PENGARUH SUDUT ATAP CEROBONG TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA RUANG PENGERING BERTINGKAT DAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS Nawawi Juhan 1 1 Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Lhokseumawe *Email: alueraya@gmail.com ABSTRAK Penelitian ini dilakukan untuk melihat pengaruh sudut atap cerobong terhadap keseragaman distribusi temperatur di setiap rak yang terdapat dalam lemari pengering. Pengujian dilakukan dengan membuat suatu sistem peralatan pengering dengan sistem aliran gas panas alamiah, yang terdiri atas lima bagian utama yaitu ruang pembakaran, pengarah awal tidak berlubang berbentuk V dengan sudut 30 o, saluran pengarah sirip bersudut 15 o, ruang pengeringan dengan 7 rak pengeringan, dan 3 buah cerobong dengan sudut atap masing-masing 15 o, 25 o, 35 o. Hasil penelitian menunjukkan bahwa distribusi temperatur dalam ruang pengering dengan sudut atap cerobong 15 o mencapai keseragaman temperatur setelah pemanasan 90 menit. Karakteristik perpindahan panas yang terjadi seperti Grashof number, Rayleigh number, Nusselt number, dan koeffisien perpindahan panas dipengaruhi oleh ketinggian karakteristik, lebar karakteristik, dan sudut atap cerobong. Kata kunci: Sudut atap cerobong, distribusi temperatur, karakteristik pindah panas. ABSTRACT This study was conducted to see the effect of the chimney to the roof angle uniformity of temperature distribution in each rack contained in a drying cabinet. The test is done by creating a system of drying equipment with natural hot gas flow system, which consists of five main parts of the combustion chamber, the initial referrer is not perforated V-shaped with an angle of 30 o, 15 o angled channel steering fins, drying room with drying racks 7, and 3 fruit chimney with roof angle 15 o, 25 o and 35 o respectively. The results showed that the angle of the roof chimney 15 o affects the uniformity of temperature distribution on 90 minute of the drying condition. Characteristics of heat transfer that occurs as Grashof number, Rayleigh number, Nusselt number and the heat transfer coefficient is influenced by the characteristics of height, width characteristics, chimney and roof angle. Keywords: Angle of roof chimney, the temperature distribution, heat transfer characteristics. 9
PENDAHULUAN Nawawi Juhan (2008), telah membuat alat pengering dengan rak bertingkat dan mengkaji karakteristik perpindahan panas pada ruang sistem pengering dengan energi panas dari bahan bakar untuk mengatasi kendalakendala pasca panen para petani, seperti pada musim hujan, penghematan energi, waktu dan ruang pengering. Hasil dari penelitian tersebut masih memiliki sedikit perbedaan distribusi temperatur pada setiap rak pengering, meskipun tidak signifikan. Selanjutnya Nawawi Juhan (2012) telah meningkatkan kajiannya pada alat pengering tersebut dengan memodifikasi dan membuat saluran pengarah sirip bersudut. Namun, hasil penelitian tersebut masih terdapat perbedaan distribusi temperatur pada rak-rak paling atas di dalam ruang pengering, walaupun tidak begitu signifikan, ini diduga kuat disebabkan oleh sudut atap cerobong yang tidak tepat. Jika ketidaksamaan distribusi temperatur fuida pengering pada setiap rak dalam lemari pengering tersebut tidak teratasi, maka derajat kekeringan bahan yang di keringkan tidak merata dan akan menurun kualitasnya, yang diakibatkan oleh suhu pengering