BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA. 2.1 Proses Perpindahan Panas Konveksi Alamiah dalam Peralatan Pengeringan

Transkripsi

1 134 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Proses Perpindahan Panas Konveksi Alamiah dalam Peralatan Pengeringan Prinsip dasar proses pengeringan adalah terjadinya pengurangan kadar air atau penguapan kadar air oleh udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara sekeliling dan bahan yang dikeringkan. Penguapan ini terjadi dikarenakan kandungan air di udara mempunyai kelembaman yang cukup rendah [7]. Pada saat proses pengeringan, akan berlangsung beberapa proses, yaitu: - Proses perpindahan massa, proses perpindahan massa uap air atau pengalihan kelembaban dari permukaan bahan ke sekeliling udara. - Proses perpindahan panas, akibat penambahan (perpidahan) energi panas terjadilah proses penguapan air dari dalam bahan ke permukaan bahan atau proses perubahan fasa cair menjadi fasa uap. Kedua proses tersebut diatas dilakukan dengan cara menurunkan kelembaban relatif udara dengan mengalirkan udara panas disekeliling bahan sehingga tekanan uap air bahan lebih besar dari tekanan uap air di udara sekeliling bahan yang di keringkan. Perbedaan tekanan ini menyebabkan terjadinya aliran uap air dari bahan ke udara luar. Untuk meningkatkan perbedaan tekanan udara antara permukaan bahan dengan udara sekelilingnya dapat dilakukan dengan memanaskan udara yang dihembuskan ke bahan.

2 135 Makin panas udara yang dihembuskan mengeliling bahan, maka banyak pula uap air yang dapat di ditarik oleh udara panas pengering [2]. Energi panas yang berasal dari hasil pembakaran menyebabkan naiknya temperatur ruang pembakaran. Karena adanya perbedaan temperatur antara ruang pembakaran dengan lemari pengering, maka terjadi perpindahan panas konveksi alamiah di dalam alat pengering. Udara panas didalam lemari pengering mempunyai densitas yang lebih kecil dari udara panas di ruang pembakaran sehingga terjadi aliran udara [6]. Cara perpindahan panas konveksi erat kaitannya dengan gerakan atau aliran fluida. Salah satu segi analisa yang paling penting adalah mengetahui apakah aliran fluida tersebut laminar atau turbulen. Dalam aliran laminar, aliran dari garis aliran (streamline) bergerak dalam lapisan-lapisan, dengan masing-masing partikel fluida mengikuti lintasan yang lancar serta malar (kontiniu). Partikel fluida tersebut tetap pada urutan yang teratur tanpa saling mendahului. Sebagai kebalikan dari gerakan laminar, gerakan partikel fluida dalam aliran turbulen berbentuk zig-zag dan tidak teratur. Kedua jenis aliran ini memberikan pengaruh yang besar terhadap perpindahan panas konveksi. Bila suatu fluida mengalir secara laminar sepanjang suatu permukaan yang mempunyai suhu berbeda dengan suhu fluida, maka perpindahan panas terjadi dengan konduksi molekular dalam fluida maupun bidang antara (interface) fluida dan permukaan. Sebaliknya dalam aliran turbulen, mekanisme konduksi diubah dan dibantu oleh banyak sekali pusaran-pusaran (eddies) yang membawa gumpalan-

