ALFREDO DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

Transkripsi

1 SIMULASI PENENTUAN POSISI DAN DAYA KIPAS UNTUK KESERAGAMAN POLA ALIRAN UDARA PANAS PADA PENGERING ERK TIPE RAK DENGAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) ALFREDO 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 Simulasi Penentuan Posisi dan Daya Kipas untuk Keseragaman Pola Aliran Udara Panas pada Pengering ERK Tipe Rak dengan Metode Computational Fluid Dynamics (CFD) 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, Februari 2014 Alfredo NIM F

4 ABSTRAK ALFREDO. Simulasi Penentuan Posisi dan Daya Kipas untuk Keseragaman Pola Aliran Udara Panas pada Pengering ERK Tipe Rak dengan Metode Computational Fluid Dynamics (CFD). Dibimbing oleh DYAH WULANDANI. Pengering 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 atau sebagai penyeragaman suhu di dalam pengering. Sumber energi pada pengering ERK diperoleh dari surya dan pembakaran biomassa. Masalah ketidakmerataan aliran udara panas di dalam ruang pengering, masih menjadi salah satu yang selalu terjadi. Pemecahan masalah ketidakmerataan aliran udara panas dapat dilakukan dengan metode Computational Fluid Dynamics (CFD). Penelitian ini bertujuan untuk mensimulasikan aliran udara panas dalam ruang pengering, lalu memvalidasikan hasil tersebut dan memodifikasi posisi kipas untuk sebaran udara panas yang lebih seragam. Metode simulasi dengan CFD dapat digunakan untuk mengetahui pola aliran udara panas dalam pengering. Validasi suhu dilakukan pada pukul 08.00, dan dengan kondisi tanpa beban, menunjukkan hasil simulasi yang sesuai dengan kondisi nyata. Modifikasi posisi penempatan kipas menggunakan 5 skenario. Pada simulasi modifikasi dengan kondisi memakai beban pada pukul hari pertama pengeringan. Menunjukkan bahwa modifikasi 5, yaitu posisi kipas pada outlet atas sebelah kiri dan kanan pengering memberikan hasil distribusi suhu udara pengering yang paling seragam. Kata kunci: Aliran udara panas, CFD, ERK ABSTRACT ALFREDO. Simulation of Determination Fan Position for Uniformity Pattern Heat Air Flow at Greenhouse Effect (GHE) Solar Dryer Rack Type with Computational Fluid Dynamics (CFD). 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) and fans to discharge vapor evaporated from product or to uniform heat air flow in dryer. The GHE solar dryer uses thermal energy source from the sun and biomass combustion. Un-uniformity of heat air flow in dryer chamber is still to be a big problem. Un-uniformity of heat air flow problem can be solved by using Computational Fluid Dynamics (CFD) method. The objective of the research is to simulate heat air flow in drying chamber then validate these results and modify position of fan for heat air distribution more uniform. Simulation of Computational Fluid Dynamics can be used to determine the heat air flow pattern in dryer. Validation of temperature performed at eight, twelve and sixteen o clock with no load condition, have shown similar trend between simulation result and experiment of drying temperature distribution. Modification of the position of the fan placement using 5 scenario. Simulation performed with load condition at

5 twelve o clock on the first day of drying. Simulation results show that modification 5, the position of the fan on the outlet on the left and the right of drying wall showed the best uniform of drying temperature distribution. Keywords: CFD, GHE, heat air flow

6 SIMULASI PENENTUAN POSISI DAN DAYA KIPAS UNTUK KESERAGAMAN POLA ALIRAN UDARA PANAS PADA PENGERING ERK TIPE RAK DENGAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) ALFREDO 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

7

8 Judul Skripsi : Simulasi Penentuan Posisi dan Daya Kipas untuk Keseragaman Pola Aliran Udara Panas pada Pengering ERK Tipe Rak dengan Metode Computational Fluid Dynamics (CFD) Nama : Alfredo NIM : F Disetujui oleh Dr Ir Dyah Wulandani, M.Si Pembimbing Akademik Diketahui oleh Dr Ir Desrial, M. Eng Ketua Departemen Tanggal Lulus:

9 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus 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 Simulasi Penentuan Posisi dan Daya Kipas untuk Keseragaman Pola Aliran Udara Panas pada Pengering ERK Tipe Rak dengan Metode Computational Fluid Dynamics (CFD) Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Dr Ir Dyah Wulandani, M.Si selaku pembimbing, yang telah memberikan bimbingan, arahan, motivasi kepada penulis, Dr Ir Emmy Darmawati, M.Si dan Dr Muhamad Yulianto ST, MT sebagai dosen penguji yang telah memberikan saran untuk penelitian ini. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada mama, abang, dan adik atas segala dukungan dan doanya. Terima kasih juga penulis ucapkan kepada teman-teman sebimbingan (Elsamila, Stephani, Adit, dan Sueritah), TEP Orion 46, Komlit 46 (Eka, Victor, Jorex, Hera, dll), Komlit 47, 48, 49 atas semangat, doa dan dukungan yang telah diberikan. Kepada pak Darma, pak Harto dan teknisi departemen lainnya atas bantuannya. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat. Bogor, Februari 2014 Alfredo

10 DAFTAR ISI DAFTAR TABEL xi DAFTAR GAMBAR xi DAFTAR LAMPIRAN xii DAFTAR SIMBOL xiii PENDAHULUAN 1 Latar Belakang 1 Perumusan Masalah 2 Tujuan Penelitian 3 Manfaat Penelitian 3 Ruang Lingkup Penelitian 3 TINJAUAN PUSTAKA 3 Pengeringan 3 Aplikasi CFD pada Pengeringan Efek Rumah Kaca 4 CFD 5 Computational Fluid Dynamics (CFD) 5 Proses Simulasi CFD 6 METODE 6 Waktu dan Tempat 6 Bahan 7 Alat 7 Prosedur Penelitian 8 Persiapan Alat 8 Pengukuran dan Perhitungan 8 Pembuatan Model Geometri dan Pendefinisian Kondisi Batas 9 Percobaan Pengeringan Tanpa Beban (Percobaan 1 dan 2) 9 Simulasi dan Validasi Tanpa Beban 9 Simulasi dan Validasi Dengan Beban 9 Simulasi Modifikasi Penempatan Posisi Kipas dan Uji Keseragaman 10 Validasi Model 10 HASIL DAN PEMBAHASAN 11 Tahapan Awal Simulasi 11

