BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN

Transkripsi

1 26 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1. Simulasi Model Pengering dengan Gambit Bentuk domain 3D model pengering Bentuk domain 3D ruang pengering diperoleh dari proses pembentukan geometri ruang pengering menggunakan software Gambit Domain adalah bentuk dasar bangunan pengering dengan kondisi batas pada dinding, atap, lantai, inlet, outlet, radiator, fan dan rak-rak pengering. Pembentukan grid ruang pengering dengan nilai 50 mm, karena ukuran terkecil yang membentuk ruang pengering yaitu 50 mm yang terletak pada inlet dengan ukuran 50 mm x 200 mm. Pembentukan grid ini menggunakan Tet/Hybrid yang berarti aliran fluida akan melalui jaringan mengikuti bentuk ruang pengeringnya dan jaringan tersebut dapat berbentuk segitiga, segiempat, segilima, ataupun segienam sesuai bentuk ruang pengeringnya. Bentuk simulasi domain utama model pengering serta grid ruang pengering untuk 6 skenario terdapat pada Gambar 7. Skenario 1 Domain Grid domain Skenario 2 Domain Grid domain

2 27 Skenario 3 Domain Skenario 4 Grid domain Domain Grid domain Skenario 5. Domain Skenario 6 Grid domain Domain Grid domain Gambar 7. Skenario 1-6 model pengering Tahap-tahap deskritisasi terilustrasikan pada model yang dibentuk oleh software Gambit dalam bentuk domain atau grid domain dan kondisi batas yang dibentuk oleh software Fluent yang meliputi Boundary condition dan Initial

3 28 Conditian. Kedua hal tersebut membentuk diskritisasi ruang pengering. Aliran udara panas bergerak mengikuti pola meshing yang dibuat melalui Ted Grid yaitu jalur aliran udara panas dapat berbentuk segi tiga, empat, lima, enam sesuai dengan bentuk geometri ruang pengering Grid domain memberikan jalur lintasan yang dilalui oleh rambatan atau aliran udara panas mapun aliran udara yang bergerak dari inlet menuju outletnya melalui pencampuran udara di dalam ruang pengering. Grid domain diberi input data Fluent berupa boundary condition dan initial condition untuk membentuk distribusi suhu dan kecepatan aliran udara Sebaran suhu udara pengering Untuk memperoleh sebaran suhu udara pengering pada Skenario 1 sampai dengan Skenario 6, maka dilakukan simulasi pada ruang pengering dengan Boundary Condition yang terdapat pada perhitungan Lampiran 2. Hasil perhitungan kondisi batas terdapat pada Tabel 2. Tabel 2 Kondisi batas ( boundary condition dan initial condition ) pada simulasi suhu dan kecepatan udara skenario 1-6 Atap h Suhu ,6 W/m 2o C C Dinding kanan h Suhu 3,94 48,6 W/m 2o C C Dinding kiri h Suhu ,6 W/m 2o C C Dinding depan h Suhu ,6 W/m 2o C C Dinding belakang h Suhu ,6 W/m 2o C C Lantai 1.94 W/m 2o C Suhu 48,6 o C Radiator Fluks Suhu W/m 2 C Inlet Kecepatan Suhu 1,31 42,7 m/dt C Ruang pengering Suhu 42,7 o C Outlet Outflow Fan dalam ruang pengering 1,5 m/dt

4 29 Simulasi CFD pada sebaran suhu dan vektor suhu udara ruang pengering secara kuantitatif terdapat pada Lampiran 3. dan hasil simulasi CFD secara kualitatif terdapat pada Gambar Skenario 1 : Gambar 8. Sebaran suhu pada skenario 1 Suhu rata-rata pada distribusi suhu ruang pengering 42.4 o C, dengan standar deviasi 2.2 o C. Masing-masing rak pengering akan menerima panas berkisar 42.7 o C. Skenario 2 : Gambar 9. Sebaran suhu pada skenario 2 Suhu rata-rata di dalam ruang pengering 41.0 o C, dan standar deviasi 2.2 o C, sehingga rak-rak pengering akan menerima panas berkisar o C.

5 30 Skenario 3: Gambar 10. Sebaran suhu pada skenario 3 Sebaran suhu ruang pengering pada skenario 3 berkisar dari suhu 41.9 o C sampai dengan 48.7 o C, dengan suhu rata-rata di dalam ruang pengering 42.8 o C, dan standar deviasi 2.4 o C.dan posisi rak-rak pengering berada pada suhu ,0 o C. Skenario 4: Gambar 11. Sebaran suhu pada skenario 4 Suhu rata-rata pada irisan melintang di dalam ruang pengering 42.8 o C, dan standar deviasi 0.0 o C, kondisi rak pengering berkisar o C. Warna biru tua pada gradasi suhu mendominasi ruang pengering dengan nilai 41.5 o C.

