PENENTUAN PUTARAN PADA PENGERING SURYA TIPE RAK BERPUTAR DAN PEMODELAN PENGERING DENGAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS SUERITAH HENNY WANTI

Transkripsi

1 PENENTUAN PUTARAN PADA PENGERING SURYA TIPE RAK BERPUTAR DAN PEMODELAN PENGERING DENGAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS SUERITAH HENNY WANTI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014

2

3 PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Penentuan Putaran Pada Pengering Surya Tipe Rak Berputar dan Pemodelan Pengering dengan metode Computational Fluid Dynamics adalah benar karya saya dengan arahan dari dosen pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, April 2014 Sueritah Henny Wanti NIM F

4 ABSTRAK SUERITAH HENNY WANTI. Penentuan Putaran pada Pengering Surya Tipe Rak Berputar dan Pemodelan Pengering dengan Metode Computational Fluid Dynamics. Dibimbing oleh DYAH WULANDANI. Pengering surya Efek Rumah Kaca (ERK) adalah bangunan pengering berdinding transparan, di dalamnya terdapat plat absorber sebagai pengumpul panas dan wadah produk (rak atau bak) serta kipas untuk mengeluarkan uap air hasil pengeringan. Sumber energi pada pengering ERK diperoleh dari surya dan pembakaran biomasa. Masalah ketidakmerataan suhu rak di dalam ruang pengering, masih selalu terjadi. Pemecahan masalah ketidakmerataan aliran udara panas dapat dilakukan dengan memutar rak pada tipe rak berputar. Tujuan penelitian ini adalah untuk menentukan putaran rak yang tepat dan membuat pemodelan simulasi CFD untuk menggambarkan sebaran suhu pada rak pengering. Penentuan putaran rak pada penelitian ini menggunakan 6 skenario. Hasil terbaik diperoleh pada skenario 5 pada putaran 135 o dengan putaran satu jam sekali. Pengering pada skenario 5 ini memberikan hasil distribusi suhu rak yang seragam yang dinyatakan oleh nilai standar deviasi suhu terendah. Validasi suhu pengeringan hasil simulasi CFD yang dilakukan pada pukul delapan dan dua belas menunjukkan kecenderungan yang sama dengan suhu pengeringan hasil percobaan dengan eror 10%. Kata kunci: Pengering ERK, Rak berputar, Suhu rak, CFD. ABSTRACT SUERITAH HENNY WANTI. Determination of rotation of the rotating rack Solar Dryer and Dryer Modelling by using Computational Fluid Dynamics Method. Supervised by DYAH WULANDANI. Greenhouse Effect (GHE) Solar Dryer is a transparent wall structure, consists of an absorber plate as solar collector, product holders (rack, tray or batch) that can be rotated vertically, and fans to discharge vapor evaporated from product The GHE solar dryer uses thermal energy source from the sun and biomass combustion. Un-uniformity of rack temperature problem can be solved by rotate the rack within the dryer. The aim of the study is to determine the properly of rack rotation and the temperature distribution by using Computational Fluid Dynamics (CFD) method. There are six scenarios of rack rotation condition to be simulated. The best result is scenario 5 at 135 o with rotation per hour shown by the best uniformity of drying temperature indicated by the lowest temperature standar deviation. Validation of CFD result drying temperature whichis performed at eight and twelve o clock without product, have shown similar trend to the experiment drying temperature distribution indicated by error value of 10%. Keywords: CFD, GHE, Rack Temperature

5 PENENTUAN PUTARAN PADA PENGERING SURYA TIPE RAK BERPUTAR DAN PEMODELAN PENGERING DENGAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS SUERITAH HENNY WANTI Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014

6

7 Judul Skripsi : Penentuan Putaran pada Pengering Surya Tipe Rak Berputar dan Pemodelan Pengering dengan Metode Computational Fluid Dynamics Nama : Sueritah Henny Wanti NIM : F Disetujui oleh Dr Ir Dyah Wulandani, MSi Pembimbing Akademik Diketahui oleh Dr Ir Desrial, MEng Ketua Departemen Tanggal Lulus:

8 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala karunia-nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2013 ini ialah pengering ERK, dengan judul Penentuan Putaran pada Pengering Surya Tipe Rak Berputar dan Pemodelan Pengering dengan Metode Computational Fluid Dynamics Dengan telah selesainya karya ilmiah ini, penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si selaku pembimbing yang memberikan bimbingan, arahan, motivasi kepada penulis. 2. Prof. Dr. Ir. Bambang Pramudya, M.Eng dan Dr. Muhamad Yuliantono, ST, MT selaku penguji terima kasih atas saran, bimbingan dan arahan, motivasi kepada penulis. 3. Pak Harto, Pak Darma, Mas Firman terima kasih atas bantuannya selama penelitian ini berlangsung. 4. Mama, Papa, Kakak (Sartika Mega S.Pd) adik (Robert Kenedy), abang (BRIPKA. Syah Rudi). 5. Terima kasih untuk hasian Benny Purba S.P. Untuk dukungan semangat dan saran mengerjakan skripsi, dan waktu untuk mendengarkan keluh kesah selama ini. 6. Teman-teman satu bimbingan (Elsamila, Stephani, Adit, dan Alfredo). 7. Teman-teman Vina Rondang, Gina Lupita, Gina Anisa, Tiara Etika, Riris, Raisa, Denny, Romi, Sumiharjon Simbolon, Heraldy Risva, Arnold, Aldha Hermiyanti, Ni made Citta, Ni putu dian, Eti, Yeti Aryani. 8. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin dan Biosistem angkatan 46 terima kasih atas kebersamaannya, bantuan dan semangatnya bagi penulis. Akhirnya penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan kontribusi nyata terhadap ilmu pengetahuan. Bogor, April 2014 Sueritah Henny Wanti NIM F

9 DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR ISI PENDAHULUAN 1 Latar Belakang 1 Perumusan Masalah 1 Tujuan Penelitian 2 Manfaat Penelitian 2 Ruang Lingkup Penelitian 2 TINJAUAN PUSTAKA 2 Pengeringan 2 Pengering Efek Rumah Kaca Hybrid Tipe Rak Berputar 3 Computational Fluid Dynamics (CFD) 4 Proses Simulasi CFD 4 METODOLOGI PENELITIAN 5 Waktu dan Tempat Penelitian 5 Peralatan 5 Prosedur Penelitian 6 Persiapan Alat 6 Percobaan Pengeringan 7 Parameter yang Diukur pada Percobaan Pengeringan 7 Parameter yang diukur adalah sebagai berikut: 7 Pemodelan CFD 7 Perhitungan Parameter Kondisi Batas simulasi CFD 8 Pembuatan Model Geometri dan Pendefinisian Kondisi Batas Simulasi CFD 8 Simulasi CFD Udara Panas 9 Analisis Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD 9 Validasi Model Simulasi CFD 9 Posisi Titik Pengukuran ERK Tipe Rak Berputar 10 HASIL DAN PEMBAHASAN 11 viii viii ix