11 Tahapan Pra-pemrosesan (Preprocessing) 11 Asumsi, Kondisi Batas dan Perhitungan Parameter Kondisi Batas 13 Asumsi 13 Kondisi Batas 13 Perhitungan Parameter Kondisi Batas 14 Penyebaran Suhu Rak Hasil Pengukuran 16 Profil Sebaran Suhu Rak Bernomor Ganjil (Pengukuran 1) 16 Iradiasi Surya (pengukuran 1) 19 Profil Sebaran Suhu Rak Bernomor Genap (Pengukuran 2) 20 Iradiasi Surya (pengukuran 2) 22 Kontur Suhu Ruang Pengering ERK Hasil Simulasi CFD pada Kondisi Tanpa Beban 23 Suhu Ruang Pengering pada Pukul Suhu Ruang Pengering pada Pukul Suhu Ruang Pengering pada Pukul Kontur Suhu Ruang Pengering ERK Hasil Simulasi CFD pada Kondisi dengan Beban 27 Validasi Model 28 Modifikasi Posisi Kipas Menggunakan Simulasi CFD 30 Modifikasi 1 Terdapat Dua Kipas di Tiap Ruang Pengering 30 Modifikasi 2 Terdapat Empat Kipas di Tiap Ruang Pengering 32 Modifikasi 3 Terdapat Satu Kipas di Tiap Ruang Pengering 33 Modifikasi 4 Kipas di Outlet Tiap Ruang Pengering 36 Modifikasi 5 Kipas di Outlet Atas Tiap Ruang Pengering 36 SIMPULAN DAN SARAN 37 Simpulan 37 Saran 38 DAFTAR PUSTAKA 38 LAMPIRAN 40 RIWAYAT HIDUP 75

12 DAFTAR TABEL 1 Tingkat keseragaman suhu rak bernomor ganjil 19 2 Tingkat keseragaman suhu rak bernomor genap 22 3 Distribusi suhu rak pada simulasi tanpa beban pukul Distribusi suhu rak pada simulasi tanpa beban pukul Distribusi suhu rak pada simulasi tanpa beban pukul Distribusi suhu rak pada simulasi dengan beban 28 7 Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada modifikasi Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada modifikasi Distribusi suhu rak pada modifikasi 3 ΔP 4.905, 50 dan Koefisien relasi antara pressure jump (ΔP) dengan CV Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada modifikasi Distribusi suhu rak hasil simulasi CFD pada modifikasi 5 37 DAFTAR GAMBAR 1 Hasil simulasi CFD pada pengering ERK (Wulandani, 2005) 4 2 Alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) hybrid 7 3 Diagram alir penelitian 11 4 Tampilan isometri geometri 3D pengering ERK 12 5 Tampilan depan geometri 3D pengering ERK 12 6 Tampilan hasil mesh geometri pengering ERK 13 7 Diagram alir simulasi 16 8 Posisi dan penomoran rak 17 9 Grafik suhu rak I D Grafik suhu rak II B Grafik suhu rak III D Grafik suhu rak IV B Profil iradiasi surya pengukuran Grafik suhu rak I B Grafik suhu rak II D Grafik suhu rak III B Grafik suhu rak IV D Profil iradiasi surya pengukuran Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul (Z = m) Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul pada sumbu X Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul (Z = m) Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul pada sumbu X Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul (Z = m) Kontur suhu simulasi tanpa beban pukul pada sumbu X Kontur suhu simulasi dengan beban (Z = m) Kontur suhu simulasi dengan beban pada sumbu X Perbandingan suhu hasil pengukuran dengan suhu hasil simulasi (pukul 08.00) Perbandingan suhu hasil pengukuran dengan suhu hasil simulasi (pukul 12.00) 28

13 29 Perbandingan suhu hasil pengukuran dengan suhu hasil simulasi (pukul 16.00) Perbandingan suhu hasil pengukuran dengan suhu hasil simulasi menggunakan beban Kontur suhu pada modifikasi 1 v = 0.5 m/s Kontur suhu pada modifikasi 1 v = 1.5 m/s Kontur suhu pada modifikasi 2 v = 0.5 m/s Kontur suhu pada modifikasi 1 v = 1.5 m/s Kontur suhu pada modifikasi 3 porous jump Kontur suhu pada modifikasi 3 porous jump Kontur suhu pada modifikasi 3 porous jump Grafik hubungan pressure jump dengan CV Kontur suhu pada modifikasi Kontur suhu pada modifikasi 5 37 DAFTAR LAMPIRAN 1 Perhitungan data input CFD pada pukul tanpa beban 40 2 Tabel validasi suhu pada pukul kondisi tanpa beban 49 3 Tabel validasi suhu pada pukul kondisi tanpa beban 50 4 Tabel validasi suhu pada pukul kondisi tanpa beban 51 5 Tabel validasi suhu pada pukul kondisi dengan beban 52 6 Data intensitas cahaya matahari 53 7 Data input CFD (Boundary condition) pukul kondisi tanpa beban 54 8 Data input CFD (Boundary condition) pukul kondisi tanpa beban 55 9 Data input CFD (Boundary condition) pukul kondisi tanpa beban Data input CFD (Boundary condition) pukul kondisi dengan beban Tabel ΔP, efisiensi, daya kipas dan keseragaman suhu modifikasi Data pengukuran suhu ( o C) rak pengukuran Data pengukuran suhu ( o C) rak pengukuran 1 (lanjutan) Distribusi suhu rak pada pengukuran Data pengukuran suhu ( o C) rak pengukuran Data pengukuran suhu ( o C) rak pengukuran 2 (lanjutan) Distribusi suhu rak pada pengukuran Data pengukuran suhu ( o C) atap, dinding, HE dan lantai pengukuran Data pengukuran suhu ( o C) atap, dinding, HE dan lantai pengukuran Tingkat keseragaman suhu rak bernomor ganjil selama pengukuran Tingkat keseragaman suhu rak bernomor genap selama pengukuran Tahapan Penggunaan ANSYS Fluent untuk Simulasi 67 DAFTAR SIMBOL Re Bilangan Reynold ρ Massa jenis (kg/m 3 ) v Kecepatan (m/dtk) D Diameter spesifik (m) μ Viskositas dinamik (kg/ms)

14 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 ) τα Hasil kali koefisien tembus cahaya penutup transparan T d Suhu dinding ( o C) T Suhu lingkungan ( o C) α Permeabilitas permukaan (m 2 ) D p Diameter produk (m) ε Porositas tumpukan produk C 2 Koefisien porous jump (1/m) k Koefisien kehilangan pada penukar panas ΔP Penurunan tekanan (Pa) D Diameter pipa HE (m) ΔTln Gr Bilangan Grashoff g Gaya gravitasi (m/s 2 ) β Koefisien (1/ o C) T Suhu (K) x Panjang pipa HE (m) ν Viskositas kinematik (m 2 /s) Ra Bilangan Rayleigh Pr Bilangan Prandtl η Efisiensi kipas P Daya kipas (Watt) ṁ Laju aliran massa (kg/dtk)

