Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Distribusi Temperatur Pada Microwave menggunakan Metode CFD Rosyida Permatasari1, a *, M. Sjahrul Annas2,b, Bobby Ardian3,c Universitas Trisakti Jl. Kyai Tapa No. 1 Grogol Jakarta Indonesia a
[email protected],
[email protected]
Abstrak Microwave merupakan alat pemanas makanan yang menggunakan gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik pada microwave berada pada frekuensi sekitar 2450 MHz, yaitu λ = 12,24 cm. Tujuan penelitian ini adalah untuk menganalisa distribusi temperatur dan radiasi antar permukaan didalam ruang pemanas microwave dengan menggunakan Computational Fluid Dinamic (CFD). Model ruang pemanas microwave dibagi menjadi 16 titik untuk mendapatkan temperatur di setiap titiknya. Distrbusi temperatur yang didapat didalam ruang pemanas tidak seragam. Kontur radiasi yang diperoleh terlihat merata pada bagian tengah ruang pemanas, sebaliknya pada bagian dinding terlihat tidak merata. Kemudian, data temperatur hasil simulasi dibandingkan dengan data hasil percobaan. Hasil perbandingan memperlihatkan kecenderungan yang sama pada kedua data tersebut. Kata kunci : Microwave, gelombang elektromagnetik, CFD, distribusi temperatur, radiasi
temperatur yang terjadi di dalam ruang pemanas dan produk makanan yang di panaskannya. Ketidak-meratanya proses pemanasan berpengaruh terhadap kualitas makanan yang dipanaskan, sehingga mengkaji dan menganalisa distribusi temperatur yang terjadi dalam microwave pada proses pemanasan merupakan hal yang penting. Kajian ruang pemanas didalam microwave menggunakan metode Computational Fluid Dinamic (CFD). Dimensi ruang pemanas yang akan dikaji memiliki dimensi 35x20x30 cm (PxLxT).
Pendahuluan Pada saat ini kebutuhan alat pemanas sangat di perlukan dalam kehidupan seharihari, sebagai contohnya paling banyak digunakan sebagai alat pemanas pada makanan [1]. Microwave digunakan untuk pemanasan pada produk makanan yang mulai terkenal di awal tahun 1990-an. Pemanasan pada microwave tidak terjadi karena temperatur gradien tetapi dengan perambatan gelombang. Gelombang pada microwave menggunakan gelombang mikro dan di arahkan ke ruang pemanas. Energi elektromagnetik gelombang mikro juga telah digunakan secara luas dalam aplikasi pengolahan makanan. Dimana waktu pemanasan yang cepat dan pemanasan volumetrik adalah merupakan keuntungan dari pemanasan microwave. Namun, ketidakseragaman dari pemanasan adalah kelemahan dari pemanasan microwave. Pemanasan yang tidak seragam dalam microwave tidak hanya mempengaruhi keamanan pangan tetapi juga mempengaruhi kualitas makanan tersebut [1, 2]. Ketidak seragaman pada proses pemanasan microwave disebabkan oleh adanya perbedaan
CFD Computational fluid dynamic (CFD) adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika. Persamaan pada fluida dibangun dan dianalisa berdasarkan persamaan-persamaan diferensial parsial (PDE = Partial Differential Equation) yang merepresentasikan hokum-hukum konservasi massa, momentum, dan energy [3]. Model Microwave KE-57
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Pemodelan digunakan agar dapat merepresentasikan bentuk dari ruang pemanas pada microwave dengan dimensi 35x20x30 cm (PxLxT), dapat dilihat pada Gambar 1.
Nilai temperatur yang ditunjukan pada gambar adalah dalam satuan Kelvin (K), dimana nilai tersebut merupakan temperatur yang terjadi didalam ruang pemanas microwave. Dari hasil yang diperoleh, nilai temperatur pada dinding sumber panas lebih tinggi dibandingkan dengan temperatur ruang dan temperatur dinding sekitar. Distribusi temperatur menghasilkan suatu kontur warna seperti terlihat pada Gambar 2 berupa kontur temperatur tampak depan dan Gambar 3 berupa kontur temperatur tampak belakang. Distribusi temperatur yang terjadi didalam ruang pemanas microwave, ditunjukkan pada gambar tersebut. Semakin jauh lapisan dinding permukaan dari sumber panas (400K) maka temperaturnya semakin menurun, hal tersebut dapat dilihat dari perubahan warna yang semakin gelap (biru). Hal ini disebabkan karena adanya proses perambatan panas yang terjadi didalam ruang pemanas microwave. Perambatan panas berlangsung dari temperatur yang lebih tinggi (dinding sumber panas) ke temperatur yang lebih rendah (menjauhi dinding sumber panas). Pada saat proses pemanasan batas temperatur minimum dan maksimum berada pada kisaran 338K sampai dengan 473K.