10 Suhu Rak Pengering 11 Hasil Pengukuran Skenario 1 11 Hasil Pengukuran Skenario 2 13 Hasil Pengukuran Skenario 3 14 Hasil Pengukuran Skenario 4 16 Hasil Pengukuran Skenario 5 17 Hasil Pengukuran Skenario 6 18 Penentuan Putaran Rak Terbaik 20 Kelembaban Udara dan Iradiasi Surya pada Ruang Pengering 20 Pemodelan Simulasi CFD Suhu Rak Pengering 21 Bentuk Model Pengering dengan Gambit 21 Hasil Simulasi Pukul Hasil Simulasi Pukul Validasi Simulasi CFD 27 SIMPULAN DAN SARAN 29 Simpulan 29 Saran 29 DAFTAR PUSTAKA 29 RIWAYAT HIDUP 55 DAFTAR TABEL 1 Tingkat keragaman suhu rak Skenario Tingkat keragaman suhu rak Skenario Tingkat keragaman suhu rak Skenario Tingkat keragaman suhu rak Skenario Tingkat keragaman suhu rak Skenario Tingkat keragaman suhu rak Skenario Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pukul Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pukul DAFTAR GAMBAR 1 Alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK)-Hybrid tipe rak berputar 3 2 Titik Pengukuran ERK Tipe Rak Berputar 10 3 Diagram alir prosedur penelitian 11

11 4 Profil suhu rak Skenario Profil suhu rak Skenario Profil suhu rak Skenario Profil suhu rak Skenario Profil suhu rak Skenario Profil suhu rak Skenario Rata-rata standar deviasi masing-masing skenario Simulasi Skenario Simulasi Skenario Simulasi Skenario Simulasi Skenario Simulasi Skenario Simulasi Skenario Simulasi Skenario Simulasi Skenario Simulasi Skenario Simulasi Skenario Simulasi Skenario Simulasi Skenario 6 27 DAFTAR LAMPIRAN 1 Contoh analisis perhitungan parameter yang digunakan untuk simulasi CFD 31 2 Tabel distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada pukul Tabel distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada pukul Tabel kondisi batas (boundary conditions) pengukuran pukul dan pukul Tabel nilai kecepatan angin lingkungan, RH, Kecepatan angin outflow, Iradiasi matahari dan Suhu pengering pada masing-masing skenario. 52 DAFTAR SIMBOL Re Bilangan Reynold ρ Massa jenis (kg/m 3 ) v Kecepatan (m/dtk) D Diameter spesifik (m) μ Viskositas dinamik (kg/ms) h Koefisien pindah panas konveksi (W/m 2 K) Nu Bilangan Nusselt k Konduktivitas panas (W/mK) l Ketebalan dinding (m) q/a Fluks panas (W/m 2 ) I Iradiasi surya (W/m 2 )

12 τα Td T α Dp ε C2 k ΔP Gr g β T ν Ra Pr ṁ Hasil kali koefisien tembus cahaya penutup transparan Suhu dinding (oc) Suhu lingkungan (oc) Permeabilitas permukaan (m2) Diameter produk (m) Porositas tumpukan produk Koefisien porous jump (1/m) Koefisien kehilangan pada penukar panas Penurunan tekanan (Pa) Bilangan Grashoff Gaya gravitasi (m/s2) Koefisien (1/oC) Suhu (K) Viskositas kinematik (m2/s) Bilangan Rayleigh Bilangan Prandtl Laju aliran massa (kg/dtk)

13 PENDAHULUAN Latar Belakang Pengeringan merupakan operasi rumit yang memerlukan keseimbangan antara ketiga parameter yakni suhu, kecepatan aliran dan RH udara pengering. Dasar proses pengeringan adalah terjadinya proses penguapan air bahan ke udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara dengan bahan yang dikeringkan. Penelitian tentang Efek Rumah Kaca (ERK) perlu mengacu pada dasar-dasar pindah panas, massa dan momentum, dikaitkan dengan pengetahuan tentang sifat bahan dan mutu (Brooker et al.1974). Seorang peneliti, selain mengandalkan pengetahuanya, maka percobaan di laboratorium dan berbagai percontohan yang dirangkai dengan pengalaman lapang sangat penting untuk mengembangkan dan penerapan suatu pengering untuk mencapai spesifikasi mutu yang lebih baik, laju produksi yang lebih tinggi, biaya energi yang lebih rendah dan kondisi lingkungan yang berubah. Usaha untuk melakukan proses pengeringan dapat pula dilakukan dengan menggunakan pengering Efek Rumah Kaca (ERK), salah satu keuntungan dengan menggunakan pengering ERK adalah produk lebih bersih dan tidak terkontaminasi dengan bahan yang tidak dikehendaki. Masalah ketidakseragaman kadar air produk hasil pengeringan juga merupakan akibat dari ketidakmerataan suhu rak di dalam ruang pengering, khususnya tipe rak bahwa perbedaan suhu rak atas lebih besar dibandingkan suhu rak bagian bawah. Perbedaan suhu rak ERK tipe rak berputar, suhu rak pada arah vertikal lebih besar dibandingkan suhu rak pada arah horizontal (Kamarudin et al.1994). Untuk memecahkan masalah tersebut perlu dilakukan suatu analisis penentuan sudut putaran pada sudut-sudut tertentu dalam mengatasi sebaran suhu rak di dalam ruang pengering. Sebaran suhu udara di dalam ruang pengering sangat penting untuk mengetahui pola sebaran aliran udara panas serta tingkat keragamannya. Pengukuran untuk melihat pola sebaran udara pengering secara bersamaan sulit untuk dilakukan karena keterbatasan alat ukur. Melalui pemodelan simulasi CFD (Computational Fluid Dyanamics) pada alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) tipe rak berputar dengan sistem hybrid (surya), sebaran suhu udara di setiap posisi rak dalam ruang pengering atau produk yang dikeringkan dapat diduga. Metode CFD menggunakan analisis numeric yaitu kontrol volume sebagai elemen dari intergrasi persamaan yang terdiri dari persamaan keseimbangan massa, momentum dan energi (Versteeg dan Malalasekera 1995). CFD pada penelitian ini menggunakan software Gambit dan software Fluent yang mampu melakukan simulasi sebaran udara panas dan kecepatan aliran udara kondisi nyata ke dalam virtual model atau prototipe dari sebuah sistem. Perumusan Masalah Suhu rak pengering di dalam pengering ERK tipe rak berputar sangat berfluktuasi karena perubahan iradiasi surya yang sangat dipengaruhi oleh