15 PENDAHULUAN Latar Belakang Pengeringan hasil pertanian secara khusus adalah pengeluaran air dari suatu hasil pertanian sampai tercapai kadar air keseimbangan dengan udara lingkungan atau sampai tingkat kadar air dimana jamur, serangga dan enzim yang bersifat merusak tidak dapat aktif lagi. Pada umumnya keadaan ini dicapai pada tingkat kadar air 12-14% basis basah (Henderson dan Perry, 1976). Bahan pangan yang dihasilkan dari produk-produk pertanian pada umumnya mengandung kadar air. Kadar air jika tidak dihilangkan dapat mempengaruhi kondisi fisik bahan pangan. Proses pengeringan akan mengakibatkan produk yang dikeringkan mengalami perubahan warna, tekstur, rasa dan aroma. Faktor-faktor yang mempengaruhi pengeringan terdiri dari faktor udara pengering dan sifat bahan. Faktor yang berhubungan dengan udara pengering adalah suhu, kecepatan aliran udara pengering, dan kelembaban udara, sedangkan faktor yang berhubungan dengan sifat bahan yaitu ukuran bahan, kadar air awal, dan tekanan parsial dalam bahan (Fellow, 2001). Pada umumnya, pengeringan produk pertanian masih dilakukan secara tradisional yaitu pengeringan dengan cara penjemuran di bawah sinar matahari secara langsung. Usaha untuk melakukan proses pengeringan dapat pula dilakukan dengan menggunakan pengering efek rumah kaca (ERK), yaitu bangunan berbentuk segi empat, silinder atau kerucut terpancung dan berdinding transparan. Dinding plastik transparan ini berfungsi sebagai perangkap gelombang panjang yang dipancarkan oleh sinar matahari, sehingga terjadi akumulasi panas yang dimanfaatkan untuk pengeringan produk pertanian. Salah satu keuntungan dengan menggunakan pengering ERK adalah produk lebih bersih dan tidak terkontaminasi dengan bahan yang tidak dikehendaki. Dalam proses pengeringan masalah distribusi aliran panas yang belum merata menyebabkan menurunnya kinerja alat pengering, nampan-nampan pada pengering tipe rak dapat menyebabkan terjadinya perbedaan suhu antara bagian atas dan bagian bawah rak pengering. Wulandani dan Nelwan (2009) melaporkan bahwa, tingkat keseragaman suhu udara pengering pada alat pengering tipe rak yang sama digunakan dalam penelitian ini saat kondisi tanpa beban yang dinyatakan dengan nilai standar deviasi, pada posisi vertikal antara rak atas dan rak bawah adalah sebesar 2.4 o C, 1.2 o C dan 2.7 o C pada masing-masing kolom rak. Sedangkan pada posisi horisontal, diperoleh standar deviasi sebesar 2.3 o C dan 3.1 o C, masing-masing pada rak atas dan rak bawah. Hartini (2010) dalam penelitiannya menunjukkan bahwa terjadi perbedaan suhu antara rak bagian atas dengan rak bagian bawah sebesar 4 o C pada kondisi tanpa beban. Sedangkan Aritesty (2013) dalam penelitiannya menunjukkan perbedaan suhu antara rak bagian atas dengan rak bagian bawah pada pengering ERK saat pukul dengan kondisi tanpa beban adalah sekitar 4 o C pada hari pertama dan sekitar 22.7 o C pada pengamatan hari kedua. Sitanggang (2010) melakukan pengujian dan simulasi suhu, kecepatan udara pada mesin pengering produk pertanian energi surya tipe rak bertingkat menggunakan program CFD. Kriteria mesh yang digunakan berupa tipe pave dengan elemen quad dengan ukuran yang disesuaikan

16 2 kebutuhan. Hasilnya menunjukkan bahwa model rak mesin pengering yang disusun secara zig-zag pada analisa simulasi modifikasi jauh lebih baik dibandingkan dengan model rak yang tersusun bertingkat yang diuji secara langsung di lapangan. Yunus dan Kayiem (2013) mensimulasikan pengering ERK tipe rak bertingkat dengan CFD. Kriteria mesh yang digunakan berupa tipe pave dengan elemen tri dengan ukuran interval sebesar Model yang digunakan berupa P-1 radiation model, aliran steady dan kompresibel. Hasil simulasi riset tersebut menunjukkan error suhu sebesar 11.3% %. Masalah ketidakseragaman kadar air produk hasil pengeringan juga merupakan akibat dari ketidakmerataan aliran panas di dalam ruang pengering, khususnya tipe rak. Untuk memecahkan masalah tersebut perlu dilakukan suatu analisis sifat dan pola aliran serta distribusi udara di dalam ruang pengering. Distribusi dan pola aliran udara diduga ditentukan oleh geometri ruang pengering, lokasi penempatan inlet dan outlet, penempatan dan kapasitas daya kipas, susunan rak, dan lokasi sumber panas di dalam bangunan pengering. Dengan mensimulasikan distribusi dan pola aliran udara ini, akan dapat ditentukan desain bangunan beserta penempatan parameter-parameter penentu diatas secara tepat sehingga tujuan keseragaman mutu produk terpenuhi. Pemecahan analisis aliran udara dapat dilakukan dengan metode CFD (Computational Fluid Dynamics). Metode CFD menggunakan analisis numerik yaitu kontrol volume sebagai elemen dari integrasi persamaan-persamaan yang terdiri dari persamaan keseimbangan massa, momentum dan energi (Versteeg dan Malalasekera, 1995). Dengan demikian penyelesaian persamaan untuk benda dua dimensi atau tiga dimensi lebih cepat dan dapat dilakukan secara simultan. Melalui CFD dapat ditentukan desain dengan penempatan kipas, sistem pemanas, sistem penyaluran udara dan wadah produk dan penghematan energi akan tercapai dan efisiensi meningkat. Perumusan Masalah Performansi suatu pengering dapat dipengaruhi oleh dua hal. Pertama suhu udara pengering di dalam pengering ERK sangat berfluktuasi karena sangat dipengaruhi oleh keberadaan surya. Iradiasi surya sifatnya selalu berubah dan besar iradiasinya sangat dipengaruhi oleh waktu, lokasi dan musim. Kedua adalah distribusi aliran panas dalam ruang pengering yang belum merata, khususnya pada pengering tipe rak. Nampan-nampan pada tipe rak ini dapat menyebabkan distribusi udara yang kurang baik dan menurunkan kinerja pengeringan (Wulandani, 2005). Penelitian mengenai aliran udara panas di dalam pengering ERK dengan metode CFD digunakan untuk mendapatkan pola aliran udara serta distribusi suhu. Distribusi dan pola aliran udara diduga ditentukan oleh geometri ruang pengering, lokasi penempatan kipas. Dengan mensimulasikan distribusi dan pola aliran udara ini, akan dapat ditentukan posisi kipas sehingga tujuan keseragaman udara panas dapat terpenuhi.

