikut ; Laju kenaikkan massa dalam elemen fluida = laju netto aliran massa ke dalam elemen terbatas. Adapun bentuk matematis dapat ditulis seperti (Bird et al.,1966): ( ρu) ( ρv) ( ρw) + + = 0 y z (4-1) Persamaan (4-1) disebut sebagai persamaan kontinyuitas untuk fluida. Ruas kiri menyatakan laju netto massa dari elemen melewati batas dan dinyatakan sebagai faktor konveksi Persamaan Momentum 3 Dimensi Steady State Persamaan momentum merupakan persamaan Navier-Stokes dalam bentuk yang sesuai dengan metoda finite volume (Bird et al.,1966) : Momentum arah : u u u p u u u ρ u + v + w = S M y z μ...(4-) y z 56

85 57 Momentum arah y : S My z v y v v y p z v w y v v v u = + + μ ρ (4-3) Momentum arah z : S Mz z w y w w z p z w w y w v w u = + + μ ρ.(4-4) Persamaan Energi 3 Dimensi Steady State Persamaan energi diturunkan dari hukum pertama termodinamika yang menyatakan bahwa; Laju perubahan energi partikel fluida = laju penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambah dengan laju kerja yang diberikan pada partikel Bentuk persamaan matematis ditulis seperti berikut (Bird et al.,1966): S i z w y v u k z w y v u p z T w y T v T u = + + ρ..(4-5) Persamaan State Kecepatan fluida selalu mencari keseimbangan secara termodinamik, kecuali adanya gangguan. Bila digunakan variable ρ dan p, maka persamaan state untuk P dan I (Versteeg dan Malalasekera, 1995) : P = p(ρ, T)...(4-6) I = i (ρ, T)...(4-7) Untuk gas ideal, dimana : p = ρrt dan I = CvT

86 4.5. Tahapan Simulasi CFD pada Alat Pengering Asumsi 1. Model aliran dalam alat dianggap laminar. Udara tidak termampatkan (incompressible), ρ konstan 3. Aliran udara dalam kondisi steady 4. Bilangan Prandtl udara konstan (Cp, μ dan k udara adalah konstan) 5. Udara lingkungan dianggap konstan (30 o C) 6. Kecepatan aliran udara masuk dianggap seragam Kondisi Awal 1. Kecepatan aliran udara pada arah X, Y dan Z = 0 m/dtk. Permukaan suhu dinding luar = suhu lingkungan (30 o C) 3. Tekanan udara = tekanan barometrik (10135 pascal) Kondisi Batas 1. Pada sisi masuk sekaligus kipas adalah velocity inlet dengan kecepatan seragam yaitu : X = 0 cm 0 Y 60 cm 0 Z 60 cm u = 0.4 m/dtk v = 0 m/dtk w = 0 m/dtk. Pada sisi keluar diterapkan kondisi batas outflow, pada kondisi batas ini, gradient yang searah dengan aliran dari semua variable aliran (kecuali tekanan) adalah nol. Rasio bukaan saluran outlet adalah = 1 yaitu : X = 10 cm 0 Y 60 cm 0 Z 60 cm 3. Pada dinding alat pengering, diberlakukan kondisi batas wall. Pada kondisi batas ini komponen kecepatan dalam arah normal dinding adalah nol dan berlaku kondisi tidak slip. yaitu : 0 Y 60 cm 0 Z 60 cm v = 0 m/dtk w = 0 m/dtk Bagian sisi inlet dan outlet, dinding terbuat dari seng plat dan bagian ruang pengering terbuat dari plastik tranparan (kecuali lantai dari seng plat) 58

87 BAB V PERCOBAAN

88 V. PERCOBAAN 5.1. Bahan dan alat Bahan dan peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari model alat pengering hasil rancangan, berapa jenis alat ukur dan produk gabah sebagai bahan uji pada proses penguapan air. Jenis bahan dan alat yang digunakan terlihat seperti pada Tabel 5-1. Tabel 5-1. Bahan dan peralatan yang digunakan dalam penelitian No. Jenis Alat dan Bahan Merk Ketelitian 1 Anemometer : - Kecepatan - Suhu Kanoma Model A m/dt 0.5 o C Thermometer Digital o 3 Thermorecorder Chinorecorder o C 4 Sensor Thermocouple (CA) Benang dan kawat (tanda grid) Model alat pengering Termometer alcohol o C 8 Termometer standard Hg 0.5 o C 9 Timbangan digital Tipe EK-100 A - 10 Oven pengering Tipe SS-04D - 11 Kain kasa untuk bola basah, jangka sorong, anak timbangan standard Handy Strain Meter 0.1µε 13 Gabah (Produk Pengeringan) Sensor strain gage Resistensi 10 ohm Bahan Uji Alat Sistem Pengering Bangunan alat sistem pengering yang diuji adalah berbentuk empat persegi panjang dengan ukuran 90 cm 60 cm 60 cm, dinding dan atap terbuat dari plastic transparan jenis mika, sedangkan lantai terbuat dari seng plat yang di cat warna hitam dop. Bagian inlet yang sekaligus tempat kipas berbentuk trapesium segi empat 60

89 dimensi 60 cm 60 cm dan 18 cm 18 cm yang terbuat dari seng plat, pada bagian inlet ini ditempatkan alat penukar panas (HE) radiator. Pada sisi masuk udara ruang pengering dilengkapi dengan susunan pipa PVC ukuran diameter 0.65 cm, panjang 4 cm sebanyak 104 buah, susunan pipa-pipa kecil ini berfungsi untuk penyearah aliran sejajar serta untuk mendapatkan aliran laminar. Bagian saluran udara keluar juaga berbentuk trapesium segi empat dengan dimensi 60 cm 60 cm dan 14 cm 14 cm dari bahan seng plat yang permukaannya tidak di cat. Dimensi radiator yang digunakan adalah 34 cm 34 cm 6 cm, kipas sebagai pendistribusi aliran udara digunakan jenis aksial dengan daya 55 watt. Atap dan Dinding Transparan Kisi Dari Benang Plat Alumunium 60 cm 60cm Kipas 90 cm Lantai Seng Plat Hitam Rak Pengering Strain Gage Gambar 5-1. Gambar tiga dimensi alat yang digunakan dalam percobaan Bangunan alat pengering ini dibagian bawahnya ditempatkan ring transduser terbuat dari bahan baja dengan dimensi tebal cm dan diameter dalam 51 cm. Ring transduser ini dilengkapi dengan buah strain gage 10 ohm yang ditempatkan pada sisi bagian dalam ring. Model alat sistem pengering yang diuji terlihat seperti pada Gambar

90 5.. Waktu dan Tempat Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian dan Laboratorium Leuwikopo, Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor, Bogor. Pembuatan alat uji sistem pengering yang digunakan dalam percobaan dilakukan pada bulan September dan Oktober 006. Sedangkan pengambilan data pengukuran distribusi suhu dan kecepatan aliran udara di dalam alat pengering dilakukan pada bulan Nopember 006 sampai dengan bulan Januari Prosedur Penelitian Udara sebagai media pengering dari lingkungan sebelum masuk ruang pengering dipanasi lewat radiator dan dari sini udara panas dihembuskan ke ruang pengering dengan menggunakan kipas aksial 55 Watt sebagai pendistribusi. Ruang pengering berbentuk empat persegi yang berukuran 90 cm 60 cm 60 cm dan rak pengering gabah dengan ukuran 50 cm 40 cm yang diatasnya dialiran udara panas secara sejajar dengan permukaan produk. Untuk mendapatkan aliran sejajar dan laminar, udara dialirkan melalui pipa-pia kecil berdiameter 0.65 cm sebanyak 104 buah yang disusun sedemikian rupa pada sisi inlet ruang pengering. Sebagai model yang digunakan dalam percobaan ini adalah satu rak yang terdapat dalam ruang pengering (Gambar 5-). Kajian terhadap fenomena udara panas dalam ruang pengering diamati melalui pengukuran parameter suhu, kecepatan, RH dan perubahan massa produk yang dikeringkan dengan selang waktu tertentu. Pengukuran parameter suhu dan kecepatan dilakukan pada posisi-posisi tertentu yang dianggap mewakili semua permukaan produk sedangkan perubahan massa produk diukur dengan sensor strain gage yang ditempatkan dibawah rak produk dengan alat ukur handy strain meter. 6

91 Udara Masuk 1 Alat Percobaan Heater 3 Rak Produk Kipas Udara Keluar Udara T u, RH, y q c (Konveksi) N A Permukaan Pengeringan y S, T S, RH S z S Produk z T Tray (Rak) Udara T u, RH, y q k (Konduksi) Gambar 5-. Perpindahan panas dan massa proses pengeringan gabah pada sebuah rak dalam alat uji sistem pengering Lokasi titik-titik pengukuran suhu dan kecepatan dilakukan pada bidang z untuk ketinggian y dari 0 ( permukaan bahan) - 36 cm, dan pada bidang zy untuk jarak dari tepi rak = 5 cm dan = 50 cm. Percobaan dilakukan pada ketebalan tumpukan gabah. cm (tinggi maksimum rak yang digunakan) dan ketebalan tumpukan gabah 1.5 cm. Pembentukan bidang-bidang pengukuran dilakukan dengan membuat grid dari benang dan kawat halus, pada Gambar 5-3 diperlihatkan letak titik-titik pengukuran suhu dan kecepatan udara. 63

92 6 cm y 6 cm z 6 cm 6 cm Rak Produk 3.0 cm.5 cm.0 cm 1.5 cm 1.0 cm 0 cm Gambar 5-3. Lokasi titik pengukuran suhu dan kecepatan diatas rak produk pada jarak = 5 cm dan = 50 cm Parameter Pengukuran Parameter yang diukur adalah sebagai berikut : (1) Suhu, yaitu meliputi suhu udara lingkungan, suhu udara dalam ruang pengering pada jarak dan ketinggian tertentu, suhu inlet dan suhu radiator () Kecepatan, yang meliputi kecepatan udara inlet, kecepatan udara dalam ruang pengering pada jarak dan ketinggian tertentu, kecepatan udara dari kipas 5 cm 50 cm (3) Kelembaban (RH) yaitu RH lingkungan dan RH dalam ruang pengering (4) Massa produk, yaitu massa awal dan akhir proses pengeringan (5) Perubahan massa setiap dari gabah dalam rak pengering melalui pengukuran dengan handy strain meter. (6) Kadar air awal gabah dengan cara pemanasan dalam oven pada suhu 105 o C selama lebih kuran 4 jam. 64

93 (7) Kadar air selama proses diukur berdasarkan perhitungan penurunan massa sampel produk. (8) Waktu proses penguapan air gabah sampai dengan tidak terdapat perubahan massa sampel yang diuji (massa konstan) Prosedur Pengukuran Pada tahap awal percobaan dilakukan kalibrasi sensor strain gage yang digunakan dengan cara meletakan anak timbangan standar dengan berat yang bervariasi diatas rak pengering, perubahan regangan (με) dari ring tranduser akibat massa anak timbangan diukur melalui alat handy strain meter. Tahapan percobaan yang dilakukan selanjutnya adalah : (1) Menimbang massa awal gabah yang akan dikeringkan yaitu untuk ketebalan tumpukan gabah. cm dan 1.5 cm pada setiap percobaan berikutnya. () Pengukuran kadar air awal gabah dilakukan di laboratorium digunakan oven pengering (3) Pengukuran perubahan massa gabah selama proses pengeringan diamati setiap 10 menit (4) Pengukuran kecepatan udara dan suhu dalam ruang pengering dilakukan setiap 0 menit selama proses berlangsung (5) Pengukuran RH dilakukan dengan mengukur suhu bola kering dan basah setiap 30 menit selama proses berlangsung Proses Perhitungan Simulasi CFD Untuk mendapatkan profil aliran udara panas dalam ruang pengering dipakai dalam percobaan digunakan teknik simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD), dalam kajian dilakukan analisis mendalam terhadap kondisi operasi kecepatan udara dan suhu udara dalam sistem pengering. Proses perhitungan dalam simulasi CFD yaitu dengan cara mendifinisikan solver, material, tekanan acuan, dan kondisi batas. Penyelesaian masalah ini menggunakan solver dengan metoda segresi, material 65