14 2 waktu, lokasi dan musim. Hal ini menyebabkan perbedaan suhu rak antara rak bagian atas berbeda dengan rak bagian bawah. Sehingga diperlukan penentuan putaran rak dengan sudut-sudut tertentu agar suhu pada setiap rak memiliki suhu yang seragam. Sebaran suhu pada pengering perlu diketahui untuk melihat keragaman suhu yang terjadi, hal ini sulit diketahui karena terbatasnya peralatan ukur. Oleh karena itu, melalui metode CFD, sebaran suhu ini dapat diprediksi. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk menentukan putaran rak yang tepat, membuat pemodelan simulasi CFD untuk menggambarkan sebaran suhu pada rak pengering. Serta melakukan validasi antara hasil pengukuran dan perhitungan dengan CFD. Manfaat Penelitian Hasil dari penelitian ini diharapkan mampu memberikan rekomendasi pada operasi pengering dalam memperoleh hasil pengeringan yang merata dan efisien pada ERK tipe rak berputar. Hasil penelitian ini bermanfaat bagi pemakai alat pengering ERK tipe rak berputar, terutama bagi para petani maupun industri. Ruang Lingkup Penelitian Penelitian ini meliputi metode penentuan putaran rak pada pengering ERK selama proses pengeringan untuk memperoleh hasil pengeringan yang merata dan efisien. Enam skenario percobaan putaran rak dilakukan untuk menentukan putaran rak terbaik yang dinyatakan oleh keragaman suhu rak terkecil. Penentuan sebaran suhu pada setiap lokasi di dalam ruang pengering terutama pada bagian rak perlu diketahui. Metode CFD dengan software Gambit dan software Fluent dapat digunakan untuk menduga sebaran udara panas dan kecepatan aliran udara kondisi nyata ke dalam virtual model atau prototipe dari sebuah sistem. Validasi perhitungan CFD dinyatakan valid jika error yang dihasilkan lebih kecil dari 10% ketika dibandingkan dengan hasil pengukuran. TINJAUAN PUSTAKA Pengeringan Hall (1957) dan Brooker (1974) menyatakan pengeringan merupakan proses penurunan kadar air bahan sampai mencapai kadar air tertentu sehingga dapat memperlambat laju kerusakan produk akibat aktivitas biologi dan kimia. Ada tiga hal yang mempengaruhi proses pengeringan yaitu kecepatan udara, suhu udara, dan kelembaban udara. Dasar

15 pengeringan yaitu kecepatan udara, suhu udara, dan kelembaban udara. Dasar proses pengeringan adalah terjadinya proses penguapan air bahan ke udara karena perbedaan kandungan uap air antar udara dengan bahan yang dikeringkan. Selama proses pengeringan terjadi dua proses yaitu proses pindah panas dan pindah massa air yang terjadi secara simultan. Panas dibutuhkan untuk menguapkan air bahan yang akan dikeringkan (Fellow 2001). Penguapan terjadi karena suhu bahan lebih rendah dari pada suhu udara di sekelilingnya. Proses pindah panas diperlukan untuk memindahkan massa uap air dari permukaan ke udara. Pindah panas terjadi karena tekanan uap air di dalam bahan lebih tinggi dari pada udara. Mekanise pengeringan diterangkan melalui teori tekanan uap, air yang diuapkan terdiri dari air bebas dan air terikat. Air bebas berada di permukaan telah habis, maka terjadi migrasi air karena perbedaan tekanan pada bagian dalam dan bagian luar (Henderson dan Perry 1976). 3 Pengering Efek Rumah Kaca Hybrid Tipe Rak Berputar Pengering efek rumah kaca di Institut Pertanian Bogor pertama kali dikembangkan oleh Abdullah 1999 dari Departemen Teknik Mesin dan Biosistem. Dalam perkembangannya, pengering ini didisain dengan berbagai tipe sesuai dengan kebutuhan produk yang dikeringkan, diantaranya adalah pengering tipe rak untuk panili (Mursalim 1995), cengkeh (Wulandani 2005), kakao (Nelwan 1997), tipe bak untuk kakao (Manalu 1999), kopi (Wulandani 1997). Dalam rangka untuk menyeragamkan aliran udara di dalam ruang pengering terutama pada tipe rak, (Wulandani 2009) merancang pengering ERK tipe rak berputar secara vertikal. Pengering rumah kaca ini terdiri dari tiga bagian utama, yaitu bangunan rumah kaca, silinder dengan rak pengering dan bagian pemanas tambahan. Rumah kaca tersebut berukuran panjang x lebar x tinggi (2.15 m x 1.75 m x 1.9 m). Tungku untuk tempat pembakaran biomassa dan tanki untuk memanaskan air sebagai supply panas. Pompa air digunakan untuk sirkulasi sedangkan radiator untuk pembangkit panasnya. Bangunan rumah kaca berfungsi sebagai pengumpul panas. Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) hybrid tipe rak berputar dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1 Alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) hybrid tipe rak berputar

16 4 Computational Fluid Dynamics (CFD) Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah ilmu yang mempelajari cara memperdiksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika atau model matematika (Tuakia 2008). Menurut (Versteeg dan Malalasekera 1995) CFD adalah sistem ananlisis yang meliputi aliran fluida, perpindahan panas dan fenomena seperti reakasi kimia yang berdasarkan simulasi komputer. Pada saat sekarang aplikasi CFD sudah banyak diterapkan pada disain mesin, ruang pembakaran, gas turbin dan tungku pembakaran. Ditinjau dari istilah CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-sat yang mengalir. Perangkat lunak (software) CFD mampu untuk melakukan simulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, bendabenda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur dan sistem akustik hanya dengan pemodelan di komputer. Software CFD ini dapat membuat virtual prototipe dari sebuah sistem atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapang. Software CFD akan memberikan data-data, gambar-gambar atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem desain. Hasil analisis CFD dapat berupa prediksi kualitatif maupun prediksi kuantitatif tergantung dari persoalan dan data input. Berikut adalah tiga keuntungan penggunaan CFD. 1. Pemahaman mendalam (Insight) Analisis CFD mampu mendesain sebuah sistem atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian. Analisis ini mampu masuk secara virtual ke dalam alat atau sistem yang dirancang. 2. Prediksi menyeluruh (Foresight) Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah alat untuk memprediksi yang akan terjadi pada alat atau sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas dan dapat segera menentukan desain optimal. 3. Efisiensi waktu dan biaya (Efficiency) Prediksi menyeluruh (Foresight) yang diperoleh CFD mampu membantu untuk mendesain lebih cepat dan hemat uang. Analisis CFD akan lebih efisien waktu riset dan desain sehingga akan mencapai sasarannya. Proses Simulasi CFD Seorang engineer dalam merancang mesin memiliki berbagai alasan untuk mendapatkan pengembangan persamaan-persamaan, namun masalah utamanya dalam mendesain sistem termal adalah: (1) menyediakan proses simulasi termal (2) mengembangkan peryataan secara matematis untuk optimasi. Simulasi secara nyata dan problem-problem optimasi harus dilaksanakan dengan menggunakan komputer. Berikut adalah tahapan proses simulasi CFD. 1. Prapemprosesan (Preprocessing) Prapemprosesan adalah membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat grid yang sesuai dan membuat kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.