17 3 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk mensimulasikan pola aliran udara panas yang terjadi dalam ruang pengering. Memvalidasikan antara hasil pengukuran dengan hasil simulasi menggunakan CFD dan melakukan simulasi penempatan posisi kipas untuk mendapatkan aliran udara panas yang lebih seragam dalam ruang pengering. Manfaat Penelitian Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat meningkatkan performa pengeringan pada pengering ERK tipe rak terutama untuk kegiatan pengeringan produk-produk pertanian; kedua, hasil penelitian ini bermanfaat bagi pemakai alat pengering ERK, terutama bagi para petani maupun industri dan ketiga adalah hasil disain dari simulasi dinamika fluida dalam pengering ERK ini dapat dimanfaatkan sebagai dasar kerangka acuan dalam menentukan disain optimal suatu pengering produk-produk pertanian, untuk skala kecil maupun besar serta untuk pemanfaatan lainnya. Ruang Lingkup Penelitian Ruang lingkup dari penelitian ini adalah mensimulasikan pola aliran udara panas dalam ruang pengering ERK tipe rak pada kondisi tanpa beban saat pukul 08.00, dan pukul Dasar dari penentuan pukul tersebut adalah ingin diketahuinya kondisi dan hasil simulasi CFD pada posisi dan intensitas matahari dari kondisi yang berbeda. Simulasi pada kondisi dengan beban saat pukul hari pertama pengeringan. Pemilihan pukul hari pertama pengeringan pada kondisi menggunakan beban adalah karena pada kondisi tersebut, bahan yang dikeringkan masih berada pada tahap dimana kadar air cukup tinggi dan intensitas matahari tinggi. Memvalidasikan pola udara panas hasil simulasi pada kondisi tanpa beban dan kondisi menggunakan beban. Mensimulasikan penempatan posisi dan daya kipas dengan kondisi memakai beban pada pukul pada hari pertama pengeringan. TINJAUAN PUSTAKA Pengeringan Pengeringan hasil pertanian secara khusus adalah pengeluaran air dari suatu hasil pertanian sampai tercapai kadar air keseimbangan dengan udara lingkungan atau sampai tingkat kadar air dimana jamur, serangga dan enzim yang bersifat merusak tidak dapat aktif lagi. Pada umumnya keadaan ini dicapai pada tingkat kadar air 12-14% basis basah (Henderson dan Perry, 1976).

18 4 Hall (1957) dan Broker (1974) menyatakan, pengeringan adalah suatu proses pengurangan kadar air sampai pada batas tertentu sehingga memperlambat laju kerusakan bahan pertanian akibat aktivitas biologis dan kimia sebelum bahan diolah atau dimanfaatkan. Proses pengeringan merupakan proses pengeluaran air dari bahan pertanian menuju kadar air keseimbangan dengan udara di sekelilingnya atau pada tingkat dimana mutu bahan pertanian dapat dijaga dari serangan kapang, aktivitas serangga, dan enzim (Henderson dan Perry, 1976). Menurut Brooker et al., (1974), salah satu parameter yang mempengaruhi waktu pengeringan yang dibutuhkan adalah suhu udara pengering. Laju penguapan air bahan dalam pengering sangat ditentukan oleh kenaikan suhu. Bila suhu pengering dinaikkan maka panas yang dibutuhkan untuk penguapan air bahan menjadi berkurang. Suhu udara pengering berpengaruh terhadap lama pengeringan dan kualitas bahan hasil pengeringan. Makin tinggi suhu udara pengering maka proses pengeringan makin singkat. Biaya pengeringan dapat ditekan pada kapasitas yang besar jika digunakan pada suhu tinggi, selama suhu tersebut tidak sampai merusak bahan. Aplikasi CFD Pada Pengeringan Efek Rumah Kaca Wulandani, et al (2003) menggunakan metode CFD dalam menganalisis distribusi suhu dan kecepatan aliran udara dalam ruang pengering ERK. Dalam riset ini dilakukan simulasi posisi inlet dan outlet pada bangunan pengering dan perubahan ukuran model menjadi prototipe bangunan pengering dengan memakai dua skenario simulasi. Hasil riset tersebut menunjukkan bahwa model simulasi dapat menggambarkan kondisi nyata sebesar 89%. Wulandani (2005) telah menggunakan teknik CFD untuk mensimulasi udara pengering pada pengeringan ERK tipe rak. Dalam riset ini dilakukan analisis distribusi udara yang mencakup kecepatan, suhu dan RH serta dilanjutkan dengan melakukan validasi model tersebut terhadap hasil percobaan. Analisis ini penting untuk mengoptimasikan bentuk saluran udara yang harus didisain untuk menyeragamkan aliran udara pada pengering, sehingga diperoleh keseragaman kadar air yang berarti juga keseragaman kualitas biji. Gambar 1 menunjukkan salah satu hasil simulasi CFD berupa sebaran suhu pada pengering tipe rak yang dilakukan Wulandani (2005). Kipas tengah Kipas atas Inlet Penukar panas Kipas bawah Outlet Rak Gambar 1 Hasil simulasi CFD pada pengering ERK (Wulandani, 2005)

19 Gambar 1 terdiri dari dua buah inlet masing-masing berukuran 0.1 m x 1 m pada ketinggian 1.4 m. Dua buah outlet masing-masing berukuran 0.2 m x 0.8 m pada ketinggian 0.8 m pada dinding yang berseberangan dengan inlet. Tiga buah kipas dengan diameter masing-masing 0.2 m. Kipas bawah dengan daya 100 W, kipas tengah berdaya 40 W dan kipas atas dengan daya 100 W. Hasil simulasi CFD pada Gambar 1 menghasilkan nilai rata-rata suhu pada seluruh rak sebesar 45.4 o C dengan nilai ragam sebesar 1.6 o C. Teknik CFD dalam analisis distribusi aliran udara juga digunakan oleh Nugraha (2005) dalam mensimulasikan pola aliran udara, suhu dalam ruang pengering ERK tipe rak pada proses pengeringan mahkota dewa. Hasil riset menunjukkan error rata-rata untuk validasi suhu sebesar 5.10%. Widodo (2009) dalam risetnya juga menggunakan metode CFD dalam mengkaji pola sebaran aliran udara panas pada pengering ERK hibrid tipe rak berputar. Widodo menggunakan enam skenario alat pengering berdasarkan bentuk geometri ruang pengering dan posisi inlet outlet untuk mendapatkan model pengering yang optimum. 5 CFD Computational Fluid Dynamics (CFD) Ditinjau dari istilah, Computational Fluid Dynamics (CFD) terdiri dari dua kata : Computational : Segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi. Fluid Dynamics : Dinamika dari segala sesuatu yang mengalir Ditinjau dari istilah diatas, CFD berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika) (Tuakia, 2008). Terdapat 3 keuntungan penggunaan CFD, antara lain : 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)