Gambar 1. Batas Kondisi Pada Microwave Pada ruang pemanas microwave di tentukan beberapa kondisi batas yaitu pada batas sumber panas, Z depan, X kanan, X kiri, Y atas, Y bawah dan dinding dipilih tipe wall, dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Batasan Kondisi NAMA
TIPE
Sumber panas
wall
X kanan
wall
Y atas
wall
Z depan
wall
X kiri
wall
Y bawah
wall
Gambar 2. Tampak Depan Hasil dan Pembahasan Distribusi Temperatur Pada Dinding Microwave KE-57
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
S1
S2
S3
S4
B1
365
365
365
365
B2
351
358
358
351
B3
345
351
351
345
B4
345
345
345
345
Tabel 3. Data Temperatur Hasil Percobaan [K] [4] S1
Gambar 3. Tampak Belakang Distribusi Microwave
Temperatur
Didalam
Ruang pemanas microwave dibagi menjadi 16 titik dengan maksud untuk mengetahui nilai temperatur yang terdapat pada dasar ruang pemanas microwave tersebut, lihat pada Gambar 4. Pada gambar tersebut terlihat simbol berupa S dan B, S diartikan sebagai saf/kolom sedangkan B diartikan sebagai baris. Untuk menbedakan tiap titik diberi penomoran baris dan kolom agar pada saat pengambilan data tidak tertukar posisi. Data hasil simulasi terdapat pada Tabel 2 dan data percobaan terdapat pada Tabel 3. Data temperatur dibandingkan antara data percobaan yang telah dilakukan oleh M. Sjahrul Annas dkk, 2006 dengan data hasil simulasi yang telah diperoleh, dapat dilihat pada Gambar 5.
S2
S3
S4
B1
317.1 324.2
328.1
318.3
B2
311.9 334.9
321.2
317
B3
313.9 326.4
329.1
314.5
B4
312.7
332.2
313.2
326
Gambar 5. Perbandingan Temperatur Antara Hasil Percobaan dengan Hasil Simulasi Perbedaan temperatur antara data numerik dengan data percobaan disebabkan karena berbagai faktor kondisi, seperti adanya pengaruh terhadap temperatur lingkungan, terjadinya penurunan temperatur yang terjadi pada saat pengambilan data percobaan dan lain-lainnya. Sementara itu, pada pengambilan data simulasi tidak dipengaruhi oleh kondisikondisi luar tersebut. Walaupun demikian dapat dilihat bahwa trend kedua grafik tersebut terdapat kecenderungan yang sama dan tidak terdapat perbedaan yang signifikan. Dapat dilihat pada titik b2s1, b3s1, dan b3s4
Gambar 4. Posisi Titik Tabel 2. Data Temperatur Hasil Simulasi [K] KE-57
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
terjadinya penurunan pada titik-titik tersebut, sedangkan pada titik b2s2, b3s2 dan b3s3 terlihat terjadinya kenaikan temperatur. Dari gambar tersebut terlihat bahwa proses pemanasan pada microwave tidak merata di setiap titiknya, dimana distribusi temperaturnya tidak seragam. Temperatur pada daerah tengah lebih tinggi daripada temperatur pada daerah pinggir. Pada data hasil percobaan, temperatur tertinggi adalah 334.9 K (61.9°C) dan temperatur terendah adalah 311.9 K (38.9°C). Sedangkan pada data hasil simulasi, temperatur tertinggi adalah 365 K (92°C) dan temperatur terendah adalah 345 K (72°C).
Gambar 7. Kontur Radiasi Tampak Belakang
Analisa Distribusi Radiasi Panas Dari analisa distribusi radiasi panas dapat diketahui besarnya nilai radiasi yang terjadi di dalam ruang pemanas microwave. Terlihat pada gambar 7 dan gambar 8 menghasilkan kontur radiasi pada setiap sisinya. Kontur distribusi radiasi menghasilkan gradasi warna yang menjelaskan besaran nilai radiasi pada setiap sisinya. Gambar 8. Kontur Radiasi Tampak Dalam Didalam ruang pemanas bagian tengah microwave terlihat kontur radiasi yang merata, dapat dilihat pada Gambar 8. Sedangkan pada dinding microwave menghasilkan kontur radiasi yang tidak merata. Hal ini disebabkan karena adanya rambatan energi radiasi yang terjadi pada masing-masing dinding ruang pemanas. Dimana terdapat sejumlah energi yang dipancarkan dan sejumlah energi yang dipantulkan oleh masing-masing dinding tersebut.
Gambar 6. Kontur Radiasi Tampak Depan
Kesimpulan Dari hasil kajian yang dilakukan dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Distribusi temperatur didalam ruang pemanas tidak seragam.
KE-57
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
2. Perbandingan antara data hasil percobaan dan data hasil simulasi memperlihatkan kecenderungan yang sama. 3. Kontur radiasi yang diperoleh terlihat merata pada bagian tengah ruang pemanas, sebaliknya pada bagian dinding terlihat tidak merata. 4. Radiasi pada dinding pemanas mengalami penyerapan dan pemantulan energi radiasi. Referensi [1]. Pitchai, Krishnamoorthy, Electromagnetic and Heat Transfer Modeling of Microwave Heating in Domestic Oven, Dissertation and Theses in Food Science and Technology, 2011. [2]. Kendall Haven, Buku 1000 Penemuan Sains, Penerbit Venus, 2009. [3]. Firman Tuakia, Dasar-dasar Menggunakan CFD FLUENT, penerbit INFORMATIKA, 2008. [4]. M.Sjahrul Annas, Belyamin, Edy Hartulistiyoso, Profil Temperatur Pada Oven Microwave Dengan Menggunakan Daya 400 Watt, Prosiding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) V, UI, November, 2006.
KE-57
