Coil direction of Compartment Kiln

CHAPTER I

PREFACE

1.1 Introduction

Wood has been an important construction material since humans began building

shelters, houses and boats. Nearly all boats were made out of wood until the late 19th

century, and wood remain in common use today in boat construction. Use of wood to

fulfill needs of daily life remains deeply embedded in the lives of people. Wood is a

natural material which is abundant and is very popular among the people of the world,

especially in developing countries such as Indonesia and Thailand. Based on data maps

of world on 2001, Indonesia is in top ten countries with most timber producing

countries.

The timber of living trees and freshly felled logs contains a large amount of

water, which often constitutes over 50% of the woods' weight. Water has a significant

influence on wood. Wood continually exchanges moisture or water with its surrounding,

although the rate of exchange is strongly affected by the degree wood is sealed. Drying

timber is one method of adding value to sawn products from the primary wood

processing industries. According to the Australian Forest and Wood Products Research

and Development Corporation (FWPRDC), green sawn hardwood, which is sold at

about $350/m3 or less, increases in value to $2,000/m3 or more with drying and

processing. However, currently used conventional drying processes often result in

significant quality problems from cracks, both externally and internally, reducing the

value of the product. For example, in Queensland (Anon, 1997), on the assumption that

10% of the dried softwood is devalued by $200/m3 because of drying defects, saw

millers are losing about $5 million a year. In Australia, the loss could be $40 million a

year for softwood and an equal or higher amount for hardwood. Thus, proper drying

under controlled conditions prior to use is of great importance in timber use, in

countries where climatic conditions vary considerably at different times of the year.

Fresh cut lumber contains a great deal of water. If the water is not removed, the

lumber cannot be used to produce a high quality finished product. Properly dried lumber

sells for a higher price and is much easier to work than lumber that has not been dried.

When lumber is dried right, it machines better, glues better, and finishes better. Drying

also improves the strength of the lumber, kills infestations, hardens pitch, preserves

color, reduces weight and controls shrinkage. Lumber that is not dried under controlled

conditions is prone to warping, staining, and other degrade that diminishes its selling

price and workability. Take the example of a truck load of oak. Fresh cut oak weighs

about 5,4 kg/m2. So a truckload of 8 m2 so weighs about 43,2 kg. Once you remove

enough water to get the oak down to a moisture content of 6% - 8%, it weighs about 3.5

kg/m2. So that truckload now weighs 28 kg. That means that to completely dry a

truckload of 8 m2 of oak, you have to remove 15,2 kg of water. That’s why choosing the

right drying system and using the proper method are so important.

Conventional way of drying is most frequently used way of drying wood

because the kilns are technically very simple, even for large capacity kilns (over 100 m3

of timber). They do not require extra maintenance and electrical power consumption is

reduced by using wood wastes as fuel for boiler. There are two types of convention kiln,

Compartment Kiln and Progressive Kiln, which are different from the way to dry the

wood. In this research defined to analyze Compartment Drying Kiln and the energy

source is constant temperature from steam.

The airflow in the kiln chamber is very important. The velocity of the air over

the wood affects the drying rate and provides even drying. We should know air velocity

with the kiln manufacturer to be sure that the air velocity in the kiln will be adequate for

the species and thickness of the lumber we are drying and the type of kiln you are using.

The air velocity is depending on how we put the coil direction. Now, in Thailand there

are many company using coil verticality and another country using with different

direction. Generally, industries haven’t take attention about coil direction. Then, this

research would be analyzed which one is the best coil direction.

2.2 Research Scope

This research is analyzing the effect of thermal and airflow distribution in

Compartment Dry Kiln for Wood Drying by changed the direction of coil. This research

also will compare between when the kiln vent opened and closed.

2.3 Problem Formulation

- How the shape of thermal and airflow distribution in Compartment Kiln made by

Computational Fluid Dynamic (CFD)?

- What are differences in thermal and airflow distribution if the direction of coil

changed?

- Which one is the best coil direction of Compartment Kiln for wood drying?

2.4 Research Purposes

- To analyze the thermal and airflow distributing in Compartment Kiln using

Computational Fluid Dynamic (CFD).

- To analyze differences in thermal and airflow distribution when the coil direction

changed.

- To analyze which one is the best coil direction for Compartment Kiln.

CHAPTER II

THEOREM

2.1 The Bernoulli’s Equation

The equation of motion are basic equation that will use to determine of air flow

or flow rate, these equation are very complicated. A somewhat similar situation occurs

in the motion of mass particles studied in mechanics. In this case under certain

circumstances the equation of motion of a particle can be integrated to result in a

statement about the kinetic energy and the potential energy of the particle. The resulting

equation is a limited form of the energy principle stemming from the more general first

law of thermodynamics. A completely equivalent situation occurs in the flow of fluids.

In the section to follow, the fluid equations of motion are integrated in space. At first

these equation are integrated only along a particular line in space. Later, as we shall see,

fewer restrictions are placed on this integration, provided that the flow has certain

properties. In all cases an “energy” equation result, which is most useful in physically

understanding the flow and its application to engineering. Alternatively, we could use

the first law directly to obtain these relations for one-dimensional flows; this approach

is most useful for compressible fluid flow. Most of material of the present chapter is

therefore restricted to incompressible fluids.

Even without the complication of viscosity the equation of motion are very

complex and are not capable of solution except in special cases. The reason for

difficulty is that they are nonlinear u ∂ u/∂ x, and so on. However, under certain

restriction the equation of motion can be integrated once, as a first example let us

consider the steady two-dimensional flow of an incompressible, inviscid fluid in the

absence of body forces. The Eulerian equation for this case are

u∂ u∂ x

+v∂u∂ y

=−1ρ

∂ p∂ x

u∂ v∂ x

+v∂ v∂ y

=−1ρ

∂ p∂ y

(2.1)

Since the Eularian equation with related to the velocity component and using

eliminated method by means of relation between u and v. In this case there is no

different height between two faces of tube, then we can determine of bernoulli’s

equation (ρ = constant).

p1−p2= ρV 2

2

2 [1−( A2

A1)

2]= ρ2

Q 2

A22 [1−( A2

A1)

2] (2.2)

Thus the pressure difference is a function of the flow rate, the density, and the areas. A tube of the type considered in this example is frequently used as a device to measure flow rates and it is called a Ventury Tube. However, for a real fluid that has

viscosity the flow rate calculated for given pressure difference must be multiplied by a correction coefficient.

We shall next include in the Eularian equation a special body force having the property that the force can be expressed as the gradient of a scalar function.

V 12

2+

p1

ρ−U 1=

V 22

2+

p2

ρ−U 2

(2.3)

Where U is function of x and y. Such a force is said to be conservative force and U is called the force potential. We obtain the equation that takes into account the effect of the gravitational potential

f x=0 ; f y=−g ;U=gy

V 12

2+

p1

ρ+g y1=

V 22

2+

p2

ρ+g y2

(2.4)

Secondly, let us consider a more general case where body forces are present that are not conservative and, in addition, where shear and normal stresses arising from friction are also present. As in the preceding derivations, the equations of motion are to be integrated along a streamline. This is that the flow conditions downstream or after the flow process are always designated by 2 and those upstream or before by 1. Then the extended Bernoulli’s equation is

V 22

2 g+

p2

ρg+ y2=

V 12

2 g+

p1

ρg+ y1+M−h f

(2.5)

Each of these terms represent energy per unit weight and has the dimensions of length. M and h f are symbols for the pump work and friction loss, respectively, in these units. Each of terms in Eq. (2.5) has come to have a name in engineering practice. The Vertical coordinate y is called the elevation head. The quantity p/ρg is called the static pressure head and V 2/2 g is called the velocity head. The sum of the terms in

parentheses in Eq. (2.5) is often called the total head and is given the special symbol ht . The simply Eq. (2.5) is

ht 2=ht 1+M +h f (2.6)

2.2 Convection

Convective heat transfer, often referred to simply as convection, is the transfer

of heat from one place to another by the movement of fluids. Convection is usually the

dominant form of heat transfer in liquids and gases. Although often discussed as a

distinct method of heat transfer, convective heat transfer involves the combined

processes of conduction (heat diffusion) and advection (heat transfer by bulk fluid

flow).

http://en.wikipedia.org/wiki/Fluid_flow

http://en.wikipedia.org/wiki/Fluid_flow

http://en.wikipedia.org/wiki/Advection

http://en.wikipedia.org/wiki/Conduction_(heat)

The term convection can refer to transfer of heat with any fluid movement, but

advection is the more precise term for the transfer due only to bulk fluid flow. The

process of transfer of heat from a solid to a fluid, or the reverse, requires not only

transfer of heat by bulk motion of the fluid, but also diffusion/conduction of heat

through the still boundary layer next to the solid. Thus, this process with a moving fluid

requires both diffusion and advection of heat, a summed process that is generally called

convection. Convection that occurs in the earth's mantle causes tectonic plates to move.

Convection can be forced by movement of a fluid by means other than buoyancy

forces (for example, a water pump in an automobile engine). In some cases, natural

buoyancy forces alone are entirely responsible for fluid motion when the fluid is heated,

and this process is called natural convection. An example is the draft in a chimney or

around any fire. In natural convection, an increase in temperature produces a reduction

in density, which causes fluid motion due to pressures and forces when fluids of

different densities are affected by gravity (or any g-force). For example, when water is

heated on a stove, hot water from the bottom of the pan rises, displacing the colder

denser liquid which falls. After heating has stopped, mixing and conduction from this

natural convection eventually result in a nearly homogeneous density, and even

temperature.

The convection heat transfer mode is comprised to two mechanisms. In addition

to energy transfer due to random molecular motion (diffusion), energy is also

transferred by bulk, or macroscopic, motion of the fluid. This motion is associated with

the fact that, at any instant, large numbers of molecules are moving collectively or as

aggregates. Such motion, in the presence of a temperature gradient, contributes to heat

transfer. Because the molecules in aggregate retain their random motion, the total heat

transfer is then due to the superposition of energy transport by random motion of the

molecules and by the bulk motion of the fluid. It is customary to use the term

convection when referring to this cumulative transport and the term advection when

referring to the transport due to bulk fluid motion.

http://en.wikipedia.org/wiki/Stove

http://en.wikipedia.org/wiki/Advection

http://en.wikipedia.org/wiki/Convection

Figure 1. Thermal Convection, constant viscosity

Convection is the transfer of thermal energy from one place to another by the

movement of fluids or gases. Although often discussed as a distinct method of heat

transfer, convection describes the combined effects of conduction and fluid flow or

mass exchange. Two types of convective heat transfer may be distinguished:

a. Free or natural convection

Fluid motion is caused by buoyancy forces that result from the density

variations due to variations of temperature in the fluid. In the absence of an

external source, when the fluid is in contact with a hot surface, its molecules

separate and scatter, causing the fluid to be less dense. As a consequence, the fluid

is displaced while the cooler fluid gets denser and the fluid sinks. Thus, the hotter

volume transfers heat towards the cooler volume of that fluid.[2] Familiar examples

are the upward flow of air due to a fire or hot object and the circulation of water in

a pot that is heated from below.

b. Forced convection

Fluid is forced to flow over the surface by an external source such as fans,

by stirring, and pumps, creating an artificially induced convection current.

Internal and external flow can also classify convection. Internal flow occurs

when a fluid is enclosed by a solid boundary such when flowing through a pipe. An

external flow occurs when a fluid extends indefinitely without encountering a solid

surface. Both of these types of convection, either natural or forced, can be internal or

external because they are independent of each other. The bulk temperature, or the

average fluid temperature, is a convenient reference point for evaluating properties

related to convective heat transfer, particularly in applications related to flow in pipes

and ducts.

For a visual experience of natural convection, a glass filled with hot water and

some red food dye may be placed inside a fish tank with cold, clear water. The

convection currents of the red liquid may be seen to rise and fall in different regions,

then eventually settle, illustrating the process as heat gradients are dissipated. The basic

relationship for heat transfer by convection has the same form as that for heat transfer

by conduction:

Q=h . A . ∆ t (2.7)

The convective heat transfer coefficient (h) is dependent upon the physical

properties of the fluid and the physical situation. Typically, the convective heat transfer

coefficient for laminar flow is relatively low compared to the convective heat transfer

coefficient for turbulent flow. This is due to turbulent flow having a thinner stagnant

fluid film layer on the heat transfer surface. Values of h have been measured and

tabulated for the commonly encountered fluids and flow situations occurring during

heat transfer by convection.

2.2.1 Natural Convection

Free convection, or natural convection, is a spontaneous flow arising from

non-homogeneous fields of volumetric (mass) forces (gravitational, centrifugal,

Coriolis, electromagnetic, etc.)

If density variation ∆ ρ is caused by spatial non-uniformity of a

temperature field, then a flow arising in the Earth gravitational field is called

thermal gravitation convection. The density variability may also result from non-

uniform distribution of concentration of any component in a mixture or from

chemical reactions, difference in phase densities or from surface tension forces at

the phase interface (in this case concentration diffusion or convection is implied).

