KAJI NUMERIK PORTABLE PORTABLE COLD STORAGE TERMOELEKTRIK TEC

Transkripsi

1 KAJI NUMERIK PORTABLE PORTABLE COLD STORAGE TERMOELEKTRIK TEC Denny M. E Soedjono (1), Joko Sarsetiyanto (2), Dedy Zulhidayat Noor (3), Davit Priabodo 4) 1),2),3),4) Progra Studi D3 Teknik Mesin FTI-ITS Eail : dsoedjono@gail.co Abstrak. Portable Portable cold storage adalah suatu ruangan yang suhunya dijaga di bawah suhu udara luar dengan tujuan supaya barang yang disipan didalanya tidak rusak. Barang-barang yang biasanya disipan di dala portable portable cold storage adalah es kri, daging-dagingan, buah-buahan, susu dan produk olahannya, serta barang-barang lain yang udah rusak bila disipan pada suhu kaar. Pola distribusi teperatur pada portable portable cold storage dipengaruhi oleh geoetri ruangan, suber panas, jenis, letak, dan posisi teroelektrik. Penelitian ini dibagi enjadi dua bagian, yaitu etoda nuerik dan uji laboratoriu. Metoda nuerik ensiulasikan pola pendistribusian teperatur di ruangan, sedangkan pada uji laboratoriu dilakukan pengaatan untuk hal yang saa seperti pada siulasi nuerik. Hasil penelitian ini secara global enunjukkan kesesuain tetapi pada teperatur hasil nuerik dengan hasil eksperien terdapat perbedaan yaitu hasil nuerik enunjukkan 19.0 o C dan pada hasil eksperien enunjukkan 19.7 o C dengan tingkat error 3,6 %. Kata kunci : distribusi teperatur, portable portable cold storage, teroelektrik 1. Pendahuluan Latar Belakang Bahan pangan berdasarkan uur sipannya dibedakan enjadi tiga jenis yaitu bahan pangan yang udah rusak (perishable), bahan pangan sei perishable, dan bahan pangan non-perishable. Untuk eperpanjang uur sipan bahan pangan (uunya bahan pangan perishable dan sei perishable) aka dilakukan pengawetan. Pengawetan bahan pangan dapat dilakukan dengan berbagai cara yang uunya bekerja atas dasar eatikan atau enghabat pertubuhan ikroorganise guna eperpanjang daya sipan suatu bahan pangan. Salah satu etode pengawetan bahan pangan tersebut yaitu dengan pengawetan suhu rendah. Pengawetan bahan pangan pada suhu rendah dapat eperlabat reaksi etabolise. Selain itu dapat juga encegah pertubuhan ikroorganise penyebab kerusakan atau kebusukan bahan pangan. Pengawetan pada suhu rendah dapat enghabat kerusakan akanan, antara lain kerusakan fisiologis, kerusakan enziatis aupun kerusakan ikrobiologis. Pada pengawetan dengan suhu rendah dibedakan antara pendinginan dan pebekuan. Pendinginan dan pebekuan erupakan salah satu cara pengawetan yang tertua. Penyipanan bahan pangan pada suhu dingin sangat diperlukan walaupun dala waktu yang singkat karena bertujuan untuk : a. Mengurangi kontainasi b. Mengendalikan kerusakan oleh ikroba c. Mengendalikan pertubuhan ikroorganise, gunanya agar kerusakan bahan pangan selaa penyipanan dapat diperkecil saat bentuk belu dipotong-potong. Hasil pertanian, khususnya buah-buahan dan sayur-sayuran tropis sensitif terhadap pendinginan. Penyipanan pada suhu rendah akan enyebabkan kerusakan bahan pangan yang disebut chilling injury. Pebekuan yang dilakukan terhadap buah-buahan dan sayur-sayuran enyebabkan bahan enjadi lunak, jika bahan pangan dikeluarkan dari tepat pebekuan. Hal ini disebabkan karena di luar bahan pangan akan engalai pencairan dari air yang telah ebeku, sehingga tekstur yang keras enjadi lunak. Pengaruh pendinginan terhadap bahan pangan diantaranya penurunan suhu akan engakibatkan penurunan proses kiia, proses ikrobiologi, proses biokiia yang berhubungan dengan kerusakan atau pebusukan. Pada suhu di bawah 0 o C air akan ebeku dan terpisah dari larutan ebentuk es. Pengaruh pebekuan pada jaringan tergantung pada kadar air dan koposisi sel. Pengaruh pebekuan pada suhu -12 o C belu dapat diketahui secara pasti, oleh sebab itu penyipanan akanan beku pada suhu dibawah 18 o C akan encegah kerusakan ikrobiologis. Ruusan Masalah Dala penelitian ini, asalah yang akan dibahas adalah : 1. Bagaiana hasil teperatur dala dinding yang dihasilkan oleh thero elektrik, sesuai dengan data awal yang telah didapat elalui pengukuran dan yang telah di tentukan? 2. Bagaiana distribusi teperatur hasil analisis portable portable cold storage jika disiulasikan dengan progra Ansys 14.0 secara 3D dengan data awal yang di tetapkan? E9. 1