tidak merata yang diterima oleh setiap produk yang dikeringkan. Masalah ini diyakini dapat diatasi dengan membuat sudut atap cerobong yang tepat. Pengujiannya dilakukan dengan membuat suatu sistem peralatan pengering dengan sistem aliran gas panas alamiah, yang terdiri atas lima bagian utama yaitu ruang pembakaran, pengarah awal, saluran pengarah sirip bersudut, ruang pengeringan dengan 7 rak pengeringan, dan 3 buah cerobong dengan sudut atap masing-masing 15 o, 25 o, 35 o. Pengkajian lebih lanjut dilakukan terhadap karakteristik perpindahan panas pada ruang sistem pengering. Karakteristik perpindahan panas alamiah dengan menggunakan Angka Rayleigh dan Angka Nusselt (Tanda. G, 1997). 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 < 10 12 ), bergantung pada sistem geometrik (Bejan. A, 2013). Menurut Bejan. A (2003), untuk menganalisa dan mengkaji karakteristik perpindahan panas yang terjadi di dalam ruang sistem pengering tersebut digunakan persamaan-persamaan perpindahan panas konveksi alamiah sebagai berikut; Angka Grashof (Gry) yang peranannya sama dengan peranan angka Reynolds dalam sistem konveksi paksa; g. ( T ) y Gry = 2 v Angka Rayleigh lokal (Ray) : 3 (1) Ray = Gry. Pr (2) Korelasi dua persamaan untuk konveksi bebas pada plat vertikal untuk daerah turbulen yang berlaku pada jangkauan 10-1 < Ra L < 10 12, adalah; Nuy 1/2 = 0.825+ (3) 0,387Ray 1/ 6 9 /16 1 (0,492/ Pr 8 / 27 10
Koefisien perpindahan panas konveksi alamiah lokal (hy) rata-rata dapat diperoleh dengan persamaan; Nuy. k hy (4) y Dimana; g = percepatan gravitasi β = 1/T, koefisien muai volume β untuk gas ideal Tw - T = Beda temperatur y = Posisi lokal terhadap koordinat y v = Viskositas kinematik Pr = Angka Prantl K = kondutivitas termal Tujuan dilakukan penelitian ini untuk mendapatkan sudut atap cerobong yang tepat, sehingga diperoleh keseragaman temperatur di setiap rak yang terdapat dalam lemari pengering. METODE PENELITIAN Pengujian di lakukan tanpa bahan uji dengan membuat 3 buah cerobong atap yang mempunyai sudut atap masing-masing 15 o, 25 o, 35 o, seperti diperlihatkan pada Gambar 1 dan dipasang pada alat pengering yang telah dibuat pada penelitian sebelumnya. Cerobong Gambar 1, berfungsi sebagai lubang keluaran campuran udara panas dan uap hasil pengeringan yang memiliki dimensi awal sama dengan dimensi ruang pengering 100 x 100 cm dan pada bagian atasnya terdapat lubang yang diperkecil dengan ukuran 30x30x30 cm. Bila sudut cerobong dibuat sedemikian rupa dan dimensi bagian atasnya diperkecil, maka panas di dalam lemari pengering tidak terlalu cepat keluar dan aliran udara di dalam lemari dapat mengalir dengan baik. Cerobong ini dibuat 3 buah dengan sudut atap masing-masing 15 o, 25 o dan 35 o. Pengambilan data meliputi data distribusi temperatur pada bagianbagian tertentu yang dianggap mempengaruhi prestasi peralatan pengeringan, seperti pada Gambar 2. Gambar 1. Tiga Cerobong dengan sudut atap masing-masing 15 o, 25 o, 35 o, dan dimensi yang lain sama. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengukuran temperatur dilakukan di beberapa bagian tertentu yang dianggap mempengaruhi prestasi peralatan pengeringan selama waktu lebih kurang 3 jam dengan selang waktu pengukuran 15 menit. Pengaruh Sudut Cerobong Terhadap Distribusi Temperatur pada Ruang Pengering Hasil pengukuran temperatur di setiap saluran yang saling mempengaruhi untuk cerobong bersudut 15 o, 25 o dan 25 o, menunjukkan bahwa sudut atap 11
