Distribusi Temperatur Pada Microwave menggunakan Metode CFD

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-57

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 [email protected], [email protected]

AbstrakMicrowave 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 antarpermukaan didalam ruang pemanas microwave dengan menggunakan Computational Fluid Dinamic(CFD). Model ruang pemanas microwave dibagi menjadi 16 titik untuk mendapatkan temperatur disetiap titiknya. Distrbusi temperatur yang didapat didalam ruang pemanas tidak seragam. Konturradiasi yang diperoleh terlihat merata pada bagian tengah ruang pemanas, sebaliknya pada bagiandinding terlihat tidak merata. Kemudian, data temperatur hasil simulasi dibandingkan dengan datahasil percobaan. Hasil perbandingan memperlihatkan kecenderungan yang sama pada kedua datatersebut.

Kata kunci : Microwave, gelombang elektromagnetik, CFD, distribusi temperatur, radiasi

Pendahuluan

Pada saat ini kebutuhan alat pemanassangat di perlukan dalam kehidupan sehari-hari, sebagai contohnya paling banyakdigunakan sebagai alat pemanas padamakanan [1]. Microwave digunakan untukpemanasan pada produk makanan yang mulaiterkenal di awal tahun 1990-an. Pemanasanpada microwave tidak terjadi karenatemperatur gradien tetapi dengan perambatangelombang.

Gelombang pada microwave menggunakangelombang mikro dan di arahkan ke ruangpemanas. Energi elektromagnetik gelombangmikro juga telah digunakan secara luas dalamaplikasi pengolahan makanan. Dimana waktupemanasan yang cepat dan pemanasanvolumetrik adalah merupakan keuntungandari pemanasan microwave. Namun, ketidak-seragaman dari pemanasan adalah kelemahandari pemanasan microwave. Pemanasan yangtidak seragam dalam microwave tidak hanyamempengaruhi keamanan pangan tetapi jugamempengaruhi kualitas makanan tersebut [1,2].

Ketidak seragaman pada proses pemanasanmicrowave disebabkan oleh adanya perbedaan

temperatur yang terjadi di dalam ruangpemanas dan produk makanan yang dipanaskannya. Ketidak-meratanya prosespemanasan berpengaruh terhadap kualitasmakanan yang dipanaskan, sehingga mengkajidan menganalisa distribusi temperatur yangterjadi dalam microwave pada prosespemanasan merupakan hal yang penting.

Kajian ruang pemanas didalam microwavemenggunakan metode Computational FluidDinamic (CFD). Dimensi ruang pemanasyang akan dikaji memiliki dimensi 35x20x30cm (PxLxT).

CFD

Computational fluid dynamic (CFD) adalahilmu yang mempelajari cara memprediksialiran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia,dan fenomena lainnya dengan menyelesaikanpersamaan-persamaan matematika. Persamaanpada fluida dibangun dan dianalisaberdasarkan persamaan-persamaan diferensialparsial (PDE = Partial Differential Equation)yang merepresentasikan hokum-hukumkonservasi massa, momentum, dan energy [3].

Model Microwave


KE-57

Pemodelan digunakan agar dapatmerepresentasikan bentuk dari ruang pemanaspada microwave dengan dimensi 35x20x30cm (PxLxT), dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Batas Kondisi Pada Microwave

Pada ruang pemanas microwave ditentukan beberapa kondisi batas yaitu padabatas sumber panas, Z depan, X kanan, X kiri,Y atas, Y bawah dan dinding dipilih tipewall, 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

Hasil dan Pembahasan

Distribusi Temperatur Pada DindingMicrowave

Nilai temperatur yang ditunjukan padagambar adalah dalam satuan Kelvin (K),dimana nilai tersebut merupakan temperaturyang terjadi didalam ruang pemanasmicrowave.

Dari hasil yang diperoleh, nilai temperaturpada dinding sumber panas lebih tinggidibandingkan dengan temperatur ruang dantemperatur dinding sekitar. Distribusitemperatur menghasilkan suatu kontur warnaseperti terlihat pada Gambar 2 berupa konturtemperatur tampak depan dan Gambar 3berupa kontur temperatur tampak belakang.

Distribusi temperatur yang terjadi didalamruang pemanas microwave, ditunjukkan padagambar tersebut. Semakin jauh lapisandinding permukaan dari sumber panas (400K)maka temperaturnya semakin menurun, haltersebut dapat dilihat dari perubahan warnayang semakin gelap (biru). Hal ini disebabkankarena adanya proses perambatan panas yangterjadi didalam ruang pemanas microwave.Perambatan panas berlangsung daritemperatur yang lebih tinggi (dinding sumberpanas) ke temperatur yang lebih rendah(menjauhi dinding sumber panas). Pada saatproses pemanasan batas temperatur minimumdan maksimum berada pada kisaran 338Ksampai dengan 473K.