94 fluida adalah udara dengan sifat fisis ρ = 1,1376 kg/m 3 dan μ = kg/m dtk pada tekanan kpa, suhu 37.8 o C (Geankoplis, 1983). Kondisi batas yang telah didefinisikan diatas diterapkan secara otomatis, dengan hanya menyebutkan jenis kondisi batasnya saja, yaitu velocity inlet, radiator, outflow dan wall. Mulai Input Data Perhitungan Persamaan Momentum Perhitungan Persamaan Kontinyuitas Konvergensi ε 10-4 Tidak Ya Perhitungan Persamaan Energi Tidak Konvergensi ε 10-6 Ya T (,y,z) v (, y, z) Stop Gambar 5-4. Diagram alir proses perhitungan Harga yang perlu dimasukkan hanya nilai-nilai variabel yang sesuai dengan masingmasing kondisi batas. Gambar 5-4 memperlihatkan tahapan proses perhitungan simulasi CFD. Setelah itu dilakukan pemantauan proses perhitungan dan proses iterasi. Pengendalian solusi dilakukan dengan menentukan faktor relaksasi. Harga faktor relaksasi yang kecil akan menjadikan proses iterasi berlangsung stabil, tetapi bila proses iterasi yang dilakukan semakin banyak, maka faktor relaksasi menjadi besar. 66

95 Harga faktor relaksasi yang digunakan dalam permasalahan ini didapat setelah beberapa kali melakukan proses komputasi. Selain itu pengendalian solusi juga dapat dilakukan dengan diskretisasi, dipilih diskretisasi standard dan algoritma interpolasi SIMPLE. Pada perhitungan algoritma SIMPLE dengan metoda solusi segregasi implisit, kriteria konvergensi yang diberikan untuk besaran dependen adalah Hasil peritungan komputasi ditampilkan dalam permukaan-permukaan tertentu yang dianggap dapat mewakili gambaran mengenai medan kecepatan dan medan suhu yang terjadi. 67

96 BAB VI HASIL DAN PEMBAHASAN

97 VI. HASIL DAN PEMBAHASAN 6.1. Penentuan Nilai Difusivitas Koefisien difusivitas massa dalam model persaman matematik lapisan batas pada persamaan (3-16) ditentukan berdasarkan perhitungan perubahan massa gabah (kadar air) selama proses pengeringan, dengan cara menentukan nilai kadar air keseimbangan dan konstanta pengeringan. Difusivitas massa efektif dan berdasarkan kadar air keseimbangan (Me) diperoleh dengan cara mengolah data hasil pengamatan perubahan massa (kadar air) gabah selama proses penguapan air terjadi. Persamaan (3-78) digunakan untuk penyelesaian yang dilakukan secara simultan dalam menentukan nilai kadar air keseimbangan, faktor bentuk dan konstanta pengeringan dengan menggunakan program komputer bahasa Basic. Nilai difusivitas massa selanjutnya baru ditentukan dengan menggunakan persamaan (3-16) yaitu persamaan model matematik lapisan batas perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan. Bagian utama dari program perhitungan nilai Me, A dan K adalah menyusun matrik koefisien Me, A dan K seperti yang terdapat dalam persamaan (3-85), (3-86) dan persamaan (3-87). Program ini diselesaikan berdasarkan metoda kuadrat terkecil non linier. Hasil perubahan massa yang diamati adalah berdasarkan berat dan kadar air awal gabah, yang dilakukan pada dua macam tebal tumpukan gabah yaitu. cm dan 1.5 cm. Tebal tumpukan maksimum berdasarkan tinggi rak yaitu. cm Untuk tebal tumpukan gabah. cm dilakukan pada 3 macam kecepatan dan suhu udara yang masuk ruang pengering, sedangkan untuk tebal tumpukan 1.5 cm macam kecepatan dan suhu udara yang masuk ruang pengering. Tabel 6-1 memperlihatkan hasil perhitungan nilai kadar air keseimbangan, faktor bentuk dan konstanta pengeringan. 69

98 Tabel 6-1. Hasil perhitungan nilai difusivitas massa gabah selama proses penguapan air. Kecepatan Suhu Tebal Me KA K Difusivitas (m/dtk) (ºC) b, (cm) (% bk) Akhir (% bb) (1/men) (m²/dtk) E E E E E-05 Difusivitas dihitung dari : K = (Dv π )/4 b Gambar 6-1 memperlihatkan perubahan kadar air gabah selama proses penguapan yaitu untuk berat sampel 458 gram dengan kadar air awal 4.34 % (bb), tebal tumpukan gabah. cm, pada kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 36.8 o C dan kecepatan 0.33 m/dtk. Kadar air akhir yang dapat dicapai pada kondisi ini adalah % (bb) dengan waktu 450 menit. Kurva hasil perhitungan diperoleh dengan cara menggunakan persamaan (3-78) berdasarkan nilai Me, A dan K yang telah dicari sebelumnya berdasarkan data hasil pengukuran. Pada percobaan ini, panjang dan lebar rak yang digunakan dalam proses penguapan air adalah 50 cm dan 40 cm, ini sama untuk semua kondisi operasi yang diamati. Gambar 6-1. Kurva perubahan kadar air (% bk) gabah selama proses penguapan terhadap waktu pada T = 36.8 o C dan v = 0.33 m/dtk 70

99 Percobaan untuk kondisi udara pada suhu 37.6 o C dan kecepatan 0.4 m/dtk dengan tebal tumpukan gabah. cm, kadar air awal 4.67 % (bb) dan berat awal gabah 4684 gram, diperoleh hasil kadar air akhir sebesar % (bb) dengan lama waktu pengupan 430 menit. basis kering pada percobaan ini. Gambar 6- memperlihatkan perubahan kadar air Hasil pengukuran kadar air pada kondisi operasi seperti disebutkan diatas memberikan bentuk kurva yang mendekati kesamaan dengan hasil perhitungan. Gambar 6-. Kurva perubahan kadar air (% bk) gabah selama proses penguapan air terhadap waktu pada T = 37.6 o C dan v = 0.4 m/dtk Gambar 6-3. Kurva perubahan kadar air (% bk) gabah selama proses penguapan air terhadap waktu pada T = 37. o C dan v = 0.39 m/dtk 71

100 Untuk tebal tumpukan gabah 1.5 cm dan kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 37.4 o C dan kecepatan 0.39 m/dtk, dengan berat awal gabah 3613 gram dan kadar air awal 4.59 % (bb). Hasil kadar air akhir yang dapat dicapai pada kondisi ini adalah 14.7 % (bb) selama 430 menit. Gambar 6-3 memperlihat bentuk kurva perubahan kadar air (% bk) terhadap waktu. 6.. Kajian Perpindahan Massa, Momentum dan Energi Pola Aliran Udara dalam Ruang Pengering Pada dasarnya lapisan batas membagi medan aliran disekitar permukaan produk kedalam dua wilayah, yaitu daerah lapisan tipis yang menutupi permukaan gabah dimana gradien kecepatan dan gaya viskos yang besar, dan daerah diluar lapisan batas dimana kecepatannya hampir sama dengan kecepatan aliran bebas udara dengan pengaruh gaya viskos dapat diabaikan. Bentuk profil kecepatan di dalam lapisan batas tergantung pada bilangan Reynold (Re) dari aliran udara pada permukaan produk yang dikeringkan sejajar terhadap aliran udara panas. Pada tepi depan (leading edge) permukaan, hanya partikel-partikel fluida yang langsung bersinggungan dengan permukaan tersebut yang menjadi lambat gerakannya, sedangkan fluida lainnya terus bergerak dengan kecepatan aliran bebas (free stream) yang tidak terganggu. Bergeraknya fluida sepanjang permukaan gabah menimbulkan gaya-gaya geser yang menyebabkan semakin banyak fluida terhambat sehingga menyebabkan tebal lapisan batas bertambah. Besar bilangan Reynold dari percobaan yang dilakukan terhadap panjang permukaan gabah 5 cm dan 50 cm adalah sebagai berikut. Percobaan 1 : a). Tebal tumpukan. cm, kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 37.6 o C dengan kecepatan 0.4 m/dtk, dan panjang permukaan rak gabah 50 cm 7

101 dengan lebar arah z = 1 cm. Viskositas kinematik udara pada kondisi ini adalah m /dtk (Geankoplis, 1983) (0.4)(0.50) Re = = Dengan nilai Re = , jenis alirannya adalah laminar (Kreith, 1973, Prijono, 1999). b). Tebal tumpukan. cm, kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 37.6 o C dengan kecepatan 0.4 m/dtk, dan panjang permukaan rak gabah 50 cm dengan lebar arah z = 4 cm. Percobaan : a). Tebal tumpukan. cm, kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 37.6 o C dengan kecepatan 0.4 m/dtk, dan panjang permukaan rak gabah 5 cm dengan lebar arah z = 1 cm. Re = (0.4)(0.5) = (jenis aliran adalah laminar) b). Tebal tumpukan. cm, kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 37.6 o C dengan kecepatan 0.4 m/dtk, dan panjang permukaan rak gabah 5 cm dengan lebar arah z = 4 cm. Percobaan 3 : a). Tebal tumpukan. cm, kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 36.8 o C dengan kecepatan 0.33 m/dtk, dan panjang permukaan rak gabah 50 cm dengan lebar arah z = 1 cm. Re = (0.33)(0.50) = (jenis aliran adalah laminar) b). Tebal tumpukan. cm, kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 36.8 o C dengan kecepatan 0.33 m/dtk, dan panjang permukaan rak gabah 50 cm dengan lebar arah z = 4 cm. 73

102 Percobaan 4 : a). Tebal tumpukan. cm, kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 37.8 o C dengan kecepatan 0.33 m/dtk, dan panjang permukaan rak gabah 5 cm dengan lebar arah z = 1 cm. Re = (0.33)(0.5) = (jenis aliran adalah laminar) b). Tebal tumpukan. cm, kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 36.8 o C dengan kecepatan 0.33 m/dtk, dan panjang permukaan rak gabah 5 cm dengan lebar arah z = 4 cm. Dari hasil perhitungan bilangan Reynold lokal sepanjang permukaan gabah yaitu arah, untuk semua percobaan yang dilakukan mempunyai bilangan Re lebih kecil dari sehingga aliran yang terjadi pada permukaan gabah adalah laminar. Tabel 6- memperlihatkan kondisi kelembaban udara (RH) lingkungan dan kelembaban udara dalam ruang pengering selama percobaan, penentuan RH ini didasari data pengukuran suhu bola basah dan bola kering. Tabel 6-. Kelembaban udara lingkungan dan ruang pengering selama percobaan. Waktu Lingkungan Percobaan 1 Percobaan Percobaan 3 Percobaan 4 (menit) (RH), % RH (%) RH (%) RH (%) RH (%) Rata-rata St. Dev