17 2. Pencarian solusi (solving) Tahap solving adalah tahap dilakukan perhitungan mengenai kondisikondisi yang telah diterapkan pada tahap pra-pemprosesan guna mendapatkan solusi. Solusi teknik numerik untuk mencari solusi di dalam CFD terdiri atas beberapa metode, yaitu difference, finite element dan spectral method (Tuakia, 2008). 3. Pascapemprosesan (Postprocessing) Tahap pascapemprosesan adalah tahap penyajian hasil simulasi CFD dengan visualisasi warna untuk memudahkan dalam menganalisis. Berikut adalah tampilan hasil CFD. a. Hasil geometri dan grid yang terbentuk. b. Plot berdasarkan vektor. c. Plot berdasarkan kontur. d. Plot berdasarkan permukaan (2D atau 3D). Semua program pendekatan CFD dilakukan melalui prosedur sebagai berikut: 1. Sofware Gambit melakukan: a. Pembuatan geometri model b. Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing) 2. Sofware Fluent melakukan: a. Pendefinisian model fisik, misalnya : persamaan-persamaan gerak, entalpi, konversi spesies untuk zat-zat yang didefinisikan. b. Pendefinisian kondisi-kondisi batas, termasuk di dalamnya sifat-sifat dan prilaku dari batas-batas model. Untuk kasus transient, kondisi awal juga didefinisikan. c. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iterasi, biasa dalam kondisi tunak (steady state) atau transient. d. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD. 5 METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Kegiatan penelitian dilaksanakan mulai Februari 2013 sampai Agustus 2013 dan berlokasi di Laboratorium Lapang Siswadhi Soepardjo, Leuwikopo dan Laboratorium Energi, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Peralatan Alat pengering yang digunakan pada penelitian ini adalah alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) Hybrid rancangan Wulandani, et al (Gambar 1). Deskripsi ERK tipe rak berputar adalah sebagai berikut: 1. Bangunan pengering ERK berdimensi 2.15 m x 1.75 m x 1.9 m merupakan bangunan pengering ERK hybrid yang di dalamnya terdapat

18 6 rak-rak yang digantungkan pada silinder berputar sehingga dengan adanya putaran as menyebabkan rak-rak pengering dapat bergerak mengikuti rotasi gerakan silindernya. Pada bangunan tersebut di dalamnya terdapat 3 bagian silinder, dalam setiap ruang pengering terdapat 8 gantungan rak pengering dengan posisi rak atas dan bawah sehingga rak-rak pengering berjumlah 48 rak. Rangka bangunan, rangka silinder dan rangka rak terbuat dari besi siku dan besi hollow bercat hitam. Dinding terbuat dari plastik polikarbonat. 2. Rak berupa aluminium berlubang, diberi bingkai dari kayu dengan dimensi 0.3m x 0.6m x 0.03 m, jumlah rak di setiap ruang adalah 16 buah, sehingga total rak adalah 48 buah. 3. Penukar panas, berupa radiator dengan sistem silang kompak, berdimensi 0.3 m x 0.35 m x 0.02 m. Fluida kerja yang dipakai pada penukar panas adalah air. 4. Kipas, sebuah kipas dengan daya 80 W terdapat di bawah radiator, berdiameter 0.3 m. Kipas outlet berupa exhaust fan berdiameter 0.12 m dengan daya 30 W. Pada pengering ini digunakan 3 buah kipas radiator, 3 buah kipas outlet dan 3 buah kipas pengaduk. 5. Tungku untuk tempat pembakaran biomassa dan tangki untuk memanaskan air agar dapat digunakan untuk sirkulasi sedangkan radiator untuk pembangkit panasnya. Peralatan ukur yang digunakan dalam penelitian meliputi: 1. Thermocouple tipe CC. 2. Termometer bola basah dan bola kering. 3. Chino Recorder Yokogawa tipe 3058 dengan ketelitian 0.1 o C 4. Pyranometer model EKO tipe MS Multimeter digital model YEW tipe 2506 A dengan ketelitian 0.01 mv 6. Hot wire Anemometer model Lutron tipe AM-4204HA dengan ketelitian 0.01 m/dt. 7. Perangkat lunak yang di pakai yaitu software Gambit diperlukan untuk proses pembuatan gambar dan meshing, ANSYS 12.1: Fluent 6.3 untuk melakukan proses simulasi dan analisis menggunakan Ms.Office dan Ms. Excel Prosedur Penelitian Pada penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan, dapat dilihat pada diagram alir penelitian Gambar 3. Persiapan Alat Persiapan alat dilakukan untuk membersihkan alat pengering, memperbaiki beberapa kerusakan yang ada, mengecek kesiapan instrument pengukuran, menentukan titik-titik pengukuran pada titik pengukuran lantai, lantai, dinding depan (pintu), dinding kanan, dinding kiri, dinding belakang, atap, ruang pengering. Dan melakukan pengukuran dimensi alat serta mengindetifikasi bahan konstruksi alat pengering.

19 Percobaan Pengeringan Percobaan pengeringan dilakukan sebanyak 6 skenario. 1 Skenario 1 : Rak dalam keadaan diam (tidak diputar). 2 Skenario 2 : Rak diputar 45 o selama 1 jam sekali. 3 Skenario 3 : Rak diputar 45 o selama 2 jam sekali. 4 Skenario 4 : Rak diputar 90 o selama 1 jam sekali. 5 Skenario 5 : Rak diputar 135 o selama 1 jam sekali. 6 Skenario 6 : Rak diputar 180 o selama 1 jam sekali. Penamaan rak diberi label A, B, C, D, E, F, G dan H. Posisi penamaan rak sama untuk semua skenario. Penamaan posisi rak dalam posisi yang tetap walaupun rak dilakukan pemutaran sudut sesuai dengan skenario. Pada saat pengambilan data rak dalam posisi diam (tidak diputar) dan posisi rak akan berpindah dengan penamaan yang sudah diberikan. Percobaan dilakukan tanpa beban selama 1 hari dari pukul WIB sampai WIB dengan interval pengukuran 0.5 jam. Pemutaran rak dilakukan dengan interval 45 o hal ini dikarenakan pengunci poros pemutar rak didesain sebesar 45 o. Perlakuan putaran rak dilakukan sejauh 180 o hal ini dikarenakan bentuk rotasi pergerakan silinder berbentuk lingkaran sehingga dilakukan pemutaran rak sejauh 180 o untuk mewakili pemutaran rak pada bagian atas, tengah, dan bawah. Pemutaran rak dilakukan selama 1 jam sekali agar ergonomis saat pemutaran rak, dan lama pengambilan data saat pengukuran. Parameter yang Diukur pada Percobaan Pengeringan Parameter yang diukur adalah sebagai berikut: 1. Suhu yaitu meliputi suhu udara pada rak atas, rak tengah, rak bawah, lantai, inlet, outlet, suhu ruang pengering, suhu dinding, suhu atap, suhu lantai pengering, dan suhu lingkungan. 2. Kecepatan meliputi kecepatan udara pada inlet, outlet, depan kipas kiri, kipas tengah dan kipas kanan, udara pada rak atas, rak tengah, rak bawah, RH ruang pengering, dan RH udara lingkungan. 3. Radiasi surya. Titik pengukuran suhu rak pada rak atas 3 titik pengukuran dan rak bawah 2 titik pengukuran. Pengukuran kondisi batas pada lantai, atap, dinding kanan, dinding kiri, pintu (dinding depan), dan suhu ruang pengering. Posisi titik pengukuran dapat dilihat pada Gambar 2. Pemodelan CFD Pengukuran suhu-suhu tersebut digunakan pula untuk menvalidasikan simulasi CFD.Simulasi CFD dilakukan pada kondisi tanpa menggunakan beban. Pemodelan CFD menggunakan asumsi: 1. Udara tidak termampatkan (incompressible), ρ konstan. 2. Bilangan Prandtl udara konstan (panas jenis, konduktivitas, dan vikositas udara konstan). 3. Udara bergerak dalam keadaan steady. 4. Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi. 5. Kecepatan angin dianggap konstan. 7

