BAB V PERCOBAAN
V. PERCOBAAN 5.1. Bahan dan alat Bahan dan peralatan yang digunakan dalam percobaan ini terdiri dari model alat pengering hasil rancangan, berapa jenis alat ukur dan produk gabah sebagai bahan uji pada proses penguapan air. Jenis bahan dan alat yang digunakan terlihat seperti pada Tabel 5-1. Tabel 5-1. Bahan dan peralatan yang digunakan dalam penelitian No. Jenis Alat dan Bahan Merk Ketelitian 1 Anemometer : - Kecepatan - Suhu Kanomax Model A541 0.01 m/dt 0.5 o C 2 Thermometer Digital - 0.1 o 3 Thermorecorder Chinorecorder 2 o C 4 Sensor Thermocouple (CA) - - 5 Benang dan kawat (tanda grid) - - 6 Model alat pengering - - 7 Termometer alcohol 2 o C 8 Termometer standard Hg 0.5 o C 9 Timbangan digital Tipe EK-1200 A - 10 Oven pengering Tipe SS-204D - 11 Kain kasa untuk bola basah, jangka sorong, anak timbangan standard - - 12 Handy Strain Meter 0.1µε 13 Gabah (Produk Pengeringan) - - 14 Sensor strain gage Resistensi 120 ohm - 5.1.1. Bahan Uji Alat Sistem Pengering Bangunan alat sistem pengering yang diuji adalah berbentuk empat persegi panjang dengan ukuran 90 cm x 60 cm x 60 cm, dinding dan atap terbuat dari plastic transparan jenis mika, sedangkan lantai terbuat dari seng plat yang di cat warna hitam dop. Bagian inlet yang sekaligus tempat kipas berbentuk trapesium segi empat 60
dimensi 60 cm x 60 cm dan 18 cm x 18 cm yang terbuat dari seng plat, pada bagian inlet ini ditempatkan alat penukar panas (HE) radiator. Pada sisi masuk udara ruang pengering dilengkapi dengan susunan pipa PVC ukuran diameter 0.625 cm, panjang 4 cm sebanyak 1024 buah, susunan pipa-pipa kecil ini berfungsi untuk penyearah aliran sejajar serta untuk mendapatkan aliran laminar. Bagian saluran udara keluar juaga berbentuk trapesium segi empat dengan dimensi 60 cm x 60 cm dan 14 cm x 14 cm dari bahan seng plat yang permukaannya tidak di cat. Dimensi radiator yang digunakan adalah 34 cm x 34 cm x 6 cm, kipas sebagai pendistribusi aliran udara digunakan jenis aksial dengan daya 55 watt. Atap dan Dinding Transparan Kisi Dari Benang Plat Alumunium 60 cm 60cm Kipas 90 cm Lantai Seng Plat Hitam Rak Pengering Strain Gage Gambar 5-1. Gambar tiga dimensi alat yang digunakan dalam percobaan Bangunan alat pengering ini dibagian bawahnya ditempatkan ring transduser terbuat dari bahan baja dengan dimensi tebal 0.085 cm dan diameter dalam 51 cm. Ring transduser ini dilengkapi dengan 2 buah strain gage 120 ohm yang ditempatkan pada sisi bagian dalam ring. Model alat sistem pengering yang diuji terlihat seperti pada Gambar 5-1. 61
5.2. Waktu dan Tempat Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian dan Laboratorium Leuwikopo, Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor, Bogor. Pembuatan alat uji sistem pengering yang digunakan dalam percobaan dilakukan pada bulan September dan Oktober 2006. Sedangkan pengambilan data pengukuran distribusi suhu dan kecepatan aliran udara di dalam alat pengering dilakukan pada bulan Nopember 2006 sampai dengan bulan Januari 2007. 5.3. Prosedur Penelitian Udara sebagai media pengering dari lingkungan sebelum masuk ruang pengering dipanasi lewat radiator dan dari sini udara panas dihembuskan ke ruang pengering dengan menggunakan kipas aksial 55 Watt sebagai pendistribusi. Ruang pengering berbentuk empat persegi yang berukuran 90 cm x 60 cm x 60 cm dan rak pengering gabah dengan ukuran 50 cm x 40 cm yang diatasnya dialiran udara panas secara sejajar dengan permukaan produk. Untuk mendapatkan aliran sejajar dan laminar, udara dialirkan melalui pipa-pia kecil berdiameter 0.625 cm sebanyak 1024 buah yang disusun sedemikian rupa pada sisi inlet ruang pengering. Sebagai model yang digunakan dalam percobaan ini adalah satu rak yang terdapat dalam ruang pengering (Gambar 5-2). Kajian terhadap fenomena udara panas dalam ruang pengering diamati melalui pengukuran parameter suhu, kecepatan, RH dan perubahan massa produk yang dikeringkan dengan selang waktu tertentu. Pengukuran parameter suhu dan kecepatan dilakukan pada posisi-posisi tertentu yang dianggap mewakili semua permukaan produk sedangkan perubahan massa produk diukur dengan sensor strain gage yang ditempatkan dibawah rak produk dengan alat ukur handy strain meter. 62