103 Rata-rata RH udara lingkungan adalah 55. % dengan standar deviasi sebesar 1.78 %. Rata-rata RH ruang pengering pada percobaan 1 adalah 50. % dengan nilai standar deviasi sebesar 1.3, percobaan adalah 49.1 % dengan standar deviasi 1.11 %, percobaan 3 adalah 50.6 % dengan standar deviasi 0.7 % dan pada percobaan 4 rata-rata nilai RH adalah 49.9 % dengan standar deviasi 0.71% Menentukan Gradien Kecepatan, Suhu dan Massa Tak Berdimensi Gradien kecepatan, suhu dan massa tak berdimensi didasari pada model persamaan matematik seperti yang telah dijabarkan pada bagian terdahulu yaitu pada persamaan (3-16), persamaan (3-18), dan persamaan (3-0), sehingga profil kecepatan, suhu dan massa secara teori dapat di ketahui. Untuk menentukan besarnya gradien tak berdimensi, kondisi sifat fisik udara dan uap air dalam ruang pengering dipergunakan suhu rata-rata dari percobaan. Guna melihat adanya proses perpindahan massa dalam lapisan batas, perlu ditentukan fluks massa tak berdimensi (K). Nilai K untuk menunjukkan terjadi atau tidaknya perpindahan massa. Bila nilai K = 0, berarti tidak terdapat perpindahan massa dalam lapisan batas dan K > 0 menunjukkan adanya perpindahan massa dalam lapisan batas. Nilai fluks massa tak berdimensi untuk ; Percobaan 1 dan : Seperti telah disebutkan diatas, percobaan 1 yaitu pada kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 37.6 o C dan kecepatan 0.4 m/dtk, panjang permukaan gabah adalah 50 cm dengan tebal tumpukan. cm 75

104 Tabel 6-3. Sifat fisik udara dan uap air pada suhu rata-rata kondisi operasi 37.6 o C (Geankoplis,1983, Kreith, 1973) Sifat Fisik Satuan Nilai Massa jenis udara Kg/m Panas jenis udara kj/kg K Konduktivitas panas udara W/m o K Viskositas dinamik udara Kg/m dtk Viskositas kinematik udara M /dtk Bilangan Prandtl udara Berat molekul udara (M B ) kgmol/kg 9 Berat molekul uap air (M A ) kgmol/kg 18 Densitas uapa air kg/m Viskositas uap air Kg/m dtk υ Bilangan Schmidt, Sc = = Λ AB D AB Difusivitas air-udara (37.6 o C) = m /dtk Tekanan uap air pada o C A = = Λ AB = = M A A 0 A ' K = AB (0) Λ AB M B 1 A 0 K = Fluks massa tak berdimensi pada dinding Π Π K Λ AB ' AB (0,.1, K ) M M A B = ' ' AB ( 0) =Π AB ( η, Λ, K ) 0 A A 1 A0 0.7 K = Π' AB (0,.1, K) 0.7 K K a) ' b) c) Π AB (0,, K ) ' Π AB (0,.1, K ) a) dan b) dari ; Bird, et al, 1966 ; c) perhitungan 0.7 K ' Π AB (0,.1, K ) =

105 dengan memplot nilai 0.7 K Π ' AB (0,.1, K ) = 4.41, diperoleh harga fluks massa K = 0.68 ' dan gradien kecepatan, suhu dan massa pada dinding Π (0) = , dengan cara yang sama, dapat pula ditentukan nilai K pada percobaan 3 dan 4, yaitu ; AB ' Percobaan 3 dan 4 : K = 0.7 dan Π (0) = AB Pada keadaan tanpa beban pengering, dimana tidak terdapat perpindahan massa uap air dalam lapisan batas, maka nilai fluks massa tak berdimensi (K) sama dengan nol, sehingga bentuk kurva kecepatan tak berdimensi terhadap jarak tak berdimensi hanya ada arah saja. Nilai jarak tak berdimensi dan kecepatan tak berdimensi pada kondisi tanpa beban pengering (rak kosong) menggunakan persamaan (3-15) dan persamaan (3-31). Hasil perhitungan untuk titik-titik pengukuran ketinggian arah y yaitu pada jarak 15 mm sampai 50 mm disajikan dalam Tabel 6-4, sedangkan profil kecepatan tak berdimensi tanpa beban ini disajikan pada Gambar 6-4. Tabel 6-4. Kecepatan tak berdimensi dan jarak tak berdimensi pada ketinggian 15 mm 50 mm. Tinggi Y (mm) Jarak Tak Berdimensi (η) Kecepatan Tak Berdimensi (Π v ) 77

106 K = 0 dan Sc = 0.7 η = y u υ Gambar 6-4. Profil kecepatan tak berdimensi terhadap jarak tak berdimensi pada kondisi tanpa beban pengering Validasi Distribusi Kecepatan dan Suhu Udara Pengering Udara panas dari penukar panas dihembuskan kedepan oleh kipas aksial 55 Watt melewati penyearah aliran ke ruang pengering. Kecepatan udara dari lingkungan ke penukar panas yang dihasilkan kipas rata-rata adalah 1.68 m/dtk dan masuk ruang pengering kecepatan udara panas berkisar antara 0.39 m/dtk sampai 0.48 m/dtk dan ini merupakan kecepatan aliran bebas (free stream velocity) dalam ruang pengering selama proses penguapan air produk gabah. Kecepatan aliran bebas U merupakan kecepatan arah dari udara panas yang akan mengangkut uap air keluar dari sistem. Percobaan 1. (a). Percobaan 1 adalah dengan kondisi tebal tumpukan gabah. cm dan panjang permukaan rak gabah 50 cm dengan lebar arah z = 1 cm dan kecepatan udara aliran bebas 0.4 m/dtk. Distribusi kecepatan udara panas dalam ruang pengering untuk panjang lapisan permukaan rak pengering 50 cm pada ketinggian arah y antara mm diperlihatkan pada Tabel 6-5. Dengan kecepatan aliran bebas sebesar 0.4 m/dtk dan suhu 37.6 o C, kecepatan rata-rata tertinggi adalah 0.33 m/dtk 78

107 yaitu pada ketinggian 35 mm. Rasio kecepatan tak berdimensi pada percobaan ini adalah, Π vy = Pada percobaan 1 kadar air akhir gabah rata-rata adalah % (bb) (Pengukuran Oven) Dengan bertambahnya tebal lapisan batas maka kecepatan udara dalam lapisan batas cenderung mendekati kecepatan aliran bebasnya, akan tetapi pada tebal ketinggian antara mm kecepatan udara mengalami penurunan. Pengukuran pada jarak dibawah 30 mm mengalami kesulitan karena sensor anemometer yang digunakan berdiameter lebih kurang 13 mm, sehingga pengukurannya tidak tepat benar pada jarak yang diinginkan. Tabel 6-5. Nilai ragam kecepatan udara dalam ruang pengering pada percobaan1(a) Parameter Y = 15 (mm) Y = 0 (mm) Y = 5 (mm) Y = 30 (mm) Y = 35 (mm) Y = 40 (mm) Y = 45 (mm) Y = 50 (mm) Kecepatan rata-rata (m/dtk) Kecepatan tak berdimensi (π vy) U = 0.4 m /dtk = 50 cm, z = 1 cm t =. cm K = 0.68 η = y u υ Gambar 6-5. Distribusi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm dan panjang permukaan rak 50 cm dan lebar 1 cm 79

108 Gambar 6-5 memperlihat distribusi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering untuk panjang lapisan batas 50 cm pada kecepatan aliran bebas 0.4 m/dtk dengan hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas. Perbedaan hasil pengukuran kecepatan dengan model persamaan lapisan batas ini diverifikasi, yang perbedaannya dinyatakan dalam standar deviasi. Profil verifikasi pengukuran kecepatan udara tak berdimensi dalam ruang pengering untuk panjang lapisan permukaan gabah 50 cm dengan hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas ditunjukkan seperti pada Gambar 6-6. Dimana hasil pengukuran kecepatan agak tersebar diantara hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas, perbedaan hasil pengukuran ini ditunjukkan dengan nilai standar deviasi sebesar ± 0.09 m/dtk. SD = vy -Model (K=0.68) Gambar 6-6. Validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang permukaan rak 50 cm dan lebar 1 cm Distribusi suhu pada percobaan 1 (a) yaitu tebal tumpukan gabah. cm, panjang rak permukaan gabah 50 cm dengan kecepatan udara aliran bebas 0.4 m/dtk dan suhu 37.6 o C. 80

109 Nilai ragam hasil pengukuran suhu dalam ruang pengering disajikan dalam Tabel 6-6 dan bentuk kurva distribusi suhu diperlihatkan pada Gambar 6-7. Tabel 6-6. Nilai ragam suhu udara tak berdimensi dalam ruang pengering pada percobaan 1(a) Titik Pengukuran Y (mm) Suhu Rata-rata ( o C) Suhu Tak Berdimensi (Π T ) U = 0.4 m/dtk = 50 cm, z = 1 cm t =. cm K = 0.68 η = y u υ Gambar 6-7. Distribusi pengukuran suhu dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm dan panjang permukaan rak 50 cm dan lebar 1 cm Dari Gambar 6-7 terlihat bahwa hasil pengukuran suhu dalam ruang pengering penyebar disekitar kurva model persamaan matematik lapisan batas, namun profil suhu hasil pengukuran dengan suhu yang diperoleh dari model matematik relatif sama. 81

110 Suhu rata-rata tertinggi yang diperoleh dalam ruang pengering adalah o C, yaitu pada ketinggian 45 mm pada jarak posisi tak berdimensi sebesar η =.55. Hasil verifikasi data pengukuran suhu tak berdimensi dengan teori lapisan batas ditunjukkan seperti pada Gambar 6-8, dimana nilai sebaran suhu hasil pengukuran lebih tinggi dari suhu model matematik dan secara keseluruhan sebarannya berada disekitar suhu model lapisan batas. Perbedaan suhu pengukuran dengan hasil perhitungan model dinyatakan dengan nilai standar deviasi sebesar o C. Untuk selang kepercayaan 95 %, batas atas perbedaan pengukuran dengan model adalah 0.0 o C dan batas bawah adalah o C. SD = T -Model (K=0.68) Gambar 6-8. Validasi pengukuran suhu dengan model matematik lapisan batas untuk panjang permukaan rak 50 cm dan lebar 1 cm. (b). Tebal tumpukan. cm, kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 37.6 o C dengan kecepatan 0.4 m/dtk, dan panjang permukaan rak gabah 50 cm dengan lebar arah z = 4 cm. Nilai ragam kecepatan udara dalam ruang pengering pada percobaan 1 (b) disajikan pada Tabel 6-7. Gambar 6-9 memperlihat distribusi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering untuk percobaan 1 (b) dengan hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas. 8

111 Tabel 6-7. Nilai ragam kecepatan udara dalam ruang pengering pada percobaan 1(b) Parameter Y = 15 (mm) Y = 0 (mm) Y = 5 (mm) Y = 30 (mm) Y = 35 (mm) Y = 40 (mm) Y = 45 (mm) Y = 50 (mm) Kecepatan rata-rata (m/dtk) Kecepatan tak berdimen si (π vy ) U = 0.4 m /dtk = 50 cm, z = 4 cm t =. cm K = 0.68 η = y u υ Gambar 6-9. Distribusi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm dan panjang rak 50 cm dan lebar 4 cm. Profil verifikasi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering untuk percobaan 1 (b) diperlihatkan seperti pada Gambar Dari hasil pengukuran, kecepatan agak tersebar diantara hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas. Perbedaan hasil pengukuran ini ditunjukkan dengan nilai standar deviasi sebesar ± 0.09 m/dtk 83