20 8 6. Aliran udara dianggap laminar. Aliran laminar jika Re<2000 (Holman 1997). Hasil pengukuran di atas selanjutnya menjadi input untuk menyusun pemodelan CFD diantaranya sebagai input kondisi batas. Nilai dan perhitungan aliran laminer pada ruang pengering ditunjukkan pada Lampiran 1. Perhitungan Parameter Kondisi Batas simulasi CFD Kondisi batas untuk pemodelan CFD meliputi beberapa parameter. Perhitungan parameter kondisi batas pada dinding menggunakan persamaan sebagai berikut : a. Perhitungan aliran laminer. (Holman1997). Re =...(1) b.koefisien pindah panas konveksi (h) Koefisien pindah panas konveksi pada dinding dianggap sebagai konveksi bebas. Nilai h ini dinyatakan dalam persamaan yang diberikan Churchill dan Chu dalam Holman (1997) : Gr =... (2) Ra = Gr x Pr... (3) Nu =... (4) h =... (5) Iradiasi surya didefinisikan sebagai fluks dari atap dan dinding bangunan pengering. Fluks panas dapat dihitung melalui persamaan sebagai berikut: = (I x τα) h ( T d T )... (6) c. Perhitungan parameter kondisi batas pada rak. Rak berupa plat berlubang dianggap sebagai porous jump. Nilai α dan C 2 dinyatakan dalam persamaan yang terdapat pada Wulandani (2009). a. Permeabilitas permukaan (α) α =...(7) b. Koefisien porous jump (C 2 ) C 2 =...(8) Rincian perhitungan parameter kondisi batas pada kondisi tanpa beban dapat dilihat pada Lampiran 1. Pembuatan Model Geometri dan Pendefinisian Kondisi Batas Simulasi CFD Alat pengering ERK yang akan disimulasikan terlebih dahulu dibuatkan model geometri 3D dengan menggunakan perangkat lunak Gambit yakni atap, lantai, dinding, atap, inlet dan outlet beserta rakrak pengering. Setelah model geometri dibuat, dilakukan pendefinisian bidang batas setiap bagian geometri, seperti atap, dinding dan lantai didefinisikan sebagai wall, inlet sebagai velocity inlet, outlet sebagai outflow

21 dan rak-rak pengering sebagai porous jump. Setelah pendefinisian selesai dilakukan proses meshing. Simulasi CFD Udara Panas Program fluent 6.3 melakukan beberapa proses sebagai berikut: 1. Mendefinisikan: a. Model, dimana didalamnya ditentukan solver (2D atau 3D), pemakaian energi, viskositas model (laminer atau turbulen) b. Menentukan jenis fluida dan material penyusun bagunan pengering yang digunakan serta sifat termofisiknya. c. Menentukan kondisi operasi (Operating conditions) d. Memasukkan nilai-nilai kondisi batas (Boundary conditions) terhadap domain yang sudah dibuat dengan program Gambit. 2. Melakukan proses inisialisasi. 3. Melakukan proses iterasi. 4. Melihat penampilan hasil simulasi dalam bentuk grid, kontur (suhu kecepatan angin),vektor (suhu, kecepatan). 5. Mendapatkan informasi data yang terkait hasil simulasi untuk keperluan validasi Plot (XY Plot, Residual) Analisis Sebaran Suhu Hasil Simulasi CFD Dari informasi sebaran suhu dengan beberapa skenario yang dilakukan maka dapat dilihat dari pola sebaran suhu udara panas yang dihasilkan pada penampilan hasil simulasi CFD. Validasi Model Simulasi CFD Validasi model dilakukan dengan membandingkan suhu rak hasil simulasi dengan suhu rak hasil pengukuran di lapang. Keakuratan hasil simulasi dengan hasil pengukuran dinyatakan dalam persentase error. Error dinyatakan dengan persamaan: Error=... (9) Menurut Karmeli (2011) dalam Nuryawati (2011), distribusi suhu hasil simulasi juga divalidasi dengan menghitung koefisien keragaman dan koefisien variasi. Apabila Nilai koefisien variasi (CV) kurang dari 15%, maka dikatakan bahwa hasil simulasi telah baik. Persamaan dinyatakan sebagai berikut: CV =... (10) Dimana CV adalah koefisien variasi (coefficient of variation), σ adalah standar deviasi, μ adalah rata-rata suhu hasil simulasi. 9

22 10 Posisi Titik Pengukuran ERK Tipe Rak Berputar A H Arah kanan ruang pengering B G Arah kiri ruang pengering F C D E Gambar 2 Titik Pengukuran ERK Tipe Rak Berputar Keterangan: Pada saat pengukuran di lapangan rak diberi tanda yakni A, B, C, D, E,F, G dan H. Pemberian tanda posisi rak sesuai tingkatan posisi rak pada bagian atas, tengah dan bawah. Rak A pada posisi rak teratas sebelah kanan dan rak H pada posisi rak teratas sebelah kiri, rak B pada posisi dibawah rak A sebelah kanan dan rak G pada posisi bawah rak H sebelah kiri, rak F pada posisi bagian tengah sebelah kiri, rak C pada posisi tengah sebelah kanan, rak D pada posisi rak terbawah sebelah kanan dan rak E pada posisi rak terbawah sebelah kiri. Pada pada saat pemutaran posisi rak akan berubah sesuai skenario yang dilakukan dengan penamaan yang sama. Terdapat tiga ruang rak pengering, dalam satu ruang pengering terdapat 8 jumlah gantungan rak pengering dalam posisi rak atas dan bawah sehingga terdapat 48 rak. Titik pengukuran suhu rak pada rak atas 3 titik pengukuran dan rak bawah 2 titik pengukuran. Pengukuran kondisi batas pada lantai, atap, dinding kanan, dinding kiri, pintu (dinding depan), dan suhu ruang pengering.

23 11 Mulai Simulasi CFD Experimen pengering ERK Tidak Valid (Error suhu < 10%) Ya Skenario terbaik Selesai Gambar 3 Diagram alir prosedur penelitian HASIL DAN PEMBAHASAN Suhu Rak Pengering Hasil Pengukuran Skenario 1 Pada skenario 1 rak tidak dilakukan pemutaran (diam), sehingga posisi rak dalam keadaan tetap. Tabel 1 memperlihatkan tingkat keragaman suhu rak selama pengukuran yang dinyatakan dengan nilai standar deviasi. Nilai standar deviasi rata-rata skenario 1 adalah 0.52 o C pukul WIB.

