Prosiding SNYulle )012
OPTIMASI KESERAGAMAN TEMPERATUR DAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS PADA RUANG PENGERING BERTINGKAT DENGAN SALURAN PENGARA.H SIRIP BERSUDUT NawawiJuhanl'dan Jenne Syarif
2
t''Jurusan
Teknik Mesin Potiteknik Negeri Lhokseumawe Jl" Banda Aceh-Medan km. 280 Buketrata - Lhokseumawe ' Ema il : ah rcrya@gmail. com
Abstrak Penelitian ini dilakukan untuk melihat apakah dengan menggunakan saluran pengarah besudut dapat menyeragamkaan temperatur di setiap rak yang terdapat dalam lemari pengenng. Pengkajian lebih lanjut dilakukan terhadap
karakteristik perpindahan panas pada Ruang Sistem Pengering untuk mendapatkan sistim dan peralatan pengering yang optimal dengan temperatur yang lebih merata pada setiap rak di dalam lemari pengering dengan menggunakan energi panas bahan bakar. Pengujiannya dilakukan dengan membuat suatu sistenr peralatan pengering dengan sistem aliran gas panas alamiah, yang terdiri atas lima bagian utama yaitu ruang pembakaran, pengarah awal tidak berlubang yang dibuat berbentuk V dengan sudut 30o, saluran pengarah sirip besudut 15o, ruang pengeringan dengan 7 rak pengeringan, dan cerobong bersudut atap 15o. Hasil penelitian menunjukkan, bahwa saluran pengarah sirip besudut sangat berpengaruh terhadap keseragaman distribusi temperatur di dalam ruang pengering. Peralatan pengering dengan saluran pengarah besudut dapai menghasikan 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. Karakteristik perpindahan panas yang terjadi seperti Grashof number, Rayleigh number, Nusselt number, dan koeffisien perpindahan panas yang terjadi di dalam peralatan pengering dipengaruhi oleh ketinggian karakteristik, lebar karakteristik, dan geometri saluran khususnya sudut lubang pengarah.
Kata kunci: Perpindahan panas, saluran bersudut, distribusi temperatur
Fendahuluan Dewasa ini, penggunaan udara panas semangkin meningkat untuk mengeringkan oroduk-produk pertanian dan perikanan, banyak institusi maupun perorangan telah melakukan studi pengeringan untuk hasil-hasil pertanian dan perikanan. Syuhada, A. [1], telah mencoba mendesain dan mengt.rji saluran udara panas untuk pengering dengan menggunakan Bahan Bakar Gas, sebagai energi pengering. Syuhada, A. t2l meningkatan studinya dengan penambahan peralatan penyeragarn temperatur untr:k perataan temperatur di dalam lemari pengering yang menggunakan bahan bakar briket batu bara dan bahan bakar ampas serbuk kayu untuk peraiatan pengering kayu. Namun hasil dari kedua penelitian tersebut masih terdapat perbedaan temperatur pada setiap rak, meskipun tidak signifikan.
Jika ketidaksamaan temperatur fuida pengering pada setiap rak dalam lemari pengering tersebut tidak teratasi, maka hasil pengering akan menui-un kualitasnya ),ang diakibatkan oleh tidak meratanya suhu pengering yang diterirna setiap produk Sentinar Nasional Yusuf Benseh (SNYuBe 2012.1
44
I)rosiding SNYUBe 2012
yang dikeringkan. Masalah ini diyakini dapat diatasi dengan membuat saluran pengarah besudut untuk mengarah dan mendistribusikan gas panas hasil pembakaran pada ruang bakar ke setiap rak pengering.
