PERPINDAHAN MASSA, MOMENTUM DAN ENERGI SECARA SIMULTAN PADA SISTEM PENGERING
MUHAMAD SYAIFUL
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa disertasi saya dengan judul
“Perpindahan Massa, Momentum dan Energi Secara Simultan pada Sistem
Pengering” asli karya saya dengan arahan komisi pembimbing dan bukan hasil jiplakan atau tiruan dari tulisan siapapun serta belum diajukan dalam bentuk apapun kepada Perguruan Tinggi manapun.
Bogor, Agustus 2007 Muhamad Syaiful NRP 161030051
ii
RINGKASAN MUHAMAD SYAIFUL. Perpindahan Massa, Momentum dan Energi Secara Simultan Pada Sistem Pengering. Dibimbing oleh KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY HARTULISTIYOSO, dan DYAH WULANDANI. Pengeringan bahan pangan umumnya bertujuan untuk mengawetkan bahan yang mudah rusak sehingga mutu dapat dipertahankan selama penyimpanan. Proses pengeringan terjadi melalui penguapan air, cara ini dilakukan dengan menurunkan kelembaban nisbi udara dengan mengalirkan udara panas disekeliling bahan, sehingga kecepatan uap air bahan lebih besar dari pada tekanan uap air di udara. Perbedaan tekanan ini menyebabkan terjadinya aliran uap air dari bahan ke udara Penelitian yang dilakukan ini merupakan penelitian dasar tentang teori pengeringan yang sifatnya ingin mengkaji secara mendalam mekanisme dan karakteristik pengeringan dalam kaitannya dengan aliran udara panas sebagai media pengering berdasarkan teori perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan. Pengaturan kondisi udara panas dalam pengering merupakan hal penting guna mendapatkan proses pengeringan yang optimal baik dari segi biaya maupun kondisi proses. Pengetahuan karakteristik proses pengeringan ini sangat berguna untuk merancang alat pengering yang efisien, menghasilkan mutu pengeringan yang prima dengan mengatur kondisi aliran udara, suhu dan kelembabannya secara tepat. Secara umum tujuan penelitian adalah untuk melakukan kajian terhadap transportasi momentum, energi dan massa secara simultan pada proses penguapan air dalam bahan padat ke dalam aliran udara panas. Melalui kajian mendasar ini diharapkan dapat ditentukan metodologi operasi yang optimal untuk mendapatkan hasil pengeringan yang prima. Luaran penelitian ini berupa kondisi operasional aliran udara panas pada proses pengeringan produk berdasarkan perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan dengan pendekatan teori boundary layer (lapisan batas). Hasil penelitian yang dilakukan terhadap produk gabah dengan pemodelan persamaan matematik perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan pada sistem pengering dapat memberikan gambaran tentang profil kecepatan, suhu dan RH udara pengering terhadap dimensi panjang rak pengering, tinggi ruangan kosong diatas rak serta dapat menentukan fraksi massa uap air yang terbawa oleh aliran udara keluar sistem. Model persamaan matematik perpindahan massa, momentum dan energi ini dapat memberikan petunjuk tentang kondisi parameter suhu, kecepatan dan massa secara serentak dalam operasi proses penguapan air bahan. Beberapa pengujian telah dilakukan dengan menggunakan sebuah rak dengan lebar 40 cm dan panjang 50 cm. Beberapa nilai dari fluks massa diperoleh didalam parameter tak berdimensi yang bervariasi dari nilai K= 0.68 sampai dengan K = 0.79 yang menunjukkan tingkat perbedaan dalam proses pengeringan. Ketebalan dari lapisan batas hydrodinamik (berdasarkan model) selama pengeringan gabah adalah 2.08 cm, 1.42 cm, 2.09 cm dan 2.28 cm yang masing-masing untuk percobaan 1,2,3 dan 4 sedangkan ketebalan lapisan batas termal selama percobaan ini masing-masing adalah 2.28 cm, 1,55 cm, 2,36 cm, dan 2,08 cm. Nilai rata-rata fluk massa pada kondisi adalah 0.15e-03 kg/m2 dtk, 0.23e-03 kg/m2 dtk, 0.17e-03 kg/m2 dtk dan 0.27e-03 kg/m2 dtk. Dari hasil percobaan ini nampak jelas bahwa percobaan 4 memberikan fluk massa terbesar terhadap pengurangan kadar air bahan, oleh karena itu kondisi ini dapat digunakan sebagai referensi untuk kondisi pengeringan yang optimum. Pengukuran kecepatan massa udara dalam penelitian ini adalah 0.0025 kg/sdtk untuk percobaan 01, 0.0033 kg/dtk untuk percobaan 02 dan 0.0020 kg/dtk untuk percobaan 03.