24 12 Gambar 4 memperlihatkan pengukuran suhu rak pada pukul WIB pada rak A, adalah suhu rak tertinggi. Pada pukul WIB suhu rak tertinggi masih terjadi pada rak A karena posisi rak A berada di bagian paling atas, karena tidak ada perubahan posisi. Nilai standar deviasi pengukuran pukul WIB menunjukkan keragaman tertinggi, yaitu 2.48 o C. Rata-rata nilai standar deviasi selama 1 hari pengukuran suhu pada skenario 1 sebesar 1.70 o C. Nilai iradiasi matahari pada pukul 08.00WIB adalah W/m 2 dan pada pukul WIB adalah W/m 2. Pada pukul WIB, nilai iradiasi matahari yang dihasilkan rendah, hal ini dikarenakan pada pukul WIB mendung (matahari tertutup oleh awan). Adapun suhu yang terukur pengukuran pukul WIB suhu yang dihasilkan besar, hal ini dikarenakan pada saat pengukuran pukul WIB dilakukan tambahan pemanas yakni biomassa pada saat kondisi cuaca mendung, tambahan pemanas dilakukan pada saat pengukuran pukul WIB WIB. Berikut adalah profil sebaran suhu rata-rata setiap rak pada pengukuran tiga titik bagian rak atas dan dua titik bagian rak bawah. Suhu maksimum 44.6 o C, suhu minimum 42.3 o C dan suhu rata-rata o C pengukuran pukul WIB. Pada suhu maksimum 69.8 o C, suhu minimum 62 o C dan suhu rata-rata o C pengukuran pukul WIB. Tabel 1 Tingkat keragaman suhu rak Skenario 1 Waktu (Pukul) Suhu rata-rata Rak A B C D E F G H Ratarata SD Ratarata

25 13 Waktu (Pukul) Gambar 4 Profil suhu rak Skenario 1 Hasil Pengukuran Skenario 2 Skenario 2 dilakukan dengan memutar rak sebesar 45 o setiap jam sekali. Tabel 2 memperlihatkan tingkat keragaman suhu rak selama pengukuran dinyatakan dengan nilai standar deviasi. Nilai standar deviasi pengukuran pukul WIB lebih tnggi dibanding pengukuran pukul WIB hal ini dikarenakan nilai iradisi pengukuran pada pukul WIB sangat rendah, kemudian meningkat pada saat pengukuran pukul WIB sehingga suhu yang diterima pada saat pengukuran pukul WIB signifikan berubah dan menyebabkan rak tidak menerima suhu yang merata. Nilai radiasi matahari pengukuran pukul WIB sebesar W/m 2 dan nilai iradiasi pengukuran pukul WIB sebesar W/m 2 dan nilai standar deviasi pengukuran pukul WIB suhu yang diterima rak dengan peningkatan nilai iradiasi tidak terlalu berubah mengakibatkan suhu rak lebih seragam. Pengukuran pukul WIB suhu rak tertinggi pada rak G dan H dan pukul WIB pada rak D dan E. Pemutaran rak memiliki kelebihan yaitu rak dapat menempati posisi panas matahari yang bergantian di dalam ruang pengering, pemutaran rak mengakibatkan posisi rak tengah, bawah dan atas menempati posisi bergantian. Nilai standar deviasi dipengaruhi jumlah iradiasi pada saat pengukuran, nilai iradiasi surya ratarata pukul WIB adalah W/m 2 dan nilai iradiasi pada pukul WIB adalah W/m 2. Gambar 5 menunjukkan profil suhu ratarata pada setiap rak, pengukuran pukul suhu maksimum 40.7 o C, suhu minimum o C dan suhu rata-rata o C dan pengukuran pukul WIB suhu maksimum 66.7 o C, suhu minimum 65 o C dan suhu rata-rata o C.

26 14 Tabel 2 Tingkat keragaman suhu rak Skenario 2 Waktu (Pukul) Suhu rata-rata Rak A B C D E F G H SD Ratarata Ratarata Waktu (Pukul) Gambar 5 Profil suhu rak Skenario 2 Hasil Pengukuran Skenario 3 Pengukuran skenario 3 dengan melakukan pemutaran rak sebesar 45 o melakukan pemutaran rak dua jam sekali. Hal yang membedakan pada skenario 2 yakni lama pemutaran rak. Tabel 3 memperlihatkan tingkat keragaman dinyatakan dengan standar deviasi. Nilai suhu rak pada skenario 3 kurang seragam dari pada pengukuran skenario 2. Nilai rata-rata standar deviasi suhu rak skenario 3 pengukuran pukul WIB sebesar 1.75 o C dan pukul WIB sebesar 1.60 o C, nilai rata-rata standar deviasi pengukuran skenario 3 adalah 2.12 o C. Nilai standar deviasi yang dihasilkan lebih besar dibanding hasil pengukuran standar deviasi skenario 2, hal ini dikarenakan perbedaan lama waktu pemutaran yakni pemutaran rak pada skenario 2 rak diputar 1 jam sekali sedangkan pemutaran rak skenario 3 dilakukan selama 2 jam sekali. Suhu maksimum pada rak A dan B pukul WIB dan pukul WIB posisi rak G dan H terletak pada posisi

27 atas pengering, pengukuran pukul WIB posisi rak menerima suhu maksimum pada G dan H, posisi rak pada pengukuran pukul WIB dan pengukuran pukul WIB menempati posisi suhu rak tertinggi hal ini dikarenakan pemutaran sudut sebesar 45 o pada pemutaran rak selama 2 pukul sekali. Pengukuran pada skenario 2 posisi rak pengukuran pada pukul WIB dan pengukuran pukul WIB, suhu rak maskimum pengukuran pukul WIB pada rak D dan E sedangkan pengukuran pukul WIB pada rak G dan H. Salah satu kelebihan pemutaran rak adalah posisi rak menempati tempat yang berpindah-pindah sehingga masing-masing rak menerima panas matahari bergantian. Lama pemutaran rak menentukan besarnya suhu standar deviasi yang dihasilkan. Gambar 6 memperlihatkan profil suhu rata-rata rak, suhu rata-rata rak dipengaruhi iradiasi surya rata-rata saat dilakukan pengukuran. Pengukuran pukul WIB iradiasi sebesar W/m 2, nilai iradiasi pada pukul WIB adalah W/m 2. Pengukuran pukul WIB suhu maksimum 40.7 o C, suhu minimum 35.2 o C dan suhu rata-rata o C dan pengukuran pukul WIB suhu maksimum o C, suhu minimum 65 o C dan suhu rata-rata 65 o C. 15 Tabel 3 Tingkat keragaman suhu rak Skenario 3 Waktu (Pukul) Suhu rata-rata Rak A B C D E F G H Ratarata Ratarata SD