112 SD = vy -Model (K=0.68) Gambar Profil validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang permukaan rak 50 cm dan lebar 4 cm Distribusi suhu pada percobaan 1 (b) disajikan dalam Tabel 6-8, sedangkan bentuk kurva distribusi suhu diperlihat pada Gambar Tabel 6-8. Nilai ragam suhu udara tak berdimensi dalam ruang pengering pada percobaan 1 (b) Titik Pengukuran Y (mm) Suhu Rata-rata ( o C) Suhu Tak Berdimensi (Π T ) Dari Gambar 6-11 terlihat bahwa hasil pengukuran suhu dalam ruang pengering penyebar disekitar kurva model prsamaan matematik lapisan batas, namun profil suhu hasil pengukuran dengan suhu yang diperoleh dari model matematik relatif sama 84

113 U = 0.4 m /dtk = 50 cm, z = 4 cm t =. cm K = 0.68 η = y u υ Gambar Distribusi pengukuran suhu dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm dan panjang rak 50 cm dan lebar 4 cm Suhu rata-rata tertinggi yang diperoleh dalam ruang pengering adalah 36.0 o C dengan nilai standar deviasi sebesar 0.11 o C yaitu pada ketinggian 50 mm pada jarak posisi tak berdimensi sebesar η =.55. Hasil verifikasi data pengukuran suhu tak berdimensi dengan teori lapisan batas ditunjukkan seperti pada Gambar 6-1, dimana nilai sebaran suhu hasil pengukuran lebih tinggi dari suhu model matematik dan secara keseluruhan sebarannya berada disekitar suhu model lapisan batas. Perbedaan suhu pengukuran dengan hasil pergitungan model dinyatakan dengan nilai standar deviasi sebesar ± 0.11 o C. 85

114 SD = T -Model (K=0.68) Gambar 6-1. Validasi pengukuran suhu udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 50 cm dan lebar 4 cm Percobaan. (a). Percobaan (a) adalah dilakukan pada kondisi operasi yang sama dengan percobaan 1, tetapi untuk panjang lapisan permukaan rak gabah 5 cm dan lebar arah z = 1 cm. Distribusi kecepatan udara panas dalam ruang pengering untuk panjang permukaan rak pengering 5 cm pada ketinggian arah y antara mm disajikan pada Tabel 6-9. Hasil pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering untuk ketebalan tumpukan gabah. cm, panjang lapisan permukaan gabah 5 cm dan kecepatan aliran bebas 0.4 m/dtk, sama halnya dengan panjang lapisan batas 50 cm semakin bertambah tebal lapisan hidrodinamika, kecepatan udara dalam lapisan batas cenderung mendekati kecepatan aliran bebas. Kadar air akhir gabah dari percobaan rata-rata adalah 14.5 % (bb). (dengan oven) Tabel 6-9. Nilai ragam kecepatan udara dalam ruang pengering pada percobaan (a) Parameter Y = 15 (mm) Y = 0 (mm) Y = 5 (mm) Y = 30 (mm) Y = 35 (mm) Y = 40 (mm) Y = 45 (mm) Y = 50 (mm) Kecepatan rata-rata (m/dtk) Kecepatan tak berdimen si (π vy )

115 Kecepatan rata-rata tertinggi pada percobaan adalah 0.34 m/dtk yaitu pada ketinggian 50 mm. Rasio kecepatan tak berdimensi pada kecepatan ini adalah Hampir semua titik pengukuran kecepatan menunjukkan nilai yang lebih besar dari model persamaan matematik. U = 0.4 m/dtk t =. cm = 5 cm, z = 1 cm K = 0.68 η = y u υ Gambar Validasi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk panjang permukaan rak 5 cm dan lebar 1 cm Kecepatan udara dalam lapisan batas untuk panjang lapisan permukaan gabah 5 cm lebih tinggi bila dibandingkan dengan panjang permukaan lapisan batas 50 cm, perbandingan ini dapat dilihat dari rasio kecepatan tak berdimensi yang dapat dicapai seperti yang terlihat pada Tabel 6-5 dan Tabel 6-9. Gambar 6-13 memperlihat distribusi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering untuk panjang permukaan rak gabah 5 cm cm pada kecepatan aliran bebas 0.4 m/dtk dengan hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas. Perbedaan hasil pengukuran kecepatan dengan model persamaan lapisan batas ini dinyatakan dalam nilai standar deviasi. 87

116 SD = Gambar Validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 1 cm. Verifikasi hasil pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering untuk panjang lapisan batas permukaan gabah 5 cm dengan hasil perhitungan dari model persamaan matematik lapisan batas diperlihatkan seperti pada Gambar Sebaran pengukuran kecepatan aliran udara pada kondisi ini memberikan nilai standar deviasi yaitu ± 0.09 m/dtk. vy -Model (K=0.68) Distribusi suhu dalam ruang pengering pada percobaan (a) untuk tebal tumpukan gabah. cm dengan panjang lapisan permukaan gabah 5 cm dan lebar 1 cm pada kecepatan udara panas aliran bebas 0.4 m/dtk dan suhu 37.6 o C, hasil data pengukuran suhu rata-rata pada berbagai ketinggian disajikan pada Tabel Gambar 6-15 memperlihatkan nilai sebaran data suhu pengukuran terhadap suhu hasil model persamaan matematik lapisan batas, terlihat bahwa rata-rata suhu pengukuran lebih tinggi bila dibandingkan dengam hasil perhitungan persamaan lapisan batas namun memiliki profil yang sama. 88

117 Tabel Nilai ragam suhu udara dalam ruang pengering pada percobaan (a) Titik Pengukuran Y (mm) Suhu Rata-rata ( o C) Suhu Tak Berdimensi (Π T ) Bila dibandingkan dengan percobaan 1 (a), ternyata untuk percobaan (a) nilai sebaran suhu lebih dekat dengan kurva model persamaan lapisan batas. Suhu rata- rata tertinggi yang diperoleh pada percobaan adalah 36.0 o C yaitu pada ketinggian 50 mm dengan standar deviasi sebesar 0.1 o C, sedangkan kecepatan tak berdimensi adalah sebesar U = 0.44 m/dtk = 5 cm, z = 1 cm t =. cm K = 0.68 η = y u υ Gambar Distribusi pengukuran suhu dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm, panjang rak 5 cm dan lebar 1 cm 89

118 Verifikasi hasil data pengukuran dengan teori lapisan batas diperlihatkan pada Gambar 6-16, dimana nilai sebaran suhu tak berdimensi hasil pengukuran lebih tinggi dibandingkan dengan model persamaan matematik lapisan batas dan secara keseluruhan sebaran data pengukuran mendekati model persamaan lapisan batas, perbedaan hasil pengukuran ini dinyatakan dengan nilai standard deviasi sebesar ± 0.1 o C. SD = T -Model (K=0.68) Gambar Profil validasi pengukuran suhu dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 1 cm Perbedaan hasil pengukuran suhu dengan model untuk selang kepercayaan 95 %, memberikan batas atas sebesar 0.9 o C dan batas bawah -0.3 o C. (b). Percobaan (b), yaitu dengan kondisi udara yang masuk ruang pengering pada suhu 37.6 o C dengan kecepatan 0.4 m/dtk, dan panjang permukaan rak 5 cm dengan lebar arah z = 4 cm. Tabel Nilai ragam kecepatan udara ruang pengering pada percobaan (b) Parameter Y = 15 (mm) Y = 0 (mm) Y = 5 (mm) Y = 30 (mm) Y = 35 (mm) Y = 40 (mm) Y = 45 (mm) Y = 50 (mm) Kecepatan rata-rata (m/dtk) Kecepatan tak berdimen si (π vy )

119 Gambar 6-17 memperlihat distribusi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering untuk percobaan (b) dengan hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas. Hasil pengukuran suhu agak menyebar disekitar kurva model persamaan matematik lapisan batas, tetapi pola distribusi aliran udara data pengukuran mendekati kesamaan dengan model persamaan matematik lapisan batas. U = 0.44 m/dtk = 5 cm, z = 4 cm t =. cm K = 0.68 K = 0.68 η = y u υ Gambar Distribusi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk panjang 5 cm dan lebar 4 cm. Profil verifikasi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering untuk percobaan (b) diperlihatkan seperti pada Gambar Dimana hasil pengukuran kecepatan agak tersebar diantara hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas, perbedaan hasil pengukuran ini ditunjukkan dengan nilai standar deviasi sebesar ± 0.08 m/dtk untuk selang kepercayaan 95 % atau pada nilai α = 5%. 91

120 SD = Gambar Profil validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 4 cm Distribusi suhu pada percobaan (b) disajikan dalam Tabel 6-1, sedangkan bentuk kurva distribusi suhu diperlihat pada Gambar Tabel 6-1. Nilai ragam suhu udara dalam ruang pengering pada percobaan (b) Titik Pengukuran Y (mm) vy -Model (K=0.68) Suhu Rata-rata ( o C) Suhu Tak Berdimensi (Π T ) Dari Gambar 6-19 terlihat bahwa hasil pengukuran suhu dalam ruang pengering penyebar disekitar kurva model persamaan matematik lapisan batas, namun profil suhu hasil pengukuran dengan suhu yang diperoleh dari model matematik relatif sama. Suhu rata-rata tertinggi yang diperoleh dalam ruang pengering adalah o C dengan nilai standar deviasi sebesar o C yaitu pada ketinggian 50 mm pada jarak posisi tak berdimensi sebesar η =.55. 9

121 Hasil verifikasi data pengukuran suhu tak berdimensi dengan teori lapisan batas ditunjukkan seperti pada Gambar 6-0, dimana nilai sebaran suhu hasil pengukuran lebih tinggi dari suhu model mamatik dan secara keseluruhan sebarannya berada disekitar suhu model lapisan batas. U = 0.44 m/dtk = 5 cm, z = 4 cm t =. cm K = 0.68 Gambar Distribusi pengukuran suhu dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan gabah. cm, panjang rak 5 cm dan lebar 4 cm Perbedaan suhu pengukuran dengan hasil perhitungan model dinyatakan dengan nilai standar deviasi sebesar ± o C pada selang kepercayaan 95 % atau pada nilai α = 5%. η = y u υ SD = T -Model (K=0.68) Gambar 6-0. Validasi pengukuran suhu udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 4 cm. 93

