Kamis, 23 Mei 2013

Simulasi CFD dan Komputasi Matlab padapengolahan limbahkertas di Universitas Indonesia



ABSTRAK
Kampus merupakan sebuah tempat yang menghasilkan limbah kertas yang paling banyak di Indonesia.Di Universitas Indonesia didapatkan fakta bahwa 25% dari sampah organic yang dihasilkan dari sekitar 6 ton per hari merupakan sampah kertas.Oleh karena itu limbah kertas yang sering menumpuk ditempat sampah menjadi masalah lingkungan khususnya di Universitas Indonesia.apabila tidak diolah dengan baik, dengan hanya memalui proses  pembakaran tidak menyelesaikan masalah karena dengan pembakaran hanya akan meningkatkan pemenasan global di atmosfir. Oleh karena itu di Universitas Indonesia haruslah dibuat sebuah system untuk proses pendaurulangan sampah kertas menjadi kertas yang layak kembali untuk digunakan serta dengan memperhitungkan nilai   ekonomis kertas yang telah didaurulang tersebut untuk dijual kembali, sehingga dapat diperoleh berapakah keuntungan yang dari pendaurulangan kertas proses tesebut akan dibuat dengan menggunakan pemograman matlab untuk memprediksi hasil yang diinginkan. Sedangkan pada simulasi CFDSOF yang akan digunakan akan dibuat sebuah desain ruangan tempat proses pengeringan kertas yang telah di olah sehingga pada nantinya akan dapat diketahui desain ruangan yang seperti apa yang paling optimal untuk tempat ruangan pengeringan pengolahan sampah kertas. Dengan memvariasikan letak inlet udara yang masuk dan outlet udara keluar sehingga pada nantinya akan dapat mempercepat proses pengeringan.