Figure 2. Development of tree convection boundary layer on surfaces

Free-convective flows may be laminar and turbulent. A flow past a solid

surface, the temperature of which is higher (lower) than that of the surrounding

flowing medium, is the most widespread type of free convection. Figures 2 and 3

schematically illustrate characteristic examples of free convection. At the

beginning of heating of a vertical surface (x=0) (Figure 2a) a laminar boundary

layer is formed. The layer thickness grows along the flow direction and at a

certain distance, corresponding to xc 1, the fluid flow becomes unstable changing

within the range from xc 1 to xc 2 from laminar to turbulent. To this character of

flow structure variation there correspond the changes in the coefficient of heat

transfer α x which in the case of the developed turbulent free convection remains

constant along the plate length where the characteristics of thermal turbulence

become statistically equal. The figure of free convection development in the flow

past a hot sphere or horizontal cylinder are qualitatively similar (Figures 2b and

2c). On bodies of large diameters (Figure 2c) a turbulent boundary layer develops

thus forming an ascending turbulent thermal plume in a trailing edge. From hot

bodies of small diameters a laminar thermal plume ascends (Figure 2b) which at

some distance from a body becomes turbulent. In narrow and closed cavities a

free convection flow is much more complex (Figure 3), due to the interaction

between near-wall fluid flows formed on the heat exchanging surfaces. On heating

one vertical wall (temperature T h) and cooling the other (temperature T c1) the

modes with a common fluid flow are possible through the entire cavity that

involve local secondary flows near vertical walls as is exemplified in Figure 2a by

free convection in a square cavity. A flow in narrow slots between parallel vertical

plates is formed in the form of periodic circulations (Figure 2b). In a horizontal

fluid layer between cold upper (T c1) and hot lower (T h) walls, the fluid flow has a

cellular form with hexagonal cells (Benard cells) in the center of which fluid

ascends from the hot surface to the cold one whereas in the periphery, it descends

(Figures 2c and 2d). Such a form of the fluid flow was first observed by Benard in

1901. With increasing heat flux the cells are destroyed and the flow converts to a

turbulent one.

Figure 3. Free convection in cavities

In the theoretical analysis of free convection flows and heat transfer the

laws of momentum, mass and energy conservation at certain boundary conditions

are used. The Boussinesq approximation of weak thermal convection is widely

applied, i.e., density deviations from a mean value are considered to be negligible

in all the equations, except for the equation of motion where they are taken into

account in the buoyancy force term. For small temperature drops in a flow the

relation ρ(T ) may be considered linear

ρ=ρ0 [1+ β (T 0−T ) ]where ρ0 is the fluid density at temperature T 0, β=−[∂ ρ /∂T ]p / p is the

volumetric coefficient of thermal expansion.

Numerical values of β are usually small (water: β=1.5 ×104, air:

β=3.5 ×103at T=273 K), therefore the density variation is taken into account

only in those cases where it affects the gravitational forces. The Boussinesq

approximation correlates the coefficient of volumetric expansion of a medium β

with the gravity acceleration g; they enter into the governing equations only as a

product. Physical substantiation of the Boussinesq approximation is based on the

smallness of accelerations in free convection flows as compared with the

acceleration due to gravity.

In natural convection situations, an important dimensionless group is the

Grashof number. To provide some physical significance to this group prior to

defining it, we use a simple order of magnitude estimate of the natural convection

velocity in the above examples. When fluid with a density ρmoves at a velocity V, the

kinetic energy per unit volume can be written as ½ρ V 2. This must come from some

other form of energy, namely, potential energy lost by the fluid. Over a vertical

distance L, the difference in potential energy between the less dense fluid in the

boundary layer and the more dense fluid outside it can be approximately expressed as

g ∆ ρ L, where g is the magnitude of the acceleration due to gravity, and ∆ ρ is a

characteristic density difference between the boundary layer fluid and that far away.

We can equate these two order of magnitude estimates, and neglect the factor of ½,

because this is only an order of magnitude analysis.

ρ V 2 ≈ g . ∆ ρ . L

Therefore, a typical order of magnitude of the velocity arising from natural

convection is. Let us define a Reynolds number for the flowing fluid using this order

of magnitude estimate.

ℜL=LVv

=√ ∆ ρρ

g L3

v2

ℜ2L=

∆ ρρ

g L3

v2

This is a dimensionless group that occurs often in natural convection

problems, and is given the name Grashof Number, abbreviated as Gr. The coefficient

of volumetric expansion of a fluid β is defined as

β= 1V ( ∂V

∂ T )P

= ρ∂

∂ T ( 1ρ )

P

=−1ρ ( ∂ ρ

∂T )P

∆ ρρ

=−∆ Tρ ( ∂ ρ

∂ T )P

=β ∆ T

So, we can finally rewrite the definition of the Grashof number as follows.

Gr= β ∆ Tg L3

v2

The Grashof number is related to the Reynolds number, and in heat

transfer, the Prandtl number plays a significant role. Therefore, in natural

convection heat transfer, we encounter another dimensionless group, called the

Rayleigh number, abbreviated by Ra, which is the product of the Grashof and

Prandtl numbers.

Ra=Gr . Pr ¿ β ∆ Tg L3

vα

Here, α is the thermal diffusivity of the fluid. The Nusselt number in natural

convection heat transfer situation is typically a function of the Rayleigh Number, the

Prandtl number, and aspect ratio parameter.

For a vertical heated plate of length L, Mills (1999) suggest using the

following correlation for the average Nusselt Number.

Nuaverage=haverage L

k

Nuaverage=0,68+0,670(Ra Ψ )1/4, for Ra≤ 109

Nuaverage=0,68+0,670(Ra Ψ )1/4 ¿, for 109 ≤ Ra ≤ 1012

In these equation ψ is function of the Prandtl number, defined as follows.

Ψ =[1+( 0,492Pr )

9/16]16/9

The reason for changing from one correlation to another when the Rayleigh

number exceeds 109 is that the natural convection boundary layer undergoes

transition to turbulence around that value of the Rayleigh number. Mills points out

that at Ra=109 the above two correlations do not coincide in their predictions. This is

fine, because that value of the Rayleigh number is an arbitrary cross-over point from

one correlation to the other. It is fine to use the second (turbulent) correlation for

Ra=109. As usual, physical properties should be evaluated at the arithmetic average

temperature between the plate and the ambient fluid.

Comparison with vast experimental material indicates the fact that the

Boussinesq approximation well reflects the main specific features of thermal

gravitation convection in a wide class of real convective flows.

As is shown by experimental data, in many cases of free convection the

main variations of the characteristics of thermal and hydrodynamic fields are

concentrated in relatively narrow boundary layers near the heat transfer surface

where viscous forces are commensurable with inertial and volumetric forces. The

smallness of a boundary layer thickness as compared with characteristic

dimensions of bodies allows one to introduce additional simplifications into the

equations of motion and heat transfer.

The concept of a boundary layer is far more complex for free convection

than for forced convection, because thermal and hydrodynamic problems cannot

be treated separately due to the fact that the fluid flow is completely determined

by heat transfer. The main motive force (the difference between wall and

surrounding temperatures) noticeably manifests itself only in a thin near-wall

zone. This region of a temperature field with the thickness δT is called a thermal

boundary layer.

The difference of temperature in a boundary layer creates a volumetric

buoyancy force which causes motion. At the surface, the fluid is stationary (the

"no-slip" condition). With distance from a wall the velocity u gradually grows to a

maximum and then, under the effect of viscous friction, it vanishes (Figure 2a).

Beyond the limits of this dynamic boundary layer there is a region of inviscid

(potential) flow. The distance along the normal from the wall to the place, where

the velocity differs from zero by 1 per cent of the value of umax, is taken as the

dynamic boundary layer thickness δ .

When δT<δ, the motion outside the thermal layer, where the buoyancy

force is absent, is determined by the forces of dynamic and turbulent interaction

between separate fluid layers.

When δ <δT, outside the dynamic boundary layer and within the thermal

layer δT the flow may be considered as potential.

A flow in a boundary layer makes a main contribution into the transfer

processes, whereas the induced outer flow is secondary and provides only higher

order correction. This is the manifestation of the secondary effect of a boundary

layer on the flow in the surrounding medium.

It follows from the dimensional analysis that a relative boundary layer

thickness δ / x has the order of Gr−0.25, where Gr=gβ (T w – T ∞)x3/ ν2. At very large

Grashof numbers characteristic of practical applications of the free convection

boundary layer theory, the boundary layer thickness is usually very small

compared to the body size. Comparatively thick boundary layers take place for

media with small Prandtl numbers (Pr) and with small differences between the

body and surrounding temperatures.

In the Boussinesq approximation for an incompressible fluid and a steady-

state regime, the equations of momentum, mass and energy conservation for

laminar free convection in a plane boundary layer are as follows.

u∂ u∂ x

+v∂u∂ y

=gβ (T−T ∞ )+v∂2u∂ x2

∂ u∂ x

+ ∂ v∂ y

=0

u∂T∂ x

+v∂T∂ y

=a∂2 u∂ x2

The system of equations above allows the determination of the both

velocity components (u , v) and of the temperature field (T ) for various boundary

conditions.

To generalize the solution results or experimental data as well as to reduce

the quantity of problem parameters, similarity theory is used.

Some problem parameters are substituted by their combinations, the so-

called generalized variables. Their structure depends on the form of differential

operators entering into equation. We shall reduce the equations to the

dimensionless form. It is convenient to use the quantities entering into the un-

ambiguity conditions (boundary conditions) as the reduction scales. As a linear

scale we shall take some characteristic dimension of a body L, for a temperature it

is convenient to use, for instance, the relation θ=(T – T ∞) /(T w – T∞) , where T w is

the body surface temperature, T ∞, is the surrounding temperature, T is the local

temperature. The characteristic velocity may be obtained from the comparison of

volumetric and viscosity forces u0=βgΔT L2/ ν or from the estimates of the type

u0=L/τ0, where τ0 is the time scale.

The dimensionalization yields

U∂U∂ X

+V∂U∂ Y

=θ+Gr−12 ∂2u

∂ Y 2

U∂θ∂ X

+V∂ θ∂ Y

=Gr−12 Pr−1 ∂2θ

∂ Y 2

The Grashof number Gr=βgΔT L3/ν2 is the main governing criterion and

the most important characteristic of free convection heat transfer. It is the measure

of the relation between the buoyancy forces in a non-isothermal flow and the

forces of molecular viscosity. It also determines the mode of medium motion

along the heat transfer surface. In its physical meaning, it is similar to the

Reynolds number for a forced flow.

At small Gr numbers a free convection flow is absent and heat transfer is

carried out by molecular thermal conduction. In particular, in a horizontal layer

(Figure 3c) this takes place at Raδ=Grδ Pr=βg (Th –T c)δ 3/νa ¿ 1708. When

Raδ=1708, the stability of a horizontal layer is disturbed and a free convection

fluid flow develops in the form of Benard cells (Figures 3c and 3d). At

Rax=Gr x Pr ≈ 109 on a vertical plate there takes place the transition from a

laminar to turbulent flow (Figure 2a).

Free convection heat transfer, similar to that under forced convection, is

characterized by the Nusselt number Nu=αL/ λ. This is usually an unknown

quantity since it involves the heat transfer coefficient α which should be found.

Thus, the dimensionless form of the heat transfer coefficient, Nu, depends on the

dimensionless numbersPr ,Grand the coordinate X=x /L (Gebhart, 1973).

2.2.2 Forced Convection

2.3 Flow Across Cylinder

Flow across cylinders and spheres is frequently encountered in practice. For

example, the tubes in a shell and tube heat exchanger involve both internal flow

through the tubes and external flow over the tubes, and both flows must be considered

in the analysis of the heat exchanger. Also, many sports such as soccer, tennis, and golf

involve flow over spherical balls.

Figure 4. Typical flow patterns in cross flow over a cylinder

The characteristic length for a circular cylinder or sphere is taken to be the

external diameter D. Thus, the Reynolds number is defined as ℜ=V D /v where V is the

uniform velocity of the fluid as it approaches the cylinder or sphere. The critical

Reynolds number for flow across a circular cylinder or sphere is about ℜcr ≈ 2× 105.

That is, the boundary layer remains laminar for about ℜcr≲2× 105.

Cross flow over a cylinder exhibits complex flow patterns, as shown in figure.

The fluid approaching the cylinder branches out and encircles the cylinder, forming a

boundary layer that wraps around the cylinder. The fluid particles on the midplane strike

the cylinder at the stagnation point. The pressure decreases in the flow direction while

the fluid velocity increases.

At very low upstream velocities(ℜ≲1), the fluid completely wraps around the

cylinder and two arms of the fluid meet on the rear side of the cylinder in an orderly

manner. Thus, the fluid follows the curvature of the cylinder. At higher velocities, the

fluid still hugs the cylinder on the frontal side, but it is too fast to remain attached to the

surface as it approaches the top of the cylinder. As a result, the boundary layer detaches

from the surfaces, forming a separation region behind the cylinder. Flow in the wake

region is characterized by random vortex formation and pressures much lower than the

stagnation point pressure.

Figure 5. Average draf coefficient for cross flow over a smooth circular cylinder and a smooth sphere (Schlichting)

The nature of the flow across a cylinder or sphere strongly affects the total drag

coefficient CD. Both the friction drag and the pressure drag can be significant. The high

pressure in the vicinity of the stagnation point and the low pressure on the opposite side

in the wake produce a net force on the body in the direction of flow. The drag force is

primarily due to friction drag at low Reynolds numbers ( ℜ>10 )and to pressure drag at

high Reynolds numbers( ℜ>5000 ). Both effects are significant at intermediate Reynolds

numbers

The average drag coefficient CD for cross flow over a smooth single circular cylinder

and a sphere are given in figure 7-17. The curves exhibit different behaviors in different

ranges of Reynolds number:

- For ℜ≲1, we have creeping flow, and the drag coefficient decreases with

increasing Reynolds number. For a sphere, it is CD=24 /ℜ. There is no flow

separation in this regime.

- At aboutℜ=10, separation starts occurring on the rear of the body with vortex

shedding starting at about ℜ=90. The region of separation increases with Reynolds

number up to about ℜ=103. At this point, the drag is mostly (about 95 percent) due

to pressure drag. The drag coefficient continues to decrease with increasing

Reynolds number in this range of 10<ℜ<103. (A decrease in the drag coefficient

does not necessarily indicate a decrease in drag. The drag force is proportional to the

square of the velocity., and the increase in velocity at higher Reynolds number

usually more than offsets the decrease in the drag coefficient.)

- In the moderate range of 103<ℜ<105. The drag coefficient remains relatively

constant. This behavior is characteristic of blunt bodies. The flow in the boundary

layer is laminar in this range, but the flow in the separated region past the cylinder

or sphere is highly turbulent with wide turbulent wake.