122 Percobaan 3 (a). Pada tebal tumpukan gabah. cm dengan panjang permukaan rak pengering 50 cm dan kecepatn aliran bebas 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C, kecepatan tertinggi yang dapat dicapai adalah 0.31 m/dtk, dengan kisaran kecepatan pada percobaan 3 (a) ini adalah m/dtk. Rasio kecepatan tak berdimensi pada percobaan berkisar antara Profil kecepatan aliran udara dalam ruang pengering hasil pengukuran menunjukkan nilai yang lebih tinggi dibandingkan hasil perhitungan model, dan profil kecepatan ini relatif hampir sama dengan percobaan 1 (a). Pada percobaan 3 (a), kadar air akhir gabah diperoleh % (bb) (Pengukuran dengan oven). Tabel 6-13 memperlihatkan hasil pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering untuk tebal tumpukan gabah 1.5 cm. Validasi profil distribusi kecepatan udara untuk tebal tumpukan gabah 1.5 cm dengan hasil perhitungan model persamaan lapisan batas ditunjukkan seperti pada Gambar 6-1, dimana sebaran hasil pengukurannya lebih tinggi dari hasil model persamaan lapisan batas. Tabel Nilai ragam kecepatan udara ruang pengering pada percobaan 3 (a) Parameter Y = 15 (mm) Y = 0 (mm) Y = 5 (mm) Y = 30 (mm) Y = 35 (mm) Y = 40 (mm) Y = 45 (mm) Y = 50 (mm) Kecepatan rata-rata (m/dtk) Kecepatan tak berdimen si (π vy ) Dari Gambar 6-1 terlihat bahwa titik pengukuran kecepatan hampir semua berada diatas kurva model persamaan matematik, namun pola aliran udara dari data pengukuran cendrung menunjukkan pola yang hampir sama. Nilai jarak tak berdimensi dari percobaan 3 (a) ini juga sama dengan percobaan 1 yaitu pada η =

123 U = 0.44 m/dtk = 50 cm t = 1.5 cm K = 0.7 η = y u υ Gambar 6-1. Distribusi pengukuran kecepatan udara ruang pengering dengan hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas untuk panjang rak 50 cm dan lebar 1 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C. Verifikasi pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering untuk percobaan (a) dengan hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas ditunjukkan seperti pada Gambar vy -Model (K=0.7) Gambar 6-. Profil validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 50 cm dan lebar 1 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C 95

124 Dimana hasil pengukuran kecepatan agak tersebar diantara hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas, perbedaan hasil pengukuran ini ditunjukkan dengan nilai standar deviasi sebesar ± 0.09 m/dtk pada selang kepercayaan 95 % atau pada nilai α = 5%. Nilai ragam hasil pengukuran distribusi suhu dalam ruang pengering untuk percobaan 3 (a) disajikan pada Tabel 6-14, sedangkan bentuk kurva profil suhu disajikan dalam Gambar 6-3. Suhu rata-rata tertinggi yang dapat dicapai adalah 36. o C yaitu pada ketinggian 45 mm. Tabel Nilai ragam suhu udara ruang pengering pada percobaan 3 (a) Titik Pengukuran Y (mm) Suhu Rata-rata ( o C) Suhu Tak Berdimensi (Π T ) Penyebaran suhu pengukuran seperti terlihat pada Gambar 6-3, hampir semua titik pengukuran berada diatas suhu hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas tetapi bentuk profil suhunya relatif sama. Verifikasi suhu tak berdimensi data pengukuran dengan teori lapisan batas ditunjukkan seperti pada Gambar 6-4. Perbedaan sebaran suhu tak berdimensi data pengukuran dengan hasil perhitungan model matematik lapisan batas dinyatakan dalam bentuk nilai standar deviasi yang nilainya ± 0.1 o C pada selang kepercayaan 95 % atau pada nilai α = 5 %. 96

125 U = 0.44 m/dtk = 50 cm t = 1.5 cm K = 0.7 η = y u υ Gambar 6-3. Distribusi pengukuran suhu dalam ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk panjang rak 50 cm dan lebar 1 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C SD = T -Model (K=0.7) Gambar 6-4. Profil validasi pengukuran suhu dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 50 cm dan lebar 1 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C. (b). Nilai ragam kecepatan dan suhu dalam ruang pengering pada percobaan 3 (b), disajikan dalam Tabel Suhu tertinggi yang dapat dicapai dalam ruang pengering adalah o C, yaitu pada lokasi ketinggian 30 mm dan 45 mm. Sedangkaan suhu rata-rata adalah o C dengan nilai standard deviasi 0.36 o C. Rata-rata suhu tak berdimensi adalah 0.64 dengan standard deviasi sebesar

126 Kisaran kecepatan aliran udara pada percobaan ini adalah m/dtk, dengan kecepatan rata-rata 0.1 m/dtk dan nilai standar deviasi sebesar 0.04, sedangkan rata-rata kecepatan tak berdimensi adalah 0.64 dengan nilai standar deviasi Percobaan 4. Tabel Nilai ragam suhu dan kecepatan udara ruang pengering pada percobaan 3 (b) Tinggi Y (mm) Suhu ( o C) Suhu Tak Berdimensi Kecepatan (m/dtk) Kecep. Tak Berdimensi Rata-rata St.Dev (a). Percobaan 4 adalah dilakukan pada kondisi operasi yang sama dengan percobaan 3, tetapi untuk panjang lapisan permukaan rak gabah 5 cm. Distribusi suhu dan kecepatan udara dalam ruang pengering untuk panjang permukaan rak pengering 5 cm pada ketinggian arah y antara mm disajikan pada Tabel Tabel Nilai ragam suhu dan kecepatan udara ruang pengering pada percobaan 4 (a) Tinggi Y (mm) Suhu ( o C) Suhu Tak Berdimensi Kecepatan (m/dtk) Kecep. Tak Berdimensi Rata-rata St.Dev

127 Hasil pengukuran kecepatan udara dalam ruang pengering untuk panjang permukaan rak gabah 5 cm dan kecepatan aliran bebas 0.33 m/dtk pada suhu 36.8 o C, sama halnya dengan panjang permukaan rak gabah 50 cm semakin bertambah tebal lapisan hidrodinamika, kecepatan udara dalam lapisan batas cenderung mendekati kecepatan aliran bebas. Kadar air akhir gabah dari percobaan 4 (a) ratarata adalah % (bb) (Pengukuran dengan oven). Rata-rata suhu dalam ruang pengering pada percobaan 4 (a), yaitu panjang permukaan rak 5 cm adalah o C dengan standar deviasi 0.36 o C, sedangkan suhu tak berdimensi nilai rata-rata adalah 0.5 dengan standar deviasi 0.0. Untuk kecepatan, rata-rata nilainya adalah 0.7 m/dtk dengan standar deviasi 0.0 m/dtk, pada keadaan ini kecepatan tak berdimensi rata-rata adalah 0.55 dengan nilai standar deviasi sebesar 0.. Bila dibandingkan dengan percobaan 3 yaitu untuk panjang permukaan rak 50 cm, suhu dan kecepatan pada percobaan 4 lebih tinggi, dan ini menunjukkan bahwa dengan bertambahnya panjang permukaan rak maka akan menurunkan suhu dan kecepatan. Profil distribusi kecepatan udara untuk percobaan 4 dengan hasil perhitungan model persamaan lapisan batas ditunjukkan seperti pada Gambar 6-5, dimana sebaran hasil pengukurannya lebih tinggi dari hasil model persamaan lapisan batas. Hampir semua suhu hasil pengukuran diatas suhu model persamaan matematik, namun pola distribusinya mendekati kesamaan. Perbedaan sebaran suhu tak berdimensi data pengukuran dengan hasil perhitungan model matematik lapisan batas dinyatakan dalam bentuk nilai standard deviasi yang nilainya 0.10 o C. Hasil verifikasi kecepatan tak berdimensi data pengukuran dengan model teori lapisan batas diperlihatkan pada Gambar 6-6, dimana perbedaan sebaran suhu tak berdimensi data pengukuran dengan hasil perhitungan model matematik lapisan batas dinyatakan dalam bentuk nilai standard deviasi yang nilainya ± 0.1 o C. 99

128 U = 0.44 m/dtk = 5 cm t = 1.5 cm K = 0.79 η = y u υ Gambar 6-5. Distribusi pengukuran kecepatan udara ruang pengering dengan hasil perhitungan model persamaan matematik lapisan batas untuk panjag rak 5 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C. SD = vy -Model (K=0.79) Gambar 6-6. Profil validasi pengukuran kecepatan udara dengan model matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 4 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C Profil suhu tak berdimensi dalam ruang pengering untuk percobaan 4 (a) disajikan dalam Gambar 6-7 sedangkan untuk validasi data pengukuran terhadap model diperlihatkan seperti pada Gambar

129 Hasil pengukuran suhu pada percobaan 4 lebih tinggi dibandingkan dengan suhu model, namun secara keseluruhan profil suhu relatif hampir sama dengan profil suhu dari model. U = 0.44 m/dtk = 5 cm t = 1.5 cm K = 0.79 Gambar 6-7. Distribusi pengukuran suhu ruang pengering dengan hasil model persamaan matematik lapisan batas untuk panjang rak 5 cm dan lebar 4 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C. Hasil verifikasi kecepatan tak berdimensi data pengukuran dengan model teori lapisan batas ditunjukkan pada Gambar 6-8. η = y u υ SD = T -Model (K=0.79) Gambar 6-8. Profil validasi pengukuran suhu dengan model matematik lapisan batas untuk tebal tumpukan 1.5 cm dan panjang rak 5 cm pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C 101

130 Dimana perbedaan sebaran suhu tak berdimensi data pengukuran dengan hasil perhitungan model matematik lapisan batas dinyatakan dalam bentuk nilai standar deviasi yang nilainya ± 0.1 o C pada selang kepercayaan 95 % atau pada nilai α = 5%. (b). Nilai ragam kecepatan dan suhu dalam ruang pengering pada percobaan 4 (b), disajikan dalam Tabel Suhu tertinggi yang dapat dicapai dalam ruang pengering adalah o C, yaitu pada lokasi ketinggian 50 mm. Sedangkan suhu rata-rata adalah o C dengan nilai standar deviasi 1.0 o C. Rata-rata suhu tak berdimensi adalah 0.65 dengan standar deviasi sebesar Tabel Nilai ragam suhu dan kecepatan udara dalam ruang pengering pada percobaan 4 (b) Tinggi Y (mm) Suhu ( o C) Suhu Tak Berdimensi Kecepatan (m/dtk) Kecep. Tak Berdimensi Rata-rata St.Dev Kisaran kecepatan aliran udara pada percobaan ini adalah m/dtk, dengan kecepatan rata-rata 0.1 m/dtk dan nilai standar deviasi sebesar 0.05, sedangkan rata-rata kecepatan tak berdimensi adalah 0.64 dengan nilai standar deviasi

131 6..4. Perbandingan Hasil Percobaan Kecepatan, Suhu dan RH pada Panjang Permukaan Rak 5 cm dan 50 cm. Perbandingan hasil percobaan untuk kondisi udara pengering 37.6 o C dan 0.4 m/dtk (suhu dan kecepatan aliran bebas) pada panjang permukan rak 5 cm dan 50 cm yaitu untuk suhu ( o C), kecepatan (m/dtk), dan RH (%) dalam ruang pengering disajikan pada Tabel Tabel Perbandingan hasil percobaan suhu, kecepatan dan RH antara panjang permukaan rak 5 cm dengan 50 cm pada lebar rak 1 cm, pada kecepatan 0.4 m/dtk dan suhu 37.6 o C, Tinggi Suhu ( o C) Panjang Permuk. Rak Kecepatan (m/dtk) Panjang Permuk. Rak RH (%) Panjang Permuk. Rak Y (mm) X= 5 cm X= 50 cm X= 5 cm X= 50 cm X= 5 cm X= 50 cm Rata-rata St.Dev Rata-rata suhu untuk panjang permukaan rak 5 cm adalah o C dengan nilai standar deviasi sebesar 1.03 o C, sedangkan untuk panjang permukaan rak 50 cm rata-rata suhu lebih rendah yaitu o C dengan nilai standar deviasi 0.47 o C Untuk kecepatan rata-rata pada panjang permukaan rak 5 cm dan 50 cm berturut adalah 0.31 m/dtk dengan nilai standar deviasi 0.03 m/dtk dan 0.4 m/dtk dengan nilai standar deviasi 0.05 m/dtk, dimana pada panjang rak 5 cm kecepatan ratarata lebih tinggi dibandingkan dengan panjang permukan rak 50 cm. Perbandingan RH antara panjang rak 5 cm dan 50 cm berturut-turut adalah % dan 50.01%. Guna melihat tingkat perbedaan suhu, kecepatan dan RH pada panjang permukaan rak 5 cm dengan 50 cm digunakan uji statistik (uji F), yaitu apakah terdapat perbedaan yang signifikan antar panjang permukaan rak dalam percobaan. 103