6 31 Skenario 5: Gambar 12. Sebaran suhu pada skenario 5 Sebaran suhu ruang pengering pada skenario 1 berkisar dari suhu 42.6 o C sampai dengan 49.9 o C, dengan suhu rata-rata di dalam ruang pengering 43.5 o C, dan standar deviasinya 2.1 o C. Posisi rak-rak pengering berada pada suhu o C. Skenario 6: Gambar 13. Sebaran suhu pada skenario 6 Sebaran suhu ruang pengering pada skenario 1 berkisar dari suhu 37.9 o C sampai dengan 46.7 o C, dengan suhu rata-rata di dalam ruang pengering 38.9 o C, dan standar deviasi 2.2 o C. Rak-rak pengering berada pada suhu o C. Pada umumnya warna yang ditunjukkan oleh rata-rata suhu ruang pengering pada skenario 1-6 berwarna biru dan terdapat warna hijau dimana warna hijau berada diatas warna biru. Sementara itu, dinding-dinding yang membatasi ruang pengering berwarna merah, termasuk lantai. Warna merah memberi tanda bahwa

7 32 pada bagian tersebut memiliki suhu tinggi sebagai akibat panas dari sinar matahari secara terus menerus dan panas yang diserap oleh absorber dan meneruskan panas ke ruangan secara konveksi serta panas dari radiator. Disain pengering hibrid tipe rak berputar yang terbaik diperoleh dari warna ruangan seragam yang berwarna hijau. Suhu rata-rata yang diperoleh dari anlisis distribusi suhu pada irisan melintang ruang pengering dari skenario 1 6 dapat terlihat pada Gambar 14. Perbandingan suhu skenario 1-6 Suhu oc 44,0 43,0 42,0 41,0 40,0 39,0 38,0 37,0 36,0 35, Skenario Series1 Gambar 14. Perbandingan suhu rata-rata skenario 1-6 Perbandingan suhu rata-rata dari skenario 1-6 tertinggi didapat pada Skenario 5 dengan suhu rata-rata ruang pengering 43.5 o C, sehingga Skenario 5 merupakan Skenario yang terbaik, meskipun suhu belum dapat mencapai o C. Untuk mencapai suhu pengeringan yang optimal, maka dapat dilakukan upaya yaitu : meningkatkan suhu air lebih tinggi dari 70 o C, sehingga konveksi udara panas radiator meningkat; dan meningkatkan laju aliran udara dari fan pada radiator dan fan di ujung outlet, sehingga fluks panas radiator mampu memberikan suplai panas dan menyeragamkan suhu udara di ruang pengering. Seleksi model pengering ERK hibrid skala labolatorium selain didasarkan pada nilai kuantitas, juga dapat dilakukan dengan menggunakan degradasi warna dari warna biru sampai warna merah. Warna biru pada umumnya memiliki suhu yang rendah, sedangkan warna merah merupakan suhu ruang pengering tertinggi. Warna yang semakin beragam berarti bahwa suhu ruang pengering memiliki perbedaan suhu yang besar atau deviasinya besar dan hal ini tidak diharapkan.

8 Sebaran kecepatan aliran udara Sebaran kecepatan aliran udara di dalam ruang pengering dipengaruhi oleh kecepatan udara yang masuk ke ruang pengering (inlet), kecepatan udara yang keluar dari ruang pengering (outlet) dan kecepatan udara fan yang berada di bawah radiator. Batasan yang ditetapkan pada Boundary Condition Fluent yaitu kecepatan udara inlet 1.31 m/dt, kecepatan udara outlet difungsikan sebagai outflow aliran udara dan kecepatan udara fan 1.5 m/dt. Aliran udara di dalam ruang pengering memiliki besaran yang digambarkan dari nilai kecepatan aliran udara dan juga memiliki arah aliran udara yang digambarkan degradasi warna pada ruang pengering. Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara di dalam ruang pengering dari hasil simulasi CFD secara kuantitatif terdapat pada Lampiran 4, dan secara kualitatif terdapat pada Gambar Untuk dapat membandingkan kecepatan aliran udara skenario 1-6, maka diberi kondisi batas kecepatan aliran udara bawah 0 m/dt dan kecepatan aliran udara batas atas 1.5 m/dt. Skenario 1:. Gambar 15. Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara pada skenario 1 Pergerakan vektor dari arah inlet berwarna kuning menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara menuju ke arah atas dan ke bawah inlet memutar menuju outletnya. Warna biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, yang terdapat pada posisi tengah, pojok kiri