- There is a sudden drop in the drag coefficient somewhere in the range of

106<ℜ<106 (usually, at about 2 ×105). This large reduction in CDis due to the flow

in the boundary layer becoming turbulent, which moves the separation pint further

on the rear of the body, reducing the size of the wake and thus the magnitude of the

pressure drag. This is in contrast to streamlined bodies, which experience an

increase in the drag coefficient (mostly due to friction drag) when the boundary

layer becomes turbulent.

Figure 6. Turbulance delays flow separation

Flow separation occurs at about θ ≈ 80o (measured from the stagnation point) when the

boundary layer is laminar and at about θ ≈ 140o when it is turbulent. The delay of

separation in turbulent flow is caused by the rapid fluctuation of the fluid in the

transverse direction, which enables the turbulent boundary layer to travel further along

the surface before separation occurs, resulting in a narrower wake and a smaller

pressure drag. In the range of Reynolds number where the flow changes from laminar to

turbulent, even the drag force FDdecreases as the velocity (and thus Reynolds number)

increases. This result in a sudden decrease in drag of flying body and instability in

flight.

2.4 Heat Transfer Coefficient

Flow across cylinder and spheres, in general, involve flow separation, which is difficult

to handle analytically. Therefore, such flows must be studied experimentally or

numerically. Indeed, flow across cylinder and spheres has been studied experimentally

by numerous investigators, and several empirical correlation have been developed for

the heat transfer coefficient.

The complicated flow pattern across a

cylinder greatly influences heat

transfer. The variation of the local

Nusselt numberNuθ around the

periphery of a cylinder subjected to

across flow of air is given in figure 7-

22. Note that, for all cases, the value

of Nuθ starts out relatively high at the

stagnation point (θ=0o) but decreases

with increasing θ as a result of the

thickening of the laminar boundary

layer. On the two curves at the bottom

corresponding to ℜ=70.800 and

101.300. Nuθreaches a minimum at

θ ≈ 80o, which is the separation point

in laminar flow. Then Nuθ increases

with increasing θ as a result of the

intense mixing in the separated flow

region (the wake). The curves at the

top corresponding to ℜ=140.000 to 219.000 differ from the first two curves in that they

have two minima for Nuθ. The sharp increase in Nuθ at about θ ≈ 90o is due to the

transition from laminar to turbulent flow. The later decrease in Nuθ is again due to the

thickening of the boundary layer. Nuθ reaches its second minimum at about θ ≈ 140o,

Figure 7. Variation of the local heat transfer (Giedt)

which is the flow separation point in turbulent flow, and increases with θ as a result of

the intense mixing in the turbulent wake region.

The discussion above on the local heat transfer coefficient are insightful; however, they

are of little value in heat transfer calculations since the calculation of heat transfer

requires the average heat transfer coefficient over the entire surface. Of the several such

relation available in the literature for the average Nusselt number for cross flow over a

cylinder, we present the one proposed by Churchill and Bernstein:

Nucyl=hDk

=0,3+0,62 ℜ1 /2 Pr1 /3

[1+(0,4 /Pr )2 /3 ]1 /4 [1+( ℜ282,000 )

5 /8]4 /5

This relation is quite comprehensive in that it correlates available data well for

ℜPr>0,2. The fluid properties are evaluated at the film temperature T f =1/2(T ∞+T s),

which is the average of the free-stream and surface temperatures.

For flow over a sphere, Whitaker recommends the following comprehensive correlation:

Nusph=hDk

=2+[0,4 ℜ1/2+0,06ℜ2 /3 ] Pr0,4 ( μ∞

μs)

1 /4

Which is valid for 3,5 ≤ℜ≤80,000 and 0,7 ≤ ℜ≤ 380. The fluid properties in this case

are evaluated at the free-stream temperature T s, Although the two relations above are

considered to be quite accurate, the results obtained from them can be off as much as 30

percent.

The average Nusellt number for flow across cylinder can be expressed compactly as

Nucyl=hDk

=C ℜm Prn

Where n=13

and the experimentally determined constants C and m are given in Table 7-

1 for circular as well as various non-circular cylinder. This characteristic length D for

use in the calculation of the Reynolds and the Nusselt number for different geometries is

as indicated on the figure. All fluid properties are evaluated at the film temperature.

The relations for cylinder above are for single cylinders or cylinders oriented such that

the flow over them is not affected by the presence of others. Also, they are applicable to

smooth surfaces. Surfaces roughness and the free stream turbulence may affect the drag

and heat transfer coefficient significantly. Eq 7-37 provides a simpler alternative to Eq.

7-35 for flow over cylinders. However, eq. 7-35 is more accurate, and thus should be

preferred in calculations whenever possible.

Table 1. Empirical correlation for the average Nusselt number for forced convection over circular cylinder in cros flow (Zukauskas)

Cross-section of

the cylinder

Fluid Range of Re Nusselt number

Circle Gas or liquid 0,4 – 4

4 – 40

40 – 4.000

4000 – 40.000

40.000 – 400.000

Nu=0,989Re0,330Pr1/3

Nu=0,911Re0,385Pr1/3

Nu=0,683Re0,446Pr1/3

Nu=0,193Re0,618Pr1/3

Nu=0,027Re0,805Pr1/3

2.5 Heat Transfer From Finned Surfaces

The rate of heat transfer from surface at a temperature T s to the surrounding medium at

T ∞ is given by Newton’s law of cooling as

Q̇conv=h A s(T s−T ∞)

Where A s is the heat transfer surface area and h is the convection heat transfer

coefficient. When the temperatures T s and T ∞ are fixed by design consideration, as is

often the case, there are two ways to increase the rate of heat transfer: to increase the

convection heat transfer coefficient h or to increase the surface area A s. Increasing h

may require the installation of a pump or fan, or replacing the existing one with a larger

one, but this approach may or may not be practical. Besides, it may not be adequate.

The alternative is to increase the surface area by attaching to the surface extended

surfaces called fins made of highly conductive materials such as aluminum. Finned

surfaces are manufactured by extruding, welding, or wrapping a thin metal sheet on a

surface. Fins enhance heat transfer from a surface by exposing a larger surface area to

convection and radiation.

Finned surfaces are commonly used in practice to enhance heat transfer, and they often

increase the rate of heat transfer from a surface several fold. The car radiator is an

example of a finned surface. The closely packed thin metal sheets attached to the hot

water tubes increase the surface area for convection and thus the rate of convection heat

transfer from the tubes to the air many times. There are a variety of innovative fin

design available in the market, and they seem to be limited only by imagination.

In the analysis of fins, we consider steady operation with no heat generation in the fin,

and we assume the thermal conductivity k of the material to remain constant. We also

assume the convection heat transfer coefficient h to be constant and uniform over the

entire surface of the fin for convenience in the analysis. We recognize that the

convection heat transfer coefficient of h, in general, varies along the fin as well as its

circumference, ant its value at a point is a strong function of the fluid motion at that

point. The value h is usually much lower at the fin base that it is at the fin tip because

the fluid is surrounded by solid surfaces near the base, which seriously disrupt its

motion to the point of suffocating it, while the fluid near the fin tip has little contact

with a solid surface and thus encounters little resistance to flow. Therefore, adding too

many fins on surface may actually decrease the overall heat transfer when the decrease

in h offsets any gain resulting from the increase in the surface area.

Figure 8. Volume element of a fin at location x having length of ∆ x

Consider a volume element of a fin at location x having a length of ∆ x, cross-sectional

area of Ac, and a parameter of p, as shown in fig.3-35. Under steady condition, the

energy balance on this volume element can be expressed as

(Rate of heatconduction intothe element at x)=(Rateof heat

conduction from theelement at x+∆ x )+(Rate of heat

convec tion fromthe element )

Q̇cond , x=Q̇ cond , x+∆ x+Q̇ conv

Q̇conv=h ( p∆ x )+(T−T ∞)

From Fourier’s law of heat conduction we have

Q̇cond=−k AcdTdx

In general, the cross-sectional area Ac and the perimeter p of a fin vary with x,

which makes this differential equation difficult to solve.

Boundary condition at fin base: θ (0 )=θb=T b−T∞

Figure 9. Boundary condition at the fin base and the fin tip

At the fin tip we have several possibilities, including specified temperature,

negligible heat loss (idealized as an insulated tip), convection, and combined convection

and radiation (fig. 3-36). Next we consider each separately.

An important step in the design of a fin

is the determination of the appropriate length of

the fin once the fin material and the fin cross

section are specified. You may be tempted to

think that the longer the fin, the larger the

surface area and thus the higher the rate of heat

transfer. Therefore, for maximum heat transfer,

the fin should be infinitely long. However, the

temperature drops along the fin exponentially

and reaches the environment temperature at

some length. The part of the fin beyond this

length does not contribute to heat transfer

since it is at the temperature of the

environment, as shown in fig 3-46. Therefore, designing such an extra long fin is out of

the question since it result in material waste, excessive weight, and increased size and

thus increased cost with no benefit in return (in fact, such a long fin will hurt

performance since it will suppress fluid motion and thus reduce the convection heat

Figure 10. Because of the gradual temperature drop along the fin

transfer coefficient). Fins that are so long that the temperature approaches the

environment temperature cannot be recommended either since the little increase in heat

transfer at tip region cannot justify the large increase in the weight and cost.

To get a sense of the proper length of a fin, we compare heat transfer from a fin

of finite length to heat transfer from an infinitely long fin under the same conditions.

The ratio of these two heat transfer is

Q̇fin

Q̇longfin

=√hpk Ac ( Tb−T∞ ) tanh aL

√hpk A c (T b−T ∞ )=tanh aL

Using a hand calculator, the values of tanh aL are evaluated for some values of

aL and the result are given in Table 3-3. We observe from the table that heat transfer

from a fin increases with aL almost linearly at first, but the curve reaches a plateau later

and reaches a value for the infinitely long fin at about aL=5. Therefore, a fin whose

length is L=1 /5 a can be considered to be an infinitely long fin. We also observe that

reducing the fin length by half in that case (from aL=5 to aL=2,5) causes a drop of just

1 percent in heat transfer. We certainly would not hesitate sacrificing 1 percent in heat

transfer performance in return for 50 percent reduction in the size and possibly the cost

of the fin. In practice, a fin length that corresponds to about aL=1 will transfer 76,2

percent of the heat that can be transferred by an infinitely long fin, and thus it should

offer a good compromise between heat transfer performance and the fin size.

A common approximation used in the analysis of fins is to assume the fin

temperature varies in one direction only (along the fin length) and the temperature

variation along other direction is negligible. Perhaps you are wondering if this one-

dimensionless approximation is a reasonable one. This is certainly the case for fins

made of thin metal sheets such as the fins on a car radiator, but we wouldn’t be so sure

for fins made of thick materials. Studies have shown that the error involved in one-

dimensionless fin analysis is negligible (less than about 1 percent) when hδ /k<0,2.

Where δ is the characteristic thickness of the fin, which is taken to be the plate

thickness t for rectangular fins and the diameter D for cylindrical ones.

Specially designed finned surfaces called heat sinks, which are commonly used

in the cooling of electronic equipment, involve one-of-a-kind complex geometries, as

shown in table 3-4.the heat transfer performance of heat sins is usually expressed in

terms of their thermal resistances R in oC/W. which is defined as

Q̇fin=Tb−T ∞

R=h A fin η fin(T b−T ∞)

A small value of thermal resistance indicates a small temperature drop across the

heat sink, and thus high fin efficiency.

aLQ̇fin

Q̇longfin

=tanh aL

0,1 0,100

0,2 0,197

0,5 0,462

1,0 0,762

1,5 0,905

2,0 0,964

2,5 0,987

3,0 0,995

4,0 0,999

5,0 1,000

2.6 Heat Flux

2.7 Computational Fluid Dynamic

Computational Fluid Dynamics (CFD) is the term given to the task of

representing and solving the fluid flow and associated equations on a computer.

Although the equations controlling fluid flow have been known for over 150 years

significant advances in CFD were delayed until the 1960’s when digital computers

became available to the scientific community. Since then CFD has attracted an ever-

increasing level of resources and has generated real benefits for industry sectors that

have invested in it. The power and relatively low price of modern work stations,

together with the high quality of commercial CFD codes now available, make CFD a

very attractive tool for designers and engineers in the process industries, and an

effective vehicle for many research workers in the heat and mass transfer fields.

Although CFD is about solving complex equations, the real challenges revolve around

understanding the physics and how the essential elements of the problem can be

represented in terms of equations and boundary conditions. The nonlinearities present in

the flow equations and the complexity of the physics are such that CFD is not likely to

replace all physical experiments in the foreseeable future. CFD is, however, likely to

reduce the volume of expensive experimental work and help design better experiments,

as well as increase our understanding and predictive abilities.

The two essential components of CFD are mathematical modeling and

numerical analysis, although it is sometimes difficult to separate them fully.