Gambar 2. Tampak Depan


KE-57

Gambar 3. Tampak Belakang

Distribusi Temperatur DidalamMicrowave

Ruang pemanas microwave dibagi menjadi16 titik dengan maksud untuk mengetahuinilai temperatur yang terdapat pada dasarruang pemanas microwave tersebut, lihat padaGambar 4.

Pada gambar tersebut terlihat simbolberupa S dan B, S diartikan sebagai saf/kolomsedangkan B diartikan sebagai baris. Untukmenbedakan tiap titik diberi penomoran barisdan kolom agar pada saat pengambilan datatidak tertukar posisi. Data hasil simulasiterdapat pada Tabel 2 dan data percobaanterdapat pada Tabel 3. Data temperaturdibandingkan antara data percobaan yangtelah dilakukan oleh M. Sjahrul Annas dkk,2006 dengan data hasil simulasi yang telahdiperoleh, dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 4. Posisi Titik

Tabel 2. Data Temperatur Hasil Simulasi [K]

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 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 312.7 326 332.2 313.2

Gambar 5. Perbandingan Temperatur AntaraHasil Percobaan dengan Hasil Simulasi

Perbedaan temperatur antara data numerikdengan data percobaan disebabkan karenaberbagai faktor kondisi, seperti adanyapengaruh terhadap temperatur lingkungan,terjadinya penurunan temperatur yang terjadipada saat pengambilan data percobaan danlain-lainnya. Sementara itu, pada pengambilandata simulasi tidak dipengaruhi oleh kondisi-kondisi luar tersebut. Walaupun demikiandapat dilihat bahwa trend kedua grafiktersebut terdapat kecenderungan yang samadan tidak terdapat perbedaan yang signifikan.Dapat dilihat pada titik b2s1, b3s1, dan b3s4


KE-57

terjadinya penurunan pada titik-titik tersebut,sedangkan pada titik b2s2, b3s2 dan b3s3terlihat terjadinya kenaikan temperatur. Darigambar tersebut terlihat bahwa prosespemanasan pada microwave tidak merata disetiap titiknya, dimana distribusitemperaturnya tidak seragam. Temperaturpada daerah tengah lebih tinggi daripadatemperatur pada daerah pinggir. Pada datahasil percobaan, temperatur tertinggi adalah334.9 K (61.9°C) dan temperatur terendahadalah 311.9 K (38.9°C). Sedangkan padadata hasil simulasi, temperatur tertinggiadalah 365 K (92°C) dan temperatur terendahadalah 345 K (72°C).

Analisa Distribusi Radiasi Panas

Dari analisa distribusi radiasi panas dapatdiketahui besarnya nilai radiasi yang terjadi didalam ruang pemanas microwave.

Terlihat pada gambar 7 dan gambar 8menghasilkan kontur radiasi pada setiapsisinya. Kontur distribusi radiasimenghasilkan gradasi warna yangmenjelaskan besaran nilai radiasi pada setiapsisinya.

Gambar 6. Kontur Radiasi Tampak Depan

Gambar 7. Kontur Radiasi Tampak Belakang

Gambar 8. Kontur Radiasi Tampak Dalam

Didalam ruang pemanas bagian tengahmicrowave terlihat kontur radiasi yangmerata, dapat dilihat pada Gambar 8.Sedangkan pada dinding microwavemenghasilkan kontur radiasi yang tidakmerata. Hal ini disebabkan karena adanyarambatan energi radiasi yang terjadi padamasing-masing dinding ruang pemanas.Dimana terdapat sejumlah energi yangdipancarkan dan sejumlah energi yangdipantulkan oleh masing-masing dindingtersebut.

Kesimpulan

Dari hasil kajian yang dilakukan dapatdiambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:1. Distribusi temperatur didalam ruang

pemanas tidak seragam.


KE-57

2. Perbandingan antara data hasil percobaandan data hasil simulasi memperlihatkankecenderungan yang sama.

3. Kontur radiasi yang diperoleh terlihatmerata pada bagian tengah ruang pemanas,sebaliknya pada bagian dinding terlihattidak merata.

4. Radiasi pada dinding pemanas mengalamipenyerapan dan pemantulan energi radiasi.

Referensi

[1]. Pitchai, Krishnamoorthy,Electromagnetic and Heat TransferModeling of Microwave Heating inDomestic Oven, Dissertation and Thesesin Food Science and Technology, 2011.

[2]. Kendall Haven, Buku 1000 PenemuanSains, Penerbit Venus, 2009.

[3]. Firman Tuakia, Dasar-dasarMenggunakan CFD FLUENT, penerbitINFORMATIKA, 2008.

[4]. M.Sjahrul Annas, Belyamin, EdyHartulistiyoso, Profil Temperatur PadaOven Microwave Dengan MenggunakanDaya 400 Watt, Prosiding SeminarNasional Tahunan Teknik Mesin(SNTTM) V, UI, November, 2006.

Documents

Distribusi Temperatur Pada Microwave menggunakan Metode CFD