28 16 Waktu (Pukul) Gambar 6 Profil suhu rak Skenario 3 Hasil Pengukuran Skenario 4 Skenario 4 rak diputar selama 1 jam dengan sudut putaran 90 o, tabel 5 memperlihatkan nilai standar deviasi yang dihasilkan pengukuran pukul WIB 0.68 o C dan pengukuran pukul WIB adalah 2.95 o C. Nilai standar deviasi pengukuran pukul WIB pada skenario 4 lebih rendah dibanding pengukuran skenario 1, 2 dan 3. Hal ini dikarenakan nilai iradiasi saat pengukuran lebih rendah dibanding nilai iradiasi skenario 1, 2 dan 3. Rata-rata nilai standar deviasi pengukuran skenario pukul WIB WIB sebesar 2.19 o C. Nilai suhu maksimum pada rak H dan A pengukuran pukul WIB, posisi rak H dan B berada pada posisi bagian paling atas rak pengering dan pengukuran pukul WIB pada rak A dan B berada pada posisi paling atas rak pengering. Kesergaman suhu rata-rata rak terlihat pada Gambar 7 yakni suhu rak kurang merata. Iradiasi surya ratarata pukul WIB W/m 2 dan nilai iradiasi pengukuran pukul WIB adalah W/m 2. Pengukuran pukul WIB suhu maksimum 41.3 o C, suhu minimum 37 o C suhu rata-rata 39.9 o C dan pengukuran pukul WIB suhu maksimum 70.7 o C, suhu minimum 66.2 o C, suhu rata-rata o C.

29 Tabel 4 Tingkat keragaman suhu rak Skenario 4 Waktu (Pukul) Suhu rata-rata Rak A B C D E F G H Ratarata Ratarata SD 17 Waktu (Pukul) Gambar 7 Profil suhu rak Skenario 4 Hasil Pengukuran Skenario 5 Pengukuran pada skenario 5 rak diputar dengan sudut 135 o selama 1 jam sekali. Tabel 5 memperlihatkan nilai standar deviasi dihasilkan pukul WIB sebesar 1.64 o C dan pengukuran pukul WIB 1.85 o C. Ratarata nilai standar deviasi pengukuran skenario 5 sebesar 1.67 o C nilai standar deviasi pengukuran skenario 5 merupakan nilai standar deviasi terkecil dibanding skenario yang lain (skenario 1 sampai skenario 6). Hal ini dikarenakan pemutaran rak sejauh 135 o rak berpindah jauh sehingga rak pada posisi tengah dan bawah bergeser ke atas bagian rak pengering, pemutaran rak sejauh 135 o mempengaruhi suhu rak pada bagian tengah dan bawah berganti posisi menempati posisi rak atas dalam ruang pengering. Pada Gambar 8 memperlihatkan suhu rak maksimum pada rak A dan E pengukuran pukul WIB dan rak E dan F pengukuran pukul WIB. Masing-masing skenario menghasilkan posisi suhu rak maksimum

30 18 yang berbeda-beda sesuai dengan pergeseran sudut yang dilakukan saat pemutaran rak. Adapun kesulitan saat pengukuran yakni saat melakukan pemutaran rak, termokopel tergulung dan lepas dari posisi pengukuran. Pengukuran pukul WIB iradiasi surya rata-rata W/m 2 dan nilai iradiasi pengukuran pukul WIB W/m 2. Pengukuran pukul WIB suhu maksimum o C, suhu minimum 49.7 o C, suhu rata-rata o C dan pengukuran pukul WIB dan suhu maksimum 77.3 o C, suhu minimum 73 o C dan suhu rata-rata o C. Tabel 5 Tingkat keragaman suhu rak Skenario 5 Waktu (Pukul) Suhu rata-rata Rak A B C D E F G H SD Ratarata Ratarata Waktu (Pukul) Gambar 8 Profil suhu rak Skenario 5 Hasil Pengukuran Skenario 6 Pengukuran pada skenario 6 rak diputar sebesar 180 o diputar selama satu jam sekali. Hasil pengukuran pada skenario 6 suhu maksimum, pada rak A dan rak B pukul WIB dan pukul WIB. Keragaman rak

31 diyatakan pada Gambar 9 nilai suhu rak atas, tengah dan bawah kurang seragam. Suhu yang dihasilkan pada setiap pukul memiliki perbedaan yang besar. Rak bagian atas dan bawah akan menempati posisi yang bergantian, sedangkan rak bagian posisi tengah saat dilakukan pemutaran berada di posisi bagian tengah. Nilai standar deviasi pengukuran pukul WIB 1.09 o C dan pengukuran pukul WIB 1.8 o C. Nilai rata-rata standar deviasi rata-rata pengukuran pemutaran rak pukul WIB WIB sebesar 2.09 o C, nilai standar deviasi lebih tinggi dibanding pengukuran skenario 5. Kesulitan pada saat pengukuran yakni saat pemutaran termokopel tergulung dan putus dari rak hal ini dikarenakan rak diputar terlalu jauh. Iradiasi surya rata-rata pukul WIB adalah W/m 2 dan nilai iradiasi pada pukul WIB adalah W/m 2. pengukuran pukul WIB suhu maksimum 42.1 o C, suhu minimum 38.8 o C, suhu rata-rata 40.1 o C, dan pengukuran pukul WIB suhu maksimum 71.9 o C, suhu minimum 68.7 o C dan suhu rata-rata o C. Tabel 6 Tingkat keragaman suhu rak Skenario 6 Rak Suhu rata-rata Waktu (Puku) A B C D E F G H Ratarata Ratarata SD Waktu (Pukul) Gambar 9 Profil suhu rak Skenario 6

32 20 Penentuan Putaran Rak Terbaik Nilai standar deviasi rata-rata pengukuran masing-masing skenario terlihat pada Gambar 10. Nilai standar deviasi terendah pada pengukuran skenario 5 sebesar 1.67 o C dengan pemutaran rak sejauh 135 o selama 1 jam sekali, nilai standar deviasi terendah kedua yakni pengukuran pada skenario 1 nilai standar deviasi sebesar 1.70 o C, pengukuran suhu rak pada skenario 2, 3 dan 4 menghasilkan nilai standar deviasi terbesar. Penentuan putaran terbaik dihasilkan dari nilai standar terendah saat pengukuran, hal ini menunjukkan tingkat keragaman suhu masing-masing rak pada posisi rak yang berbeda. Sehingga semakin besar standar deviasi semakin besar pula tidak seragamnya. Pemutaran rak memiliki kelebihan yakni posisi rak akan menempati letak yang bergantian sehingga masing-masing rak akan memperoleh panas yang lebih merata. Gambar 10 Rata-rata standar deviasi masing-masing skenario Kelembaban Udara dan Iradiasi Surya pada Ruang Pengering Kelembaban udara ruang pengering dipengaruhi oleh suhu dan tekanan uap udara.suhu yang meningkat di dalam ruang pengering menyebabkan tekanan uap udaranya juga meningkat sehingga menyebabkan tekanan uap yang tinggi bergerak menuju tekanan yang lebih rendah yaitu kearah outletnya. Kelembaban udara ruang pengering selama proses pengeringan berlangsung secara terus menerus akan mengurangi uap air yang ada di dalam ruang pengering, dengan demikian kelembaban udaranya dari semula tinggi menjadi rendah karena pergerakan udara dari tekanan tinggi menuju tekanan rendah. Kelembaban udara rata-rata ruang pengering yang diperoleh pada skenario 1adalah 52.82%, skenario 2 adalah 65.03%, skenario 3 adalah 50.78%, skenario 4 adalah 55.89%, skenario 5 adalah 45.37% dan skenario 6 adalah 48.52%. Faktor yang menyebabkan kelembaban udara ruang pengering berubah yaitu: iradiasi matahari yang berpengaruh terhadap perubahan suhu ruang pengering dan udara lingkungan, peningkatan suhu dalam ruang pengering oleh pengaruh penyebaran panas secara konveksi. Suhu dan kelembaban dalam ruang pengering mempengaruhi laju pengeringan. Pada penelitian ini suhu ruang pengering tanpa bahan memiliki suhu rata-rata 50 o C-73 o C, sedangkan suhu rata-rata pengering