Mathematical modeling is about expressing the problem in a mathematical form with

reasonably correct differential equations and adequate boundary conditions. Although

this appears straightforward, it is in fact the most difficult and demanding task most

engineers face when using CFD. Decisions have to be made about how detailed the

CFD calculation is going to be, and indeed how detailed it needs to be to represent the

significant processes involved in a problem. Some of these decisions are easy to make:

is the problem two- or three-dimensional? even if it is three-dimensional, will a two-

dimensional representation suffice? Others are very difficult and may lead to lengthy

subsidiary work: is the standard turbulence model adequate? The boundary conditions

imposed for heat transfer in the re-attachment zone reasonable for my application? The

continuity, momentum and scalar transport equations are nonlinear and coupled and

take the following form:

∂ ρ∂t

+ ∂∂ x j

( ρU j )=0

∂ ( ρ U j )∂ t

+ ∂∂ x j

( ρ U jU i )−∂

∂ x j(η ∂ U i

∂ x j

−ρ U iU j)−∂ P∂ xi

+S i=0

∂ ( ρΦ )∂ t

+∂

∂ x j( ρU j Φ)− ∂

∂ x j( μ

Pr∂ Φ∂ x j

−ρU j Φ)+SΦ=0

where U i and ui are the mean and fluctuating components of velocity in the x i

direction; Φ and φ are the mean and fluctuating components of a passive scalar, such as

temperature; Ρ is the pressure; ρ is the density, ηt is the viscosity; Pr is the Prandtl

number, and the S terms represent sources for the momentum or scalar equations. The

overbar indicates that an averaging procedure has been applied to the cross-correlation

of the fluctuating components. Constitutive relationships are required for the correlation

terms; for example, the Boussinesq hypothesis leads to:

−ρ ui u j=ηt( ∂ U i

∂ x j

+∂U j

∂ x i)

Turbulence Modeling is a field in its own right, and the complexity of turbulence

models adopted reflects the complexity of the physics and the computing resources

available. For a typical single-phase problem with heat transfer, there are three

momentum, one conservation and one energy or temperature equations. The complexity

of the turbulence model adopted determines the number of equations used to determine

ηt, the well-known k−ε turbulence adds two further equations to the problem-one for

the turbulent kinetic energy k and one for the turbulent dissipation rate ε . If the problem

also involves mass transfer, then more transport equations similar in form to the energy

equation are required to represent the various chemical species transported. Near-wall

treatment and boundary condition interpretation may need special attention when heat

and mass transfer are taking place.

The second component of CFD is related to the numerical aspects of

representing the above equations on a computer and solving them. The first task is to

choose a coordinate system and mesh which will be able to give adequate resolution of

the geometry and physics of the problem. The second task is to digitize the differential

equations into their difference form, in a manner which will result in an accurate and

robust (stable) set of algebraic equations suitable for numerical manipulation. The final

numerical task is to use a solution procedure which will solve the discretized equations

quickly and accurately without making undue demands on the hardware (memory, disk

space and central processor speed). There are essentially two solution methods: one is

classified as uncoupled and the other as a coupled method. In the uncoupled method, the

discretized equations for each variable are solved separately for the whole field so that

each velocity component is found separately. Pressure is then obtained through a

procedure which uses the mass conservation equation. In the coupled method, velocities

and pressures are solved simultaneously. (See also Numerical Methods.)

CFD has matured to a point where most CFD calculations are undertaken on

commercial packages. Most CFD software vendors offer body-fitted, multi block

structured mesh or totally unstructured mesh capabilities, which provide excellent

geometric resolution; most codes are able to use geometries and meshes set up on the

large commercial solid body modeling software packages. Vendors also offer a choice

of discretization schemes; in general, the more accurate the scheme, the greater the

demands it will make on computing resources. Unless there is a research need to modify

or use alternative discretization algorithmic, it is usual to use the vendors’ offerings.

The same is true of the solution procedures. Vendors have coded up a number of

algorithms and allow the user to choose between them.

The CFD user is faced with a three-component task: setting up the problem;

using the CFD software to solve the equations; and examining the CFD solutions. For

most engineers, the first component is the most time-consuming; but this is changing.

The laborious task of setting up geometries and grids has been mechanized and it is now

possible to use numerical geometric information from other software packages to

quickly generate appropriate CFD grids. The technology has reached a point where

commercial vendors are offering adaptive grids. These are grids which move their

positions during the calculation so as to optimize the resolution of the physical

phenomena being modeled. There are a number of well-tried and proven numerical

schemes available which have been coded by commercial vendors. Thus, this is

generally no longer a problem area for most CFD users.

Analysis and assessment of CFD predictions is surprisingly difficult. Given the

inherent three-dimensional nature of CFD, and the large number of variables normally

computed, good interactive graphical capabilities become essential. Even with these, it

is difficult to display the vast quantities of information in a manner which facilitates

clear understanding of the problems.

2.7.1 Flovent

CHAPTER III

METHODOLOGY

3.1 Location and Time

Based on education year Sriwijaya University 2013/2014 then this final project

will begin on 1 June – 30 October 2013 and will be done at:

Institutions name : Material Science Laboratory, Walailak University, Thailand, and

Energy Conversion Laboratory, Sriwijaya University, Indonesia.

Institution Address : 222 Thaiburi Sub-district, Thasala District, Nakhon Si

Thammarat, and Jalan Palembang-Prabumulih Km.32, Ogan Ilir

Sumatera Selatan.

3.2 Computer Specification

Dalam penelitian ini akan menggunakan software untuk menganalisa pergerakan

fluida secara visual. Untuk menjalankan program ini dibutuhkan spesifikasi komputer

yang memadai untuk mendapatkan hasil yang cepat. Komputer yang digunakan adalah

jenis PC komputer dengan merek Hewlett-Packard berjenis HP Workstation xw6200

processor Intel (R) Xeon(TM) CPU 2.80Ghz, untuk meningkatkan performa

ditambahkan memory sebesar 5120MB RAM. Sistem operasi yang digunakan adalah

Windows XP Professional x64 Edition (5.2, Build 3790) versi 2003 Service Pack 2

dengan nomor registrasi 55034-306-3281392-51535 DRYING WOOD. Untuk

spesifikasi grafis komputer menggunakan VGA NVIDIA Quadro FX 1400 dengan total

memory sebesar 128.0 MB dengan resolusi display 1280x1024 (32 Bit) (60Hz).

Monitor menggunakan Philips model no. 190B6 dengan FCC ID: A3KM141. Keyboard

denga merek Hawlett-Packard KB-0316 dan Mouse dengan merek yang sama dengan

kode N18ROU.

3.3 Software Specification

Software CFD yang digunakan pada penelitian ini adalah Flovent 9.1 Copyright

1989-2010 Mentor Graphics Corporation. Nomor identifikasi: 10.18.4/W40/flo91.

Software ini merupakan software komersial yang tidak disebarkan secara gratis. Untuk

informasi dan Technical Support Groups dapat menghubungi Flomerics Ltd. 81 Bridge

Road Hampton Court Surrey KT8 9HH, United Kingdom Tel. +44 (0) 20 8941 8810

Fax: +44 (0) 20 8941 8370 email: [email protected].

3.4 Overview of CFD Analysis

3.4.1 Subject Space

Dimensi kiln yang digunakan adalah 4,20 m x 7,50 m x 5.20 m dengan

ketebalan dinding masing-masing sebesar 0,1 m. Kiln ini didesain sesuai dengan

penelitian yang sebelumnya pernah dilakukan Mr. Nirundorn Matan pada tahun

2010. Dimensi yang didapatkan berdasarkan dengan yang ada di industri

pengeringan kayu di Thiland dengan sedikit perubahan dari hasil penelitian-

penelitian yang pernah dilakukan sehingga terbentuk dimensi kiln yang terbaik.

Kiln ini terdapat 4 buah fan dengan diameter motor 0,2 meter, diameter luar 1,2

meter, dan ketebalan fan 0,1 meter sebagai pembuat aliran fluida dengan jarak

koil sebesar 6,7 cm. Kiln ini diilustrasikan dengan memasukkan wood stick

dengan dimensi 0,1 m x 1,3 m x 0,038 m. Di dalam satu lapisan terdapat wood

stick yang disejajarkan sebanyak 29 batang. Setiap pergantian lapisan wood stick

ditumpukan 3 batang penyangga melintang terhadap wood stick dengan dimensi 3

m x 2,54 cm x 2,74 cm, jarak masing-masing penyangga sejauh 0,65 m. Sehingga

terbentuk ruangan untuk udara mengalir diantara lapisan wood stick setinggi 2,74

cm. Lapisan wood stick dibuat bertingkat mencapai 48 lapisan, sehingga total

dimensi lumber adalah 3 m x 1,3 m x 3,5 m.

Desain kiln ini mampu menampung lumber sebanyak 5 buah. Sesuai

hukum thermodinamika kedua tentang tidak ada energi yang re-irreversible maka

dibutkan ventilasi udara sebanyak 8 buah dengan masing-masing fan diberikan 1

ventilasi dibagian suction dan 1 dibagian discharge. Ventilasi ditempatkan

dibagian tengah fan dengan dimensi 0,3 m x 0,1 m x 0,3 m. Dimensi coil adalah

sepanjang 7,5 meter dengan jari-jari 3,3 cm. Pada penelitian ini akan dianlisa

perubahan airflow dan temperature dengan sudut serang coil 0o, 57o, dan 90o.

Jarak masing-masing coil adalah sama, yaitu sebesar 6,7 cm. Perbedaan sudut

serang koil akan berpengaruh terhadap jumlah koil yang terpasang, untuk 0o

jumlah koil yang ada adalah 5 buah, untuk 57o sebanyak 11 buah, dan untuk 90o

sebanyak 9 buah.

3.4.2 Boundary Condition

Berdasarkan data yang telah dilakukan di industri-industri pengeringan

kayu, didapatkan beberapa parameter untuk dijadikan boundary condition. Untuk

Tembok Kiln digunakan material Brickwood (outer leaf) dengan konduktivitas

0,84 W/moK, massa jenis 1.700 Kg/m3 dan panas spesifik 800 J/KgoK. Fan deck

atau dudukan fan menggunakan bahan yang tidak diperhatikan atau konduktifitas

diabaikan. Untuk fan menggunakan axial fan dengan aliran normal atau tegak

lurus dengan flow-rate sebesar 8 m3/s. Isolasi aliran udara diatas lumber

menggunakan bahan aluminium dengan konduktivitas sebesar 201 W/moK, massa

jenis 2.710 kg/m3, dan panas spesifik 913 J/kgoK. Coil yang digunakan adalah

jenis coil dengan sumber panas berasal dari steam dengan kondisi temperatur

konstan 90oC, bahan yang digunakan adalah iron dengan massa jenis 7.870 kg/m3

dan panas spesifik 106 J/kgoK. Untuk wood stick sendiri digunakan material wood

blocks dengan konduktivitas 0,14 W/moK, massa jenis 650 kg/m3, dan panas

spesifik 1.200 J/kgoK.

Pada wood stick temperatur dijaga kekonstanannya sebesar 30oC, unsur-

unsur didalam kayu seperti jumlah air, porositas, dan faktor-faktor yang

mempengaruhi konduktivitas kayu dianggap tidak ada, sehingga seluruh wood

stick yang ada memiliki sifat kimia dan mekanis yang sama. Jumlah grid yang

digunakan dalam penelitian ini adalah 3x106<x< 4x106.

Table 2 Boundary conditionNo. Subject Dimension (meter) Amount Material Construction

1 Wall

X=4,4 x 5,4 x 0,1 2

Brick wood 0,84 W/moKY=4,4 x 0,1 x 7,7 2

Z=0,1 x5,4 x 7,7 2

2 Fan D=1,2 4 - 8 m3/s

3 Fan Deck 0,1 x7,5 x1,3 1 Brick woodNon-

conducting

4 Wood stick 0,1 x1,3 x 0,038Wood

Blocks30oC

5Template

Lumber0,03 x 0,025 x 0,027 90

Wood

Blocks30oC

5 Coil D=0,066 10; 18; 26 Iron 90oC

6 Vent 0,3 x 0,1 x 0,3 8 Hole 100% open

7 BufferH = 2

Aluminum 201 W/moKV = 2

3.5 Experimental Method

Penelitian ini adalah menganalisa fenomena fluida yang terjadi di dalam

kompartemen klin dalam hal aliran udara dan distribusi temperatur. Dalam penelitian ini

akan dilakukan menggunakan metode eksperimen di dalam software Flovent 9.1.

Eksperimen akan dilakukan perlakuan terhadap coil. Sebelum melakukan eksperimen

terhadap coil, peneliti melakukan serangkaian aktifitas untuk menentukan dimensi yang

terbaik untuk desain kompartemen secara keseluruhan, meliputi: dimensi ruangan kiln

(panjang, lebar, dan tinggi); ketinggian ruangan untuk kayu; banyaknya fan yang

dibutuhkan, lebar optimum untuk ruangan udara mengalir dari kipas ke lumber; serta

material dan segala kondisi yang terjadi di dalam kiln di industri sesungguhnya. Setelah

semua dimensi terkumpul dan boundary condition terpenuhi, maka dilakukan desain

kompartemen kiln di software Flovent 9.1.

Tahap selanjutnya adalah memilihi variabel posisi coil yang akan dianalisa.

Untuk mengetahui jenis apa saja yang pernah dilakukan industri saat ini, maka

dilakukan pencarian informasi melalui media elektronik maupun wawancara terhadap

pelaku industri yang menggunakan alat tersebut. Setalah dilakukan pencarian informasi,

peneliti mendapatkan informasi tentang posisi coil yang pernah digunakan adalah

dipasang secara horizontal dan vertikal. Untuk menjadi tambahan variabel analisa, maka

peneliti menambahkan satu variabel posisi coil dipasang miring.

Di dalam sistem coil terdapat lebih dari satu silinder, jarak antara silinder dapat

memengaruhi pergerakan fluida dan konveksi yang akan terjadi. Peneliti melakukan

sedikit penelitian terhadap jarak optimum untuk jarak antar silinder. Jarak yang akan

digunakan adalah 6,7 cm dengan jari-jari 3.3 cm. Pada penelitian coil tidak dilengkapi

dengan fin untuk meningkatkan kecepatan software saat beroperasi. Apabila coil

dilengkapi fin akan memakan waktu kurang lebih 7 hari non-stop, namun dengan

menghilangkan fin komputer hanya membutuhkan waktu kurang lebih 24 jam non-stop.

Penelitian ini tidak menitik beratkan terhadap sebuah disain tertentu melainkan

diharapkan dapat berguna sebagai informasi posisi coil yang terbaik. Fin menjadi tidak

terlalu penting selama seluruh kondisi variabel dibuat sama.

Setelah semua variabel sudah diketahui dan dipastikan bahwa posisi coil tersebut

dapat diaplikasikan didalam software, peneliti membuat ketiga variabel desain coil

tersebut didalam softaware CAD 3D dalam hal ini CATIA V5. Didalam software CAD

dapat diketahui jumlah coil dan berapa sudut serang dari coil tersebut. Peneliti

mendapatkan data yaitu: untuk posisi vertikal sudut serangnya adalah 90o dengan jumlah

silinder yaitu 9 buah dan diberi kode K9067; untuk horizontal sudut serangnya adalah 0o

dengan jumlah silinder 5 buah dan diberi kode K0067; dan terakhir sudut serangnya

adalah 57o dengan jumlah silinder 13 buah dan kode K5767.