iii
Pada perconbaan 01 kecepatan udara aliran bebas 0.42 m/dtk sama dengan kecepatan tak berdimensi ∏v= u∞/v= 0.78, dengan suhu 37.6 oC, dimana kecepatan tertinggi ratarata aliran udara adalah 0.33 m/dtk ±0.02 m/dtk SD pada ketinggian 35 mm di atas rak. Pada percobaan 02 kecepatan tertinggi rata-rata aliran udara 0.34 m/dtk ± 0.014 m/dtk SD, pada 50 mm di atas rak. Sedangkan pada percobaan 04, kecepatan tertinggi ratarata adalah 0.3 m/dtk (∏=0.68) pada 25 mm di atas rak. Nilai rata-rata tertinggi suhu udara pada percobaan 01 adalah 35.84 oC ± 0.29 oC pada 50 mm di atas rak. Suhu tak berdimensi , ∏T=( T-To)/(T∞-To) pada percobaan ini 0.76. Pada percobaan 02, suhu udara rata-rata tertinggi diperoleh 36.20 oC ± 0.12 SD pada 50 mm di atas rak, dengan suhu tak berdimensi , ∏T= 0.83, sedangkan pada percobaan 03, rata-rata tertinggi suhu udara 36.5 oC ± 0.12 SD dengan suhu tak berdimensi (∏T= 0.84) pada 45 mm di atas rak. Untuk percobaan 04, rata-rata tertinggi suhu udara 34.60 oC ± 0.1 SD dan suhu tak berdimensi (∏T= 0.78). Profil RH dari keempat percobaan berturut-turut untuk percobaan 01, 50.01 % ±1.59 % SD, percobaan 02, 49.14 % ± 1.42% SD , percobaan 03, 50.71 % ± 1.1 % SD dan percobaan 04, 50.49 % ± 1.32%SD . Energi yang dibutuhkan untuk mengeringkan gabah pada percobaan 01, dari kadar air 24.67%bb menjadi 14.93%bb adalah 10.15 W selama 7.30 jam, dengan rata-rata fluk massa 0.0015 kg/m2 dtk. Pada Percobaan 02, kebutuhan energi adalah 16.58 W dengan flkuk massa 0.0024 kg/m2 dtk selama 7.16 jam. Sementara pada percobaan 03, dibutuhkan energi 8.36 W dengan flux massa 0.0017 kg/m2 dtk selama 7.16 jam. Guna mempelajari lebih jauh mengenai proses pengeringan ini dipergunakan juga teknik CFD. Penggunaan teknik simulasi CFD secara keseluruhan memberikan gambaran pola aliran udara dan profil suhu mendekati kenyataan dalam percobaan yang dilakukan. Dimana pada lebar 12 cm dan panjang 50 cm , suhu dan kecepatan udara di atas rak berkisar anatar 34 oC sampai 34.8 oC dan kecepatan udara berkisar antara 0.18 m/dtk sampai 0.21 m/dtk. Untuk panjang rak 25 cm dengan lebar 24 cm kisaran kecepatan udaranya adalah 0.2 m/dtk sampai 0.23 m/dtk dengan suhu berkisar antara 34.8 oC dan 35.2 oC. Kadar air akhir gabah pada penelitian ini berturut-turut adalah 14.93 % (bb) untuk percobaan 01, 14.52% bb, untuk percobaan 02, 14.83 % bb untuk percobaan 03 dan 14.47 % bb untuk percobaan 04. Profil suhu dan kecepatan udara, tebal lapisan batas hidrodinamik dan termal dapat dibuktikan dengan model perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan pada sistem pengering. Kecepatan dan suhu udara pada aliran bebas merupakan parameter penting dalam proses perpindahan massa, momentum dan energi secara simultan untuk penguapan air produk. Aliran laminar sangat menentukan untuk mendapatkan kecepatan dan suhu yang seragam pada permukaan rak pengering dan ketebalan lapisan batas yang terbentuk, dimana udara panas masuk dalam lapisan batas akan memanaskan air yang terdapat pada lapisan permukaan dan mengangkut uap air yang terjadi keluar sistem menuju udara lingkungan. Penggunaan straw pada ruang pengering sebagai penyearah aliran udara dapat memberikan kecepatan aliran udara yang merata ke arah bagian lebar rak. Kata Kunci : Tebal lapisan batas, pengeringan produk, CFD, perpindahan panas, massa dan momentum simultan.