132 Tabel 6-19 memperlihatkan analisis ragam uji F untuk suhu, kecepatan dan RH untuk percobaan kondisi udara aliran bebas pada suhu 37.6 o C dan kecepatan 0.4 m/dtk dan tebal tumpukan gabah. cm untuk lebar rak 1 cm pada panjang 5 cm dan 50 cm. Tabel Analisis ragam untuk suhu, kecepatan dan RH untuk lebar rak 1 cm pada panjang 5 cm dan 50 cm (v = 0.4 m/dtk dan T = 37.6 o C) a. Suhu Sumber Keragaman db Jumlah Kuadrat Kuadrat Tengah F Hitung F Tabel (α = 0.05) Perlakuan suhu * 4.54 Antar = 5 cm dan = 50 cm Total b. Kecepatan Sumber Keragaman db Jumlah Kuadrat Kuadrat Tengah F Hitung F Tabel (α = 0.05) Perlak. Kecepatan * 4.54 Antar = 5 cm Dan = 50 cm Total c. RH Sumber Keragaman db Jumlah Kuadrat Kuadrat Tengah F Hitung F Tabel (α = 0.05) Perlakuan RH * 4.54 Antar = 5 cm dan = 50 cm Total Dari Tabel 6-19, terlihat bahwa distribusi suhu, kecepatan dan RH pada panjang permukaan rak gabah 5 cm dan 50 cm untuk lebar rak 1 cm berbeda nyata pada tingkat keyakinan 95 %. Hal in menunjukkan semakin bertambahnya panjang permukaan rak akan menyebabkan penurunan nilai kecepatan, suhu dan RH. 104

133 Perbandingan distribusi suhu, kecepatan dan RH antar panjang permukaan rak 5 cm dan 50 cm untuk percobaan 1 (a) dan percobaan (a), disajikan dalam Gambar 6-9, Gambar 6-30 dan Gambar Dari gambar tersebut terlihat besarnya penurunan suhu, kecepatan dan RH terhadap pertambahan panjang permukaan rak. Beda yang teramati v v = 5 > = 50 v = 5 v = 50 Gambar 6-9. Perbedaan kecepatan rata-rata terhadap panjang permukaan rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 1 (a) dan percobaan (a). Beda yang teramati T T = 5 > = 50 T = 5 T = 50 Gambar Perbedaan suhu rata-rata terhadap panjang rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 1 (a) dan percobaan (a) 105

134 Beda teramati RH RH = 5 < = 50 RH = 50 RH = 5 Gambar Perbedaan RH rata-rata terhadap panjang rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 1 (a) dan percobaan (a). Perbandingan suhu, kecepatan dan RH ruang pengering untuk percobaan 3 (a) dan percobaan 4 (a) antar panjang permukaan rak 5 cm dan 50 cm dan lebar rak 1 cm dengan kondisi udara pada suhu 36.8 o C dan kecepatan 0.33 m/dtk.disajikan dalam Tabel Tabel 6-0. Perbandingan hasil percobaan suhu, kecepatan dan RH antara panjang rak 5 cm dengan 50 cm untuk lebar rak 1 cm, pada kecepatan 0.33 m/dtk dan suhu 36.8 o C. Tinggi Suhu ( o C) Panjang Permuk. Rak Kecepatan (m/dtk) Panjang Permuk. Rak RH (%) Panjang Permuk. Rak Y (mm) X= 5 cm X= 50 cm X= 5 cm X= 50 cm X= 5 cm X= 50 cm Rata-rata St.Dev

135 Rata-rata suhu untuk panjang permukaan rak 5 cm adalah o C dengan nilai standar deviasi sebesar 0.36 o C, sedangkan untuk panjang permukaan rak 50 cm rata-rata suhu lebih rendah yaitu o C dengan nilai standar deviasi 0.35 o C, Perbandingan RH antara panjang rak 5 cm dan 50 cm berturut-turut adalah % dan %. Untuk kecepatan rata-rata pada panjang permukaan rak 5 cm dan 50 cm berturut utrut adalah 0.31 m/dtk dengan nilai standar deviasi 0.03 m/dtk dan 0.4 m/dtk dengan nilai standar deviasi 0.05 m/dtk, dimana pada panjang rak 5 cm kecepatan rata-rata lebih tinggi dibandingkan dengan panjang permukan rak 50 cm. Tabel 6-1 memperlihatkan hasil analisis ragam uji F antar percobaan 3 (a) dan percobaan 4 (a) untuk panjang permukaan rak 5 cm dan 50 cm. Tabel 6-1. Analisis ragam untuk suhu, kecepatan dan RH untuk lebar rak 1 cm pada panjang 5 cm dan 50 cm (v = 0.33 m/dtk dan T = 36.8 o C) a. Suhu Sumber Keragaman db Jumlah Kuadrat Kuadrat Tengah F Hitung F Tabel (α = 0.01) Perlakuan suhu ** 8.86 Antar = 5 cm dan = 50 cm Total b. Kecepatan Sumber Keragaman db Jumlah Kuadrat Kuadrat Tengah F Hitung F Tabel (α = 0.01) Perlak. Kecepatan ** 8.86 Antar = 5 cm Dan = 50 cm Total c. RH Sumber Keragaman db Jumlah Kuadrat Kuadrat Tengah F Hitung F Tabel (α = 0.05) Perlakuan RH * 4.54 Antar = 5 cm dan = 50 cm Total

136 Berdasarkan Tabel 6-1, hasil distribusi suhu dan kecepatan pada percobaan 3 dan percobaan 4 menunjukkan sangat berbeda nyata pada tingkat keyakinan 99 %, sedangkan untuk RH berbeda nyata pada taraf uji 95 %, hal ini menunjukkan perbedaan antar panjang rak 5 cm dengan panjang rak 50 cm. Kondisi suhu dan kecepatan udara mengalami penurunan dengan bertambahnya panjang permukan rak, hal ini sama dengan perbandingan antar panjang rak pada percobaan 1 (a) dan percobaan (a). Perbandingan distribusi suhu, kecepatan dan RH antar panjang permukaan rak 5 cm dan 50 cm untuk percobaan 3 (a) dan percobaan 4 (a), disajikan dalam Gambar 6-3, Gambar 6-33 dan Gambar Dari gambar tersebut terlihat besarnya penurunan suhu, kecepatan dan RH terhadap pertambahan panjang permukaan rak. Beda teramati v = 5 > v =50 v = 5 v =50 Gambar 6-3. Perbedaan kecepatan rata-rata terhadap panjang permukaan rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 3 (a) dan percobaan 4 (a) 108

137 Beda teramati T = 5 > T =50 T = 5 T =50 Gambar Perbedaan suhu rata-rata terhadap panjang rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 3 (a) dan percobaan 4 (a). RH RH = 50 Beda teramati RH = 5 < =50 RH = 5 Gambar Perbedaan RH rata-rata terhadap panjang rak 5 cm dan 50 cm pada percobaan 3 (a) dan percobaan 4 (a). 109

138 6..5. Perbandingan Hasil Percobaan Kecepatan dan Suhu pada Lebar Rak 1 cm dan 4 cm. (a). Untuk panjang rak 50 cm Perbandingan hasil percobaan untuk kondisi udara pengering 37.6 o C dan 0.4 m/dtk (suhu dan kecepatan aliran bebas) pada lebar rak 1 cm dan 4 cm untuk panjang rak 50 cm, yaitu pada percobaan 1 (a) dan 1 (b). Perbandingan nilai suhu ( o C), dan kecepatan (m/dtk) ini disajikan pada Tabel 6-. Tabel 6-. Perbandingan hasil percobaan suhu dan kecepatan antara lebar rak 1 cm dengan 4 cm untuk panjang rak 50 cm pada percobaan 1 (a) dan percobaan 1 (b) Tinggi Suhu ( o C) Lebar Rak Kecepatan (m/dtk) Lebar Rak Y (mm) Z= 1 cm Z= 4 cm Z= 1 cm Z= 4 cm Rata-rata St.Dev Rata-rata suhu untuk lebar rak 1 cm adalah o C dengan nilai standar deviasi sebesar 0.78 o C, sedangkan untuk lebar rak 4 cm rata-rata suhu lebih rendah yaitu o C dengan nilai standar deviasi 1.09 o C. Untuk kecepatan ratarata pada lebar rak 1 cm dan 4 cm relatif hampir sama, yaitu berturut-turut adalah 0.5 m/dtk dengan nilai standar deviasi 0.05 m/dtk dan 0.6 m/dtk dengan nilai standar deviasi 0.06 m/dtk. Guna melihat tingkat perbedaan suhu dan kecepatan pada lebar rak 1 cm dengan 4 cm cm digunakan uji statistik (uji F). Melalui uji F tersebut dapat dilihat apakah terdapat perbedaan yang signifikan antar lebar rak dalam percobaan ini. 110

139 Tabel 6-3 memperlihatkan analisis ragam uji F untuk suhu, kecepatan dan RH untuk percobaan kondisi udara aliran bebas pada suhu 37.6 o C dan kecepatan 0.4 m/dtk dan tebal tumpukan gabah. cm. Tabel 6-3. Analisis ragam untuk suhu, kecepatan untuk lebar rak 1 cm dan 4 cm pada panjang 50 cm (v = 0.4 m/dtk dan T = 37.6 o C) a. Suhu Sumber Keragaman db Jumlah Kuadrat Kuadrat Tengah F Hitung F Tabel (α = 0.05) Perlakuan suhu 1 Antar = 5 cm 14 Dan = 50 cm Total b. Kecepatan Sumber Keragaman db Jumlah Kuadrat Kuadrat Tengah F Hitung F Tabel (α = 0.05) Perlak. Kecepatan Antar = 5 cm 14 Dan = 50 cm Total Dari Tabel 6-3, terlihat bahwa distribusi suhu dan kecepatan pada panjang lebar rak 1 cm dan 4 cm untuk panjang rak 50 cm, dengan kecepatan udara 0.4 m/dtk dan suhu 37.6 o C nilai F hitung jauh lebih kecil dari F tabel (α = 5%), hal ini menunjukkan bahwa kecepatan tidak berbeda nyata antara lebar rak 1 cm dengan 4 cm pada panjang rak 50 cm. (b). Untuk panjang rak 5 cm Perbandingan hasil percobaan untuk kondisi udara pengering 37.6 o C dan 0.4 m/dtk (suhu dan kecepatan aliran bebas) pada lebar rak 1 cm dan lebar rak 4 cm untuk panjang rak 5 cm, yaitu pada percobaan (a) dan (b). Perbandingan nilai suhu ( o C), dan kecepatan (m/dtk) ini disajikan pada Tabel