9 34 bawah dan sedikit pada posisi kanan bawah. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.12 m/dt, dan deviasi standar 0.11 m/dt. Skenario 2: Gambar 16. Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara pada Skenario 2 Pergerakan vektor dari arah inlet berwarna merah menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara menuju ke arah atas dan ke bawah inlet memutar menuju outletnya membentuk dua buah lingkaran. Warna biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, yang terdapat pada posisi tengah dengan jumlah warna biru relatif sedikit dibandingkan pada Gambar skenario 1. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.14m/dt, dan deviasi standar 0.19 m/dt. Skenario 3: Gambar 17. Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara pada skenario 3 Pergerakan vektor aliran udara panas dari arah inlet berwarna merah menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara langsung menuju ke outletnya. Warna

10 35 biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, sebagian besar terdapat pada posisi tengah ke atas. Warna biru yang dihasilkan jauh lebih banyak dibandingkan dengan warna biru yang dihasilkan dari skenario 1 dan 2. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.13 m/dt, dan deviasi standarnya 0.14 m/dt. Skenario 4: Gambar 18. Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara pada skenario 4 Pergerakan vektor dari arah inlet berwarna merah menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara sebagian ke arah atas dan bawah ke inlet, dan kembali menuju ke outletnya. Warna biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, sebagian terdapat pada posisi tengah, sedikit di atas, sebagian ada di posisi bawah outlenya dan sebagian lagi di posisi sepanjang tepi ruang pengering. Warna biru tua yang dihasilkan relatif sedikit dan warna biru muda pada posisi bawah merupakan kecepatan aliran fluida yang dihasilkan dari fan. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.12 m/dt, dan deviasi standarnya 0.07 m/dt. Skenario 5: Gambar 19. Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara pada skenario 5

11 36 Pergerakan vektor dari arah inlet berwarna merah menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara sebagian besar ke arah atas dan bawah ke inlet, dan kembali menuju ke outletnya. Warna biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, sebagian terdapat pada posisi atas tengah sedikit, sebagian ada di posisi di awah outlet dan sedikit dibawah inletnya. Kecepatan aliran udara yang ke bawah bertemu dengan kecepatan udara fan, sehingga pada posisi bawah kecepatan aliran udaranya yang ditunjukkan oleh warna biru muda lebih banyak dari pada Skenario 4. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.13 m/dt, dan deviasi standarnya 0.15 m/dt. Skenario 6: Gambar 20 Sebaran kecepatan dan vektor aliran udara pada skenario 6 Pergerakan vektor dari arah inlet berwarna merah menuju outlet dengan pola sebaran gerakan udara sebagian besar ke arah menuju ke outletnya, sebagian ke arah atas dan bawah dan kembali menuju outletnya. Warna biru tua pada ruang pengering merupakan posisi kecepatan udara yang paling rendah, sebagian bessar terdapat pada posisi atas tengah, sebagian kecil ada di posisi di bawah tengah. Warna biru tua sebagian besar berada pada ruang pengering, sehingga pada posisi tersebut kecepatan aliran udaranya terendah 0.00 m/dt. Kecepatan rata-rata udara di dalam ruang pengering yaitu 0.21m/dt, dan deviasi standar 0.49 m/dt. Secara kualitatif, kecepatan aliran udara dalam ruang pengering bergerak dari inlet menuju outletnya yang ditunjukkan oleh warna merah, kuning dan hijau pada distribusi kecepatan aliran udara. Pada umumnya warna biru muda dan tua yang mendominasi dalam ruang pengering.

12 37 Rak-rak pengering bersentuhan langsung dengan kecepatan aliran udara dalam ruang pengring, walaupun tidak seluruhnya tergantung pada posisi aliran udara inlet menuju outletnya. Rak-rak pengering yang berputar secara vertikal akan kembali ke posisi semula dan dapat menyentuh laju aliran udara yang cepat relatif cepat secara merata. Perhitungan simulasi kecepatan aliran udara pada irisan melintang di ruang pengering secara keseluruhan terdapat pada Lampiran 4, dan hasil simulasi kecepatan dapat terlihat pada Gambar 21. Kec. m/s Kecepatan rata-rata Skenario 1-6 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0, Skenario Kec. m/s Gambar 21. Kecepatan aliran udara Skenario 1-6 Simulasi kecepatan rata-rata tertinggi pada Skenario 2, namun dari hasil kecepatan aliran udara mengikuti bentuk domain Skenario 5 yaitu kecepatan aliran udara ruang pengering 0.13 m/dt dengan deviasi standar 0.15 m/dt. Hasil simulasi CFD ini digunakan sebagai dasar dalam pembuatan model ERK hibrid tipe rak berputar dan selanjutnya pembentukan model ini akan divalidasikan untuk menentukan ketepatan aliran udara model pengering. Penelitian ini berperan penting dalam merancang suatu alat pengering dengan cara membandingkan bentuk-bentuk geometri ruang pengering dan dengan input suhu dan kecepatan udara lingkungan, maka dapat dengan cepat diperoleh hasil seleksi bentuk geometri ruang pengering yang optimum. Penelitian ini berdampak secara efektif dapat mengetahui kinerja alat pengering sebelum alat pengering tersebut dibuat modelnya atau prototipenya. Pada penelitian sebelumnya didapatkan bahwa alat dibuat lebih dahulu kemudian baru dilakukan simulasi sehingga apabila ada perubahan bentuk