20 6 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 Proses simulasi CFD terdapat tiga tahapan, yaitu : 1. Pra-pemprosesan (Preprocessing) Pra-pemprosesan adalah membuat model dalam paket CAD (Computer aided design), membuat grid yang sesuai dan membuat kondisi batas dan sifatsifat fluidanya. 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. Pasca pemprosesan (Post processing) Tahap pasca pemrosesan adalah tahap penyajian hasil simulasi CFD dengan visualisasi warna untuk memudahkan dalam menganalisis. Tampilan hasil yang didapat meliputi : 1. Hasil geometri dan grid yang terbentuk. 2. Plot berdasarkan vektor. 3. Plot berdasarkan kontur. 4. Plot berdasarkan permukaan (2D atau 3D). Prosedur yang terdapat pada semua pendekatan program CFD, yaitu : 1. Pembuatan geometri dari model/problem. 2. Bidang atau volume yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing) 3. Pendefinisian model fisik 4. Pendefinisian kondisi-kondisi batas 5. Persamaan-persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iteratif, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transien 6. Analisis dan visualisasi dari solusi CFD (Tuakia, 2008) METODE Waktu dan Tempat Kegiatan penelitian dilaksanakan mulai bulan Februari 2013 sampai Oktober 2013 dan bertempat di Laboratorium Lapang Siswadhi Soepardjo

21 Leuwikopo dan Laboratorium Energi, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB, Bogor. 7 Bahan Bahan yang diperlukan adalah minyak tanah, kayu sebagai pemanas tambahan yang berasal dari biomassa. Data-data fisik dari temulawak dan polikarbonat sebagai data input simulasi. Alat 1. Alat pengering yang digunakan adalah alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) Hybrid yang dilengkapi dengan tungku sebagai pemanas tambahan hasil rancangan Wulandani dan Nelwan (2009). Alat pengering ini terdiri dari beberapa bagian utama yaitu bangunan rumah kaca dengan dimensi : p = 3.1 m, l = m dan t = m. Dinding dan atap terbuat dari bahan tembus cahaya (polycarbonate) dengan tebal m. Plat penutup pada bagian bawah terbuat dari plat besi (esser) dicat hitam berfungsi sebagai absorber. Produk yang akan dikeringkan ditempatkan pada rak bersusun vertikal dengan dimensi p = 0. 5 m, l = 0.6 m, berjumlah 144 buah terbagi kedalam delapan kolom susunan rak. Masing-masing kolom terdiri dari 18 level tersebar ke dalam dua segmen kiri dan kanan. Tungku biomassa ditempatkan ditengah bangunan yang bertujuan untuk menghasilkan energi panas yang dapat menjangkau kedua segmen ruang pengering. Udara panas yang berasal dari tungku ditransfer melalui heat exchanger (HE) yang terletak diatas tungku. Udara panas tersebut disirkulasikan menggunakan kipas. Gambar alat pengering dapat dilihat pada Gambar 2. Atap Dinding transparan Heat exchanger Rak Lantai absorber Tungku Gambar 2 Alat pengering Efek Rumah Kaca (ERK) Hybrid 2. Perangkat lunak a. Proses pembuatan gambar dan meshing : Gambit b. Proses simulasi dan analisis CFD : ANSYS 12.1 : Fluent 6.3 c. Penunjang analisis data hasil simulasi : Ms. Office & Ms. Excel Perangkat keras

22 8 a. Komputer Dell b. Laptop Axioo 3. Alat pengukuran Termokopel tipe CC yang dapat mengukur suhu antara -200 o C 300 o C, hybrid recorder Yokogawa tipe 3058, anemometer model Kanomax tipe 6011, pyranometer model EKO tipe MS-401, multimeter, penggaris, meteran, termometer raksa. Prosedur Penelitian Pada penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan yang dapat dilihat pada diagram alir penelitian pada 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 alat pengering, melakukan pengukuran dimensi alat serta mengindetifikasi bahan konstruksi alat pengering. Pengukuran dan Perhitungan Pengukuran dilakukan sebanyak 3 kali. Pengukuran pertama dilakukan untuk mendapatkan data-data yang diperlukan pada proses simulasi CFD dan validasi kondisi tanpa menggunakan beban. Pengukuran dilakukan pada pukul 08.00, dan yang meliputi pengukuran kecepatan angin pada kipas inlet dan ruangan pengering, iradiasi matahari, suhu rak, dinding, atap, lantai serta pipa penukar panas. Pengukuran kedua dan ketiga merupakan pengukuran untuk mengetahui profil sebaran suhu rak pada ruang pengering. Perhitungan digunakan untuk mendapatkan nilai-nilai yang dimasukkan pada simulasi. Perhitungan-perhitungan yang diperlukan diperoleh dari persamaan dibawah ini : 1. Perhitungan aliran laminar Re = ρvd μ 2. Perhitungan parameter kondisi batas pada dinding 2 a. Koefisien pindah panas konveksi (h) NNNN xx kk h = ll 2 b. Fluks panas qq = (I x τα) [h x (T d T AA )] 3. 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 (2005). 3 a. Permeabilitas permukaan (α) α = D p 2 ε (1 ε) 2 3 b. Koefisien porous jump (C 2 )

23 C 2 = 3.5 (1 ε) Dp ε 3 4. Perhitungan parameter kondisi batas pada heat exchanger (HE). Nilai k dinyatakan dalam persamaan yang terdapat pada Wulandani (2005). 4 a. Koefisien kehilangan (k) k = 2 x ΔP ρ x v 2 kipas 4 b. Koefisien pindah panas konveksi (h) h = (Nu x k)/d 4 c. Fluks panas (q/a) q/a = h x ΔTln Pembuatan Model Geometri dan Pendefinisian Kondisi Batas Alat pengering ERK yang disimulasikan terlebih dahulu dibuatkan model geometri 3D dengan menggunakan perangkat lunak Gambit yang meliputi : atap, lantai, dinding, pipa-pipa heat exchanger, inlet dan outlet beserta rak-rak pengering. Setelah model geometri dibuat, dilakukan pendefinisian bidang batas setiap bagian geometri, seperti atap, dinding dan lantai didefinisikan sebagai wall, pipa-pipa heat exchanger sebagai radiator, inlet sebagai velocity inlet, outlet sebagai outflow dan rak-rak pengering sebagai porous jump. Setelah pendefinisian selesai dilakukan proses meshing atau proses pembuatan grid-grid pada model geometri. Percobaan Pengeringan Tanpa Beban (Percobaan 1 dan 2) Percobaan pengeringan tanpa beban 1 dan 2 adalah percobaan pengeringan yang dilakukan untuk mengetahui profil sebaran suhu rak dari pukul pukul Percobaan 1 dilakukan pengukuran suhu rak nomor urut ganjil pada kolom rak ID, IIB, IIID dan IV B. Percobaan II pengukuran suhu rak nomor urut genap pada kolom rak IB, IID, IIB dan IVD. Untuk skema dari posisi rak tersebut dapat dilihat pada Gambar 8. Simulasi dan Validasi Tanpa Beban Tahapan simulasi kondisi tanpa beban adalah mensimulasikan hasil pengukuran dari percobaan pengeringan tanpa beban (percobaan pendahuluan) pada pukul 08.00, dan Dasar dari penentuan jam tersebut adalah ingin diketahuinya kondisi dan hasil simulasi CFD pada posisi dan intensitas matahari dari kondisi yang berbeda. Hasil simulasi tersebut yang berupa parameter suhu lalu divalidasikan dengan hasil pengukuran pada titik-titik yang telah ditentukan. Simulasi dan Validasi Dengan Beban Tahapan simulasi kondisi menggunakan beban adalah mensimulasikan hasil pengukuran dari percobaan pengeringan menggunakan temulawak sebagai beban berdasarkan hasil penelitian Aritesty (2013) pada pukul hari pertama pengeringan. Pemilihan pukul adalah karena pada kondisi tersebut, bahan yang dikeringkan masih berada pada tahap dimana kadar air cukup tinggi dan intensitas matahari tinggi sehingga kondisi tersebut memungkinkan terjadinya ketidakseragaman suhu yang tinggi pada antar rak. Hasil simulasi berupa parameter suhu yang telah didapatkan lalu divalidasikan, dan apabila telah valid 9