cerobong gas buang sangat menentukan pola aliran dan distribusi temperatur baik di dalam ruang pengering maupun di cerobong gas panas keluar itu sendiri. Disamping mempengaruhi pola aliran gas panas, besarnya sudut atap cerobong ini juga sangat menentukan besarnya distribusi temperatur antara titik yang berbeda letaknya secara vertikal di dalam saluran pemanas, di ruang pengering maupun di dalam cerobong gas panas sisa. Gambar 2. Titik Titik Pengukuran Temperatur Pada Peralatan Pengering. Distribusi temperatur ukur di ruang pengering pada posisi titik 25 cm dari dinding luar saluran pemanas dengan sudut atap cerobong 15o dijelaskan pada Gambar 3. Dari Gambar 3 menjelaskan bahwa keseragaman tenperatur antata rak 1 sampai rak 6 dengan pengarah awal tidak berlubang dicapai setelah pemanasan 90 menit, yang mana pada pemanasan awal beda temperatur antara rak 1 dan rak 6 mencapai 3-4 o C. Gambar 4 menunjukkan distribusi temperatur pada ruang pengering bersudut atap cerobong 25 o dengan pengarah awal tidak berlubang, yang mana keseragaman temperatur belum tercapai hingga pemanasan 150 menit, hal ini terjadi karena pengaruh pemanasan yang dominan terjadi dari bagian saluran pemanas dan pengaruh keluaran cepat akibat sudut cerobong gas buang. Dari pemanasan awal hingga mencapai 80 menit. beda temperatur antara rak 1 sampai rak 6 berkisar antara 3-4 o C. Setelah pemanasan melewati 90 menit beda temperatur antara rak 1 sampai rak 6 berkisar antara 2-3 o C. Gambar 5 menunjukkan distribusi temperatur pada ruang pengering bersudut atap cerobong 35 o dengan pengarah awal tidak berlubang, yang mana jelas bahwa beda temperatur antara rak 1 sampai rak 6 sangat besar yang berkisar antara 7-9 o C hingga pemanasan 90 menit dan distribusi temperatur tidak teratur. Keseragaman temperatur tidak tercapai, Hal ini terjadi.karena pengaruh pemanasan yang dominan terjadi dari bagian saluran pemanas dan pengaruh keluaran cepat akibat sudut cerobong gas buang.yang besar. Setelah pemanasan 100 menit beda temperatur lebih kecil dari sebelum pemanasan 90 menit yaitu sekitar 2-3 o C. Berdasarkan distribusi temperatur ukur yang terjadi di dalam ruang pengering untuk ketiga sudut cerobong maka didapat hasil bahwa peralatan pengering dengan cerobong bersudut 15 o, dapat menghasilkan distribusi temperatur yang teratur, beda temperatur yang terjadi kecil di awal pemanasan dan setelah kestabilan tercapai distribusi temperatur menjadi seragam di setiap rak dalam ruang pengering. Perbandingan distribusi 12
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 Temperatur pengukuran (C) Temperatur pengukuran (C) Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) temperatur ukur di ruang pengering pada posisi titik 25 cm dari dinding luar saluran pemanas untuk ketiga cerobong tersebut dijelaskan pada Gambar 6. Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa dengan cerobong bersudut 15 o, keseragaman tenperatur antara rak 1 sampai rak 6, dapat dicapai setelah pemanasan 90 menit sedangkan untuk kedua cerobong yang lain lebih lama, yang mana pada pemanasan awal beda temperatur antara rak 1 dan rak 6 mencapai 3-4 o C. Distribusi Temperatur Pada Ruang Pengerin tengah (25 cm dari Saluran Pengarah) Cerobong 15 dengan Pengarah Aw al Tidak berlubang dan Tem peratur referensi 85 C 100 80 60 40 20 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 