3 136 gumpalan fluida melintasi garis aliran. Partikel-partikel ini berperan sebagai pembawa energi dan memindahkan energi dengan cara bercampur dengan partikel fluida tersebut. Karena itu, kenaikan laju pencampuran (atau turbulensi) akan juga menaikkan laju perpindahan panas dengan cara konveksi [11]. Pengaruh aliran laminar dan turbulen telah diselidiki dalam konveksi alamiah, aliran laminar terjadi bila (10 4 < Ra < 10 9 ), transisi dari aliran laminar ke turbulen terjadi pada (Ra ~ 10 9 ) dan aliran turbulen terjadi bila (10 9 < Ra < ), bergantung pada sistem geometrik [12] dan [13]. Karakteristik perpindahan panas alamiah dapat dinyatakan dengan menggunakan Angka Rayleigh dan Angka Nusselt [14]. Untuk menganalisa distribusi temperatur dan laju perpindahan panas pada Peralatan pengeringan, diperlukan neraca energi disamping analisis dinamika fluida dan analisis lapisan batas yang terjadi. Setelah kita melakukan neraca energi terhadap sistem aliran itu, dan kita tentukan pengaruh aliran itu terhadap beda temperatur dalam fluida maka distribusi temperatur dan laju perpindahan panas dari permukaan yang dipanaskan ke fluida yang ada diatasnya dapat diketahui [15]. Keseimbangan energi panas dapat di lihat dari rumusan berikut : Q = m C dt = Q = m Lh (2-1) udout ud p in air air Perpindahan panas konveksi dinyatakan dalam bentuk : Q konveksi = hc. A. dt (2-2)

4 137 Pada sistem konveksi bebas dikenal suatu variabel tak berdimensi baru yang sangat penting dalam penyelesaian semua persoalan konveksi alami, yaitu angka Grashof Gr yang peranannya sama dengan peranan angka Reynolds dalam sistem konveksi paksa, didefenisikan sebagai perbandingan antara gaya apung dengan gaya viskositas di dalam sistem aliran konveksi alami [15] ; g. βδτl Gr f = 2 v 3 (2-3) Dimana koefisien muai volume β untuk gas ideal, β = 1/T. Koefisien perpindahan panas konveksi bebas rata-rata untuk berbagai situasi dapat dinyatakan dalam bentuk fungsi : Nu f = h c.k L = C (Gr f Pr f ) m (2-4) dimana subskrip f menunjukkan bahwa semua sifat-sifat fisik harus dievaluasi pada suhu film, T f T + Tw = (2-5) 2 Produk perkalian antara angka grashof dan angka Prandtl disebut angka Rayleigh : Ra = Gr. Pr (2-6) 2.2 Konveksi Bebas dan Aliran Fluida Pada Plat Miring Orientasi kemiringan pelat apakah permukaannya menghadap atas atau kebawah merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi bilangan nusselt. Untuk

5 138 membuat perbedaan ini Fuji dan Imura [15] memberikan tanda sudut θ seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1 sebagai berikut : a. Sudut θ adalah negatif jika permukaan panas menghadap keatas. b. Sudut θ adalah positif jika permukaan panas menghadap kebawah. Menurut Fuji dan Imura untuk plat miring dengan permukaan panas menghadap kebawah pada jangkauan + θ < 80 o ; 10 5 < Gr.Pr < bentuk korelasinya adalah : Nu = 0.56 (Gr L.Pr cos θ) 1/4 (2-7) Gambar 2.1 Konsep positif dan negatif pada plat miring (Sumber : Raldi A. Kastoer) Untuk plat dengan kemiringan kecil (88 o < θ < 90 o ) dan permukaan panas menghadap ke bawah maka persamaannya : Nu = 0,58 (Gr L.Pr) 1/5 (2-8)

6 139 Untuk Plat miring dengan permukaan panas menghadap keatas dalam jangkauan Gr L.Pr < ; Gr L > Gr c ; dan -15 o < θ < -75 o bentuk korelasinya adalah Nu = [(Gr L.Pr) 1/3 (Gr c.pr) 1/3 ] + 0,56 (Gr c.pr cos θ) 1/4 (2-9) Untuk plat miring, panas (atau dingin) relatif terhadap temperatur fluida, plat sejajar dengan vektor gravitasi, dan gaya apung yang terjadi menyebabkan gerakan fluida ke atas atau ke bawah. Bagaimanapun, jika platnya membentuk sudut terhadap gravitasi, gaya apung mempunyai komponen normal terhadap permukaan plat. Dengan adanya pengurangan gaya apung yang paralel terhadap plat, juga terjadi penurunan kecepatan fluida sepanjang plat, dan bisa diperkirakan bahwa juga terjadi penurunan pada perpindahan panas konveksi. Tetapi penurunan itu terjadi apakah perpindahan panasnya berasal dari atas atau bawah permukaan dari plat. Fluida, T y x θ z Plat, T s Plat, T s (a) Fluida, T (b) Fluida, T θ Fluida, T g Plat, T s x y (c) (d) z Plat, T s