24 10 hasil simulasi tersebut digunakan untuk tahapan simulasi modifikasi posisi penempatan kipas. Simulasi Modifikasi Penempatan Posisi Kipas dan Uji Keseragaman Modifikasi penempatan posisi kipas pada penelitian ini menggunakan lima skenario. Pertama, terdapat dua kipas di tiap ruang pengering kanan dan kiri. Kedua, terdapat empat kipas di tiap ruang pengering. Ketiga, terdapat satu kipas di tiap ruang pengering. Keempat, posisi kipas berada di outlet samping tiap ruang pengering. Kelima, posisi kipas berada di outlet atas tiap ruang pengering. Hasil simulasi dari tiap skenario tersebut diuji nilai keseragamannya dan dilihat pola aliran udara panasnya. Keseragaman yang terbesar atau nilai koefisien variasi terkecil dan sebaran yang paling seragam itulah yang dijadikan rekomendasi. Validasi Model Validasi model dilakukan dengan membandingkan suhu rak hasil simulasi dengan suhu rak hasil pengukuran di lapang. Validasi pada kondisi tanpa beban menggunakan data pada hasil pengukuran pertama yang sudah terlampir pada tabel validasi (Lampiran 2 Lampiran 4 ) dan tabel data input CFD (Lampiran 7 Lampiran 10). Sedangkan hasil pengukuran lapang untuk validasi dan data input kondisi batas CFD dengan kondisi memakai beban menggunakan hasil dari penelitian Aritesty (2013) pada pukul percobaan hari pertama pengeringan. Hasil tersebut telah diringkas dan terlampir pada Lampiran 5 untuk validasi model dan Lampiran 10 untuk data input CFD. Keakuratan hasil simulasi dengan hasil pengukuran dinyatakan dalam persentase error. Error dinyatakan dengan persamaan: Error = suhu simulasi ( ) suhu pengukuran ( ) suhu pengukuran ( ) xx 100% Menurut Karmeli dalam Nuryawati (2011), distribusi suhu hasil simulasi juga divalidasi dengan menghitung koefisien keseragaman dan koefisien variasi. Apabila nilai koefisien keseragaman (CU) lebih dari 75% dan nilai koefisien variasi (CV) kurang dari 15%, maka dikatakan bahwa hasil simulasi telah baik. Persamaannya dinyatakan sebagai berikut: CV = σ μ CU = nn ii=1 XX ii μμ nn ii=1 XX ii dimana CV adalah koefisien variasi (coefficient of variation), CU adalah koefisien keseragaman (coefficient of uniformity) (%), σ adalah standar deviasi, μ adalah rata-rata suhu hasil simulasi ( o C), Xi adalah suhu hasil pengukuran ( o C), dan n adalah jumlah data.

25 11 Mulai Persiapan alat Pengukuran dan perhitungan Data yang diperlukan untuk tahapan simulasi Percobaan pengeringan tanpa beban (percobaan pendahuluan) Pembuatan model geometri bangunan pengering dan pendefinisian kondisi batas Simulasi tanpa beban Valid (Error suhu < 10%) Tidak Data profil sebaran suhu rak di kedua ruang pengering Data riset Aritesty (2013) Ya Percobaan pengeringan tanpa beban (percobaan 1 dan 2) Percobaan pengeringan dengan beban menggunakan temulawak Simulasi dengan beban Valid (Error suhu < 10%) Tidak Pendefinisian kondisi batas CV dan standar deviasi terkecil serta pola aliran udara yang paling seragam Ya Simulasi modifikasi daya dan posisi penempatan kipas dan uji keseragaman Rekomendasi Standar keseragaman -Nilai CV -Nilai Standar deviasi Selesai Gambar 3 Diagram alir penelitian HASIL DAN PEMBAHASAN Tahapan Awal Simulasi Tahapan Pra-pemrosesan (Preprocessing) 1. Pembuatan model geometri 3 dimensi bangunan pengering ERK dan rak disesuaikan dengan dimensi aslinya.

26 12 Gambar 4 Tampilan isometri geometri 3D pengering ERK Gambar 5 Tampilan depan geometri 3D pengering ERK 2. Pembuatan grid (mesh) model, jenis mesh harus dapat memenuhi kriteria baik sehingga konvergensi proses simulasi lebih cepat tercapai. Kriteria yang digunakan adalah nilai worst element Pengering ERK yang dibuatkan ke mesh model menggunakan elemen : Tet/Hybrid, tipe : Tgrid, ukuran interval : 0.04 cm 0.05 cm. Pemilihan jenis mesh didasarkan pada pemilihan yang dilakukan secara otomatis oleh software Gambit berdasarkan skema dan geometri yang tersusun serta ukuran mesh yang didapatkan berdasarkan trial and error untuk mendapatkan kualitas / nilai worst element 0.85.