13 38 geometri ruang pengering atau variabel alat pengering (try and error) akan berdampak terhadap biaya yang lebih mahal dan waktu menjadi tidak efektif lagi Hasil disain alat pengering ERK Hibrid tipe rak berputar Model pengering ERK hibrid tipe rak putar Berdasarkan simulasi yang dipilih pada Skenario 5, maka dibangun model pengering skala labolatorium. Model pengering ERK hibrid yang digunakan dalam penelitian adalah bangunan segiempat transparan yang terdapat lubang inlet pada sisi samping dan pada sisi yang berlawan terdapat lubang outlet dengan bentuk prisma terpancung dan pada bagian dalamnya terdapat delapan rak yang dapat berputar, radiator yang ditempat di tengah pada sisi bagian bawah bangunan pengering yang dilandasi plat hitam. Bentuk model pengering ERK hibrid tipe rak berputar terlihat pada Gambar Gambar 22. Model pengering ERK hibrid tipe rak berputar Keterangan: 1. Atap dan dinding 5. Lubang inlet dan outlet 2. Rangka pengering 6. Fan 3. Rak 7. Lantai 4. Radiator 8. Sistim transmisi Model pengering ERK hibrid tipe rak berputar terdiri dari komponen : (1) Rangka pengering dengan dimensi 1200x860x1350 mm yang terbuat dari besi stall 30x30 mm; (2) Rak pengering berjumlah 8 rak berukuran 200x600x30 mm; (3) Atap dan dinding berupa plastik mika polyethyline transparan dengan

14 39 ketebalan m; (4) Lantai terbuat dari plat besi tebal 1 mm yang dilapisi cat warna hitam sebagai absorber panas; (5) Radiator berperan sebagai alat penukar panas dari aliran air panas dalam pipa ke udara dalam ruang pengering yang dihantarkan secara konveksi; (6) Fan radiator untuk meratakan suhu udara dalam pengering dan kipas outlet untuk mengeluarkan udara panas; (7) Sistem transmisi terdiri dari sprocket and chain dan (8)Lubang inlet dan outlet Mekanisme kerja alat pengering ERK Hibrid tipe rak berputar Produk pertanian yang akan dikeringkan dimasukkan ke dalam rak-rak setinggi permukaan rak 2.5 cm dan ditempatkan pada posisi dudukan rak-rak di dalam ruang pengering. Sementara itu, radiator dipanaskan melalui pemanasan air menggunakan heater dan dan saat bersamaan dihidupkan pula kipas radiator dan kipas outlet. Panas yang terjadi di dalam ruang pengering ERK hibrid sebagai akibat dari energi gelombang pendek yang dipancarkan sinar matahari, diserap benda yang ada di dalam ruang pengering, sebagian energi ini diserap dan dipantulkan dalam bentuk gelombang panjang yang tak tembus penutup transparan. Lapisan penutup transparan memungkinkan radiasi gelombang pendek dari matahari masuk dan menyekat radiasi gelombang panjang (Abdullah, 1990). Panas yang terjadi di dalam ruang pengering juga ditimbulkan oleh konveksi aliran udara panas dari radiator ke ruang pengering, sehingga secara simultan panas yang dihasilkan oleh radiasi matahari dan panas yang dihasilkan dari radiator dan disebut sebagai pengering hibrid. Gerakan aliran udara melalui outlet menyebabkan aliran udara lingkungan masuk ke dalam ruang pengering. Udara lingkungan ini akan bercampur dengan udara panas dalam ruang pengering dan bergerak mengikuti bentuk ruang pengering menuju outlet. Aliran udara panas ini akan kontak dengan permukaan produk pertanian dalam rak-rak pengering, sehingga menimbulkan efek pengeringan. Kontak yang terjadi antara aliran udara panas simultan dan produk pertanian secara terus menerus menyebabkan terjadinya proses pengeringan.