140 Tabel 6-4. Perbandingan hasil percobaan suhu dan kecepatan antara lebar rak 1 cm dengan 4 cm untuk panjang rak 5 cm pada percobaan (a) dan percobaan (b) Tinggi Kecepatan (m/dtk) Lebar Rak Suhu ( o C) Lebar Rak Y (mm) Z= 1 cm Z= 4 cm Z= 1 cm Z= 4 cm Rata-rata St.Dev Rata-rata suhu untuk lebar rak 1 cm adalah o C dengan nilai standar deviasi sebesar 1.03 o C, sedangkan untuk lebar rak 4 cm rata-rata suhu lebih rendah yaitu o C dengan nilai standar deviasi 1.67 o C. Untuk kecepatan ratarata pada lebar rak 1 cm dan 4 cm relatif hampir sama, yaitu berturut-turut adalah 0.9 m/dtk dengan nilai standar deviasi 0.05 m/dtk dan 0.6 m/dtk dengan nilai standar deviasi 0.06 m/dtk. Guna melihat tingkat perbedaan suhu dan kecepatan pada lebar rak 1 cm dengan 4 cm cm digunakan uji statistik (uji F). Dari uji F tersebut dapat dilihat apakah terdapat perbedaan yang signifikan antar lebar rak dalam percobaan ini. Tabel 6-5 memperlihatkan analisis ragam uji F untuk suhu, kecepatan dan RH untuk percobaan kondisi udara aliran bebas pada suhu 37.6 o C dan kecepatan 0.4 m/dtk dan tebal tumpukan gabah. cm. Tabel 6-5. Analisis ragam untuk suhu, kecepatan untuk lebar rak 1 cm dan 4 cm pada panjang 5 cm (v = 0.4 m/dtk dan T = 37.6 o C) a. Suhu Sumber Keragaman db Jumlah Kuadrat Kuadrat Tengah F Hitung F Tabel (α = 0.05) Perlakuan suhu Antar = 5 cm 14 dan = 50 cm Total

141 b. Kecepatan Sumber Keragaman db Jumlah Kuadrat Kuadrat Tengah F Hitung F Tabel (α = 0.05) Perlak. Kecepatan Antar = 5 cm 14 Dan = 50 cm Total Dari Tabel 6-5, terlihat bahwa distribusi suhu dan kecepatan pada panjang lebar rak 1 cm dan 4 cm untuk panjang rak 50 cm, dengan kecepatan udara 0.4 m/dtk dan suhu 37.6 o C, dengan uji F pada tingkat keyakinan 95 % untuk suhu berbeda nyata, sedangkan kecepatan tidak menunjukkan adanya perbedaan yang nyata antara lebar rak 1 cm dengan 4 cm Distribusi Massa Uap dan Fluks Massa Uap dalam Lapisan Batas Distribusi uap air yang masuk lapisan batas ditentukan berdasarkan persamaan fraksi uap tak berdimensi. Karena sulitnya menentukan fraksi uap pada lapisan batas, sehingga untuk validasi data pengukuran perubahan massa gabah yang dikeringkan hanya dapat dilakukan untuk perubahan massa total selama pengeringan dengan perhitungan secara model persamaan matematik lapisan batas. Perubahan konsentrasi selama proses pengeringan gabah yang dinyatakan dalam perubahan fraksi uap air terhadap posisi jarak tak berdimensi disajikan dalam Tabel 6-6. Perhitungan perubahan massa (fraksi uap) selama proses penguapan berdasarkan persamaan (3-13). Gambar 6-35 memperlihatkan distribusi konsentrasi massa yang dinyatakan dalam perubahan fraksi massa uap air yang dihitung dari persamaan lapisan batas, ini dapat dilakukan karena proses perpindahan massa, momentum dan energi pada lapisan batas berlangsung secara simultan (serempak), jadi pada profil suhu dan kecepatan yang telah dianalisa terdahulu juga merupakan profil massa yang terjadi selama proses perpindahan energi, massa dan momentum pada sistem pengeringan gabah. 113

142 Dari Gambar 6-35, terlihat bahwa fraksi uap air (konsentrasi) awal dalam lapisan batas A = 0.75 mengalami penurunan dengan bertambahnya jarak sepanjang lapisan permukaan gabah sampai akhirnya konstan pada posisi jarak tak berdimensi sebesar η = 4.45 dimana fraksi uap air akhir adalah A = Tabel 6-6. Perubahan konsentrasi uap air dalam lapisan batas terhadap jarak tak berdimensi Jarak Tak Berdimensi (η) Konsentrasi Uap Air Dalam Lapisan Batas (X A )

143 U = 0.4 m/dtk = 50 cm η = y u υ Gambar Distribusi konsentrasi uap air sepanjang jarak tak berdimensi pada panjang permukaan rak 50 cm. Fluks massa uap air yang terdapat dalam lapisan batas yaitu laju massa uap air per satuan luas ( tinggi lapisan batas lebar permukaan arah z), menunjukkan laju difusi uap air dalam udara, besarnya fluks massa uap air ini di sajikan dalam Tabel 6-7 sedangkan bentuk kurvanya terlihat seperti pada Gambar Dari Gambar 6-36 tersebut, di dekat tepi-depan lapisan batas fluks massa mempunyai nilai yang tinggi hal ini terjadi karena luas permukaan lapisan batas dekat tepi-depan lebih kecil, luas permukaan ini akan bertambah sepanjang permukaan lapisan gabah, sehingga sepanjang lapisan permukaan gabah fluks massa uap air menurun sampai pada titik dimana kecepatan aliran massa mencapai 99 % kecepatan aliran bebas. Dari Gambar 6-36 juga dapat dilihat perbandingan nilai fluks massa tak berdimensi hasil percobaan 1 (K = 0.68), percobaan (K = 0.7), percobaan 3 (K = 0.77) dan percobaan 4 (K = 0.79). Nilai K mencerminkan terjadinya proses perpindahan massa uap air dalam lapisan batas (K = 0, tidak terdapat proses transfer massa). Semakin besar nilai K, maka proses perpindahan massa makin tinggi dan proses penguapan air akan lebih cepat. Untuk memperbesar nilai K ini harus dilkukan kontrol terhadap laju aliran bebas dan perbandingan antara ketinggian 115

144 lapisan batas dengan panjang permukaan lapisan batas serta laju difusi uap air dalam udara. Pada hasil percobaan, nilai fluks massa total percobaan 1, percobaan, percobaan 3 dan percobaan 4 secara berturut-turut nilainya adalah kg/m dtk, kg/m dtk, kg/m dtk dan kg/m dtk. Hal ini berarti bila nilai K dapat dikontrol maka proses penguapan air produk dapat berlangsung lebih cepat. Tabel 6-7. Fluks massa uap air dalam lapisan batas sepanjang permukaan gabah Panjang Rak Fluks Massa Uap, 10-3 (kg/m dtk) Pengering Percob. 1 Percob. Percob. 3 Percob. 4 (m) Gambar Perubahan fluks massa uap air dalam lapisan batas terhadap jarak tak berdimensi pada permukaan rak. 116

145 6..7. Penentuan Tebal Lapisan Batas Hidrodinamik dan Termal 4,64 (4.64) (4.64)(0.05) δ = = = = m = cm ( ) 1/ Re u (0.4)(0.05) υ 1.67 (10 5 ) 1/ 3 1/ 3 δ t = δ (Pr) t = (0.6708)(0.711) δ = cm Tebal lapisan batas hidrodinamik (massa) dan termal pada distribusi suhu dan kecepatan sepanjang lapisan permukaan gabah disajikan dalam Tabel 6-8. Bentuk kurva tebal lapisan batas ini diperlihatkan seperti pada Gambar 6-37, tebal lapisan batas merupakan ketinggian lapisan yang terbentuk pada permukaan mulai jarak dari tepi-depan sampai pada titik dimana beda suhu dan kecepatan antara dinding dan udara sama dengan fluida aliran bebasnya atau mencapai nilai 99 % dari aliran bebasnya. Dari Gambar 6-37 terlihat bahwa tebal lapisan batas termal lebih tinggi dibandingkan dengan tebal lapisan batas massa, hal ini sesuai dengan pernyataan Pohlhausen dalam Kreith, F. (1973) dimana untuk lapisan batas laminar untuk bilangan Prandtl < 1 tebal lapisan massa lebih rendah dari lapisan termal dan untuk bilangan Prandtl > 1 tebal lapisan massanya lebih tinggi dari lapisan termal. Tabel 6-8. Tebal lapisan batas massa, termal dan udara yang masuk pada lapisan batas sepanjang permukaan gabah Panjang Lap. Batas, (cm) Tebal Lapisan Massa, δ (cm) Tebal Lapisan Termal, δ t (cm) 117

146 U = 0.4 m/dtk Gambar Tebal lapisan massa dan termal yang terbentuk sepanjang lapisan permukaan gabah 50 cm Penentukan Massa Udara Masuk Lapisan Batas Massa udara sebagai media pengering yang masuk dalam lapisan batas sepanjang permukaan lapisan gabah mulai dari tepi-depan sampai pada titik kecepatan dalam lapisan batas mencapai 99 % kecepatan aliran bebasnya, sesuai dengan tebal lapisan batas yang terbentuk dimana dengan bertambahnya jarak dari tepi-depan tebal lapisan batas juga akan meningkat, sehingga dengan demikian jumlah aliran massa yang masuk dalam lapisan batas juga akan meningkat dengan bertambahnya jarak sepanjang lapisan permukaan gabah. Pada panjang permukaan lapisan batas 50 cm dan lebar 40 cm arah z, laju aliran massa dihitung berdasarkan persamaan yang telah dijabarkan pada bagian terdahulu, (persamaan 3-31), yaitu untuk jarak 5cm : δ δ η 3 ρ ρ η ρ 3 y 1 y 5 m& = u L dy = Lu Π v d = Lu = ρ dy L u δ δ = (5/8)(1.1386)(0.4)(0.4) δ = δ Jumlah aliran massa yang masuk lapisan batas, selengkapnya disajikan dalam Tabel 6-9 dan bentuk kurvanya sepanjang lapisan permukaan gabah diperlihatkan seperti pada Gambar δ 118

147 Tabel 6-9. Jumlah aliran massa udara yang masuk lapisan batas sepanjang permukaan gabah 50 cm Panjang Lap. Batas, (cm) Tebal Lap-Batas δ (m) Massa Udara Masuk Lap-Batas, m (kg/dtk) U = 0.4 m/dtk Gambar Kurva laju aliran massa udara sepanjang lapisan permukaan gabah 50 cm Laju aliran massa udara yang masuk dalam lapisan batas berbanding lurus dengan ketebalan lapisan batas yang terbentuk. Dengan demikian bila diinginkan tebal lapisan batas terentu dengan cara mengontrol kecepatan aliran bebas dan panjang lapisan permukaan, maka jumlah udara yang diperlukan untuk lapisan batas tersebut dapat ditentukan Koefisien Perpindahan Panas dan Massa Sepanjang Permukaan Gabah Nilai koefisien perpindahan panas dihitung berdasarkan suhu film : T = f = 33.8 o C 119