Untuk mendapatkan hasil yang benar sebelum menjalankan program terhadap

seluruh variabel, peneliti melakukan pengecekkan ulang tehadap variabel K9067 karena

variabel tersebut terdapat prototipenya didalam laboraturium. Hasil dari software

dicocokkan dengan yang terjadi pada kiln sesungguhnya. Setelah semua parameter

menunjukkan hasil yang tidak terlalu berbeda jauh, maka program tersebut dapat

dijalankan terhadap seluruh variabel yang telah ditentunkan sebelumnya.

Untuk menjalankan satu variabel peneliti menghabiskan waktu kurang lebih 24

jam. Hasil akan didapatkan setelah software menunjukkan grafik residual untuk

temperature dan speed pada angka 0 atau dengan kata lain software telah selasai

melakukan seluruh perhitungan terhadap seluruh mesh. Hasil pertama yang akan terlihat

adalah secara visual dengan parameter-parameter yang ditunjukkan dengan perbedaan

warna. Peneliti mendapatkan parameter untuk speed, x velocity, y velocity, z velocity,

disturb, pressure, dan temperature. Dalam hal ini parameter yang digunakan adalah

speed, x velocity, dan temperature. Penggunaan x velocity sebagai parameter yang

digunakan adalah sebagai data untuk melihat kecepatan aliran di bagian lumber space

hanya untuk x direction, alias sejajar dengan lumber tanpa memperhatikan aliran fluida

ke arah tegak lurus dan melintang.

Hasil visual tersebut dianalisa apakah terjadi perubaha yang signifikan atau

tidak. Untuk mendapatkan data yang akurat dilakukan pengambilan sample terhadap

masing-masing variabel dengan menentukan titik-titik untuk dianalisa lebih lanjut.

Dengan menentukan titik-titik tersebut dapat dilihat hasil secara numerik. Setiap hasil

numerik yang didapatkan dimasukkan kedalam excel untuk dilakukan kalkulasi dan

dibuatkan tabel perubahan atau fluktuasi yang terjadi dan masing-masing hasil variabel

dapat dianalisa dan didapatkan kesimpulannya.

Analisa akan dilakukan secara 3D yaitu dari sudut x, y, dan z. dilihat dari sudut

x akan disebut sebagai Left to Right, sudut y disebut sebagai Top to Bottom, sudut z

disebut sebagai Front to Rear.

3.5.1 Left to Right

Analisa Left to Right (LR) dibagi menjadi menjadi 36 titik, yaitu:

LR=|x1 y1 x1 y2 x1 y3

x2 y1 x2 y2 x2 y3

x3 y1 x3 y2 x3 y3

x1 y4 x1 y5 x1 y6

x2 y4 x2 y5 x2 y6

x3 y 4 x3 y5 x3 y6

x4 y1 x4 y2 x4 y3

x5 y1 x5 y2 x5 y3

x6 y1 x6 y2 x6 y3

x4 y4 x4 y5 x4 y6

x5 y4 x5 y5 x5 y6

x6 y4 x6 y5 x6 y6

|x Distance (m) y Distance (m)

1 0,5 1 3,36

2 0,91 2 2,64

3 1,65 3 1,92

4 2,4 4 1,69

5 3,15 5 0,97

6 3,89 6 0,25

Figure 11 Mesh point Left to Right (LR) analysis

Pada posisi x=0,5 adalah posisi fluida sebelum masuk kedalam lumber

space atau dapat dikatakan fluida bebas. Posisi x=0,91 adalah titik pertama kali

fluida memasuki lumber space, pada titik ini akan dilihat berapa persen fluida

bebas pada x=0,5 masuk kedalam lumber space. Posisi x=2,4 adalah titik tengah

antara posisi Left dan Right. Dan Terakhir adalah posisi keluaran fluida dari

lumber space, yaitu x=3,89.

Titik-titik ini akan menggambarkan bagaimana penurunan temperatur dan

kecepatan fluida pada lumber space dilihat dari titik masuk dan keluar fluida.

3.5.2 Top to Bottom

Analisa Top to Bottom (TB) terdapat 60 titik, dimana titik tersebut

diletakkan pada posisi x=0,91 atau titik pertama kali fluida memasukki lumber

space.

TB=|z1 y1 z1 y2 z1 y3 … z1 y10

z2 y1 z2 y2 z2 y3 … z2 y10

z3 y1 z3 y2 z3 y3 … z3 y10

z4 y1 z4 y2 z4 y3 … z4 y10

z5 y1

z6 y1

z5 y2

z6 y2

z5 y3

z6 y3

……

z5 y10

z6 y10

|z Distance (m) y Distance (m)

1 0,475 1 3,36

2 1,125 2 2,64

3 1,875 3 1,92

4 2,525 4 1,69

5 3,275 5 0,97

6 3,925 6 0,25

7 4,675

8 5,325

9 6,080

10 6,720

Figure 12 Mesh point Bottom to Top Analysis

Pada analisa bagian ini akan didapatkan grafik perubahan kecepatan fluida

dan temperature berdasarkan ketinggian lumber space. Hasil dari penelitian ini

akan terlihat apakah distribusi fluida dengan variabel sudut coil tertentu terjadi

keseragaman penyebaran yang merata atau tidak dari bagian atas hingga bagian

paling bawah lumber. Apabila terjadi keseragaman yang baik maka hasil produk

kayu tersebut akan baik dari secara keseluruhan. Namun apabila hanya bagian

tertentu yang mendapatkan pasokan thermal berlebih namun bagian lainnya

kekurangan temperatur maka produk tidak seragam dan banyak terjadi cacat.

Begitu pula terjadi apabila penyebaran kecepatan fluida tidak merata. Konveksi

paksa akan sangat tergantung terhadap kecepatan fluida yang bergerak. Pada

bagian ini akan diambil nilai rata-rata yang memiliki axis z sama, maka dari itu

akan dihasilkan sebanyak enam buah nilai yang kemudian akan dimasukkan

nilainya dan dilihat perkembangan grafiknya.

3.5.3 Front to Rear

Analisa Front to Rear (FR) terdapat 60 titik, dimana titik tersebut

diletakkan pada posisi x=0,91 atau titik pertama kali fluida memasukki lumber

space. Titik pada analisa ini sama dengan TB namun pada analisa ini hanya

terdapat perbedaan dari cara pengambilan nilai rata-rata. Nilai rata-rata diambil

dari yang memiliki nilai y sama.

TB=FR=|z1 y1 z1 y2 z1 y3 … z1 y10

z2 y1 z2 y2 z2 y3 … z2 y10

z3 y1 z3 y2 z3 y3 … z3 y10

z4 y1 z4 y2 z4 y3 … z4 y10

z5 y1

z6 y1

z5 y2

z6 y2

z5 y3

z6 y3

……

z5 y10

z6 y10

|z Distance (m) y Distance (m)

1 0,475 1 3,36

2 1,125 2 2,64

3 1,875 3 1,92

4 2,525 4 1,69

5 3,275 5 0,97

6 3,925 6 0,25

7 4,675

8 5,325

9 6,080

10 6,720

Figure 13 Mesh Point Front to Rear Analysis

Sebagai tambahan data dalam penelitian, peneliti menambahkan kondisi dimana

kiln pada saat ventilasi tertutup. Di industri sesungguhnya ventilasi tidak selamanya

terbuka, untuk menjaga energi tidak keluar seringkali pelaku industri menutup ventilasi.

Untuk mengetahui hal tersebut peneliti menambahkan sempel peneliti yaitu melakukan

analisa yang sama terhadap kiln (seluruh posisi coil) pada saat ventilasi tertutup penuh.

3.6 Research Limitation

Penelitian ini menghasilkan data numerik yang berasal dari software. Kiln

didesain memiliki kondisi lingkungan steady, tanpa memperhitungkan fluktuasi yang

terjadi pada lingkungan sekitar. Pada desain coil tanpa menggunakan fin dan

temperaturnya dijaga selama beroperasi yaitu 90o C. Selain itu juga penelitian ini

bertujuan untuk mengetahui keseragaman aliran fluida di dalam lumber space, sehingga

keadaan mekanis dan mekanis wood stick dibuat seragam. Yang akan diperhatikan

adalah bagaimana aliran di dalam lumber space, oleh karena itu peneliti membuat

Start

Literature Study

Kiln Designing

Subject SpaceBoundary Condition

Coil Direction

Vent OpenedData Record

Running K9067Vent Opened



K0067 K5767K9067

Running K9067Vent Closed



Vent ClosedData Record

Result Analysis(Vent Opened)

Result Analysis(Vent Closed)

Final ResultAnalysis

Conclusion

Finish

Not Good

Left to Right (LR)Top to Bottom (TB)Front to Rear (FR)

SpeedTemperatureX-Velocity

desain wood stick berada pada kondisi 30oC dari awal operasi hingga akhir operasi.

Temperatur lingkungan diluar kiln adalah 30oC dan aliran fan stabil pada 8,0 m3/s.

Penelitian ini akan membandingkan distribusi temperatur dan airflow pada lumber space

yang terjadi pada K0067, K5767, dan K9067 untuk kemudian dianalisa dan ditentukan

desain yang terbaik untuk kompartemen kiln untuk pengering kayu.

3.7 Diagram Alir

Compartment Kiln

K0067

K5767

K9067

Opened

Closed

LR

TB

FR

Coil Direction Ventilation Analysis

Temperature

Airflow

LR

TB

FR

LR

TB

FR

LR

TB

FR

LR

TB

FR

LR

TB

FR

LR

TB

FR

LR

TB

FR

Temperature

Airflow

Temperature

Airflow

Temperature

Airflow

LR

TB

FR

LR

TB

FR

Temperature

Airflow

Opened

Closed

Opened

Closed

LR

TB

FR

LR

TB

FR

Temperature

Airflow

Parameter

CHAPTER 4

RESULT AND ANALYSIS

4.1 Graphic Result

4.1.1 K0067

Pada desain K0067 posisi koil diletakkan secara horizontal sejajar dengan

tumpuan fan. Pada posisi ini hanya didapatkan koil sebanyak 5 silinder dengan

masing-masing diameter 6,6 cm dan jarak antara silinder sejauh 6,7 cm. Posisi nol

terletak 10 cm dari ujung balok sehingga hanya didapatkan silinder koil sebanyak

5 silinder. Pada masing-masing jarak antara koil akan berfungsi sebagai nozzle

secara tidak langsung karena terjadi perubahan luas permukaan antara inlet dan

outlet. Hasil yang didapatkan dari Flovent pada masing-masing jarak renggang

koil sebagai berikut:

Coil Space x y υ0 υ (υ−x ) (υ−x )2

1

2

3

4

5

Average

Maximum

Minumum

Standard Deviation

Kecepatan fluida pada inlet atau sebelum melewati koil disimbolkan

sebagaiυ0 diambil sejauh 3,3 cm diatas titik pusat lingkaran koil. Berdasarkan hasil

tabel diatas menunjukkan terjadi perbedaan kecepatan fluida yang pada inlet dan

outlet. Analisa ini menyatakan bahwa penempatan koil akan sangat berpengaruh

terhadap kecepatan fluida yang akan digunakan untuk mengalirkan fluida di

lumber space.

Setalah dilakukan analisa terhadap perubahan kecepatan fluida di jarak

masing-masing koil, didapatkan hail visualisasi Flovent pada K0067 untuk

kecepatan fluida secara keseluruhan (speed) sebagai berikut:

Figure 14 Speed of K0067 Opened Ventilation at z= 4,67 m

Sesuai gambar diatas dapat dilihat bahwa fluida mengalir ke arah dinding

yang digambarkan dengan pergerakan warna orange disekitar bagian pojok kiln.

Terlihat pada gambar terdapat aliran fluida yang masuk pada bagian kanan dan

keluar pada bagian kiri karena terdapat ventilasi. Sebelum udara melawati koil,

warna menunjukkan merah kekuningan dan setelah melewati koil beberapa

centimeter warna berubah merah, hal ini menunjukkan bahwa koil berfungsi

sebagai nozzle atau meningkatkan kecepatan fluida.

Udara tidak langsung mengalir ke wood stack, melainkan mengalir ke

bagian bawah kiln terlebih dahulu, terlihat terdapat warna biru di sekitaran wood

stack bagian atas dan mulai menguning pada bagian bawah kiln. Hal ini

menggambarkan bahwa kecepatan udara dibagian bawah lebih tinggi dibanding

dengan kecepatan udara dibagian atas lumber.

Untuk distribusi temperatur akan sangat tergantung terhadap aliran udara

yang terjadi didalam kiln. Udara yang mengalir membawa energi yang tersimpan

untuk kemudian digunakan untuk mengeringkan kayu sebagai akibat dari

vaporisasi dan konveksivitas. Visualisasi distribusi thermal dapat dilihat pada

gambar dibawah ini:

Figure 15 Temperature of K0067 Opened Ventilation at z= 4,67 m

Terlihat bahwa hasil visual temperatur tidak menyerupai distribusi aliran

udara, terjadi penyebaran yang temperatur yang merata pada setiap ketinggian

wood stack. Warna kuning menyatakan temperatur lebih tinggi dibandingkan

dengan warna biru. Bagian kiln sebelah kiri berwarna kuning dan bagian kiln

sebelah kanan berwarna biru, menggambarkan bahwa udara mengalir dari sebelah

kiri menuju sebelah kanan. Warna biru bergaris menggambarkan wood stick yang

disusun bertingkat. Terlihat bahwa warna biru wood stick semakin ke kanan

semakin menua warna birunya, hal ini menyatakan bahwa konveksi dibagian kiri

lebih tinggi dibandingkan sebelah kanan.