15 Sistim operasional pengering ERK hibrid tipe rak berputar Sistim operasional alat pengering ERK hibrid digunakan untuk mengeringkan produk pertanian melalui tahapan sebagai berikut : a. Sebelumk memulai pengeringan, air dipanaskan lebih dahulu agar tercipta suplai panas ke dalam ruang pengering melalui konveksi udara b. Produk pertanian yang akan dikeringkan dimasukkan ke rak-rak pengering setinggi cm. c. Kipas radiator dan kipas outlet dihidupkan dan pintu ditutup rapat. d. Terjadi proses pengeringan melalui suplai panas oleh iradiasi matahari dan konveksi udara panas dari radiator. e. Dilakukan pemutaran rak searah jarum jam setiap 1 jam sekali sejauh 45 derajat agar diperoleh aliran udara panas yang merata pada setiap raknya. f. Apabila telah mencapai kadar air pengeringan yang diharapkan, maka produk dikeluarkan dari ruang pengering. 5.3 Validasi suhu ruang pengering Validasi suhu ruang pengering dilakukan pada percobaan 1,2 dan 3 dengan 3 kali ulangan. Validasi suhu ruang pengering untuk mendapatkan error antara nilai suhu pengukuran dan suhu ruang pengering CFD. Untuk menggambarkan sebaran suhu ruang pengering CFD diperlukan input kondisi batas ruang pengering dan kondisi lingkungan. Perhitungan pindah panas secara konveksi dilakukan terhadap kondisi batas ruang pengering yang meliputi atap, lantai, dinding kanan, kiri, depan, belakang dan radiator (Lampiran 5), ditabelkan seperti terdapat pada Tabel 3.

16 41 Tabel 3. Kondisi batas pada validasi suhu, kecepatan dan RH ruang pengering Percobaan 1 Percobaan 2 Percobaan 3 Satuan Lapis h Atap 4,79 4,79 4,79 4,79 4,79 4,79 4,79 4,79 4,79 W/m2.oC h Lantai 2,29 2,87 1,91 1,8 2,35 1,87 1,8 2,35 1,87 W/m2.oC h Dinding kanan 2,31 2,57 2,05 3,31 3,54 3,44 3,99 4,11 4,55 W/m2.oC h Dinding kiri 2,75 3,41 3,12 2,22 2,95 1,37 3,63 3,54 4,05 W/m2.oC h Dinding depan 2,13 3,08 2,36 1,37 3,59 3,21 3,54 4,19 4,73 W/m2.oC h dinding belakang 2,21 2,71 3,52 3,43 3,55 2,73 4,62 4,68 5,16 W/m2.oC h Radiator 25,73 27,11 14,42 28,54 20,1 25,51 23,13 24,56 23,52 W/m2.oC Potong sb Z jarak cm Iradiasi matahari W/m2. Suhu lingkungan 37,4 41,1 39,2 39,5 42,4 35,9 35,4 34,7 39,9 oc RH lingkungan 78,6 43,8 48,0 55,4 40,6 57,7 63,1 58,4 50,9 % Kec. Udara inlet 1,36 1,13 1,70 1,14 1,05 1,05 1,40 1,10 0,93 m/s Simulasi suhu ruang pengering dengan menggunakan CFD diperoleh pada Gambar Untuk dapat membandingkan antara gambar simulasi ruang pengering satu dan gambar yang lainnya, maka digunakan batas nilai bawah ditetapkan 40 o C dan batas nilai atas 60 o C. Memotong Z=20cm Memotong Z=30cm Memotong Z=70cm Gambar 23. Bidang simulasi suhu CFD percobaan 1 Memotong Z=20cm Memotong Z=40cm Memotong Z=60cm Gambar 24. Bidang simulasi suhu CFD percobaan 2

17 42 Memotong Z=20cm Memotong Z=40cm Memotong Z=60cm Gambar 25. Bidang simulasi suhu CFD percobaan 3 Metoda curve fifting dilakukan untuk mendapatkan nilai-nilai suhu, kecepatan, kelembaban udara pada semua titik-titik grid pada bidang XY sehingga menjadi titik-titik data suhu, kecepatan dan kelembaban udara pada bidang X, bidang Y di dalam program Exel. Perhitungan validasi suhu pada percobaan 1, 2 dan 3 terdapat pada Lampiran 6. Pada umumnya gradasi warna yang mengelilingi bidang irisan potongan melintang ruang pengering memiliki warna yang lebih tinggi dari pada warna yang berada di dalam ruang. Hal ini terjadi karena akumulasi suhu yang dipengaruhi oleh panas sinar matahari pada dinding ruang pengering, panas konveksi yang diperoleh dari konveksi udara radiator dan pencampuran aliran udara panas yang masuk ke dalam ruang pengering. Aliran udara panas bergerak dari inlet menuju outletnya dan sebagian ada yang bergerak dan menyebar di dalam ruang pengering untuk selanjutnya keluar menuju outlet. Suhu ruang pengering pada percobaan 1, 2 dan 3 berkisar o C, dimana posisi titik pengukuran lapang dan posisi titik CFD berhimpitan yang berati bahwa nilai simulasi suhu pada bidang-bidang tersebut diatas mendekati sama dengan suhu yang diperoleh pada titik-titik pengukuran di lapang. Pada Gambar 26 memperlihatkan parbandingan antara nilai-nilai suhu yang diperoleh pada simulasi CFD dan data suhu pengukuran lapang pada percobaan 1, 2 dan 3. Nilai simpangan mutlak pada percobaan 1, 2 dan 3 berturut-turut (APD) adalah 0.36, 1.97 dan 2.42%.