148 Sifat-sifat udara pada suhu film : (Geankoplis,1983) Sifat Fisik Udara Satuan Nilai Massa jenis Kg/m Panas jenis kj/kg K Konduktivitas panas W/m o K Viskositas dinamik kg/m dtk Viskositas kinematik m /dtk Bilangan Prandtl Koefisien perpindahan panas lokal : h 1/ 3 / 4 1/ 3 1/ 3 u o = 0.33 k Pr 1 atau υ Nu h = = 0.33 Pr k 1/ 3 Re 1/ o 1 3 / 4 1/ 3 untuk pemanasan pada keseluruhan panjang permukaan gabah, o = 0 1/ Nu 0.33 (0.711) 1/ = = ( )(0.5) h ( )(0.0670) = 0.5 = W/m o C Koefisien perpindahan panas rata-rata untuk seluruh panjang permukaan gabah : h h DA L h d 0 h = = h L = d 0 Sc = ρ Cp Pr / 3 L = (3.5735) = W/m atau h DA = h Sc ρ Cp Pr D v = m /dtk (rata-rata selama proses pengeringan) Bilangan Smichdt, Sc = ( / ) = o C / 3 10

149 D = = m / dtk / (1.1460)(1005) h A Tabel Koefisien perpindahan panas dan massa gabah sepanjang permukaan lapisan batas Panjang Lapis- Batas (m) Koefisien Pindah Panas (W/m K) Koefisien Pindah Massa (m/dtk) Tabel 6-30 memperlihatkan nilai koefisien perpindahan panas dan massa gabah sepanjang permukaan lapisan batas, hubungan antara koefisien perpindahan panas dan massa terhadap panjang lapisan batas terlihat seperti pada Gambar Gambar Hubungan antara koefisien pindah panas dan massa dengan panjang lapisan permukaan gabah 11

150 Koefisien Gesek dan Gaya Geser Sepanjang Permukaan Gabah Gaya geser dinding didekat tepi-depan sangat besar dan menurun dengan meningkatnya jarak dari tepi-depan, dengan demikian koefisien gesek permukan lapisan batas gabah pada dekat tepi-depan lebih besar dan menurun dengan meningkatnya jarak dari tepi depan. Tabel 6-31 memperlihatkan perubahan koefisien gesek dan gaya geser pada permukaan lapisan batas, bentuk kurvanya ditunjukkan seperti pada Gambar Tabel Koefisien gesek dan gaya geser sepanjang permukaan gabah Panjang Lap. Batas, (cm) Koefisien Gesek Cf ( 10-3 ) Gaya Geser Kg/m ( 10-3 ) Gambar Perubahan nilai koefisien gesek dan gaya geser sepanjang permukaan lapisan batas gabah 1

151 Rasio Tinggi Aliran Bebas dan Panjang Permukaan Lapisan Batas dengan Tebal Lpisan Batas Perbandingan antara panjang permukaan lapisan batas dan tinggi aliran bebas terhadap ketebalan lapisan batas yang terbentuk selama proses pengeringan gabah disajikan dalam Gambar Dalam percobaan pada panjang lapisan permukaan antara 5 cm sampai 50 cm untuk kecepatan aliran bebas 0.4 m/dtk, nilai posisi jarak tak berdimensi yang dapat dicapai hanya pada η =.55. Dari Gambar 6-5 terlihat bahwa semakin besar rasio tinggi aliran bebas dengan panjang lapisan permukaan akan menyebabkan penurunan tebal lapisan batas yang terbentuk. Dengan mengontrol rasio ini maka laju massa udara pada aliran bebas dapat diminimasi sehingga kebutuhan energi untuk proses penguapan air lebih rendah, disamping itu untuk mencegah terjadinya perubahan nilai K (fluks massa tak berdimensi) yang negatif, menurut Bird,R.B. et al (1966) pada nilai K yang negatif perpindahan massa terjadi diluar sistem aliran bebas sehingga menghambat laju penguapan air pada permukaan lapisan η =.55 π v = 0.4 = cm Gambar Kurva perbandingan tebal lapisan batas terhadap rasio tinggi aliran bebas dengan panjang lapisan permukaan. Pada percobaan ini karena perbandingan rasio antara tinggi aliran bebas cukup besar, maka nilai maksimum posisi tak berdimensi yang dapat dicapai hanya η =.55 sehingga diatas nilai tersebut sudah menghasilkan perhitungan yang negatif. 13

152 6..1. Kebutuhan Energi Penguapan Air dalam Lapisan Batas Tabel 6-3 memperlihatkan parameter proses perpindahan massa, momentum dan energi untuk penguapan air pada sepanjang permukaan lapisan batas produk gabah. Energi proses penguapan air merupakan energi untuk pengeringan gabah. Pada percobaan yang dilakukan, ternyata energi yang terdapat aliran bebas yaitu udara panas sangat besar dibandingkan dengan kebutuhan energi dalam proses penguapan air dalam lapisan batas. Hal ini disebabkan terlalu besarnya dimensi tinggi aliran udara bebas dalam alat pengering yaitu jaraknya 38 cm dari permukaan lapisan gabah yang berada dalm rak pengering, sedangkan tinggi lapisan yang terbentuk hanya sekitar.5 cm dari permukaan, dengan demikian laju aliran massa udara masuk lapisan batas kecil dan energi yang masuk juga akan kecil. Dengan menentukan hubungan antara rasio ketinggian aliran bebas dan panjang lapisan permukaan dengan ketebalan lapisan batas (seperti pada pembahasan bagian 6..9), maka ketinggian alat pengering dapat diminimalkan yang pada akhirnya akan menurunkan kebutuhan energi dalam proses penguapan air bahan. Disamping itu dengan ketinggian alat berdasarkan rasio ini keseragaman suhu dan kecepatan pada lapisan permukaan produk dapat ditingkatkan, serta pola aliran laminar selama proses penguapan air dapat lebih dipertahankan 14

153 Tabel 6-3. Parameter proses perpindahan massa, momentum dan energi untuk penguapan air gabah pada lapisan batas. Parameter Satuan Perobaan Perobaan Perobaan 1 3 Massa gabah basah kg Kadar air awal gabah % bb Kadar air akhir gabah % bb Suhu udara lingkungan o C RH udara lingkungan % RH udara Pengering % Suhu udara aliran bebas o C Kecepatan aliran bebas m/dtk Fraksi uap air aliran bebas Fluks massa uap air kg/m dtk Rata-rata waktu penguapan air jam Tebal lapisan batas hidrodinamik m Tebal lapisan batas termal m Koefisien pindah panas W/m K Koefisien pindah massa m/dtk Kecepatan massa aliran bebas kg/dtk Massa udara dalam lapisan batas kg/dtk Koefisien gesek permukaan Koefisien gaya geser kg/m Energi proses penguap air J/dtk Energi aliran bebas kj/dtk

154 6.3. Kajian CFD pada Aliran Fluida Data input dalam Simulasi CFD Tabel Nilai-nilai kondisi batas KOMPONEN SATUAN NILAI Keterangan Lingkungan Suhu o C 30 Pengukuran Velocity Inlet Kecepatan m/dtk 1.9 Pengukuran Suhu o C 30 Pengukuran Radiator / HE Lost coefficient - 5 Perhitungan Pers.(-7) Heat trans coefficient W/m K 6.8 Perhitungan Pers.(-11) Heat flu W/m 65 Perhitungan Suhu o C 89 Pengukuran Dinding Seng Plat Tebal m Pengukuran Suhu o C 30 Pengukuran Free stream velocity m/dtk 0.4 Pengukuran Free stream o C 37 Pengukuran temperature Heat trans. Coefficient W/m K 4.6 Perhitungan Heat flu W/m 14 Perhitungan Plastik Transparan Tebal m Pengukuran Suhu o C 30 Pengukuran Free stream velocity m/dtk 0.4 Pengukuran Free stream o C 37 Pengukuran temperature Heat trans. Coefficient W/m K.5 Perhitungan Pers.(-11) Heat flu W/m 8.9 Perhitungan Tabel Sifat fisik material (Geankoplis, 1983, Holman, 1981) Properties Seng Plat Plastik Udara Transparan Densitas, ρ (kg/m 3 ) Panas jenis, Cp (J/kg o K) Konduktivitas, k (W/m o K) Viskositas, μ (kg/m dtk)

155 6.3.. Pembentukan Grid Perhitungan Salah satu permasalahan yang sering timbul dalam pemecahan persoalan aliran fluida adalah pada pembentukan grid. Pada permasalahan aliran fluida dalam penelitian ini, ukuran grid yang digunakan adalah 0.05 cm untuk seluruh bentuk bangunan geometri alat dengan volume grid sebesar volume dan jumlah node 550. Banyaknya sel pada geometri adalah 6457 sel zone dimana dalam setiap sel terdapat 17 fase zone. Grid dalam batas volume dibuat secara tak terstruktur dengan element tet/hybrid dan tipe Tgrid, selanjutnya grid tersebut dilengkapi dengan kondisi batasnya. Hasil pembentukan grid pada domain perhitungan dari geometri alat penelitian ini ditunjukkan seperti pada Gambar 6-4. Gambar 6-4. Pembentukkan grid pada domain perhitungan Distribusi Kecepatan Udara dalam Ruang Pengering Udara lingkungan pada suhu 30 o C dihembuskan ke dalam ruang pengering dengan menggunakan kipas 55 Watt. Kecepatan udara dari kipas pendistribusi ratarata 1.7 m/dtk dengan standar deviasi sebesar

156 Kecepatan udara tertinggi dari kipas adalah 1.9 m/dtk dan terendah 0.86 m/dt, perubahan kecepatan udara dari kipas disebabkan oleh pengaruh tegangan listrik, kecepatan udara ini masuk ruang pengering mengalami penurunan karena adanya hambatan radiator dan pipa-pipa penyalur ke ruang pengering. Dari data yang diperoleh distribusi kecepatan dalam ruang pengering yang dekat dengan inlet lebih besar dari yang ditengah. Gambar 6-43 memperlihatkan profil kecepatan dalam ruang pengering pada bidang yz untuk jarak arah = 0 cm (tepi depan rak pengering), = 5 cm (bagian tengah rak), dan = 50 cm bagian ujung rak. = 0 cm = 50 cm = 5 cm Gambar Profil kecepatan diatas rak pengering pada bidang yz Pada Gambar diperlihatkan profil kecepatan masing-masing zone pengamatan, disini terlihat bahwa distribusi kecepatan aliran udara pada posisi = 0 yaitu tepi depan rak pengering (0 cm dari dinding inlet ruang pengering) kecepatannya lebih besar dibandingkan dengan posisi = 5 cm maupun = 50 cm. 18

157 Perbedaan kecepatan ini menunjukkan semakin bertambahnya jarak (panjang) rak pengering kecepatan aliran semakin berkurang. Terdapatnya perbedaan kecepatan antara zone ini disebabkan oleh perbedaan jarak terhadap posisi kipas pendistribusi, pada = 0 jarak dari kipas lebih dekat dibandingkan dari zone = 5 cm maupun = 50 cm. Kecepatan rata-rata hasil pengukuran pada zone = 0 pada lebar rak 1 cm dari tepi adalah 0.38 m/dtk dengan nilai standar deviasi sebesar 0.07 m/dtk, pada zone ini kecepatan rata-rata hasil perhitung simulasi CFD adalah m/dtk dan nilai standar deviasi 0.05 m/dtk. Untuk zone = 5 cm dan = 50 cm pada lebar rak 1 cm (Gambar 6-44) besarnya kecepatan rata-rata hasil pengukuran berturutturut adalah 0.37 m/dtk dengan nilai standar deviasi m/dtk, dan m/dtk dengan nilai standar deviasi 0.0 m/dtk. Kecepatan hasil pengukuran ini lebih besar dari hasil simulasi CFD. = 0 cm = 5 cm = 50 cm Gambar Profil kecepatan udara diatas rak untuk lebar rak 1 cm dari tepi 19