7 140 Gambar 2.2 Aliran yang terjadi akibat gaya apung pada plat miring : (a) pandangan samping dari aliran di atas dan bawah permukaan plat dingin ( T <T ) s, (b) pandangan ujung plat dari aliran di bawah permukaan plat dingin, (c) pandangan samping dari aliran di atas dan bawah permukaan plat panas ( >T ), (d) pandangan ujung plat dari aliran di bawah permukaan plat panas. T s (Sumber : Incropera, 497). Seperti diperlihatkan pada Gambar 2.2a, komponen y yang merupakan gaya apung, normal terhadap plat, beraksi untuk menjaga penurunan aliran lapisan batas yang bersentuhan dengan permukaan atas plat. Karena komponen x dari percepatan gravitasi menjadi g cosθ, kecepatan fluida sepanjang plat menurun dan sehingga menyebabkan penurunan perpindahan panas konveksi pada permukan atas pelat. Bagaimanapun, pada permukaan bawah, gaya apung bertindak untuk menggerakkan fluida dari permukaan dan pembentukan lapisan batas terganggu oleh berpindahnya partikel fluida yang dingin dari permukaan (Gambar 2.2a). Aliran yang terjadi adalah tiga dimensi, dan ditunjukkan dari arah sumbu z (Gambar 2.2b), partikel fluida dingin yang berpindah dari permukaan bawah secara kontinyu digantikan oleh fluida ambient yang lebih panas. Penggantian

8 141 lapisan batas fluida dingin dengan fluida yang lebih panas dapat meningkatkan perpindahan panas konveksi pada bagian bawah permukaan. Fenomena yang sama terjadi pula pada plat panas (Gambar 2.2c, d), tetapi aliran tiga dimensi terjadi pada permukaan atas. 2.3 Konveksi Bebas dan Aliran Fluida Pada Plat Vertikal Ketika suatu plat rata vertikal dipanaskan maka akan terbentuklah suatu lapisan batas konveksi bebas, Profil kecepatan pada lapisan batas ini tidak seperti profil kecepatan pada lapisan batas konveksi paksa [15]. Pada gambar 2.3 dapat dilihat profil kecepatan pada lapisan batas ini, dimana pada dinding, kecepatan adalah nol, karena terdapat kondisi tanpa gelincir (no-slip); kecepatan itu bertambah terus sampai mencapai nilai maksimum, dan kemudian menurun lagi hingga nol pada tepi lapisan batas. Perkembangan awal lapisan batas adalah laminar, tetapi suatu jarak tertentu dari tepi depan, bergantung pada sifat-sifat fluida dan beda suhu antara dinding dan lingkungan, terbentuklah pusaran-pusaran ke lapisan batas turbulen pun mulailah terjadi. Selanjutnya, pada jarak lebih jauh pada plat itu lapisan batas menjadi turbulen sepenuhnya. Mc. Adams [16] mengkorelasikan nilai Nusselt rata-rata dengan bentuk : Nu h. L k n = = C(. Pr) (2-10) Gr L