Waktu pengukuran (m enit) Gambar 3. Distribusi temperatur di ruang pengering pada posisi 25 cm dari dinding luar saluran pemanas dengan cerobong sudut 15 o dan pengarah awal tidak berlubang, rak 1 ( ), rak 4 ( ), rak 6 ( ). Rak 1 Rak 4 Rak 6 Distribusi Temperatur Pada Ruang Pengering tengah (25 cm dari Saluran Pengarah) Cerobong Gambar 4. Distribusi temperatur di ruang pengering pada posisi 25 cm dari 35 dengan Pengarah Awal Tidak berlubang dinding luar saluran pemanas dengan cerobong sudut 25 o dan dan pengarah awal tidak berlubang, Temperatur rak 1 ( ), rak 4 referensi ( ), rak 3 ( ). 85 C. 90 85 80 75 70 Rak 1 Rak 4 Rak 6 Waktu pengukuran (menit) Gambar 5. Distribusi temperatur di ruang pengering pada posisi 25 cm dari dinding luar saluran pemanas dengan cerobong sudut 35 o dan pengarah awal tidak berlubang, rak 1 ( ), rak 4 ( ), rak 3 ( ). 13
Karakteristik Perpindahan Panas pada Ruang Pengering Mengalirnya gas asap hasil pembakaran melalui bagian-bagian sistem pemanas pada peralatan pengering ini, menyebabkan terjadinya karakteristik perpindahan panas. Gas panas mengalir akibat adanya gaya apung, yang terjadi akibat adanya perbedaan densitas fluida gas asap. Berdasarkan temperatur yang telah didapatkan pada titik-titk pengukuran, maka dengan menggunakan rumusrumus yang tersebut di atas, dihitung karakteristik perpindahan panas lokal yang tejadi pada peralatan pengering disepanjang ketinggian ruang pengering tersebut (atau dalam arah y), hasilnya dibuat dalam bentuk grafik. Gambar 7 dan 8 menunjukkan Distribusi Grashof dan Rayleigh number disepanjang ketinggian ruang pengering. Dari Gambar 7 dan 8, dapat dilihat bahwa ketinggian ruang pengering sangat berpengaruh pada besarnya angka Grashof (Grashoff number) dan angka Rayleigh (Rayleigh number). Angka Grashoff pada Gambar 7, yang merupakan indikator jenis aliran yang terjadi pada perpindahan panas konveksi bebas, naik mendekati garis linear dengan meningkatnya ketinggian ruang pengering. Hal ini menunjukkan bahwa distribusi temperatur di setiap rak ruang pengering mendekati seragam. Ketidak linearan terjadi akibat gradien temperatur sebesar 3 o C antara rak paling atas (rak 1) dan rak paling bawah (rak 6) yang dipengaruhi oleh pembalikan gas panas oleh atap cerobong pada rak 1 dan oleh transfer panas pada pengarah awal. Pada kasus tersebut dapat dikatakan fungsi sudut cerobong hampir optimal walaupun ada sedikit ketidak linearan. Dari grafik tersebut dapat dilihat juga bahwa garis angka Grashof (Grashoff number) dalam arah x atau yang terjadi pada tepi (0,05 m) dan tengah ruang pengering (0,2 m) hampir dapat dikatakan mendekati sama, walaupun ada sedikit ketidak samaan yang dipengaruhi oleh perbedaan temperatur sebesar 1 o C pada rak pengering bawah (rak 6) dan rak paling atas (rak 1). Dari Gambar 8, juga dapat dilihat bahwa dalam ruang pengering jenis aliran yang terjadi adalah aliran turbulen. Angka Rayleigh (Rayleigh number) yang merupakan fungsi Grl dan Pr, naik mendekati garis linear dengan semakin meningkatnya tinggi ruang pengering. Dari grafik tersebut dapat dilihat juga bahwa garis angka Rayleigh (Rayleigh number) dalam arah x atau yang terjadi pada tepi (0,05 m) dan tengah ruang pengering (0,2 m) hampir dapat dikatakan mendekati sama. Gambar 9 dan 10, menunjukkan Distribusi Nusselt number dan koeffisien perpindahan panas disepanjang ketinggian ruang pengering. Dari