18 43 50 Validasi suhu percobaan 1 50 Validasi suhu percobaan Suhu pengukuran (oc) Suhu ukur (oc) suhu CFD (oc) Suhu CFD (oc) Validasi suhu percobaan suhu ukur (oc) suhu CFD (oc) Gambar 26. Validasi suhu ruang pengering Nilai rata-rata simpangan mutlak pada validasi suhu ruang pengering 1.58% dan nilai ini dibawah 10%, sehingga data yang diperoleh dari hasil perhitungan simulasi CFD dikatakan valid karena nilai APD kurang dari 10%, sebagaimana dinyatakan Lomauro dan Bakshi (1985), dalam Triwahyudi (2009) bahwa model dikatakan cukup valid apabila simpangan mutlak (APD) lebih kecil dari 10% Validasi kecepatan Validasi kecepatan pada model pengering dilakukan pada percobaan 1,2 dan 3 dengan 3 kali ulangan. Input kondisi batas pada Tabel 3 digunakan untuk dapat menggambarkan distribusi kecepatan aliran udara di dalam ruang pengering dan gambar distribusi kecepatan udara di dalam ruang pengering terdapat pada Gambar

19 44 Memotong Z=20cm Memotong Z=30cm Memotong Z=70cm Gambar 27. Hasil simulasi kecepatan percobaan 1 Memotong Z=20cm Memotong Z=40cm Memotong Z=60cm Gambar 28. Hasil simulasi kecepatan percobaan 2 Memotong Z=20cm Memotong Z=40cm Gambar 29. Hasil simulasi kecepatan percobaan 3 Memotong Z=60cm Kecepatan hasil simulasi pada percobaan 1 berkisar m/dt, pada percobaan 2 berkisar m/dt dan pada kecepatan percobaan 3 berkisar m/dt. Kecepatan aliran udara ini dipengaruhi secara simultan oleh kecepatan aliran udara masuk (inlet), aliran udara dari fan dalam ruang pengering dan kecepatan aliran udara fan yang keluar serta kondisi lingkungannya. Pada umumnya kecepatan aliran udara yang paling besar berada pada posisi bidang vertikal di tengah ruang pengering yang searah inlet menuju outletnya dan ditunjukkan warna warna merah dan kuning, sedangkan warna biru tua

20 45 menunjukkan bahwa kecepatan aliran udara pada bidang dalam ruang pengering rendah. Validasi kecepatan aliran udara hasil perhitungan CFD terhadap kecepatan aliran udara di dalam ruang pengering pada percobaan 1, 2 dan 3 ditunjukkan pada Gambar 30. Validasi kecepatan percobaan 1 Validasi kecepatan percobaan 2 0,5 0,50 0,4 0,40 Kecepatan ukur (m/s) 0,3 0,2 Kecepatan ukur 0,30 0,20 0,1 0,10 0,00 0,0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Kecepatan CFD (m/s) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Kecepatan CFD (m/s) Validasi kecepatan percobaan 3 0,5 0,4 Kecepatan ukur (m/s) 0,3 0,2 0,1 0,0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Kecepatan CFD (m/s) Gambar 30. Validasi kecepatan aliran udara pada model pengering Simpangan mutlak kecepatan aliran udara pada validasi kecepatan percobaan 1, 2 dan 3 berturut-turut yaitu 1.78%, 0.80% dan 1.20%. Perhitungan validasi kecepatan aliran udara terdapat pada Lampiran 7. Nilai-nilai simpangan mutlak secara keseluruhan dibawah nilai simpangan mutlak 10%, sehingga hasil data simulasi terhadap data pengukuran lapang adalah valid dan memiliki nilai R mendekati nilai 1 sehingga data simulasi kecepatan udara dapat menjelaskan model pengeringnya.