9 142 Konstanta C ditentukan pada tabel 2.1. Sifat-sifat fisik dievaluasi pada suhu film T f. Untuk perkalian antara bilangan Grashof dengan bilangan Prandtl disebut dengan bilangan Rayleigh (Ra) yaitu : Ra L = Gr L.Pr = g. βδτl v. α 3 (2-11) Tw T Tw T (Profil temperature) y L u T u e =0 g T v x u (Profil kecepatan) 0 x x Gambar 2.3 Konveksi Alamiah pada Pelat Vertikal. Churchill dan Chu [16] menyarankan bentuk korelasi dengan dua persamaan untuk konveksi bebas pada plat vertikal. Untuk daerah Laminer pada jangkauan 10-1 < Ra L < 10 9 dan sesuai untuk semua angka Prandtl bentuknya adalah : 0,67Ra L 1/ 4 Nu = [ ] 4 / 9 1+ (0,492 / Pr 9 /16 (2-12)

10 143 Tabel 2.1 Konstanta C dan n untuk persamaan Geometri Gr L.Pr C n Bidang dan Silinder Vertikal ,59 0,02 1 0,10 ¼ 2/5 1/3 (Sumber : J.P Holman) Sedangkan untuk daerah turbulen yang berlaku pada jangkauan 10-1 < Ra L < bentuknya adalah : 0,387Ra L 1/ 6 Nu 1/2 = [ ] 8 / (0,492 / Pr 9 /16 (2-13) Sifat-sifat fisik fluida pada kedua persamaan diatas dievaluasi pada suhu film. Konveksi Bebas dan Aliran Fluida Pada Saluran Vertikal Elenbaas [17], telah mempelajari secara ekstensif untuk plat-plat vertikal simetris dan asimetris yang dipanasi dengan kondisi permukaan yang isothermal. Untuk plat isothermal, dia mendapatkan hubungan semi empiris berikut : Nu s = / 4 S 35 Ras 1 exp (2-14) L Ras ( S / L)

11 144 dimana angka rata-rata untuk Nusselt dan Rayleigh didefenisikan : Nu s = q / A Ts T S k (2-15) dan Ra s = g. β ( Ts T ) S v. α 3 (2-16) Gambar 2.4 menunjukkan dua buah saluran yang berbeda, yaitu saluran dengan jarak lebar dan saluran dengan jarak sempit. Plat dimodelkan isothermal (T w ) dan T sebagai diluar saluran. Plat diasumsikan lebih panas (T w > T ) dan fluida bergerak naik melalui awal saluran [3]. Saluran memiliki dua skala panjang, Tinggi plat (H) dan jarak antara plat (L). Ketika lapisan batas thermal melapisi setiap plat (δ T ) lebih tipis dari jarak antar plat, laju perpindahan panas dari setiap plat ke fluida dapat dihitung dengan persamaan (2-12 dan (2-13) diatas. Namun untuk saluran lebar yang dilambangkan dengan δ T < L ditunjukkan dengan L H 1/ 4 > RaH atau L H 1 > RaL (2-17) Untuk saluran yang lebih sempit, pada gambar 2.4 menunjukkan profil kecepatan bergabung menjadi sebuah profil yang mirip dengan Aliran HagenPoiseuille [13]. Meskipun Temperatur fluida masuk adalah T, Saluran sempit dan cukup panjang,

12 145 temperatur fluida T (x,y) hampir sama temperatur plat T w. Keadaan ini bisa dikataan dengan : T w T(x,y) < T w - T (2-18) Dalam aliran laminar, kecepatan vertikal dan laju aliran massa adalah bebas didalam saluran. Total laju perpindahan panas didalam saluran yang dibentuk oleh dua dinding plat adalah : q = m C p (T w - T ) = ρgβc ( Δ 2 3 p T ) L (2-19) 12v Profil Kecepatan V(x) y T T w T w T w H T L T 0 x T