Gambar 9, dapat dilihat bahwa ketinggian ruang pengering sangat berpengaruh pada besarnya angka Nussetl (Nusselt number). Angka Nusselt yang merupakan indikator besarnya laju perpindahan panas konveksi bebas, naik berbanding lurus dan mendekati garis linear dengan meningkatnya ketinggian ruang pengering. Dari grafik tersebut dapat dilihat juga bahwa garis angka Nusselt (Nusselt number) dalam arah x atau yang terjadi pada tepi (0,05 m) dan tengah ruang pengering (0,2 m) hampir dapat dikatakan mendekati sama. 14
Temperatur pengukuran (C) Jurnal Reaksi (Journal of Science and Technology) Distribusi Temperatur pada Rak 4 di Ruang Pengering Tengah (25 cm dari Saluran Pengarah) dengan Pengarah Aw al tidak berlubang dan temperatur referensi 85 C. 100 80 60 40 20 0 15 45 75 105 135 165 Waktu pengukuran (m enit) Gambar 6. Pengaruh sudut cerobong terhadap distribusi temperature pada ruang pengering di posisi 25 cm dari dinding saluran pengarah dan dan pengarah awal tidak berlubang, cerobong 15 ( ), cerobong 25 ( ), cerobong 35 ( ). Cerobong 15 Cerobong 25 Cerobong 35 Gambar 7. Distribusi Grashoff number disepanjang ketinggian ruang pengering, Rayleigh number pada bagian tepi ( ), Rayleigh number pada bagian tengah ( ). Gambar 8. Distribusi Rayleigh number disepajang ketinggian ruang pengering, Rayleigh number pada bagian tepi ( ), Rayleigh number pada bagian tengah ( ). Dari Gambar 10, dapat dilihat bahwa meningkatnya ketinggian ruang pengering akan terjadi penurunan angka koeffisien perpindahan panas konveksi disepanjang ketinggian saluran pengering. Koeffisien perpindahan panas konveksi yang merupakan indikator besarnya laju perpindahan panas konveksi bebas menurun secara linear yang menyebabkan perpindahan panas yang terjadi juga menurun. 15
Gambar 9. Distribusi Nusselt number disepajang ketinggian ruang pengering, Rayleigh number pada bagian tepi ( ), Rayleigh number pada bagian tengah ( ). Gambar 10. Koeffisien perpindahan panas konveksi disepajang ketinggian ruang pengering, Rayleigh number pada bagian tepi ( ), Rayleigh number pada bagian tengah ( ). SIMPULAN Dari data distribusi hasil pengukuran temperatur diperoleh kesimpulan bahwa semakin kecil sudut atap cerobong maka distribusi temperatur yang dicapai dalan ruang pengering semakin seragam. Distribusi temperatur dalam ruang pengering dengan sudut atap cerobong 15 o mencapai keseragaman temperatur setelah pemanasan 90 menit. Karakteristik perpindahan panas yang terjadi seperti Grashof number, Rayleigh number, Nusselt number, dan koeffisien perpindahan panas dipengaruhi oleh ketinggian karakteristik, lebar karakteristik, dan geometri saluran (sudut saluran). DAFTAR PUSTAKA Nawawi Juhan (2008), Kajian Karakteristik Perpindahan Panas Pada Ruang Sistem Pengering Dengan Energi Panas Dari Bahan Bakar, Jurnal Polimesin, Volume 9, Nomor 9. Nawawi Juhan (2012), Optimasi Keseragaman Temperatur dan Karakteristik Perpindahan Panas Pada Ruang Pengering Bertingkat Dengan Saluran Pengarah Sirip Bersudut, Prosiding Seminar Nasional SNYuBe 2012. Bejan, A., (2013), Convection Heat Transfer, John Wiley & Sons, Inc. 16
Bejan, A., (2003), Heat Transfer Handbook, John Wiley & Sons, Inc. Tanda, G. (1997), Natural Convection Heat Transfer in Vertical Channels with and without Transverse Square Ribs, Int. Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 40, No. 9, pp. 873-255, Pergamon-Elsevier, Oxford, U.K. 17
18