33 mengunakan bahan produk pada pengeringan sawut ubi jalar menghasilkan suhu pengering rata-rata 40 o C-60 o C (Utari 2013). RH rata-rata pengering tanpa mengunakan bahan sebesar 53.06% sedangkan RH rata-rata pengering pada sawut ubi jalar sebesar 46.49%. Hal ini menunjukkan hubungan semakin besar suhu pada saat pengeringan maka kelembaban pada ruang pengering akan semakin rendah. Hubungan antara waktu pengamatan terhadap radiasi matahari mempengaruhi laju pengeringan. Nilai iradiasi matahari rata-rata masing-masing skenario 700W/M 2. Nilai radiasi matahari, RH dan kecepatan angin terlampir pada Lampiran 4. Pemodelan Simulasi CFD Suhu Rak Pengering Bentuk Model Pengering dengan Gambit Bentuk domain 3D ruang pengering diperoleh dari proses pembentukkan geometri ruang pengering menggunakan software Gambit Domain adalah betuk dasar bangunan pengering dengan kondisi batas pada dinding, atap, lantai, inlet outlet fan dan rak-rak pengering. Pembentukkan grid ruang pengering dengan nilai mesh 60 mm, karena ukuran worst mesh dihasilkan lebih kecil dari 0.85, nilai meshing yang sudah dibuat sudah baik (Tuakia F. 2008). Pembentukkan grid ini menggunakan Tet/ Hybrid yang berarti aliran fluida akan melalui jaringan mengikuti bentuk ruang pengeringnya dan jaringan tersebut dapat berbentuk segiempat, segilima, atau segienam sesuai bentuk ruang pengeringnya. Bentuk simulasi domain utama model pengering serta grid ruang pengering sama untuk 6 skenario. Grid domain memberikan jalur lintasan yang dilalui oleh rambatan atau aliran udara panas maupun aliran udara yang bergerak dari inlet menuju outletnya melalui pencampuran dan initial condition untuk membentuk distribusi dan kecepatan aliran udara. Hasil Simulasi Pukul Simulasi CFD pengering ERK bertujuan untuk mengetahui pola dan sebaran suhu yang terjadi pada ruang pengering. Bentuk Simulasi dengan kondisi tanpa beban dilakukan dengan waktu yang berbeda yaitu pada pukul WIB dan pukul WIB. Data input kondisi batas simulasi yakni suhu dinding kanan, dinding kiri, dinding depan (pintu), lantai dan atap masing-masing skenario terlampir pada Lampiran 4. Nilai suhu rata-rata pengukuran dengan suhu simulasi hampir sama, Perbedaan nilai simulasi dan nilai suhu pengukuran dinyatakan dalam error. Suhu rata-rata pengukuran terbesar pada skenario 5 sebesar o C standar deviasi pengukuran sebesar 1.64 o C dan nilai suhu simulasi sebesar o C dengan standar deviasi simulasi 2.21 o C. Besarnya nilai suhu simulasi dan suhu pengukuran dipengaruhi oleh besarnya iradiasi saat pengukuran dilapangan. Besar standar deviasi simulasi mempengaruhi warna tampilan dihasilkan saat simulasi. Hasil simulasi menghasilkan nilai standar deviasi yang lebih besar dibandingkan dengan nilai standar deviasi hasil pengukuran. Hasil pengukuran didasarkan pada 6 skenario pengukuran hasil standar deviasi terkecil, sedangkan pada simulasi didasarkan pada kualitas mesh pembentukan rak pengering sebesar 60 mm, kualitas mesh yang diperoleh 21

34 22 sebesar Nilai kualitas mesh dihasilkan lebih kecil dari 0.85, ini berarti meshing yang sudah dibuat sudah baik ( Tuakia F 2008). Gambar dibawah ini memperlihatkan perbedaan distribusi suhu rak yang dinyatakan dalam tingkatan warna yang dihasilkan saat simulasi untuk masing-masing skenario dengan posisi titik pengukuran pada masing-masing skenario. Sebaran suhu udara di rak pengering dipengaruhi oleh kecepatan udara yang masuk ke ruang pengering (inlet), kecepatan udara yang keluar dari ruang pengering (outlet). Aliran udara di dalam ruang pengering memiliki besaran yang digambarkan dari nilai kecepatan aliran udara dan juga memiliki arah aliran yang digambarkan dengan degradasi warna pada ruang pengering. Hasil simulasi CFD dapat diyatakan dalam tampilan kontur dan vektor, vektor diyatakan untuk mengetahui pergerakkan udara yang berada di dalam ruang pengering yakni pergerakan udara yang masuk dari inlet dan keluar menuju otlet. Kecepatan angin dan besarya iradiasi matahari terlampir pada Lampiran 5. Kontur pada CFD ditampilkan untuk melihat gradasi warna pada rak pengering agar mengetahui besarnya panas yang diterima rak pada saat pengukuran. Keuntungan dari pada kontur pada penelitian ini yakni mengetahui besarnya suhu titik-titik pengukuran selain pada titik pengukuran di lapangan, sehingga dapat memprediksi besarnya suhu rak pengering dalam kondisi yang berbeda dengan waktu pengukuran yang berbeda untuk masing-masing skenario. Nilai boundary conditions untuk masing-masing skenario berbeda sesuai dengan nilai hasil pengukuran dilapangan dengan perhitungan yakni nilai heat flux, poros jump, heat transfer, velocity inlet dan outflow. Nilai poros jump pada semua skenario sama hal ini dikaranakan rak yang pergunakan sama untuk semua skenario, sedangkan nilai heat flux, heat transfer, velocityinlet dan outflow berbeda sesuai dengan perhitungan analisis data pengukuran di lapang. Berikut adalah gambar kontur hasil simulasi pada pengukuran pukul WIB. Gambar 11 Simulasi Skenario 1