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 besudut, ruang pengeringan dengan 7 rak pengeringan, dan cerobong. Tujuan dilakukan penelitian ini untuk melihat apakah dengan menggunakan saluran pengarah sirip besudut 15" dapat menyeragamkan temperatur di seliap rak yang terdapat dalam lemari pengering. Pengkajian lebih lanjut dilakukan terhadap karakteristik perpindahan panas pada Ruang Sistem Pengering untuk mendapatkan sistim dan peralatan pengering yang optimal dengan temperatur yang lebih merata pada setiap rak di dalam lemari pengering dengan menggunakan energi panas bahan bakar. Untuk menganalisa dan mengkaji karakteristik yang terjadi didalam ruang sistem pengering tersebut digunakan persamaan-persamaan perpindahan panas konveksi alamiah. Karakteristik perpindahan panas alamiah dapat dinyatakan dengan menggunakan Angka Rayleigh dan Angka Nusselt [3,4]. Metode Penelitian
Pengujian di lakukan dengan tanpa bahan uji dengan saluran pengarah sirip besudut. Pengambilan data meliputidata distribusitemperatur bagian-bagian tertentu yang diangap mempegaruhi prestasi peralatan pengeringan,
Rancangan peralatan pengulian. Peralatan untuk pengujian dirancang seperti diperlihatkan pada gambar 1. Konstruksi Peralatan ini dibuat dengan dua material utama yaitu kayu dan pelat seng. Alat ini terdiri atas lima bagian utama yaitu ruang pembakaran. pengarah awal, saluran pengarah sirip bersudut, ruang pengeringan dengan rak bedingkat, dan cerobong.
Keterangan. 1. Ruang Bakar 2. Pengarah Awal 3. Saluran pengarah sirip bersudut 4. Ruang Pengering dan Rak 5. Cerobong
Gambar 1. Desain Peralatan Pengering Ruangan pembakaran (dapur) bagian atas berukuran 100 x 100 cm2, bagian bawah berukuran 150 x 150 cm2 dan tinggi totalnya 75 cm. Pada bagian bawah dibuat Seminor Nosionol YusuJ Benseh (SNYuBe 2012)
45
Prosiding SNYUBe 2012
lubang laluan udara pembakaran berukuran 150x 150x 10cm3. Seluruh bagian atas ditutup dengan pelat seng tebal 2 mm dengan tujuan untuk mempertahankan panas didalam sekaligus menghindari terjadinya kecelakaan seperti kebakaran. Ruang pembakaran dibuat dengan ukuran yang lebih besar dari ruang pengering ini bertujuan agar proses pembakaran dapat berlangsung dalam ruang yang cukup oksigen. Pada bagian depan, belakang, kiri dan kanan ruang pembakaran dibuat pintu yang dapat dibuka tutup, pintu ini berfungsi untuk memasukkan bahan bakar dan untuk mensuplai udara sebanyak-banyaknya jika sewaktu-waktu temperatur didalam ruang pengering terlalu tinggi. Pada keempat sisi pintu diberi sekat karet untuk mencegah kebocoran panas dariruang pembakaran. Pengarah awal dibuat berbentuk V dengan sudut 30odan tidak berlubang, berfungsi untuk meningkatkan keseragaman distribusi panas dan kecepatan alirannya, rnembuat aliran udara panas menjadi turbulen, serta mengarahkan aliran udara panas dari ruang pembakaran ke saluran gas panas berpengarah sebelum masuk dalam ruang pengerfng. Bagian ini di letakan di atas ruang pembakaran. dibuat dari pelat seng tebal2 mm.