2 Batasan Masalah Dala pebahasan perencanaan ini, penulis eberikan batasan asalah untuk lebih efokuskan isi laporan, sebagai berikut : 1. Menggunakan thero elektrik sebesar 72att 2. Batas beban aksiu yang di gunakan adalah 27 o C, yaitu suhu ruangan 3. Kondisi luar portable coldstorage terisolasi, sehingga analisis beban pendinginan hanya enghitung perpindahan panas secara konduksi 4. Kondisi steady state 5. Typical Stainless steel cleaned 6. Tidak ada assa benda lain didala portable portable cold storage Metodologi Pada penelitian ini, ebahas engenai kaji nuerik portable portable cold storage enggunakan thero elektric dala pebahasannya terdapat 4 tahapan pokok yang dilakukan, diantaranya : Tahap pertaa adalah elakukan identifikasi asalah yang diduga terdapat berbagai asalah yang dapat diselesaikan dengan disiplin ilu yang dipahai, keudian dari berbagai perasalahan yang ada diruuskan enjadi ruusan asalah, setelah ruusan asalah didapat, keudian enentukan tujuan dan anfaat dari penelitian. Selain itu, perlu elakukan studi pustaka dari berbagai teori penunjang dan beberapa penelitian sebelunya. Tahap kedua adalah elakukan pengabilan data. Data-data yang diperlukan sebagai suber yang terpercaya dan berisi tentang ass flow of stea, pressure, teperature, dan efficiency yang telah dirancang dari asingasing input-output. Tahap ketiga adalah pengolahan data. Data-data tersebut digunakan untuk engetahui besar unjuk kerja theroelektrik, enghitung koefisien perpindahan panas konduksi dan konveksi yang terjadi yang akan digunakan sebagai data input untuk disiulasikan pada Progra ANSYS Selain itu, enghitung unjuk kerja dibutuhkan ass flow dan enthalpy. Enthalpy didapatkan dari tabel therodinaika diana hanya ebutuhkan 2 paraeter utaa dala encari enthalpy yaitu data pressure dan teperature.. Perancangan Alat Pada tahap ini proses perancang alat diulai, diulai dari pebuatan desain alat, peilihan bahan seperti box sterofoa, dinding stainless steel, peltier( thero electric), heat sink, dan kipas. Setelah bahan telah dipilih keudian tahap pebuatan dan peasangan bahan hingga alat siap diuji. Pengabilan Data Data tentang portable cold storage ini kai peroleh dari pengukuran pada coldstorage yang sudah jadi. Data yang diperoleh, berupa : a. Teperatur teroelektrik : 6 o C b. Teperatur ruang : 27 0 C c. Voltase listrik : 12 V d. Arus listrik: 10 A e. Diensi Portable cold storage Perhitungan Untuk encari laju perpindahan panas secara konduksi didapat persaaan : q x = k (1) diana : q : Laju perpindahan panas () q x : Fluks panas adalah laju perpindahan panas k kearah subu x positif per unit luasan yang tegak lurus arah perpindahan panas. : Gradient teperatur q x = k A (2) : Konduktivitas panas (/ºK) adalah karakteristik individu aterial dinding. Dan untuk encari laju perpindahan panas secara konveksi dapat dicari elaluli persaaan: q = h (T s - T ) (3) Keterangan: q : fluks panas konveksi ( / 2 ) q = h A (T s - T ) (4) E9. 2