27 13 Gambar 6 Tampilan hasil mesh geometri pengering ERK Asumsi, Kondisi Batas dan Perhitungan Parameter Kondisi Batas Asumsi 1. Udara tidak termampatkan (incompressible), ρ konstan 2. Bilangan Prandtl udara konstan (panas jenis, konduktivitas dan viskositas udara konstan) 3. Udara bergerak dalam keadaan steady 4. Udara lingkungan dianggap konstan selama simulasi 5. Kecepatan angin dianggap konstan 6. Aliran udara dianggap laminar. Aliran laminar jika Re < 2000 (Holman, 1997). Nilai dan perhitungan aliran laminar pada ruang pengering ditunjukkan pada Lampiran 1. Kondisi Batas Pengering ERK dibatasi oleh dinding yang berbentuk bangunan segiempat dengan atap miring serta outlet yang terletak di kanan kiri bangunan berbentuk trapesium. Contoh parameter penentu kondisi batas pada analisis ini adalah diambil dari kondisi batas untuk data validasi pada pukul : 1. Inlet sekaligus kipas dianggap sebagai velocity inlet : 3 m/s 2. Outlet dianggap sebagai outflow dengan ratio bukaan Dinding pada geometri pengering ERK terdapat dua bagian, yaitu dinding ruang pengering sebelah kanan dan kiri. Parameter kondisi batas untuk dinding sebelah kanan adalah sebagai berikut : - Fluks panas = 259 W/m 2 - Suhu dinding = 34.6 o C - Ketebalan dinding = m - Koefisien pindah panas konveksi (h) = 2.98 W/m 2 o C - Emisivitas = 0.61 (Hartini, 2010) - Laju pembentukan panas = 0 W/m 2 4. Rak dianggap sebagai porous jump. Kondisi batas porous jump adalah kondisi batas yang digunakan untuk mewakili kondisi suatu lapisan tipis yang memiliki karakteristik

28 14 kecepatan (penurunan tekanan), yang biasanya digunakan untuk pemodelan sekat, layar, penyaring dan radiator yang tidak terkait dengan pindah panas (berdasarkan ANSYS FLUENT User Guide). Rak dengan kondisi tanpa beban memliki parameter sebagai berikut : - Permeabilitas permukaan (α) = 0 m 2 - Tebal rak = 0 m - Koefisien porous jump (C 2 ) = 0 (1/m) 5. Pipa penukar panas (heat exchanger) yang terdapat di tengah bangunan pengering sebagai radiator terdiri dari dua bagian, yaitu bagian kanan dan kiri bangunan pengering. Parameter kondisi batas untuk HE (heat exchanger) bagian kanan adalah sebagai berikut : - Koefisien kehilangan (k) = Koefisien pindah panas konveksi (h) = W/m 2 o C - Suhu penukar panas = 31.1 o C - Fluks panas = W/m 2 Untuk data input kondisi batas CFD secara lengkap pada kondisi tanpa beban dan dengan beban dapat dilihat pada Lampiran 7 Lampiran 10. Perhitungan Parameter Kondisi Batas 1. Perhitungan parameter kondisi batas pada dinding menggunakan persamaan sebagai berikut : a. 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 = gβtx3 ν 2 Ra = Gr x Pr Nu = h = NNNN xx kk ll RRRR 1/6 2 [1+(0.492/PPPP) 9/16 ] 8/27 Iradiasi surya didefinisikan sebagai fluks dari atap dan dinding dinding bangunan pengering. Fluks panas dapat dihitung melalui persamaan sebagai berikut: qq AA = (I x τα) h ( T d T ) 2. Perhitungan parameter kondisi batas pada penukar panas. a. Koefisien kehilangan (k) P η ΔP = k = v inlet x A inlet 2 x ΔP ρ x v 2 kipas b. Koefisien pindah panas konveksi (h)

29 Koefisien pindah panas konveksi pada penukar panas dihitung sebagai aliran menyilang rangkunan tabung (tube bank) yang dinyatakan di persamaan dalam Cengel (2003) : ρ f = p RT SD = SSSS 2 + (SSSS/2) 2 AD = (SD D) L AT = (ST D) L 2 AD > AT v maks = SSSS SSSS DD vv Re = ρf v maks D μ Nu = 0.35 (ST/SL) 0.2 (Re) 0.6 (Pr) 0.36 (Pr/Pr s ) 0.25 Faktor koreksi = 0.76 Nu D = Nu x faktor koreksi h = (Nu D x k)/(d) c. Fluks panas (q/a) A = N x π x D x L ṁ = ρ x v x n x SL x L Te = T HE [(T HE T inlet ) x (Exp ( A x h))/(ṁ x Cp)] ΔT ln = [(T HE Te) (T HE T inlet )]/[Ln (T HE Te)/(T HE T inlet )] 15 q/a = h x ΔT ln Rincian perhitungan parameter kondisi batas pada kondisi pukul tanpa beban dapat dilihat pada Lampiran 1. Secara keseluruhan tahapan dalam simulasi dapat dilihat pada diagram alir di Gambar 7. Sedangkan untuk tahapan penggunaan ANSYS Fluent untuk simulasi dapat dilihat pada Lampiran 20.

30 16 Mulai Pembuatan geometri dan meshing Pendefinisian bidang batas pada geometri Pengecekan mesh Kualitas mesh baik? (worst element <0.85) Tidak worst element > 0.85 dan mendekati nilai 1 Data sifat fisik Ya Penentuan kondisi batas Proses numerik Ya Iterasi error? Tidak Plot distribusi temperatur Selesai Gambar 7 Diagram alir simulasi Penyebaran Suhu Rak Hasil Pengukuran Profil Sebaran Suhu Rak Bernomor Ganjil (Pengukuran 1) Hasil pengukuran suhu rak pengering ERK dikelompokkan berdasarkan ruang pengering, posisi rak dan urutan posisi rak dari posisi paling atas. Pengambilan data dilakukan pada hari yang berbeda. Gambar 8 memperlihatkan skema dari posisi rak.

31 17 1 IV III II I D B 17 Gambar 8 Posisi dan penomoran rak Keterangan : Angka romawi I IV, menunjukkan baris ruang pengering Huruf D dan B, menunjukkan posisi rak. D = Depan, B = Belakang Angka 1-17 menunjukkan posisi rak dimulai dari urutan paling atas. Grafik perubahan suhu rak bernomor ganjil dapat dilihat pada Gambar 9 Gambar 12. Data suhu rak pada pengukuran 1 dapat dilihat pada Lampiran 12 dan 13. Gambar 9 Grafik suhu rak I D

32 18 Gambar 10 Grafik suhu rak II B Gambar 11 Grafik suhu rak III D Gambar 12 Grafik suhu rak IV B Gambar 9 Gambar 12 menunjukkan profil suhu rak yang memiliki pola yang cenderung seragam. Profil memperlihatkan perubahan suhu, dimana terjadi penurunan suhu mulai dari rak yang paling atas sampai yang terbawah. Tabel 1 memperlihatkan tingkat keseragaman suhu tiap rak selama pengukuran yang dinyatakan dengan nilai standar deviasi. Rak-rak yang berada di ruang pengering I,II cenderung lebih seragam dibandingkan rak-rak yang berada