Saluran pengarah besudut dibuat berukuran 5x95x95 cm yang berfungsi untuk mengalirkan udara panas ke dalam ruang pengering yang terdapat dalam lemari. Di bagian dalam dinding Saluran dibuat lubang pengarah berukuran 2x95 cm yang berfungsi sebagai lubang pendistribusian udara panas masuk ke dalam ke dalam tiap{iap rak yang ada dalam lemari pengering. Pada bagian atas lubang masuk dipasang Pengarah kecepatan berbentuk spin berukuran 5 x 95 cm dengan sudut kemiringan 15o yang terbuat dari pelat seng tebal 2 mm berfungsi untuk mengarahkan dan menyeragamkan kecepatan aliran udara panas yang masuk dari ruang pembakaran sehingga didapat temperatur yang seragam ditiap rak. Jumlah pengarah disetiap saluran adalah 8 buah yang jarak pemasangan ?0 cm disepanjang saluran pengarah" Ruang Pengering adalah tempat untuk mengeringkan, yang memiliki dimensi 100x100x100 cm dan terbuat dari pelat 2 mm. Pada sisi kanan dan kiri bagian luarnya ditapisi dengan papan yang memitiki ketebalan 2 cm, yang bertujuan untuk mengisolasi perpindahan panas keluar dari lemari pengering. Sedangkan pada sisi depan dan belakang dipasang kaca yang mempunyai ketebalan 5 mm supaya cahaya dari luar dapat masuk sehingga proses pengeringan dapat diamati dengan jelas. Sedangkan Rak disini berfungsi untuk tempat dudukan bahan yang akan dikeringkan, rak ini dibagi dua bagian, dimana tiap bagiannya terdapat 7 rak yang masing-masing berukuran 92x40x3 cm dengan jarak 10 cm tiap rak, yang terbuat dari kawat jaring. Pada bagian atas ruang pengering terdapat cerobong, 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 didalam lemari pengering tidak terlalu cepat keluar dan aliran udara didalam lemari dapat mengalir dengan baik, Cerobong ini dibuat dengan sudut atap 15o. Hasil dan Pembahasan Pengukuran temperatur dilakukan di beberapa bagian tertentu yang diangap mempegaruhi prestasi peralatan pengeringan selama waktu lebih kurang 3 jam dengan selang waktu pengukuran 15 menit.
Seninor Nosional Yusuf
tsenseh (SNYuBe
2012)
46
Prosiding SNYutse 201 2
1
.)
4 6 1 1 2 3
-- ---
6
Gambar 2, Titik Pengukuran temperatur pada peralatan pengering.
Pengaruh pengarah awal dan saluran pengarah besudut 15o Terhadap Distribusi temperatur di ruang pengering. Sudah diketahui, bahwa aliran gas panas masuk ke ruang pengering melewati pengarah awal dan Saluran Pengarah
Sirip Besudut 'l50 sehingga mempengruhi pola aliran dan distribusi temperatur di ruang pengering. Pengaruh pengarah awal dan Saluran Pengarah Sirip Besudut 15o terhadap distribusi temperatur di ruang pengering dengan sudut atap cerobong 15o ditunjukkan oleh gambar 3.
-a-kk1l --rc=
b-20.
-Foc a
Rak4
tuk6
r
n. 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 lVaktu pengukuran (menit)
Gambar 3 Distribusi temperatur di ruang pengering dengan sudut cerobong 15o, pengarah awal tidak berlubang dan Saluran Penga;'ah Sirip Besudut 150. Dari gambar 3 dapat kita lihat bahwa keseragaman tenperatur antata rak 1 sampai rak 6 dicapai setelah pemanasan 90 menit, beda temperature antara rak 1 dan rak 6 mencapai 3-4o C. Keseragaman temperatur antar rak di ruang pengeringan ini merupakan hal yang dituju pada kakian ini.
Analisa karakteristik perpindahan panas pada ruang pengering. Berdasarkan temperatur yang telah didapatkan pada titik-titk pengukuran, maka dengan menggunakan rumus-rumus perpindahan panas konveksi alamiah, dihitung karakteristik perpindahan panas local yang tejadi pada peralatan pengering dengan temperatur referensi 85o disepanjang ketingian karakteristik bagian-bagian tersebut (atau dalam arah y), hasilnya ditabelkan dan dibuat dalam bentuk grafik, selanjutnya grafik hasil dikaji daerah yang saling mempengaruhi antar daerah tersebut.