Terlihat dibagian paling atas kiln sebelum kipas terdapat warna biru tua,

pada posisi tersebut terdapat lubang ventilasi yang berfungsi sebagai penjaga

kestabilan tekanan didalam kiln. Apabila dilihat lebih dekat, aliran dari ventilasi

tersebut menurunkan temperatur udara karena yang dialirkan adalah temperatur

lingkungan yaitu 30oC. Pada ventilasi sebelah kiri menyatakan terdapat energi

yang dikembalikan ke lingkungan. Kemudian, koil pada sebelah kiri dan kanan

berwarna merah yaitu menggambarkan temperatur koil sebesar 90oC. Di industri,

seluruh koil bertemperatur 90oC atau setiap waktu dinyalakan sebagai sumber

energi.

4.1.2 K5767

Pada desain K5767 posisi koil dimiringkan sebesar 57o terhadap sumbu x.

Pada posisi ini didapatkan koil sebanyak 11 silinder dengan masing-masing

diameter 6,6 cm dan jarak antara silinder sejauh 6,7 cm. Posisi nol terletak 10 cm

dari ujung balok sehingga didapatkan silinder koil sebanyak 11 silinder. Posisi ini

merupakan posisi dengan koil terbanyak dari yang lainnya. Pada masing-masing

jarak antara koil akan berfungsi sebagai nozzle secara tidak langsung karena

terjadi perubahan luas permukaan antara inlet dan outlet. Hasil yang didapatkan

dari Flovent pada masing-masing jarak renggang koil sebagai berikut:


1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Average

Maximum

Minumum

Standard Deviation


sebagaiυ0 diambil sejauh 3,3 cm sebelum titik pusat lingkaran koil. Berdasarkan

hasil tabel diatas menunjukkan terjadi perbedaan kecepatan fluida yang pada inlet

dan outlet. Analisa ini menyatakan bahwa penempatan koil akan sangat

berpengaruh terhadap kecepatan fluida yang akan digunakan untuk mengalirkan

fluida di lumber space.







Terlihat pada gambar terdapat aliran udara masuk pada bagian kanan dan keluar

pada bagian kiri karena terdapat lubang ventilasi. Sebelum udara melawati koil,

warna adalah kuning dan setelah melewati koil beberapa centimeter warna

berubah orange, hal ini menunjukkan bahwa koil berfungsi sebagai nozzle atau

meningkatkan kecepatan fluida.



stack bagian atas dan mulai menguning pada bagian bawah kiln. Hal ini

menggambarkan bahwa kecepatan udara dibagian bawah lebih tinggi dibanding

dengan kecepatan udara dibagian atas lumber. Namun berbeda dengan K0067,

pada bagian atas terdapat sedikit warna kuning, dianalisa bahwa warna kuning

tersebut diakibatkan udara terdefleksi keatas karena lumber space sebesar 2,74 cm

tidak mampu menampung debit yang ada.





gambar dibawah ini:









semakin menua birunya, hal ini menyatakan bahwa konveksi dibagian kiri lebih

tinggi dibandingkan sebelah kanan.



kestabilan tekanan didalam kiln. Pada K5767 terlihat lebih jelas aliran udara dan

dampak dari pemasukan udara lingkungan. Aliran dari ventilasi tersebut

menurunkan temperatur kiln terlihat dari perbedaan warna yang signifikan pada

temperatur setelah kipas. Pada ventilasi sebelah kiri menyatakan terdapat energi




energi.

4.1.3 K9067

Pada desain K9067 posisi koil adalah tegak lurus terhadap tumpuan kipas

atau sejajar dengan kipas. Pada posisi ini didapatkan koil sebanyak 10 silinder

dengan masing-masing diameter 6,6 cm dan jarak antara silinder sejauh 6,7 cm.

Posisi nol terletak 10 cm dari ujung balok sehingga didapatkan silinder koil

sebanyak 10 silinder. Posisi ini merupakan posisi dengan koil terbanyak kedua.

Pada masing-masing jarak antara koil akan berfungsi sebagai nozzle secara tidak

langsung karena terjadi perubahan luas permukaan antara inlet dan outlet. Hasil

yang didapatkan dari Flovent pada masing-masing jarak renggang koil sebagai

berikut:


1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Average

Maximum

Minumum

Standard Deviation


sebagaiυ0 diambil sejauh 3,3 cm sebelum titik pusat lingkaran koil. Berdasarkan

hasil tabel diatas menunjukkan terjadi perbedaan kecepatan fluida yang pada inlet

dan outlet. Analisa ini menyatakan bahwa penempatan koil akan sangat

berpengaruh terhadap kecepatan fluida yang akan digunakan untuk mengalirkan

fluida di lumber space.







Terlihat pada gambar terdapat aliran udara masuk pada bagian kanan dan keluar

pada bagian kiri karena terdapat lubang ventilasi. Sebelum udara melawati koil,

warna adalah kuning dan setelah melewati koil beberapa centimeter warna

berubah orange, hal ini menunjukkan bahwa koil berfungsi sebagai nozzle atau

meningkatkan kecepatan fluida.



stack bagian atas dan mulai menguning pada bagian bawah kiln. Namun pada

K9067 terlihat bahwa aliran terdistribusi lebih besar pada bagian tengah dengan

warna merah lebih lebar dibanding yang lainnya. Hal ini menggambarkan bahwa

kecepatan udara dibagian tengah lebih tinggi dibanding dengan kecepatan udara

dibagian atas dan bawah lumber.





gambar dibawah ini:









semakin menua birunya, hal ini menyatakan bahwa konveksi dibagian kiri lebih

tinggi dibandingkan sebelah kanan.



kestabilan tekanan didalam kiln. Pada K5767 terlihat lebih jelas aliran udara dan

dampak dari pemasukan udara lingkungan. Aliran dari ventilasi tersebut

menurunkan temperatur kiln terlihat dari perbedaan warna yang signifikan pada

temperatur setelah kipas. Pada ventilasi sebelah kiri menyatakan terdapat energi




energi.

4.2 Comparison Between Opened and Closed Ventilation

Pada bagian ini peneliti meneliti perubahan yang terjadi apabila ventilasi terbuka

dan tertutup. Pada kenyataan di industri, banyak perusahaan yang menutup ventilasi

dengan alasan menjaga temperatur agar tidak terbuang. Namun, secara teoritis mengenai

hukum termodinamika kedua yang menyatakan tentang tidak ada penggunaan energi

secara reversible melainkan irreversible atau harus ada sebagian energi yang terbuang

ke lingkungan untuk menjaga kestabilan sistem. Didalam sistem kiln fungsi ventilasi

adalah menjaga tekanan didalam kiln agar tidak berlebih, dalam hal ini peneliti akan

menganalisa apakah terjadi perbedaan temperatur dan airflow pada saat ventilasi

terbuka dan tertutup.

Dengan mengambil salah satu sampel temperatur dan kecepatan fluida dari

K0067, K5767, dan K9067 dapat terlihat apakah terjadi perbedaan signifikan atau tidak.

Meskipun tidak terjadi perbedaan signifikan, kompartmen kiln tetap harus dibuka

ventilasinya pada saat tertentu sesuai batas kemampuan material yang digunakan

sebagai dinding kiln. Didalam software ini tidak dapat melihat apa yang akan terjadi

dalam tempo waktu tertentu, software ini sebatas melihat fenomena fluida pada satu

waktu tertentu.

4.2.1 Temperature Comparison

Perbandingan temperatur antara kiln dengan ventelasi yang terbuka dan

tertutup menjadi penting bila dilihat dari berapa energi yang terbuang.

Berdasarkan hasil visual dan numerik pada K0067 dengan kondisi ventilasi

terbuka dapat terlihat pada grafik dibawah ini:

0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 3.4 3.929.8

30

30.2

30.4

30.6

30.8

31

31.2

31.4

31.6

31.34

30.96

30.76

30.59 30.45

31.30

30.93

30.74

30.5630.43

OpenedClosed

Distance(m)

Tem

pera

ture

(oC)

Figure 20 Comparison Temperature Opened and Closed Vent from Left to Right (LR) K0067

Dari rata-rata yang didapat berdasarkan hasil numerik CFD pada saat

ventilasi terbuka adalah 30,89oC, sedangkan pada saat temperatur terbuka

31,92oC. Hasil ini menunjukkan hanya terjadi perubahan temperature sebesar

0,03oC pada sistem kompartmen kiln dengan sudut coil 0o.

Untuk kompartmen kiln K5767 didapatkan hasil sebagai berikut:

0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 3.4 3.929.5

30

30.5

31

31.5

3231.82

31.19

30.9530.73

30.62

31.80

31.20

30.9530.72

30.59 OpenedClosed

Distance (m)

Tem

pera

ture

(oC)


Dari rata-rata temperatur pada saat ventilasi terbuka dan tertutup pada K5767

didapatkan perbedaan sebesar 0,02oC. Nilai perubahannya tidak terlalu signifikan, dapat

dikatakan tidak ada perubahan temperatur apabila ventilasi terbuka dan tertutup.

Terakhir untuk kompartmen kiln dengan sudut coil 90o didapatkan hasil grafik

temperatur dari kiri ke kanan (LR) sebagai berikut:

0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 3.4 3.929.5

30

30.5

31

31.5

32

32.5

33

32.47

31.78

31.40

31.0730.84

32.41

31.72

31.36

31.0430.80

OpenedClosed


Pada grafik diatas menyatakan terjadi perubahan temperatur pada saat

ventilasi terbuka dan tertutup. Ventilasi tertutup memiliki temperatur yang lebih

tinggi dibandingkan pada saat ventilasi terbuka. Pada ventilasi terbuka temperatur

rata-ratanya adalah 31,62oC dan pada saat tertutup yaitu 31,67oC. Terjadi

perbedaan temperatur sebesar 0,05oC atau terbesar disbanding dengan K0067 dan

K5767.

Berdasarkan hasil grafik dari K0067, K5767, dan K9067 pada saat

ventilasi terbuka dan tertutup dan melakukan perbandingan diantara keduanya

pada masing-masing kiln didapatkan bahwa terjadi perbedaan temperatur.

Perbedaan yang terjadi hanya sebesar 0,03oC ≈ 0 dan dapat dikatakan tidak ada

pengaruh terhadap temperatur apabila ventilasi tertutup.

4.2.2 Airflow Comparison

Pada bagian ini akan diperlihatkan bagaimana pengaruh ventilasi terhadap

pergerakan fluida didalam kiln pada saat beroperasi. Perbandingan akan diambil

dari masing-masing sudut coil dari sudut kanan ke kiri (LR) seperti yang

dilakukan pada perbandingan temperatur. Kecepatan fluida yang diambil adalah

kecepatan fluida pada sumbu x.

Berdasarkan hasil dari software pada kompartmen kiln K0067 didapatkan

grafik dari nilai rata-rata masing-masing posisi sebagai berikut:

0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 3.4 3.92

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

2.61

3.21 3.21 3.21 3.21

2.43

3.05 3.02 3.02 3.01

OpenedClosed

Distance (m)

Air

Spe

ed (m

/s)

Figure 23 Comparison x-velocity Opened and Closed Vent from Left to Right (LR) K0067

Dari grafik diatas didapatkan pada saat ventilasi terbuka kecepatan fluida

rata-rata sebesar 2,9 m/s dan pada saat ventilasi tertutup sebesar 3,09 m/s.

Perbedaan yang kecepatan fluida yang terjadi sebesar 0,16 m/s atau sama dengan

0,57 km/jam.

Pada kompartmen kiln dengan sudut coil 57o atau K5767 didapatkan hasil

numerik dari software kemudian dirubah dalam bentuk grafik rata-rata kecepatan

fluida dari kiri ke kanan (LR) sebagai berikut:

0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 3.4 3.92

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

2.34

3.27 3.27 3.28 3.25

2.18

3.05 3.05 3.05 3.03

OpenedClosed

Air Speed (m/s)

Air

Spe

ed (m

/s)


Pada grafik diatas menyatakan bahwa pola perubahan kecepatan dari titik

awal masuk fluida ke lumber space memiliki pola yang sama antara ventilasi

terbuka dan ventilasi terutup. Pada saat ventilasi terbuka didapatkan hasil

kecepatan fluida rata-rata sebesar 2,87 m/s dan pada saat ventilasi tertutup sebesar

3,08 m/s. Sehingga perbedaan kecepatan fluida sebesar 0,21 m/s.

Pada kompartmen kiln dengan sudut coil 90o atau K9067 didapatkan hasil

sebagai berikut:

0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 3.4 3.92

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

2.71

3.20 3.20 3.20 3.18

2.56

3.03 3.02 3.02 3.01

OpenedClosed

Distance (m)

Air

Spe

ed (m

/s)


Berdasarkan hasil grafik rata-rata kecepatan fluida pada K9067 didapatkan

kecepatan fluida pada ventilasi terbuka sebesar 2,93 m/s dan ventilasi tertutup

sebesar 3,1 m/s atau memiliki perbedaan sebesar 0,17 m/s.

Berdasarkan ketiga hasil perbedaan kecepatan fluida antara ventilasi

terbuka dan tertutup rata-rata hanya terjadi perubahan sebesar 0,17 m/s atau dapat

diartikan tidak terjadi perubahan yang signifikan. Atau ∆ V ≈ 0.

4.2.3 Conclusion of These Comparison

Dari kedua perbandingan, yaitu perbandingan temperatur dan kecepatan

fluida antara ventilasi terbuka dan terutup pada masing-masing kiln tidak terjadi

perbedaan yang signifikan. Sehingga tidak ada alasan sebuah industri pengeringan

kayu tidak membuka ventilasi demi keselamatan material yang digunakan pada

kompartmen kiln. Hasil yang didapatkan merupakan hasil visualisasi secara

komputerisasi yang tidak memperhatikan kehilangan-kehilangan energi secara

alami, gesekan, kondisi kayu sebelum dikeringkan, dan fenomena-fenomena

alamiah lainnya. Sehingga nilai yang kecil tersebut dapat menjadi pengaruh besar

didalam sistem yang sebenarnya.