3 T s: teperatur perukaan padat (K) T : teperatur rata-rata fluida (K) h : koefisien perpindahan panas konveksi (disebut juga konduktansi fil/lapisan fluida [/ 2.K]) Siulasi Alat Setelah pebuatan alat selesai keudian asuk pada proses pensiluasian alat yang telah ada. Pada tahap siulasi dilakukan pebuatan design portable portable cold storage dala bentuk 3D elalui Progra ANSYS Hasil dan Pebahasan Desain Portable Portable cold storage Gabar 1 Diagra alir siulasi ANSYS 14.0 Gabar 2 Rancangan portable cold storage Pada ANSYS 14.0 untuk design portable cold storage enggunakan teperatur tetap (stady-state theral) dan di design enggunakan odel 3D. Bahan yang digunakan dan diensi benda antara lain : a) Stainless Steel Type Cleaned E9. 3

4 b) Diensi portable cold storage 1. Tebal plat = 0,5 2. Panjang = Lebar = Kedalaan = 110 Perhitungan Perpindahan Panas Data awal yang tersedia: 1. T = T cl = 6 C = 279 K V in = 12 Volt DC 4. A in = 9 Aphere Penyelesaian: Analisis untuk ebuktikan teperatur dala ruang coldstorage yang terbuat dari stainless steel adalah sebagai berikut: Dari teperatur ruang pada coldstorage adalah 27ºC aka, didapatkan harga koefisien theral (k): k = 15,1 Dari teperature ruang 27ºC dan, didapatkan harga eissivity (ε) sebesar: ε stainless steel = 0.22 di dapat dari tabel A.11 [3] dengan tipe cleaned Asusi : 1. Kondisi tunak 2. Kondisi dinding 1 diensi 3. Tidak ada sirkulasi di dala ruangan Maka : T2 T1 q" k L K K 5x10 q q" xa x Sedangkan untuk panas konveksi yg terjadi di dala portable portable cold storage dengan asusi di dala terjadi konveksi bebas dengan nilai konveksivitas aka dengan cara: q" konv h Ts T K K q konv Aq" x Untuk ebuktikan teperatur yang asuk aka: Berdasarkan prinsip kesetibangan energi pada perukaan pada dinding plat yang pada perukaan aturnya tidak terdapat assa atau volue aka tidak ada panas yang tersipan aupun panas yang di bangkitkan. Jadi hanya terjadi fenoena perukaan saja yang erupakan perpndahan panas konduksi dan yang keluar dari perukaan adalah perpindahan panas konveksi dan radiasi antara perukaan dan lingkungan, sehingga didapat persaaan : q konduksi q konveksi - q radiasi = 0 (5) Dikarenakan tidak ada sirkulasi aliran fluida oleh tarikan gaya buoyancy yang dihasilkan oleh adanya variasi assa jenis fluida (variasi assa jenis fluida yang dihasilkan karena adanya perbedaaan teperatur antara satu lokasi dengan lokasi lain dala satu wadah) aka q Konveksi = 0 Sehingga : q konduksi - q Radiasi = 0 q Konduksi = q Radiasi T 1= K = = o C T1 T2 4 4 k T s T sur L T 279K x5.67x10 279K 300 K K 5x10 K E (6)

5 Jadi di dapat teperatur dinding dala plat yang enepel pada teroelektrik sebesar 5, o C atau 278, K Analisa Grid Independensi Dala studi studi nuerik enggunakan Sofware ANSYS 14.0 diperluka keakuratan data, baik pada langkah sebelu proses aupun setelah prosesnya. Hal ini dilakukan agar data yang diperoleh dapat divalidasi pada aplikasi sebenarnya. Untuk itu diperlukan langkah grid independensi untuk enentukan tingkat serta struktur grid terbaik agar hasil peodelan endekati sebenarnya. Tabel 1 Analisa Grid Independensi pada Teperature Grid Faces Kualitas Mesh Tep A ,1 18,192 B ,1 18,433 C ,1 18,501 D ,1 18,362 E ,1 18,767 Pada Tabel 1 enunjukkan variasi eshing odel uji pada peodelan 3D portable portable cold storage. Meshing A erupakan eshing yang paling renggang dengan julah faces 13770, sedangkan eshing E adalah eshing yang paling rapat dengan julah faces Dari tabel 4.2 dapat dilihat bahwa pada eshing grid B dan C dengan variasi eshing yang berbeda, ternyata enghasilkan nilai teperature yang hapir saa. Oleh karena itu pada variasi eshing B dan C dapat disipulkan bahwa dengan eshing yang berbeda ternyata eiliki tingkat grid independensi yang dilakukan oleh solusi nuerik, eskipun kedua variasi eshing tersebut eiliki selisih faces yang cukup jauh, tepertur yang dihasilkan hapir saa. Selanjutnya akan digunakan variasi Meshing C untuk elakukan siulasi nuerik pada ansys. Siulasi Desain Portable portable cold storage pada Progra Ansys Pada ANSYS 14.0 untuk design portable portable cold storage enggunakan teperatur tetap (steady-state theral) dan di design enggunakan odel 3D. Dari data diensi yang sudah didapatkan dari hasil pengukuran, aka desain dari portable cold storage sendiri dapat dirancang enjadi 3D. Berikut erupakan spesifikasi bahan yang dipergunakan untuk dinding Portable cold storage: Bahan Portable cold storage 1. Stainless Steel Type Cleaned 2. Diensi Portable cold storage Tebal plat = 0,5 Panjang = 190 Lebar = 140 Kedalaan = 110 Gabar 3 Hasil eshing pada ruangan Hasil Meshing yang didapat dengan kualitas es 0.1 dan pada grid 3 atau C aka didapat faces total Mesh yang di gunakan enggunakan tipe grid atau Hex Mapped Gabar 4 Hasil teperatur siulasi dinding E9. 5