33 di ruang pengering III,IV. Hal itu terlihat dari nilai keseragaman yang lebih kecil dan terjadi akibat beberapa sebaran data suhu seperti atap, dinding dan lantai pada ruang pengering I,II selama pengukuran lebih kecil dari ruang pengering III,IV. Keseragaman suhu rak pada waktu yang sama selama pengukuran dapat dilihat pada Lampiran 20. Data suhu lantai, atap, dinding dan HE selama pengukuran dapat dilihat pada Lampiran 18. Rak Tabel 1 Tingkat keseragaman suhu rak bernomor ganjil ID IIB IIID IVB Standar Standar Standar deviasi Rak deviasi Rak deviasi Rak ( o C) ( o C) ( o C) Standar deviasi ( o C) Ratarata ( o C) 3.77 Ratarata ( o C) 3.91 Ratarata ( o C) 4.62 Ratarata ( o C) Dari keseluruhan data yang terukur, rak nomor 17 memiliki nilai suhu yang paling kecil serta standar deviasi yang paling kecil. Hal ini dapat terjadi, karena rak 17 terdapat pada posisi paling bawah, tertutupi oleh rak-rak yang ada diatasnya, sehingga penerimaan sinar matahari menjadi kecil dan tidak tidak terlalu terpengaruh. Keseragaman paling kecil terjadi dari pukul , dimana puncak intensitas matahari terjadi (Gambar 13). Profil suhu yang terjadi bersifat fluktuatif. Hal ini sangat dipengaruhi terhadap besar kecilnya penyinaran matahari. Adapun penyinaran matahari tersebut sangat dipengaruhi oleh faktor penutupan awan. Untuk mengetahui distribusi suhu rak selama pengukuran 1 dapat dilihat pada Lampiran 14. Iradiasi Surya (Pengukuran 1) Radiasi surya yang terukur selama proses percobaan terlihat seperti pada Gambar

34 20 Gambar 13 Profil iradiasi surya pengukuran 1 Selama pengambilan data iradiasi surya, besarnya iradiasi yang terukur bersifat fluktuatif. Iradiasi terbesar ada pada pukul sebesar W/m 2 sedangkan yang terendah pada pukul sebesar W/m 2. Iradiasi rata-rata yang diperoleh sebesar (W/m 2 ). Faktor utama terjadinya iradiasi surya yang bersifat fluktuatif adalah faktor cuaca terutama penutupan awan. Iradiasi pada pukul mengalami penurunan yang drastis, tetapi mengalami kenaikan kembali pada pukul 13.30, hal ini terjadi karena adanya penutupan oleh awan gelap yang sesaat. Profil Sebaran Suhu Rak Bernomor Genap (Pengukuran 2) Gambar 14 Gambar 17 menunjukkan grafik suhu rak bernomor genap. Gambar 14 Grafik suhu rak I B

35 21 Gambar 15 Grafik suhu rak II D Gambar 16 Grafik suhu rak III B Gambar 17 Grafik suhu rak IV D Gambar 14 Gambar 17 menunjukkan profil suhu rak yang memiliki pola yang cenderung seragam. Profil memperlihatkan perubahan suhu, dimana terjadi penurunan suhu mulai dari rak yang paling atas sampai yang terbawah dan cenderung memiliki bentuk pola sebaran yang sama. Keseragaman suhu rak dapat dilihat pada Tabel 2. Keseragaman suhu rak pada waktu yang sama selama pengukuran dapat dilihat pada Lampiran 21.

36 22 Rak Tabel 2 Tingkat keseragaman suhu rak bernomor genap IB IID IIIB IVD Standar Standar Standar deviasi Rak deviasi Rak deviasi Rak ( o C) ( o C) ( o C) Standar deviasi ( o C) Ratarata ( o C) 3.86 Ratarata ( o C) 3.86 Ratarata ( o C) 5.66 Ratarata ( o C) Tingkat keseragaman pada rak genap memperlihatkan, hasil yang sama pada pengukuran rak ganjil atau pengukuran 1. Rak pada bagian I,II memiliki tingkat keseragaman yang lebih kecil dibandingkan bagian III,IV. Hal ini juga disebabkan karena beberapa data distribusi suhu seperti atap, dinding dan lantai selama pengukuran lebih kecil dibandingkan ruang pengering III,IV. Keseragaman suhu rak terkecil terjadi pada pukul , dimana puncak intensitas matahari terjadi sama seperti pada pengukuran 1 (Gambar 18). Data pengukuran suhu atap, lantai, HE dan dinding pada ruang pengering selama pengukuran dapat dilihat pada Lampiran 19. Iradiasi Surya (Pengukuran 2) Selama pengambilan data iradiasi surya, besarnya iradiasi yang terukur bersifat fluktuatif. Iradiasi terbesar ada pada pukul sebesar W/m 2 sedangkan yang terendah pada pukul sebesar W/m 2. Iradiasi rata-rata yang diperoleh sebesar W/m 2. Faktor utama terjadinya iradiasi surya yang bersifat fluktuatif adalah faktor cuaca terutama penutupan awan. Iradiasi pada pukul mengalami penurunan yang drastis, tetapi mengalami kenaikan kembali pada pukul 14.00, hal ini terjadi karena adanya penutupan oleh awan gelap yang hanya sesaat. Data pengukuran iradiasi surya pada pengamatan pertama dan kedua dapat dilihat pada Lampiran 6. Grafik iradiasi surya pengamatan kedua dapat dilihat pada Gambar

37 23 Gambar 18 Profil iradiasi surya pengukuran 2 Berdasarkan hasil pengukuran 1 dan 2 didapatkan bahwa tingkat keseragaman suhu rak pada ruang pengering I,II lebih baik dibandingkan ruang pengering III,IV. Hal itu terlihat dari nilai standar deviasi pada ruang pengering I,II lebih kecil dibandingkan ruang pengering III,IV. Kontur Suhu Ruang Pengering ERK Hasil Simulasi CFD Pada Kondisi Tanpa Beban Simulasi CFD pengering ERK bertujuan untuk mengetahui pola dan sebaran suhu yang terjadi pada ruang pengering. Simulasi dengan kondisi tanpa beban dilakukan dengan tiga waktu yang berbeda yaitu pada pukul 08.00, dan Data input kondisi batas simulasi tanpa beban dapat dilihat pada Lampiran 7, 8 dan 9. Suhu Ruang Pengering Pada Pukul Kontur suhu pada potongan sumbu z m (Gambar 19) atau pada pertengahan bangunan pengering memperlihatkan perubahan suhu yang terjadi pada atas ruang pengering menuju ke bawah dan perbedaan kontur suhu pada ruang pengering I,II dan III,IV. Ruang pengering I,II memiliki kontur suhu yang lebih beragam dibandingkan ruang pengering III,IV. Pada ruang pengering I,II suhu mengalami penurunan mulai dari atas menuju pertengahan bangunan, lalu mengalami kenaikan hingga ke bagian lantai. Hal ini terjadi karena pada bagian atas suhu terpengaruh oleh radiasi surya sedangkan pada bagian bawah dipengaruhi oleh suhu lantai. Kontur suhu yang berbeda antara kanan dan kiri disebabkan karena matahari pada pukul berada di arah ruang I,II ruang pengering, sehingga penerimaan sinar matahari lebih dominan dibandingkan ruang pengering III,IV.