Kata Kunci :Sampah Kertas, Pengeringan, Matlab, CFDSOF








BAB I
PENDAHULUAN
       I.            LATAR BELAKANG
Seiring perkembangan zaman dan teknologi diiringi perkembangan intelektual manusia yang mendorong manusia untuk terus menuntut pendidikan formal di sekolah.Dari hal tersebut kebutuhan manusia akan kertas juga akan terus meningkat. Sekolah merupakan lingkungan kecil dimana manusia di dalamnya membutuhkan kertas karena di luar sana masih benyak masyrakat dari berbagai golongan yang juga menggunakan kertas sebagai kebutuhannya, misalnya karyawan kantor, arsitek dan masih banyak lagi.
Coba perhatikan fakta-fakta berikut ini :
  1. Dengan mengambil nilai minimal rata-rata tingkat pertumbuhan konsumsi dan produksi yakni 5% per tahun (sedangkan menurut World Resource Institute untuk Negara berkembang rata-rata sekitar 7% per tahun), maka diperoleh jumlah konsumsi kertas Indonesia di tahun 2006 adalah 5,96 juta ton.
  2. Dalam sebuah program Cleaning Day yang diadakan oleh sebuah perusahaan sumber energi di daerah bisnis Kuningan, Jakarta, terkumpul sampah kertas tak terpakai sebanyak 2 ton kertas, selama kurun waktu lima tahun menghuni gedung tersebut. Jumlah sampah yang dihasilkan 30-40% merupakan sampah kertas.
  3. Konsumsi kertas di Indonesia terus meningkat satu kilogram (kg) per kapita tahun atau sekitar 220 ribu ton (Asosiasi Pulp dan Kertas Indonesia (APKI), 2003). Dengan itu, maka Indonesia membutuhkan pembangunan satu pabrik kertas baru setiap tahunnya menyusul lahapnya konsumsi kertas dalam negeri (Kapanlagi.com, 2008).
  4. Kapasitas produksi kertas lainnya adalah kertas koran 750 ribu ton, kertas sackracft 0,4 juta ton, kertas bungkus 92 ribu ton, kertas sigaret 64 ribu ton, kertas tisu 312 ribu ton, dan kertas berharga 13,5 ribu ton.
  5. Data Rainforest Information Center menyebutkan sebanyak 10-17 pohon harus ditebang untuk menghasilkan satu ton kertas ukuran koran (atau 8 A ukuran kertas A4). Satu ton tersebut cukup untuk mencetak sekira 7.000 eksemplar koran.
  6. Masih menurut Indonesian Pulp and Paper Association, 90% konsumsi kertas (tulis dan cetak) di Indonesia disuplai secara domestik dan dalam kurun waktu lima tahun (2000-2004).
  7. Laju deforestasi hutan Indonesia pada periode tahun 1985-1998 tidak kurang dari 1,6 juta hektar per tahun (Dephutbun, 2000).
Pada umumnya sampah kertas banyak dibuang begitu saja dan tidak dimanfaatkan. Penumpukan sampah kertas tentu saja memberikan dampak buruk bagi lingkungan,baik dari segi keindahan maupun kesehatan. Metode daur ulang kertas dapat digunakan sebagai solusi pemanfaatan kertas bekas agar dapat mengurangi dampak buruknya terhadap lingkungan.Sampah kertas pada saat sekarang ini sebagian besar masih dipandang sebagai limbah lingkungan yang tidak berguna dan banyak menumpuk.Hal seperti ini berpotensi buruk bagi lingkungan sekitar seperti kebersihan yang tidak terjaga diakibatkan sampah kertas yang dibuang dengan asal.Dan juga pemanasan global yang bisa terus meningkat diakibatkan sampah kertas yang di bakar.Sudut pandang terhadap sampah kertas yang seperti itu harus diubah.Sampah kertas dapat dimanfaatkan kembali sebagai kertas tulis ataupun kertas untuk kerajinan tangan.
            Daur ulang limbah kertas adalah proses untuk memanfaatkan limbah kertas menjadi sesuatu produk yang berguna, mengurangi penggunaan bahan baku yang baru, mengurangi penggunaan energi, mengurangi polusi, kerusakan lahan, dan emisi gas rumah kaca jika dibandingkan dengan proses pembuatan barang baru.
            Dampak kertas terhadap lingkungan merupakan akibat negatif yang harus ditanggung alam karena keberadaan sampah kertas.Dampak ini ternyata sangat signifikan.Sebagaimana yang diketahui, kertas yang mulai digunakan sejak zaman dahulu sebagai alat bahan dasar untuk menulis, kini telah menjadi barang yang sudah tidak terpisahkan dalam kehidupan manusia. Kertas terbuat dari bahan dasar pohon, untuk memenuhi kebutuhan manusia akan kertas maka ribuan pohon ditebang setiap tahunnya sehingga mengakibatkan rusaknya hutan yang merupakan paru-paru dunia dan juga mengakibatkan kelangkaan flora dan fauna.
Kebutuhan manusia yang berlebih terhadap kertas mengakibatkan bertambahnya produksi sampah kertas di lingkungan sekitar.Meskipun terbuat dari bahan organik yang bisa terurai, namun masih sering ditemukan tumpukan sampah yang terdiri dari kertas.Hal ini tentunya menjadi pemandangan yang tidak nyaman dan juga merupakan sumber penyakit.
Limbah kertas memiliki manfaat yang tak terduga karena dapat di aur ulang menjadi art paper dan dapat digunakan untuk membuat kerajinan tangan seperti kartu ucapan, pelapis permukaan boks karton, tas, kap lampu, pengolahan sampah kertas ini sudah banyak di gunakan seluruh masyarakat tanpa mereka sadar bahwa bahan dari produk tersebut adalah dari sampah kertas.
Usaha ini sangat menarik karena dapat menciptakan sesuatu benda baru yang bermanfaat tentunya dengan modal yang tidak terlalu besar karena bahan baku utamanya adalah sampah kertas. Selain itu, dengan usaha ini berarti kita telah membantu pemerintah untuk mengurangi volume sampah yang ada. Bahkan dengan pengolahan yang sederhana dan dikombinasikan dengan sampah alami dilingkungan sekitar kita maka aneka benda baru dapat bermanfaat dengan penampilan baru yang kaya akan nuansa alami. Atas ide tersebut, penulis berusaha membuat suatu bentuk baru diantaranya jam dari bahan pengolahan dengan pertimbangan souvenir seperti tempat foto dan tempat pinsil telah banyak dijumpai sehingga dengan souvenir jam dari bahan kertas pengolahan ini diharapkan dapat menjadi souvenir dari bahan kertas pengolahan yang sedikit berbeda dari biasanya.
    II.            TUJUAN
Adapun tujuan pembuatan makalah ini adalah :
·         Mengetahui cara pengolahan limbah kertas di universitas Indonesia.
·         Dapat memprediksi keuntung dari pengolahan limbah kertas dengan menggunakan metode komputasi dan simulasi
·         Mengetahui keuntungan ekonomis dari pengolahan limbah kertas.
·         Dapat memprediksi desain yang optimum untuk ruangan pengringan.