Saran dari peneliti adalah menjadi dibenarkan apabila ventilasi ditutup

pada saat kiln beroperasi karena akan meningkatkan temperatur dan terutama

kecepatan fluida. Namun, harus dilakukan pembukaan ventilasi secara berkala

untuk menjaga tekanan didalam kiln menjadi stabil

Untuk penjelasan selanjutnya tidak perlu ditampilkan kembali bagaimana

perbedaan antara kiln dengan ventilasi tertutup dan terbuka. Pada penjelasan

selanjutnya akan digunakan kompartmen kiln dengan ventilasi terbuka, karena

idealnya sebuah kiln dengan ventilasi terbuka.

4.3 Airflow Distribution

Pada bagian ini akan diperlihatkan bagaimana aliran udara yang bergerak pada

sumbu x didalam lumber space. Seperti diketahui bahwa baik atau tidaknya kiln akan

sangat tergantung pada keseragaman airflow yang terjadi. Apabila airflow tidak

mengalami keseragaman maka konveksivitas yang terjadi didalam sistem tidak seragam,

dapat diprediksi bahwa produk yang dihasilkan kiln tidak merata. Kesempatan

terjadinya kayu yang belum kering sesuai keinginan bisa mencapai lebih dari 50%. Oleh

karena itu, untuk mendapatkan produk kayu dengan kekeringan yang merata terhadap

seluruh wood stick harus memiliki tingkat keseragaman airflow lebih dari 80%.

Penelitian ini akan didapatkan hasil tingkat keseragaman airflow pada coil dengan

penempatan secara horizontal, vertikal, dan kemiringian 57o.

Selain keseragaman aliran fluida disetiap lumber space, perlu diperhatikan pula

efisiensi yang aliran udara dari sumber ke lumber space. Semakin kecil efisiensinya

maka memerlukan energi yang lebih besar untuk meningkatkan kecepatan aliran fluida

untuk mempercepat konveksi di setiap wood stack.

(a) (b)

Figure 26 (a) Speed, (b) X-Velocity

Pada gambar diatas terlihat perbedaan antara Speed dan x-velocity. Speed

merupakan kecepatan fluida secara keseluruhan dan tidak memiliki arah, dengan kata

lain speed adalah gabungan dari kecepatan dari arah x, -x, y, -y, z, dan –z. Sedangkan x-

velocity hanyalah nilai kecepatan fluida dari arah x saja dan memiliki nilai negative

(arah berlawanan). Pada kasus ini nilai x positif adalah kearah kanan dan nilai x

negative adalah kearah kiri.

4.3.1 Keseragaman Distribusi Airflow

Untuk mendapatkan keseragaman distribusi airflow peneliti memerlukan

beberapa analisa di bagian-bagian tertentu untuk mendapatkan nilai yang

dibutuhkan. Keseragaman dapat dilihat bagaimana kecepatan aliran fluida dari

titik paling atas hingga ke bawah. Dengan begitu fluida yang masuk ke lumber

space pada titik pertama kali adalah titik yang akan dilihat dan dibuatkan

pemodelan grafiknya.

Berdasarkan hasil visual Flovent dari Atas ke bawah atau analisa Top to

Bottom (TB), didapatkan hasil sebagai berikut:

(a) (b)

(c)

Figure 27 X-Velocity pada point 0,91m (a) K0067; (b) K5767; (c) K9067

Pada figure 21 yang dianalisa adalah aliran fluida pada sumbu x atau x-

velocity, titik ini ditempatkan pada jarak 0,91 dari dinding kiln. Titik ini adalah

area pertama kali aliran fluida memasuki lumber space. Dari gambar tersebut

diambil rata-rata dari setiap masing-masing kolom, sehingga didapatkan

kecepatan fluida rata-rata dari atas ke bawah. Dengan begitu didapatkan grafik

keseragaman distribusi aliran fluida sebagai berikut:

Table 3 X-Velocity (TB) K0067Airspeed (m/s) Average

(m/s)I II III IV V VI VII IIX IX X

Top to Bottom

(m)

3.36 2.19 1.96 1.59 1.76 2.37 1.65 1.43 1.98 1.89 1.73 1.855

2.6 2.28 2.57 2.12 2.19 2.9 2.27 2.01 2.68 2.25 2.31 2.358

1.92 2.36 2.55 2.29 2.13 2.59 2.36 2.29 2.63 1.92 2.23 2.335

1.69 2.61 2.66 2.32 2.32 2.38 2.32 2.39 2.35 2.23 2.61 2.419

0.97 3.07 2.97 2.64 2.64 2.94 3.07 2.97 2.78 2.67 2.48 2.823

0.25 3.02 3.19 2.69 2.78 2.43 2.53 2.28 2.87 2.8 3.04 2.763Average over all (m/s) 2.4255

Maximum

Minimum

Standard Deviation

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

f(x) = − 0.291880782472698 x + 2.95039894048007R² = 0.864477696950935

Opened Linear (Opened)Linear (Opened) Closed

Altitude (m)

Air

Spe

ed (m

/s)

Figure 28 X-Velocity (TB) K0067

Pada Figure 22 atau kecepatan fluida dari atas hingga kebawah lumber

space menunjukkan kemiringan grafik sebesar 0,86. Pada lumber space bagian

atas atau pada ketinggian 3,36 m kecepatan fluida adalah 1,855 m/s kemudian

meningkat pada ketinggian 1,92 m menjadi 2,339 m/s hingga pada titik terbawah

lumber space yaitu pada ketinggian 0,25 m menjadi 2,76 m/s.

Untuk K5767 didapatkan grafik yang berbeda dengan K0067, seperti yang

ditampilkan pada gambar berikut:

Table 4 X-Velocity (TB) K5767Airspeed (m/s)

Average (m/s)I II III IV V VI VII IIX IX X

Top to Bottom

(m)

3.36

0.579

0.382 0.0772

0.139 -0.313 0.107

0.123 -0.16 0.0849 0.0539 0.1073

2.6

3.33 1.74 1.13 1.24 1.08 1.29 1.34 0.992

1.31 1.471.4922

1.923.71 2.51 2.55 2.06 3.05 2.71 2.38 3.39 2.05 2.54 2.695

1.693.21 2.74 2.78 2.53 3.29 3.17 2.79 3.41 2.78 2.68 2.938

0.972.09 3.06 2.99 3.04 3.18 3.31 3.21 3.18 2.85 2.95 2.986

0.252.29 3.48 2.53 3.41 2.42 2.85 2.9 2.22 2.93 3.39 2.842

Average over all (m/s) 2.17675

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5f(x) = − 0.88837265706387 x + 3.77434016161986R² = 0.7296596917014

Opened Linear (Opened) Closed

Altitude (m)

Air

Spe

ed (m

/s)


Pada figure 23 didapatkan hasil grafik menurun lebih tajam dari K0067.

Pada ketinggian lumber space 3,36 m didapatkan kecepatan fluida sebesar 0,1073

m/s atau dapat dikatakan tidak terjadi pergerakan fluida pada ketinggian tersebut

sehingga yang terjadi adalah konveksi alam di bagian wood stack pada posisi

tersebut. Namun, kecepatan tertinggi terdapat pada ketinggian lumber space 0,97

m yaitu 2,98 m/s hingga stabil pada bagian terbawah lumber space. Hal ini

menunjukkan bahwa kecepatan fluida terkonsentasi pada bagian tengah lumber,

namun minim pada bagian atas lumber.

Untuk kondisi terakhir yaitu K9067 dengan flow rate yang sama pada

K0067 dan K5767 sebesar 8,0 m3/s didapatkan hasil sebagai berikut:

Table 5 X-Velocity (TB) K9067Airspeed (m/s)

Average (m/s)I II III IV V VI VII IIX IX X

To 3.36 2.43 1.15 0.593 0.642 0.536 0.626 0.704 0.59 0.688 1.87 0.9829

p to Bottom

(m)

2.63.34 2.66 2.61 2.54 3.15 2.72 2.66 2.74 2.84 2.79 2.805

1.923.85 3.02 3.02 3.44 2.7 3.13 3.17 3.31 3.46 3.08 3.218

1.693.25 2.63 2.6 2.96 2.53 2.74 2.73 2.82 2.96 2.61 2.783

0.972.5 2.63 2.55 2.74 3.34 2.99 2.7 2.75 2.7 2.59 2.749

0.252.52 3.5 3.38 2.03 3.34 2.99 2.93 2.53 2.14 2.83 2.819

Average over all (m/s) 2.5594

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.30

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

f(x) = − 0.447093372885873 x + 3.36350624890643R² = 0.395060545387685

Opened Linear (Opened) Closed

Altitude (m)

Air

Spe

ed (m

/s)


Pada kondisi terakhir yaitu sudut koil 90o didapatkan grafik dengan pola

serupa dengan K0067 namun kemiringannya serupa dengan K5767. Pada

ketinggian 3,36 m didapatkan kecepatan fluida sebesar 0,98 m/s dan meningkat di

pertengahan lumber 1,92 m menjadi 3,218 m/s dan menurun pada bagian

terbawah lumber menjadi 2,819 m/s. Pada K9067 aliran fluida terkonsentrasi

kebagian tengah lumber dan bawah lumber. Untuk menjadikan lumber ini

menghasilkan produk kayu hasil pengeringan yang baik maka, ketinggian

maksimum lumber yang diizinkan adalah hanya setinggi 1,8 m.

4.3.2 Efisiensi Aliran Masuk dan Keluar

Memiliki keseragaman aliran fluida pada lumber space bukan satu-satunya

menjadi acuan baik atau tidaknya sebuah kiln. Aliran yang seragam namun nilai

kecepatan negatif yang tinggi perlu diperhatikan. Berdasarkan analisa yang telah

dilakukan sebelumnya, K0067 memiliki tingkat keseragaman yang lebih baik

dibandingkan dengan K5767 dan K9067. Lalu bagaimana dengan nilai kecepatan

fluidanya sendiri?

Setelah dilakukan pembandingan antara ketiganya maka didapatkan grafik

seperti ditunjukkan gambar berikut:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

K0067 K5767 K9067

Wood Stack

Air S

peed

(m/s

)

Figure 31 Airspeed Comparison at point 0,91 from Front to Rear (FR)

Pada gambar diatas, data yang diambil adalah sama dengan yang

dilakukan pada analisa TB, namun nilai rata-rata yang diambil adalah dari

masing-masing wood stack secara keseluruhan.

Hasil yang didapatkan adalah kecepatan fluida tertinggi terdapat pada

K9067 dan kecepatan terendah pada K5767. Perbedaan pada K9067 dan K0067

tidak terlalu besar yaitu sebesar 0,14 m/s. Pada analisa distribusi aliran fluida

dilihat dari keseragaman dan efisiensinya dapat disimpulkan bahwa K0067 adalah

sudut koil terbaik untuk Kompartmen Kiln.

4.4 Thermal Distribution

Pada bagian sebelumnya telah didapatkan bahwa untuk keseragaman aliran

fluida pada setiap lumber space di titik awal 0,91 m K0067 adalah sudut koil terbaik.

K0067 memeliki distribusi aliran fluida yang seragam dan dengan efisiensi yang baik.

Namun, aliran yang seragam belum dapat dijadikan alasan yang kuat untuk sebuah

Kompartmen Kiln yang fungsi utamanya adalah mereduksi kandungan air didalam

kayu. Untuk melakukan hal tersebut dibutuhkan temperatur yang lebih tinggi

disbanding suhu ruangan. Dalam kasus ini suhu wood stick dijaga suhunya sebesar 30oC

dengan koil yang hanya 90oC. Di kasus industri yang ada saat ini suhu koil belum

menjadi acuan dalam pengeringan kayu sistem kompartmen kiln, sehingga diasumsikan

temperatur koil sebesar 90oC.

Bukan hanya aliran fluida saja yang membutuhkan keseragaman nilai,

melainkan temperatur pun akan berbeda-beda pada masing-masing titik. Apabila suhu

di masing-masing lumber space memiliki nilai yang tidak seragam akan merubah nilai

konveksi yang terjadi, hubungannya erat terhadap waktu. Semakin tinggi temperaturnya

maka waktu pengeringan pun akan semakin cepat. Oleh karena itu, apabila ada diantara

bagian memiliki keseragaman yang tidak baik maka kayu hasil pengeringannya pun

tidak merata. Dalam analisa ini akan dilihatkan bagaimana K0067, K5767, dan K9067

memengaruhi distribusi temperatur dimasing-masing titik yang telah ditentukan

sebelumnya.

4.4.1 Keseragaman Temperatur

Untuk penelitian pertama dilakukan terhadap K0067 dengan laju aliran 8,0

m3/s. Untuk mengetahui keseragaman dapat dilihat dari analisa Top to Bottom

(TB) sama seperti yang dilakukan untuk menentukan keseragaman aliran fluida

didalam lumber space.

Table 6 Temperature (TB) K0067Temperature (oC)

Average (oC)I II III IV V VI VII IIX IX X

Top to Bottom

(m)

3.3630.9 31.1 31 30.8 31.2 30.9 30.9 31.1 30.9 31.1 30.99

2.631.2 31.6 31.5 31.1 31.6 31.4 31.5 31.6 31.1 31.6 31.42

1.9231.3 31.6 31.7 31.3 31.5 31.6 31.6 31.5 31.4 31.6 31.51

1.6931.4 31.6 31.7 31.4 31.5 31.5 31.5 31.5 31.4 31.6 31.51

0.9731.4 31.4 31.4 31.3 31.3 31.3 31.3 31.4 31.1 31.4 31.33

0.2531 31.1 31.1 31 30.9 30.9 30.9 31.1 31.1 31.2 31.03

Average over all (oC) 31.3

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.330.9

31

31.1

31.2

31.3

31.4

31.5

31.6

Opened Closed

Altitude (m)

Them

pera

ture

(oC)

Figure 32 Temperature (TB) K0067

Pada figure 26 didapatkan grafik melengkung dengan temperatur tertinggi

pada bagian tengah. Grafik ini menunjukkan bahwa pada posisi wood stick teratas

dan wood stick terbawah temperatur semakin menurun. Temperatur terkonsentrasi

pada bagian tengah kompartmen kiln. Pada K0067 temperatur tertinggi berada

pada ketinggian 1,8 sebesar 31,5oC dan temperatur terendah pada posisi atas dan

bawah dengan temperatur masing-masing sebesar 30,99oC dan 31,03oC.