6 Pada grafik yang didapat langsung dari hasil siulasi Ansys 14.0 enunjukkan bahwa adanya penurunan teperatur. Garis berwarna erah enunjukkan teperatur pada peltier atau teroelektrik. Garis berwarna hijau enunjukkan teperatur pada dinding ruangan portable cold storage. Gabar 5 Hasil siulasi heat flux Pada gabar ini enunjukkan total heat flux dari hasil siulasi pada Ansys yang ana yang ana heat flux aksial terjadi di daerah teroelektrik sedangkan heat flux terkecil berada pada daerah yang ditunjukkan titik biru. Gabar 6 Result teperatur Ruangan Dari hasil siulasi didapat bahwa penyebaran yang terjadi pada ruangan cold storge adalah perpindahan panas secara konveksi bebas yang eiliki nilai konveksivitas (h) sebesar Kesipulan dan Saran Kesipulan Adapun kesipulan yang dapat diabil dari analisa perhitungan dan perencanaan portable cold storage ini adalah sebagai berikut : 1. Berdasarkan pengukuran pada perukaan thero elektrik enggunakan teroeter dan juga therocouple didapat angka 6 o C. Sedangkan dari hasil perhitungan didapatkan hasil dengan nilai 5, o C. Ini enunjukkan bahwa hasil perhitungan dan pengaatan endekati. 2. Berdasarkan hasil analisis portable cold storage jika disiulasikan enggunakan progra Ansys 14.0 dapat disipulkan bahwa dari teperatur yang di tetapkan yaitu T sur 300 K dan T s 279 K dan juga waktu pengoprasian selaa 2 ja (7200 detik). Sehingga di dapat distribusi teperatur dan juga penurunan teperatur ruangan cold storange secara perlahan hingga encapi teperatur tetap. 3. Perbandingan teperatur dari teroelektrik antara data perhitungan dengan data siulasi dapat disipulkan bahwa teperatur yang dihasilkan adalah saa, pada titik terdekat oleh thero elektrik. Tetapi pada teperatur hasil nuerik dengan hasil eksperien terdapat perbedaan yaitu hasil nuerik enunjukkan 19 o C dan pada hasil eksperien enunjukkan 19.7 o C dengan tingkat error 3,6 % pada titik terjauh. Saran 1. Menabah fan pada sisi dingin atau didala ruang portable coldstorage supaya distribusi teperatur lebih erata 2. Perlu dikaji ulang teperatur yang digunakan untuk encari properties pada konduksi dinding jika kondisinya tidak steady state Daftar Pustaka [1] Soedjono, Denny M E dkk. Kaji Eksperiental Distribusi Teperatur pada Portable Cold Box dengan Teroelektrik Tec Prosiding SENATEK IV ITATS (ISBN ) hal. B37-48, 26 Oktober [2] Hebei IT. Theroelectric Cooler TEC [Online] Dikutip: 15 April 2015 [3] Incropera, Frank P. dkk. Fundaentals of Heat And Mass Transfer, Seventh Edition. United State of E9. 6

7 Aerica : Jhon iley & Sons, Inc [4] Moran, Michael J. & Shapiro, Howard N. Fundaentals of Engineering Therodynaics 7 th edition. United State of Aerica : Jhon iley & Sons, Inc [5] Goldsid, H. J. "Introduction to theroelectricity". Tasania: Springer [6] N. Nakasone, T. A. Stolarski and S. Yoshioto, Engineering Analysis ith ANSYS Software. British : Elsevier Butterworth Heineann. E9. 7