 III.            BATASAN MASALAH

Adapun batasan masalah dalam penulisan makalah ini meliputi :
·         Membuat sebuah algoritma pemograman sederhana dengan metode komputasi teknik (Matlab) sehingga dapat menghitung waktu pemprosesan, banyaknya tahap pemrosesan, keuntungan yang didapatkan, dari pengolahan limbah kertas khususnya di Universitas Indonesia.
·         Membuat simulasi dengan menggunakan software CFDSOF untuk mendapatkan disain yang optimum untuk proses pengeringan dalam pengolahan limbah kertas.





BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
1.      LIMBAH KERTAS
1.1  Sumber Limbah Kertas.
Seiring perkembangan zaman dan teknologi diiringi perkembangan intelektual manusia yang mendorong manusia untuk terus menuntut pendidikan formal di sekolah.
Dari hal tersebut kebutuhan manusia akan kertas juga akan terus meningkat. Sekolah merupakan lingkungan kecil di mana manusia di dalamnya membutuhkan kertas karena di luar sana masih benyak masyrakat dari berbagai golongan yang juga menggunakan kertas sebagai kebutuhannya, misalnya karyawan kantor, arsitek dan masih banyak lagi.
Limbah kertas berasal dari pengguna kertas seperti di atas karena limbah kertas merupakan kertas yang sudah tidak terpakai lagi oleh penggunanya sehingga penggunanya lebih cenderung membuangnya. Limbah kertas juga terdiri dari berbagai jenis di antaranya, kertas tulis, majalah, koran, karton atau pun pembungkus makanan.

1.2  Dampak limbah kertas dalam kehidupan manusia.
Dampak kertas terhadap lingkungan merupakan akibat negatif yang harus ditanggung alam karena keberadaan sampah kertas.Dampak ini ternyata sangat signifikan.Sebagaimana yang diketahui, kertas yang mulai digunakan sejak zaman dahulu sebagai alat bahan dasar untuk menulis, kini telah menjadi barang yang sudah tidak terpisahkan dalam kehidupan manusia. Kertas terbuat dari bahan dasar pohon, untuk memenuhi kebutuhan manusia akan kertas maka ribuan pohon ditebang setiap tahunnya sehingga mengakibatkan rusaknya hutan yang merupakan paru-paru dunia dan juga mengakibatkan kelangkaan flora dan fauna.
Kebutuhan manusia yang berlebih terhadap kertas mengakibatkan bertambahnya produksi sampah kertas di lingkungan sekitar.Meskipun terbuat dari bahan organik yang bisa terurai, namun masih sering ditemukan tumpukan sampah yang terdiri dari kertas.Hal ini tentunya menjadi pemandangan yang tidak nyaman dan juga merupakan sumber penyakit.