21 Kelembaban Udara 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 ke arah 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 aliran udara dari tekanan tinggi menuju tekanan rendah. Kelembaban udara ruang pengering yang diperoleh dari hasil perhitungan CFD dan pengukuran lapang pada percobaan 1, 2 dan 3 berturut-turut kelembaban uadaranya adalah 40-60%, 35-50% dan 30-50%. Faktor yang menyebabkan kelembaban udara ruang pengering berubah yaitu : iradiasi matahari yang berpengeruh terhadap perubahan suhu ruang pengering dan udara lingkungan, peningkatan suhu dalam ruang pengering oleh pengaruh penyebaran panas secara konveksi dari radiator dan kecepatan aliran udara ruang pengering. Validasi kelembaban udara ruang pengering ditentukan oleh nilai koefisien simpangan mutlaknya. Validasi kelembaban udara ruang pengering pada model pengering hibrid tipe rak berputar terdapat pada Gambar 31.

22 47 Validasi RH percobaan 1 Validasi RH percobaan 2 RH ukur (%) RH CFD (%) RH ukur RH cfd Validasi RH percobaan RH ukur (%) RH CFD (%) Gambar 31. Validasi kelembaban udara ruang pengering Simpangan mutlak pada validasi kelembaban ruang pengering pada percobaan 1,2 dan 3 diperoleh berturut-turut adalah 0.38%, 0.33% dan 0.76%. Ketidaktepatan hasil perhitungan CFD dan data hasil pengukuran lapang dapat menghasilkan error. Error yang diperoleh dari hasil perhitungan disebabkan oleh : Pengukuran lapang terhadap suhu, kecepatan aliran udara dan kelembaban udara pada titik-titik pada bidang irisan potongan melintang ruang pengering membutuhkan waktu 30 menit dan selama waktu tersebut dapat terjadi perubahan kondisi lingkungan. Kondisi lingkungan yang berubah seperti iradiasi matahari, kecepatan udara masuk, suhu lingkungan dan kelelmababn udara lingkungan. Sementara itu, pengukuran CFD pada titik-titik bidang irisan melintang pada ruang pengering sudah disetting pada kondisi suhu, kecepatan udara masuk dan kecepatan fan dalam ruang pengering dalam kondisi tertentu, Kondisi tersebut tidak berubah selama pengukuran CFD terhadap suhu, kecepatan dan kelembaban

23 48 udara, sehingga terdapat selisih pengukuran antara pengukuran lapang dan pengukuran CFD Perancangan pengering ERK skala lapang Prototipe pengering ERK hybrid tipe rak berputar diperoleh dari proses disain dan hasil simulasi CFD disain sebelumnya. Hasil kinerja prototipe pengering ERK dipengaruhi oleh parameter disain dan hasil simulasi CFD alat pengeringnya yang meliputi : kapasitas produk, jenis produk, kadar air awal dan akhir, suhu pengeringan, kecepatan aliran udara dalam ruang pengering dan yang lainnya. Jenis produk yang digunakan dalam penelitian ini adalah cengkeh dan ini prototipe pengering ERK hibrid tipe rak berputar akan dirancang dengan kapasitas 100kg/proses. Kapasitas cengkeh yang dirancang 100kg per batch dan dirancang dengan waktu pengeringan 50 jam dan suhu pengeringan dipertahankan 50 o C. Beberapa asumsi yang digunakan dalam proses perancangan prototipe pengering ERK hibrid tipe rak berputar yaitu : kadar air awal cengkeh 75% (bb), kadar air akhir 13% (bb), kadar air keseimbangan cengkeh (Me) adalah 5% (bb) dan panas jenis cengkeh C p =3387 kj/kg o C (Siebel dalam Heldman and Singh, 1980). Sementara itu asumsi panas jenis udara pada suhu udara rata-rata 30 o C sebesar kj/kg o C (Holman, 1985), efisiensi kipas 30%, dan panas laten cengkeh, H fg = kj/kg (Anwar, 1987). Nilai kalor kayu rata-rata kj/kg (Nuryadin, 1990). Perhitungan perancangan pengering ERK skala lapang terdapat pada Lampiran 10. Tabel 4. Perancangan pengering ERK skala lapang. No Hal Jumlah Satuan Volume pengering cengkeh 100 kg Laju air yang diuapkan Daya untuk mengeringkan cengkeh Daya kipas Daya untuk ruang pengering Daya suplai luas lantai Daya yang harus disuplai radiator Laju aliran air dalam pipa Bahan bakar kayu m 3 g/dt KW KW KW KW KW Liter/dt Kg/proses