Perbedaan antara terendah dan tertinggi sebesar 0,5oC. Temperatur rata-rata secara

keseluruhan sebesar 31,3oC.

Untuk kompartmen kiln dengan sudut koil sebesar 57o atau K5767

didapatkan hasil numerik seperti berikut:



Top to Bottom

(m)

3.3631.5 31.8 31.6 31.6 31.2 31.6 31.6 31.4 31.5 31.3 31.51

2.631.8 31.9 32.1 31.7 32 31.9 31.8 32 31.6 31.9 31.87

1.9231.7 31.8 32.5 31.8 32.5 32 32.1 32.4 31.6 32.2 32.06

1.6931.5 31.7 32.5 31.7 32.5 31.9 32.1 32.4 31.6 32.2 32.01

0.9731.4 31.6 32.3 31.6 32.2 31.8 31.7 32 31.6 32 31.82

0.2531.4 31.6 31.8 31.5 31.5 31.4 31.5 31.5 31.5 31.8 31.55


0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.331

31.2

31.4

31.6

31.8

32

32.2

Opened Closed

Altitude (m)

Them

pera

ture

(oC)



pada bagian tengah sama dengan K0067. Grafik ini menunjukkan bahwa pada

posisi wood stick teratas dan wood stick terbawah temperatur semakin menurun.

Temperatur terkonsentrasi pada bagian tengah kompartmen kiln. Pada K5767

temperatur tertinggi berada pada ketinggian 1,9 sebesar 32,06oC dan temperatur

terendah pada posisi atas dan bawah dengan temperatur masing-masing sebesar

31,51oC dan 31,55oC. Perbedaan antara terendah dan tertinggi sebesar 0,65oC dan

temperature rata-rata keseluruhan 31,8oC.

Untuk kompartmen kiln dengan sudut koil sebesar 90o atau K9067

didapatkan hasil numerik seperti berikut:



Top to Bottom

(m)

3.3632.3 32.2 32.1 32 31.9 31.8 31.8 31.8 32.1 32.2 32.02

2.632.7 32.4 32.8 32.3 32.8 32.3 32.3 32.9 32.3 32.8 32.56

1.9232.4 32.5 33 32.3 33.1 32.5 32.6 32.9 32.3 32.9 32.65

1.6932.1 32.5 32.9 32.3 33.1 32.5 32.7 32.8 32.3 32.8 32.6

0.9731.9 32.4 32.8 32 32.8 32.5 32.7 32.2 32 32.6 32.39

0.2532 32.3 32.7 32.3 32.6 32.1 32.3 32.1 31.8 32.2 32.24


0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.331.8

32

32.2

32.4

32.6

32.8

33

Opened Closed

Altitude (m)

Them

pera

ture

(oC)



pada bagian tengah sama dengan K0067 dan K5767. Grafik ini menunjukkan

bahwa pada posisi wood stick teratas dan wood stick terbawah temperatur

semakin menurun. Temperatur terkonsentrasi pada bagian tengah kompartmen

kiln. Pada K5767 temperatur tertinggi berada pada ketinggian 1,9 sebesar 32,65oC

dan temperatur terendah pada posisi atas dan bawah dengan temperatur masing-

masing sebesar 32,05oC dan 32,24oC. Perbedaan antara terendah dan tertinggi

sebesar 0,6oC dan temperature rata-rata keseluruhan 32,41oC.

Pada bagian ini dapat ditentukan bahwa K0067 memiliki keseragaman

temperatur yang terbaik dengan perbedaan temperatur tertinggi dengan terendah

sebesar 0,51oC.

4.4.2 Efisiensi Temperatur Masuk dan Keluar

Memiliki keseragaman temperatur pada lumber space bukan satu-satunya

menjadi acuan baik atau tidaknya sebuah kiln. Temperatur yang seragam namun

efisiensi yang minim akan mengakibatkan tingginya biaya produksi. Berdasarkan

analisa yang telah dilakukan sebelumnya, K0067 memiliki tingkat keseragaman

yang lebih baik dibandingkan dengan K5767 dan K9067. Lalu bagaimana dengan

efisiensi energi yang diberikan dengan energi yang dapat digunakan untuk

mengeringkan kayu?

Setelah dilakukan pembandingan antara ketiganya maka didapatkan grafik

seperti ditunjukkan gambar berikut:

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.3 3.630

30.5

31

31.5

32

32.5

33

K0067 K5767 K9067

Altitude (m)

Them

pera

ture

(oC)

Figure 35 Comparison Temperature (TB)

Hasil yang didapatkan adalah temperatur tertinggi terdapat pada K9067

dan temperatur terendah pada K0067. Pada analisa distribusi temperatur dan

efisiensinya dapat disimpulkan bahwa K9067 adalah sudut koil yang

mendistribusikan temperatur tertinggi sebesar 32,41oC.

4.5 Meningkatkan Efisiensi K0067

Pada hasil yang didapatkan dari CFD Flovent menyatakan bahwa untuk

keseragaman aliran fluida dan temperatur terbaik adalah K0067, namun untuk efisiensi

energi antara energi yang diberikan dan energi yang dapat dimanfaatkan untuk

mengeringkan kayu terbaik adalah K9067. Sudut koil akan sangat berpengaruh terhadap

aliran fluida, namun jumlah silinder koil akan sangat berpengaruh terhadap tingginya

temperatur. Luas permukaan perpindahan kalor pada K9067 lebih besar disbanding

K0067 karena jumlah koil pada K9067 sebanyak 9 silinder sedangkan K0067 hanya 5

silinder. Hal ini akan menyebabkan K0067 memiliki temperatur pada lumber space

lebih kecil disbanding K9067.

Sesuai hasil yang didapatkan, K5767 meskipun memiliki jumlah koil yang lebih

banyak yaitu 13 silinder tetap tidak mampu mengalirkan temperatur yang lebih tinggi

dibanding dengan K9067. Oleh karena itu dapat langsung disimpulkan bahwa K5767

tidak memenuhi syarat sudut koil yang baik untuk Kompartmen Kiln.

Untuk meningkatkan efisiensi K0067 maka dibutuhkan ratio jumlah koil dan

luas permukaan perpindahan kalor yang sama dengan K9067. Oleh karena itu harus

dilakukan percobaan kembali terhadap K0067 dan K9067. Dengan menambahkan 4 koil

kepada K0067 sehingga total koil menjadi 9 silinder sama dengan K9067. Kode untuk

K0067 dengan 9 silinder adalah K0067’. Aliran fluida yang dihasilkan K0067 sudah

terbaik, oleh karena itu posisi peletakan 4 koil tambahan jangan sampai merubah aliran

fluida pada masing-masing lumber space.

Sesuai gambar diatas posisi koil dibuat sebanyak 2 baris dengan jarak antara

keduanya ≈ 0 agar tidak merubah fungsi alirannya. Pada K0067 sebelumnya terjadi

turbulensi kecil setelah silinder, sehingga posisi yang tepat untuk menambahkan koil

adalah pada area turbulensi. Temperatur yang diberikan pada masing-masing silinder

tetap pada 90oC. Bagian sebelah kiri dikosongkan karena tidak terlalu berdampak

terhadap suhu di lumber space. Pada hasil sebelumnya bagian teratas lumber space

memiliki temperatur yang lebih kecil dibanding dibawah, oleh karena itu memilih posisi

kanan yang diisi dengan silinder koil.

Setelah dilakukan running terhadap K0067’ didapatkan hasil visualisasi sebagai

berikut:

(a) (b)

Figure 36 X-Velocity (a) K0067’ (b) K0067

Pada perbandingan gambar diatas terjadi perbedaan kecepatan fluida pada

K0067’ dan K0067. Namun perbedaan yang terjadi tidaklah signifikan dan tetap

memiliki grafik yang hamper mendekati seragam sama seperti K0067 sebelumnya.

Point utama pada bagian analisa disini adalah bagaimana meningkatkan

temperatur pada lumber space K0067. Dari hasil yang didapatkan dan dimasukkan

kedalam analisa data numerik dan didapatkan temperatur pada K0067’ sebagai berikut:

Table 9 Temperature (TB) K9067'Temperature (oC)


Top to Bottom

(m)

3.3631.3 31.5 31.4 31.2 31.5 31.2 31.2 31.5 31.2 31.5 31.35

2.632 32.5 32.3 31.8 32.4 32.2 32.2 32.4 31.8 32.4 32.2

1.9232.1 32.4 32.5 32.2 32.2 32.4 32.5 32.1 32.3 32.4 32.31

1.6932.1 32.3 32.4 32.3 32.1 32.3 32.4 32 32.4 32.4 32.27

0.9732 32 31.9 31.9 31.9 32 31.2 31.8 31.8 32.1 31.86

0.2531.4 31.4 31.4 31.3 31.3 31.5 31.3 31.4 31.5 31.6 31.41


Nilai rata-rata temperatur K0067’ adalah sebesar 31,9 atau lebih besar 0,6oC dari

K0067. Peningkatan yang tidak terlalu signifikan ini hanyalah nilai dari software CFD

dengan banyaknya asumsi ideal yang akan sangat berbeda pada kenyataannya di

industri. Namun peningkatan ini menyatakan bahwa temperatur K0067’ sudah lebih

baik dari sebelumnya apabila dibandingkan dengan sebelumnya.

0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 3.4 3.929.5

30

30.5

31

31.5

32

32.5

K0067 K0067'

Distance (m)

Tem

pera

ture

(oC)

Figure 37 Comparison Temperature (LR)

Pada grafik diatas menyatakan perbedaan temperatur yang terjadi antara

K0067 dan K0067’. Terlihat jelas kenaikan temperatur yang cukup signifikan

apabila dilihat dari grafik tersebut. Nilai tersebut didapatkan dari analisa Left to

Right (LR), yaitu pada posisi awal fluida masuk lumber space hingga keluar.

Grafik menunjukkan penurunan akibat dari energi yang berkurang akibat

terjadinya konveksi pada wood stick.

Koil ditempatkan secara horizontal dengan jarak dari fan sejauh 1,4 meter

dengan aliran 8 m3/s menyebabkan fluida bergerak bebas sebelum akhirnya

menabrak dinding kiln dan terdefleksi 90o ke bawah menyebabkan aliran fluida

terkonsentrasi pada bagian dinding. Berdasarkan hasil visual (Apendix) dan

diterjemahkan secara numerik dari Flovent didapatkan sebagai berikut:

Table 10 X-velocity Left to Right K0067Top to Bottom (m/s)

3,36 m 2,64 m 1,92 m 1,69 m 0,97 m 0,25 m AverageLe

ft to

Rig

ht (m

/s)

0.91 m 1.855 2.358 2.335 2.419 2.823 2.763 2.4255

1.65 m 2.401 2.951 2.959 2.953 3.474 3.562 3.05

2.4 m 2.263 2.943 2.967 2.958 3.475 3.534 3.023333

3.15 m 2.251 2.938 2.971 2.964 3.477 3.528 3.0215

3.89 m 2.171 2.928 2.879 2.982 3.477 3.614 3.0085

Pada tabel 3, kolom menyatakan posisi mesh point dari atas ke bawah

wood stack dan baris menyatakan posisi mesh point dari kiri ke kanan. Baris 0,5

adalah posisi mesh point sebelum fluida memasuki lumber space. Baris 0,91

adalah posisi pertama kali fluida memasuki lumber space hingga 3,89 adalah

posisi keluar fluida dari lumber space. Pada ketinggian wood stack 3,36 m,

kecepatan fluida meningkat dan mencapai steady point pada posisi tengah yaitu

2,4 m.

0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 3.4 3.92

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

Distance (m)

Air

Spe

ed (m

/s)

Figure 38 X-Velocity left to right (Average)

Dari grafik diatas menyatakan bahwa kecepatan fluida meningkat dari 2,42 m/s

menjadi 3,05 m/s hingga stabil pada posisi 2,4 meter yaitu 3,02 m/s.

0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 3.4 3.92.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3

3.1

3.2

3.3

3.4

Distance (m)

Air S

peed

(m/s

)

Figure 39 Speed Left to Right (Average)

Pada figure 22 menunjukkan grafik menurun, pada posisi awal 0,91 m

dari 3,3 m/s menuju 3 m/s dan menjadi stabil pada posisi 2,4 meter. Disini terjadi

perbedaan bentuk grafik antara speed dan x-velocity, hal ini disebabkan speed

adalah gabungan seluruh kecepatan fluida dari seluruh arah dan menyebabkan

nilai kecepatan lebih tinggi. Namun pada posisi 2,4 m, kecepatan fluida sama

antara speed dan x-velocity dikarenakan fluida sudah mulai diarahkan pada satu

arah saja yaitu sebesar 3,02 m/s.

4.5.1 K5767

Pada posisi coil dimiringkan sebesar 57o dengan jumlah coil sebanyak 13 silinder

didapatkan hasil visual (Apendix) dan diterjemahkan secara numerik dari Flovent

didapatkan sebagai berikut:

4.5.2

4.6

Index

Subramanian, R. Shankar, 2013, Natural Convection.

1. Mills, A.F., Heat Transfer, Prentice-Hall, New Jersey (1999).

Gebhart, B. (1973) Natural Convection Flows and Stability: Advances in Heat Transfer, v. 9, Academic

Press.

Coil direction of Compartment Kiln

Documents

drying timber

used way of drying wood

dried lumber

proper drying

degree wood

drying defects

wood products research

conventional way of