1.3  Manfaat Limbah Kertas.
Limbah kertas memiliki manfaat yang tak terduga karena dapat di aur ulang menjadi art paper dan dapat digunakan untuk membuat kerajinan tangan seperti kartu ucapan, pelapis permukaan boks karton, tas, kap lampu, pengolahan sampah kertas ini sudah banyak di gunakan seluruh masyarakat tanpa mereka sadar bahwa bahan dari produk tersebut adalah dari sampah kertas.
Usaha ini sangat menarik karena dapat menciptakan sesuatu benda baru yang bermanfaat tentunya dengan modal yang tidak terlalu besar karena bahan baku utamanya adalah sampah kertas. Selain itu, dengan usaha ini berarti kita telah membantu pemerintah untuk mengurangi volume sampah yang ada. Bahkan dengan pengolahan yang sederhana dan dikombinasikan dengan sampah alami dilingkungan sekitar kita maka aneka benda baru dapat bermanfaat dengan penampilan baru yang kaya akan nuansa alami. Atas ide tersebut, penulis berusaha membuat suatu bentuk baru diantaranya jam dari bahan pengolahan dengan pertimbangan souvenir seperti tempat foto dan tempat pinsil telah banyak dijumpai sehingga dengan souvenir jam dari bahan kertas pengolahan ini diharapkan dapat menjadi souvenir dari bahan kertas pengolahan yang sedikit berbeda dari biasanya.
Selain itu manfaat pengolahan limbah kertas yang dipandak dari beberapa aspek nilai, adalah sebagai berikut :
        Nilai Ekonomi.
Pengolahan sampah menjadi suatu produk yang bernilai guna dapat menjadi sumber penghasilan bagi masyarakat karena produk pengolahan merupakan suatu barang yang tak jarang memilki nilai jual tinggi. Dengan adanya kepedulian masyarakat terhadap pengolahan sampah tentunya juga akan membuka lapangan kerja bagi masyarakat.
        Nilai Sosial
Kegiatan pengolahan limbah akan meningkatkan kreativitas masyarakat terhadap apa saja yang ada di sekitarnya terkhususnya pada sampah. Selain itu, kegiatan pengolahan sampah biasanya dilakukan dalam suatu wadah atau kelompok-kelompok kecil yang dibentuk masyarakat sehingga masyarakat akan bekerja sama dalam proses pengolahan sampah untuk menghasilkan suatu produk sehingga juga meningkatkan rasa sosialis dalam masyarakat.
        Nilai Budaya
Kegiatan pengolahan sampah dapat memunculkan ataupun mengembangkan suatu budaya yaitu budaya peduli lingkungan dengan membuat produk berguna dari sampah.

1.4  Pengolahan Limbah Kertas.
Pengolahan adalah proses untuk menjadikan suatu bahan bekas menjadi bahan baru dengan tujuan mencegah adanya sampah yang sebenarnya dapat menjadi sesuatu yang berguna, mengurangi penggunaan bahan baku yang baru, mengurangi penggunaan energi, mengurangi polusi, kerusakan lahan, dan emisi gas rumah kaca jika dibandingkan dengan proses pembuatan barang baru. Pengolahan adalah salah satu strategi pengelolaan sampah padat yang terdiri atas kegiatan pemilahan, pengumpulan, pemrosesan, pendistribusian dan pembuatan produk / material bekas pakai, dan komponen utama dalam manajemen sampah modern dan bagian ketiga adalam proses hierarki sampah 3R (Reuse, Reduce, and Recycle).
Material yang bisa dipengolahan terdiri dari sampah kaca, plastik, kertas, logam, tekstil, dan barang elektronik. Meskipun mirip, proses pembuatan kompos yang umumnya menggunakan sampah biomassa yang bisa didegradasi oleh alam, tidak dikategorikan sebagai proses pengolahan. Pengolahan lebih difokuskan kepada sampah yang tidak bisa didegradasi oleh alam secara alami demi pengurangan kerusakan lahan. Secara garis besar, pengolahan adalah proses pengumpulan sampah, penyortiran, pembersihan, dan pemrosesan material baru untuk proses produksi.
Pada pemahaman yang terbatas, proses pengolahan harus menghasilkan barang yang mirip dengan barang aslinya dengan material yang sama, contohnya kertas bekas harus menjadi kertas dengan kualitas yang sama, atau busa polistirena bekas harus menjadi polistirena dengan kualitas yang sama. Seringkali, hal ini sulit dilakukan karena lebih mahal dibandingkan dengan proses pembuatan dengan bahan yang baru. Jadi, pengolahan adalah proses penggunaan kembali material menjadi produk yang berbeda. Bentuk lain dari pengolahan adalah ekstraksi material berharga dari sampah, seperti emas dari prosessor komputer, timah hitam dari baterai, atau ekstraksi material yang berbahaya bagi lingkungan, seperti merkuri.
Pengolahan adalah sesuatu yang luar biasa yang bisa didapatkan dari sampah. Proses pengolahan alumunium dapat menghemat 95% energi dan mengurangi polusi udara sebanyak 95% jika dibandingkan dengan ekstraksi alumunium dari tambang hingga prosesnya di pabrik. Penghematan yang cukup besar pada energi juga didapat dengan menpengolahan kertas, logam, kaca, dan plastik.