iv
ABSTRACT MUHAMAD SYAIFUL. Simultaneous, Mass, Momentum and Energy Transfer in a Drying System. Advisors: KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY HARTULISTIYOSO, and DYAH WULANDANI The drying of food material generally aims to reduce moisture of food to a level save for long period of storage. The drying process occurs by applying heat to the product to evaporate moisture from the product to the ambient air. The operating velocity, temperature, and RH of the drying air surrounding the product should be kept at a certain level during the drying process so that moisture migration from the product to the ambient air could be accomplished in an efficient manner preventing thermal stress which may induce fissures and other quality damage to the product. The focus of this research is related to basic drying mechanism, where heat, momentum and mass transfer which occurs simultaneously will influence the rate of moisture migration out of the product. The change in mass flux of moisture will influence the RH profile and in turn will change both the temperature and drying air flow rate. The understanding this basic phenomenon will lead to understanding on how to manipulate these three controlling parameters of a drying process, namely the air velocity, the temperature and RH in designing a drying system. The main objective of this research was to understand first the interrelationship among the three controlling parameters of air velocity, temperature and RH distribution surrounding the product to be dried using the basic theory of simultaneous, mass, momentum and energy transfer. A slab containing rough rice which is porous materials was chosen as a model to conduct analysis. Automatic weighing system to measure mass flux of moistrure from the product was specially designed for the purpose of this study using strain gage and strain recorder. The amount stratin then was calibrated with different weight of load. Several test runs were conducted using a perforated slab 24 cm wide and 50 cm long. The values of mass flux expressed in terms of dimensionless parameter (K), were varied from K = 0.68, to K =0.79. to indicate the different degree of drying process. The thickness of hydrodynamic boundary layer ( based on the model) during the drying of rough rice were 2.08 cm, 1.42 cm, 2.09 cm and 2.28 cm, respectively for test run 1, 2, 3, and 4, while the thickness of thermal boundary layer during these test runs were 2.28 cm, 1.55 cm, 2.36 cm and 2.08 cm, respectively. The average mass flux under these conditions were 0.15e-03 kg/m2 s, 0.23 e-03 kg/m2 s, 0.17e-03 kg/m2 s and 0.27e-03 kg/m2 s, respectively. From these tests it was clear that the test run 04 gave the largest mass flux of moisture and, therefore, should be used as future reference in determining the optimum drying condition. The measured air velocity during these test runs were is 0.0025 kg/s at run 01, 0.0033 kg/s at run 02,and 0.0020 kg/s at run 03. At run 01, the air velocity at free stream was 0.42 m/s, equivalent to the dimensionless velocity, ∏v= ux/u∞= 0.78, with air temperature of 37.6 oC, while the highest average air velocity was 0.33 m/s ±0.02 m/s SD located at 35 mmm above the slab. In run 02. the highest average air velocity was 0.34 m/s± 0.014 m/s, SD located at 50 mm above the slab. During test run 04, the highest air velocity was 0.3 m/s (∏=0.68) located at 25 mm above the slab. The highest average air temperature during run 01 was 35.84 oC ± 0.29 oC located at 50 mm above the slab. The dimensionless temperature, ∏T=( T-To)/(T∞-To) under this test condition was equal to 0.76. In run 02, highest average air temperature was 36.20 oC ± 0.12 SD located at 50 mm above the slab, with the equivalent dimensionless temperature, ∏T= 0.83, while in run 03, the highest average air temperature temperature was 36.5 oC ± 0.12 SD (∏T= 0.84) located at 45 mm above the slab. In run 04, the highest average air temperature was 34.60 oC ± 0.10 SD (∏T= 0.58). v
RH profiles obtained during the 4 test runs indicated that the average RH for test run 01, was 50.01 % ±1.59 %, SD, 49.14 % ± 1.42% SD for test run 02, 50.71 % ± 1.10 % SD for test run 03, and 50.49 % ± 1.32%SD in run 04. The energy required to dry rough rice in test run 01 from 24.67%wb to 14.93%wb were 10.15 W for 7.30 hours, with average mass flux of 0.0015 kg/m2 s. In test run 02, the rate of applied heat and its duration was 16.58 W with the resulting average mass flux of 0.0024 kg/m2 obtained during the drying duration of 7.16 hours. In test run 03, the applied heat was 8.36 W with mass flux of vapour 0.0017 kg/m2 s and lasted for 7.16 hours. In order to study in depth behaviour of the drying process, CFD technique was applied. Using CFD simulation techniques better picture of air stream and temperature profiles above the drying slab were obtained. The resulting air velocity as well as the temperature profile using CFD were in good agreement with those obtained from the experiment. When the width of the slab was at 12 cm and length of 50 cm the temperature and air velocity along the slab varied between 34 oC to 34.8 oC and the air velicty between 0.18 m/s to 0.21 m/s. When the length of the slab was reduced to 25 m, the proper width of the slab was 24 cm to create better variation of air velocity ( 0.2 m/s to 0.23 m/s) and temperature ( 34.8 oC to 35.2 oC). The final moisture content of tested rough rice was 14.93 % ( w) in run 01, 14.52% wb, in run 02, 14.83 % wb in run 03 and 14.47 % wb in run 04, respectively. Temperature and velocity profile of air, thickness of hydorodynamic and thermal boundary layer can be proved with model of simultaneous mass, momentum and energy transfer in a drying system. Velocity and temperature of air at free stream represent important parameter in the process of transfer of mass, momentum and energy of siumultaneous for the water evaporation of product. Stream of laminarvery determining to get uniform temperature and velocityat surface dryer rack and was thickness formed boundary layer, where hot air enter in boundary layer will heated water found on surface coat and transport aqueous vapour that happened go out systemto environmental air. Usage of straw at dryer room as rectifier of air stream can give velocity of air stream which flatten up at widw shares of rack. Keywords : Boundary layer thickness ,drying of porous materials on slab, CFD, simultaneous heat, mass and momentum transfer.
vi
@ Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2007 Hak Cipta dilindungi Undang-undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB
vii