24 Disain pengering ERK skala lapang tipe rak berputar Prototipe pengering ERK hybrid tipe rak berputar merupakan bangunan pengering ERK hybrid yang di dalamnya terdapat rak-rak yang digantungkan pada silinder perputar sehingga dengan adanya putaran as menyebabkan rak-rak pengering ddapat bergerak mengikuti rotasi gerakan silindernya. Pada bangunan tersebut di dalamnya terdapat 3 bagian silinder dan rak-rak pengering berjumlah 48 rak dan setiap raknya mampu menampung cengkeh hasil panen seberat 2,1 kg basah, sehingga kapasitas alat pengeringnya 100 kg per batch. Deskripsi bangunan pengering berdimensi panjang, lebar dan tinggi berturut-turut adalah 250, 150 dan 190 cm dan bagian utamanya terdapat rangka bangunan, 3 silinder berputar, 48 rak pengering, kipas, radiator, pintu dan lubang inlet dan outlet, sebagaimana terdapat pada Gambar Gambar 32. Prototipe pengering ERK hibrid tipe rak berputar Keterangan gambar : 1. Rangka bangunan 4. Atap 7. Lubang inlet 2. Rak pengering 5. Radiator 8. Lubang outlet 3. Silinder berputar 6. Kipas 9. Pintu Alat pengering ini berfungsi untuk mengeringkan produk hasil pertanian seperti kapulaga, kopi, cengkeh dan sebagainya. Mekanisme pengeringnya adalah produk pertanian diletakkan pada rak-rak pengering dalam ruang pengering.

25 50 Adanya radiasi matahari, tambahan panas dari radiator melalui konveksi udara dan aliran udara dari inlet menuju outlet, maka menyebabkan suhu di ruang pengering meningkat sehingga tekanan udaranya lebih tinggi dan air yang ada di permukaan bahan akan terbawa aliran udara panas. Proses ini terjadi secara terus-menerus sehingga kandungan air dalam bahan bergerak menuju permukaan, dan kandungan air bahan mencapai batas tertentu. Akibat proses tersebut, maka produk hasil pertanian akan kering dan aman untuk disimpan Simulasi pengering ERK hibrid skala lapang Bentuk dasar bangunan prorotipe efek rumah kaca hibrid tipe rak berputar disimulasikan dengan menggunakan program Gambit dan hasil simulasinya dapat dilihat pada Gambar 33. Gambar 33. Bentuk dasar prototipe ERK hibrid Prototipe alat pengering ERK hibrid ini terdiri dari : 3 lubang inlet, 3 lubang outlet, 48 rak, 3 radiator, 3 fan diatas radiator, dan 3 fan exhaust dan rangka alat pengering menggunakan besi stall 40x40 mm. Untuk mendapatkan simulasi suhu dan kecepatan pada irisan melintang pada bagian tengah ruang pengering diperlukan input kondisi batas dengan perhitungan yang terdapat pada Lampiran 9. Simulasi suhu pada irisan melintang alat pengering ERK hibrid terdapat pada Gambar 34.

26 51 Gambar 34. Sebaran suhu pada irisan melintang alat pengering ERK hibrid Suhu rata-rata pada bidang irisan melintang alat pengering ERK hibrid dengan data pengukuran sebanyak 1271 yaitu 53,6 o C dan deviasi standar 1.28 o C, ditunjukkan oleh warna orange yang hampir mendominasi seluruh bidang distribusi suhu. Apabila udara panas yang mengalir hanya diperhatikan pada posisi rak-rak pengering, maka suhu rata-rata ruang pengering yang bersentuhan dengan rak-rak pengering telah tercapai yaitu berkisar 53 o C, maka standar proses untuk mengeringkan cengkeh dapat tercapai. Hasil simulasi kecepatan aliran udara pada irisan melintang alat pengering ERK hibrid dapat dilihat pada Gambar 35. Gambar 35. Sebaran kecepatan aliran udara pada alat pengering ERK hibrid

27 52 Kecepatan rata-rata aliran udara panas yang diperoleh dari hasil simulasi yaitu 0,299 m/dt dengan deviasi standar 0,196 m/dt artinya kecepatan aliran udara dalam ruang pengering tersebut sangat bervariasi. Kecepatan aliran udara 0 m/dt terjadi pada bagian seluruh dinging yang membatasi ruang pengering termasuk pada posisi plat absorber. Pada bagian tengah ruang pengering memiliki kecepatan aliran udara panas 0,5 m/dt sampai dengan 2 m/dt dan ditunjukkan oleh warna biru muda sampai warna merah. Pada bagian outletnya pada umumnya berwarna merah dengan notasi kecepatan 2 m/dt karena pada bagian ujung tersebut terdapat fan yang menghembuskan udara dalam ruang pengering menuju keluar. Usaha simulasi suhu ruang pengering untuk mendapatkan suhu optimum diperoleh dengan cara meningkatkan kecepatan fan yang semula 1.5 m/dt (pada model skala lab.) menjadi 2 m/dt dan suhu air panas sebagai media yang memberikan sumber panas pada radiator ditingkatkan suhunya menjadi 85 o C. Kondisi tersebut berdampak pada suhu ruang pengering yang secara simultan diperoleh dari penempatan posisi inlet, out let, radiator, fan, rak dan iradiasimatahari, sehingga diperoleh suhu rata-rata ruang pengering 53.6 o C.