2.      KOMPUTASI
Komputasi sebetulnya bisa diartikan sebagai cara untuk menemukan pemecahan masalah dari data input dengan menggunakan suatu algoritma. Hal ini ialah apa yang disebut dengan teori komputasi, suatu sub-bidang dari ilmu komputer dan matematika. Selama ribuan tahun, perhitungan dan komputasi umumnya dilakukan dengan menggunakan pena dan kertas, atau kapur dan batu tulis, atau dikerjakan secara mental, kadang-kadang dengan bantuan suatu tabel. Namun sekarang, kebanyakan komputasi telah dilakukan dengan menggunakan komputer.
Secara umum  iIlmu komputasi adalah bidang ilmu yang mempunyai perhatian pada penyusunan model matematika dan teknik penyelesaian numerik serta penggunaan komputer untuk menganalisis dan memecahkan masalah-masalah ilmu (sains). Dalam penggunaan praktis, biasanya berupa penerapan simulasi komputer atau berbagai bentuk komputasi lainnya untuk menyelesaikan masalah-masalah dalam berbagai bidang keilmuan, tetapi dalam perkembangannya digunakan juga untuk menemukan prinsip-prinsip baru yang mendasar dalam ilmu.
Bidang ini berbeda dengan ilmu komputer (computer science), yang mengkaji komputasi, komputer dan pemrosesan informasi.Bidang ini juga berbeda dengan teori dan percobaan sebagai bentuk tradisional dari ilmu dan kerja keilmuan.Dalam ilmu alam, pendekatan ilmu komputasi dapat memberikan berbagai pemahaman baru, melalui penerapan model-model matematika dalam program komputer berdasarkan landasan teori yang telah berkembang, untuk menyelesaikan masalah-masalah nyata dalam ilmu tersebut.
Dalam komputasi teknik mempunyai Ada enam tahap yang dilakukan dakam pemecahan persoalan dunia nyata dengan metode numerik, yaitu:


  1. Pemodelan
Ini adalah tahap pertama.Persoalan dunia nyata dimodelkan ke dalam persamaan matematika
  1. Penyederhanaan model
Model matematika yang dihasilkan dari tahap 1 mungkin saja terlalu kompleks, yaitu memasukkan banyak peubah (variable) atau parameter. Semakin kompleks model matematikanya, semakin rumit penyelesaiannya. Mungkin beberapa andaian dibuat sehingga beberapa parameter dapat diabaikan.Contohnya, faktor gesekan udara diabaikan sehingga koefisian gesekan di dalam model dapat dibuang. Model matematika yang diperoleh dari penyederhanaan menjadi lebih sederhana sehingga solus inya akan lebih mudah diperoleh.
  1. Formulasi numeric
Setelah model matematika yang sederhana diperoleh, tahap selanjutnya adalah memformulasikannya secara numerik, antara lain:
a)      menentukan metode numerik yang akan dipakai bersama-sama dengan analisis galat awal (yaitu taksiran galat, penentuan ukuran langkah, dan sebagainya).
b)      Pemilihan metode didasari pada pertimbangan:
-          apakah metode tersebut teliti?
-          apakah metode tersebut mudah diprogram dan waktu pelaksanaannya cepat?
-          apakah metode tersebut tidak peka terhadap perubahan data yang cukup kecil?
c)      menyusun algoritma dari metode numerik yang dipilih.
  1. Pemrograman
Tahap selanjutnya adalah menerjemahkan algoritma ke dalam program komputer dengan menggunakan salah satu bahasa pemrograman yang dikuasai.
  1. Operasional
    Pada tahap ini, program komputer dijalankan dengan data uji coba sebelum data yang sesungguhnya.
  2.  Evaluasi
Bila program sudah selesai dijalankan dengan data yang sesungguhnya, maka hasil yang diperoleh diinterpretasi. Interpretasi meliputi analisis hasil run dan
membandingkannya dengan prinsip dasar dan hasil-hasil empirik untuk menaksir kualitas solusi numerik, dan keputusan untuk menjalankan kembali program dengan untuk memperoleh hasil yang lebih baik