Udara Masuk 1 Alat Percobaan Heater 2 3 Rak Produk Kipas Udara Keluar Udara T u, RH, y q c (Konveksi) N A Permukaan Pengeringan y S, T S, RH S z S Produk z T Tray (Rak) Udara T u, RH, y q k (Konduksi) Gambar 5-2. Perpindahan panas dan massa proses pengeringan gabah pada sebuah rak dalam alat uji sistem pengering Lokasi titik-titik pengukuran suhu dan kecepatan dilakukan pada bidang zx untuk ketinggian y dari 0 ( permukaan bahan) - 36 cm, dan pada bidang zy untuk jarak dari tepi rak x = 25 cm dan x = 50 cm. Percobaan dilakukan pada ketebalan tumpukan gabah 2.2 cm (tinggi maksimum rak yang digunakan) dan ketebalan tumpukan gabah 1.5 cm. Pembentukan bidang-bidang pengukuran dilakukan dengan membuat grid dari benang dan kawat halus, pada Gambar 5-3 diperlihatkan letak titik-titik pengukuran suhu dan kecepatan udara. 63
6 cm y 6 cm z 6 cm x 6 cm Rak Produk 3.0 cm 2.5 cm 2.0 cm 1.5 cm 1.0 cm 0 cm Gambar 5-3. Lokasi titik pengukuran suhu dan kecepatan diatas rak produk pada jarak x = 25 cm dan x = 50 cm 5.3.1. Parameter Pengukuran Parameter yang diukur adalah sebagai berikut : (1) Suhu, yaitu meliputi suhu udara lingkungan, suhu udara dalam ruang pengering pada jarak dan ketinggian tertentu, suhu inlet dan suhu radiator (2) Kecepatan, yang meliputi kecepatan udara inlet, kecepatan udara dalam ruang pengering pada jarak dan ketinggian tertentu, kecepatan udara dari kipas 25 cm 50 cm (3) Kelembaban (RH) yaitu RH lingkungan dan RH dalam ruang pengering (4) Massa produk, yaitu massa awal dan akhir proses pengeringan (5) Perubahan massa setiap dari gabah dalam rak pengering melalui pengukuran dengan handy strain meter. (6) Kadar air awal gabah dengan cara pemanasan dalam oven pada suhu 105 o C selama lebih kuran 24 jam. 64
(7) Kadar air selama proses diukur berdasarkan perhitungan penurunan massa sampel produk. (8) Waktu proses penguapan air gabah sampai dengan tidak terdapat perubahan massa sampel yang diuji (massa konstan) 5.3.2. Prosedur Pengukuran Pada tahap awal percobaan dilakukan kalibrasi sensor strain gage yang digunakan dengan cara meletakan anak timbangan standar dengan berat yang bervariasi diatas rak pengering, perubahan regangan (με) dari ring tranduser akibat massa anak timbangan diukur melalui alat handy strain meter. Tahapan percobaan yang dilakukan selanjutnya adalah : (1) Menimbang massa awal gabah yang akan dikeringkan yaitu untuk ketebalan tumpukan gabah 2.2 cm dan 1.5 cm pada setiap percobaan berikutnya. (2) Pengukuran kadar air awal gabah dilakukan di laboratorium digunakan oven pengering (3) Pengukuran perubahan massa gabah selama proses pengeringan diamati setiap 10 menit (4) Pengukuran kecepatan udara dan suhu dalam ruang pengering dilakukan setiap 20 menit selama proses berlangsung (5) Pengukuran RH dilakukan dengan mengukur suhu bola kering dan basah setiap 30 menit selama proses berlangsung. 5.4. Proses Perhitungan Simulasi CFD Untuk mendapatkan profil aliran udara panas dalam ruang pengering dipakai dalam percobaan digunakan teknik simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD), dalam kajian dilakukan analisis mendalam terhadap kondisi operasi kecepatan udara dan suhu udara dalam sistem pengering. Proses perhitungan dalam simulasi CFD yaitu dengan cara mendifinisikan solver, material, tekanan acuan, dan kondisi batas. Penyelesaian masalah ini menggunakan solver dengan metoda segresi, material 65
fluida adalah udara dengan sifat fisis ρ = 1,1376 kg/m 3 dan μ =1.90 x 10-5 kg/m dtk pada tekanan 101.325 kpa, suhu 37.8 o C (Geankoplis, 1983). Kondisi batas yang telah didefinisikan diatas diterapkan secara otomatis, dengan hanya menyebutkan jenis kondisi batasnya saja, yaitu velocity inlet, radiator, outflow dan wall. Mulai Input Data Perhitungan Persamaan Momentum Perhitungan Persamaan Kontinyuitas Konvergensi ε 10-4 Tidak Ya Perhitungan Persamaan Energi Tidak Konvergensi ε 10-6 Ya T (x,y,z) v (x, y, z) Stop Gambar 5-4. Diagram alir proses perhitungan Harga yang perlu dimasukkan hanya nilai-nilai variabel yang sesuai dengan masingmasing kondisi batas. Gambar 5-4 memperlihatkan tahapan proses perhitungan simulasi CFD. Setelah itu dilakukan pemantauan proses perhitungan dan proses iterasi. Pengendalian solusi dilakukan dengan menentukan faktor relaksasi. Harga faktor relaksasi yang kecil akan menjadikan proses iterasi berlangsung stabil, tetapi bila proses iterasi yang dilakukan semakin banyak, maka faktor relaksasi menjadi besar. 66
Harga faktor relaksasi yang digunakan dalam permasalahan ini didapat setelah beberapa kali melakukan proses komputasi. Selain itu pengendalian solusi juga dapat dilakukan dengan diskretisasi, dipilih diskretisasi standard dan algoritma interpolasi SIMPLE. Pada perhitungan algoritma SIMPLE dengan metoda solusi segregasi implisit, kriteria konvergensi yang diberikan untuk besaran dependen adalah 10-4. Hasil peritungan komputasi ditampilkan dalam permukaan-permukaan tertentu yang dianggap dapat mewakili gambaran mengenai medan kecepatan dan medan suhu yang terjadi. 67