13 146 Saluran Lebar Saluran Sempit Gambar 2.4 Saluran Vertikal dengan pelat isothermal Sumber : Adrian Bejan [13], hal Kurva Proses Pengeringan/Pengasapan Jika sejumlah bahan dikeringkan pada tingkat udara tertentu dan kandungan air dicatat setiap selang waktu tertentu, maka akan didapat kurva seperti diperlihatkan pada gambar 2.5. Dari kurva pengeringan dapat dilihat bahwa selama proses pengeringan terdapat tiga periode pengeringan yang berlainan yaitu : - Daerah [A B], merupakan periode laju permukaan dimana penguapan air pada permukaan bahan masuk pada kesetimbangan termodinamik dengan udara. - Daerah [B C], merupakan periode laju konstan, dimana penguapan air hanya terjadi pada permukaan bahan dan bersifat seperti pada penguapan permukaan air bebas. Saat kejadian ini jumlah air dari bahan yang naik ke lapisan atas oleh aksiaksi kapiler sama banyaknya dengan air yang hilang karena penguapan pada permukaan bahan. - Daerah [C E], merupakan periode laju jatuh dimana penguapan air bahan berbeda dengan penguapan air bebas. Daerah ini terbagi atas daerah [C D] dimana penguapan air terjadi pada seluruh permukaan yang merupakan periode laju jatuh pertama dan daerah [D E] dimana penguapan hanya terjadi pada

14 147 sebagian permukaan bahan karena laju difusi air dari dalam bahan kepermukaannya sangat lambat. Daerah ini merupakan periode laju jatuh kedua. Menurut Winarno [18] kandungan kadar air suatu bahan dapat ditentukan dengan dua cara, yaitu berdasarkan bahan basah (wet basis) dan berdasarkan bahan kering (dry basis). Kadar air kering adalah jumlah air yang diuapkan per berat bahan setelah pengeringan/pengasapan. Jumlah air yang diuapkan adalah berat bahan sebelum pengeringan/pengasapan dikurangi berat bahan setelah pengeringan/ pengasapan atau dapat ditulis sebagai berikut : MC db a b = x 100% (2-20) b Sedangkan kadar air basah (wet basis) dinyatakan sebagai jumlah air yang diuapkan per berat bahan sebelum pengeringan/pengasapan atau, MC wb a b = x 100 % (2-21) a M % A B C D M Θ E 0

15 148 Periode pengeringan, t (jam) Gambar 2.5 Kurva Periode pengeringan. 2.6 Proses pengeringan/pengasapan pada Diagram Psikometrik Pada proses pengeringan/pengasapan harus diketahui sifat-sifat udara yang diperlukan oleh proses ini agar dapat diperoleh hasil yang optimum. Proses pengeringan pada diagram psikometrik dapat dilihat seperti dalam gambar 2.6. Proses 1 2 adalah pemanasan udara secara sensibel pada tekanan uap atau kelembaban absolut konstan dan kelembaban relatif dari udara masuk turun ketika memasuki lapisan bahan. Sedangkan proses 2-3 adalah pengeringan bahan dimana udara menyerap air dari bahan pada enthalpi konstan dan perbandingan kelembabannya naik. Dari kadar air dalam bahan mula-mula dan kadar air yang diharapkan, massa air yang harus dikeluarkan dapat diketahui. Massa udara yang diperlukan untuk memenyerap air dalam bahan adalah massa air di bagi dengan perbandingan kelembaban (kg udara / kg udara kering ) yang dapat diperoleh dari diagram psikometrik tersebut. 3 Saturated air Drying 1 Heating 2 Humidity ratio

16 149 Gambar 2.6 Proses pengeringan/pengasapan pada diagram psikometrik. 2.7 Kerangka Konsep Tidak Meratanya Temperatur pada setiap rak di dalam lemari Pengering/Pengasapan Prototipe Peralatan Pengering/Pengasapan Dengan Energi Panas Dari Bahan Bakar Variabel penelitian - Sudut cerobong - Pengarah awal - Temperatur - Berat bahan uji Peralatan pendukung - Termokopel - Termometer - Animometer - Timbangan digital Hasil yang diinginkan - Profil temperature - Pola aliran - karakteristik perpindahan panas - Grafik Gambar Penurunan 2.7 Kerangka berat Konsep. bahan uji