3.      CFD (Computational Fluids Dynamic)
CFD merupakan kepanjangan dari Computational Fluids Dynamic.CFD merupakan sebuah teknik komputansi yang digunakan sebagai sebuah alat simulasi yang dapat memprediksikan dan menganalisi cabang ilmu, seperti aliran fluida, perpindahan kalor, dan reaksi kimia yang dapat disimulasikan dengan software CFD.Saat ini software CDF telah berkembang dan berbagai macam jenis disesuaikan dengan kebutuhan pengguna. CFD telah membantu para engineer untuk melakukan desain dengan biaya yang relatif lebih rendah dan waktu yang lebih cepat dibandingkan dengan eksperimental. Selain itu dapat menvisualisasikan suatu kondisi yang sulit untuk diaplikasikan dengan ekperimen. Banyak persamaan diferensial yang digunakan pada kalkulasi CFD
Adapun konsep dasar CFD adalah penyelesaian metoda numerik dengan sebuah persamaan fluida yaitu Persamaan Navier Stokes dengan prinsip :
  1. kekekalan massa
  2. kekekalan momentum
  3. kekekalan energi
     Namun CFD hanyalah sebuah simulasi sehingga perkiraan yang didapat tidak cukup presisi. Dalam hal ini ada beberapa software yang bisa digunakan untuk CFD yaitu FLUENT,PHOENIX.
Beberapa aplikasi CFD:
  • burner design
  • combustion engine
  • drying
  • emission control
  • extrusion
  • filtration
  • fluid handling
  • gas filtration
  • gas liquid flow
  • gas solid flow
  • hazard assassment
  • heat and mass transfer
  • mixing
  • dll
            Salah satu jenis software yang berbasis fundamental CFD yang digunakan dalam perkuliahan komputasi teknik dan simulasi ini adalah software CFDSOF dan CFDPRE yang dikembangkan oleh Dosen Teknik Mesin Universitas Indonesia Ahmad Indra Siswantara.Software ini berguna dapat digunakan sebagai simulasi aliran fluida pada sebuah benda dengan meng-inputkan berbagai parameter yang telah diketahui dan diasumsikan. Software CFDSOF dan CFDPRE ini terus dalam pengembangan grup AIR (Ahmad Indra Research)

4.      LAJU PENGUAPAN
Penguapan atau evaporasi adalah proses perubahan molekul di dalam keadaan cair (contohnya air) dengan spontan menjadi gas (contohnya uap air). Proses ini adalah kebalikan dari kondensasi. Umumnya penguapan dapat dilihat dari lenyapnya cairan secara berangsur-angsur ketika terpapar pada gas dengan volume signifikan.
Rata-rata molekul tidak memiliki energi yang cukup untuk lepas dari cairan. Bila tidak cairan akan berubah menjadi uap dengan cepat. Ketika molekul-molekul saling bertumbukan mereka saling bertukar energi dalam berbagai derajat, tergantung bagaimana mereka bertumbukan. Terkadang transfer energi ini begitu berat sebelah, sehingga salah satu molekul mendapatkan energi yang cukup buat menembus titik didih cairan. Bila ini terjadi di dekat permukaan cairan molekul tersebut dapat terbang ke dalam gas dan "menguap"
Ada cairan yang kelihatannya tidak menguap pada suhu tertentu di dalam gas tertentu (contohnya minyak makan pada suhu kamar). Cairan seperti ini memiliki molekul-molekul yang cenderung tidak menghantar energi satu sama lain dalam pola yang cukup buat memberi satu molekul "kecepatan lepas" - energi panas - yang diperlukan untuk berubah menjadi uap. Namun cairan seperti ini sebenarnya menguap, hanya saja prosesnya jauh lebih lambat dan karena itu lebih tak terlihat
Penguapan adalah bagian esensial dari siklus air. Uap air di udara akan berkumpul menjadi awan. Karena pengaruh suhu, partikel uap air yang berukuran kecil dapat bergabung (berkondensasi) menjadi butiran air dan turun hujan. [1]. Siklus air terjadi terus menerus. Energi surya menggerakkan penguapan air dari samudera, danau, embun dan sumber air lainnya.Dalam hidrologi penguapan dan transpirasi (yang melibatkan penguapan di dalam stomata tumbuhan) secara kolektif diistilahkan sebagai evapotranspirasi.
Untuk dapat mengetahui seberapa besar laju aliran yang dihasilkan dapat menggunakan rumus dibawah in :
  = q / U
Dimana :
 = laju aliran massa (kg/s)
 q = kalor yang dilepas lampu (joule/s)
U = kalor laten air joule/kg