Gambar 4 menunjukkan Distribusi Grashof dan Rayleigh number disepanjang ketinggian ruang pengering. Dari grafik gambar 7, dapat dilihat bahwa ketinggian ruang pengering sangal berpengaruh pada besarnya angka Grashof (Grashoff Serninar Nosional Yusuf Benseh (SNYuBe 2012)
47
Prosiding SNYUBe 2012
number) dan angka Rayleigh (Rayleigh number). Angka Grashoff 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 beda temperatur sebesar 3 oC antara rak paling atas (rak 1) dan rak paling bawah (rak 6) yang dipengaruhi oleh pembaiikan gas panas oleh atap cerobong pada rak 1 dan oleh transper panas pada pengarah awal. Kondsi ideal yang diinginkan adalah distribusi temperatur yang seragam sepanjang ketinggian ruang pengering atau di setiap rak pengering. Pada kasus di atas, dapat dikatakan penyeragam temperatur hampir berfungsi optimal walaupun ada sedikit ketidak linearan demikian juga dengan fungsi sudut cerobong, 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 oC pada rak pengering bawah (rak 6) dan rak paling atas (rak 1). 2500000000
+Grashof number bagian tepi + Grashof number bagian tengah
I
I l
l
,
Rayeigh number
I!
bagian tepi RaYeigh number baqian tengah
I6
I
''-'Jffi'f,Hi** Gambar 4 Distribusi Grashof dan Rayleigh number disepajang ruang pengering.
Dari grafik gambar 4, 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 nrendekati 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 5 menunjukkan Distribusi Nusselt number dan koeffisien perpindahan panas disepanjang ketinggian ruang pengering. Dari grafik gambar 5, 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.
Dari grafik gambar 5, juga dapat dilihat bahwa meningkatnya ketinggian ruang pengering akan terjadi penurunan besarnya angka koeffisien perpindahan panas konveksi disepanjang ketinggian saluran pengering. Koefflsien perpindahan panas konveksi yang merupakan indikator besarnya taju perpindahan panas konveksi Seminor Nasionol Yusuf Renseh (SNYuBe 2012)
4B
tfu
Prosiding
SNYUBe
2012
bebas menurun secara linear yang menyebabkan perpindahan panas yang terjadi juga menurun. Distrittusi Nuss6tl perpind-han pan€ ru.ng
1600000- I
i t
i
1
4A OOOO
number dan k*ffieien dis€ penjang kotinggian pGhgoring
.--
20 0000 t oo oooo
-
ao oooo -
a
I
-3"?=":"J;*'
1
Nuss€d humk b€gtan bngah Ko€6sien pe@rndarran panss bagian Epi
20 0000 o oooo
o 35 0 55 0.45 ItE€l k.rrlrbidk r€ng Fry.dhgil (m)
Koefrsien peDindanan pBna€ rrsgian
Gambar 5 Distribusi Nusselt number dan koeffisien perpindahan panas disepajang ketinggian ruang pengering.
Kesimpulan
1.
2.
Distribusi temperatur dalam ruang pengering dengan pengarah awal tidak berlubang, saluran pengarah besudut 15o dan sudut atap cerobong 15o, keseragaman tenperatur dicapai setelah pemanasan 90 menit, beda temperature yang terjadi kecil di awal pemanasan dan setelah kestabilan tercapai distribusi temperature mendekati seragam disetiap rak dalam ruang pengering. Karakteristik perpindahan panas yang terjadi seperti Grashof number, Rayleigh number, Nusselt number, dan koeffisien perpindahan panas yang terjadi di dalam peralatan pengering dipengaruhi oleh ketinggian karakteristik, lebar karakteristik, dan geometri saluran (sudut saluran).
Referensi
[1]
Syuhada, 700c, Saluran gas panas berpengarah untuk Lemari Pengering dengan
I2l
Syuhada, n], ZOOb, Peralatan Penyeragam Temperatur untuk Lemari Pengering Dengan
Menggunakan Bahan Bakar Gas, Lab. Teknik Konversi Energi, Teknik Mesin Unsyiah.
Menggunakan Bahan Bakar Briket Batu Bara, Lab. Teknik Konversi Energi, Teknik
' Mesin Unsyiah l3l Bejan, A., (694), Convection t4l
Heat Transfer, John Wiley & Sons, lnc.
Tanda, G. (697), Natural Convection Heat Transfer in Vertical Channels with and without Transverse Square Ribs, /nt. Joumal of Heat and Mass Transfer, VoL 40, No. 9, pp. 873255, Pergamon-Elsevier, Oxford, U.K.
Seminor Nosionnl Yusuf Benseh (SNYuBe 2012)
4o