Sehingga untuk dapat menghitung waktu pengeringan
t = m . 1/
dimana :
t = waktu (s)
m  = massa air (kg)
w = laju aliran massa (kg/s)

ü  Densitas
Densitas merupakan ukuran kerapatan suatu zat yang dinyatakan banyaknya zat (massa) per satuan volume. Jadi satuannya adalah satuan massa per satuan volume, misalnya kg per meter kubik atau gram per centimeter kubik.
ρ = m/v               
Bahan
ρ (kg/m3)
Udara
1.2
Air
1000
Uap Air
2.54
ü  Kalor  Spesifik  (Cp)
Kalor jenis (c) adalah banyaknya kalor (Q) yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu (T) satu satuan massa (m) benda sebesar satu derajat. Rumus kalor jenis :
Kalor jenis - 1
Satuan Internasional kalor jenis adalah J/Kg K. Kalor jenis benda berubah terhadap suhu.Jika perubahan suhu tidak terlalu besar maka kalor jenis dapat dianggap tetap.Kalor jenis suatu benda menyatakan kemampuan suatu benda untuk menyerap kalor atau melepaskan kalor.Semakin besar kalor jenis suatu benda, semakin kecil kemampuan benda tersebut menyerap atau melepaskan kalor.Semakin kecil kalor jenis benda, semakin baik kemampuan benda tersebut menyerap atau melepaskan kalor.Emas mempunyai kalor jenis lebih kecil sehingga emas lebih cepat menyerap atau melepaskan kalor.Sebaliknya air mempunyai kalor jenis besar sehingga air lebih lambat menyerap atau melepaskan kalor.
Bahan
Cp (j/kg.K)
Udara
1005
Air
4180
Uap Air
-

ü  Konduktifitas Termal
Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang berpindah hanyalah energinya,tanpa melibatkan partikel perantaranya, seperti hantaran kalor pada logam yangdipanaskan dari satu ujung ke ujung lainnya. Saat ujung B dipanaskan, maka ujungA, lama kelamaan akan mengalami pemanasan juga, hal tersebut dikarenakanenergi kalor yang menggetarkan molekul-molekul di ujung B turut menggetarkanmolekul-molekul yang ada disampingnya hingga mencapai titik A.Energi kalor yang dipindahkan secara konduksi sebesar,
Q = k A ∆t t/I
Sedang besar laju aliran kalor dengan konduksi dirumuskan,
H = Q/t =(k A ∆t) / I           
Dimana :
H= laju aliran kalor (J/s atau watt)
Q= kalor yang dipindahkan (joule)
t= waktu (s)
k= konduktivitas termal zat (W/mK)
A= luas penampang melintang (m2)
∆t= perubahan suhu (°C atau K)
l= tebal penghantar (m)
Bahan
k (W/mK)
Udara
0.024
Air
0.6
Uap Air
0.0499

Benda yang memiliki konduktivitas termal (k) besar merupakan penghantar kalor yang baik (konduktor termal yang baik).Sebaliknya, benda yang memiliki konduktivitas termal yang kecil merupakan merupakan penghantar kalor yang buruk (konduktor termal yang buruk).

ü  Viskositas
Fluida, baik zat cair maupun zat gas yang jenisnya berbeda memiliki tingkat kekentalan yang berbeda. Viskositas alias kekentalan sebenarnya merupakan gaya gesekan antara molekul-molekul yang menyusun suatu fluida. Jadi molekul-molekul yang membentuk suatu fluida saling gesek-menggesek ketika fluida tersebut mengalir. Pada zat cair, viskositas disebabkan karena adanya gaya kohesi (gaya tarik menarik antara molekul sejenis). Sedangkan dalam zat gas, viskositas disebabkan oleh tumbukan antara molekul.
Fluida yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir, contohnya air.Sebaliknya, fluida yang lebih kental lebih sulit mengalir, contohnya minyak goreng, oli, madu dkk. Hal ini bisa dibuktikan dengan menuangkan air dan minyak goreng di atas lantai yang permukaannya miring. Pasti air ngalir lebih cepat daripada minyak goreng atau oli.Tingkat kekentalan suatu fluida juga bergantung pada suhu.Semakin tinggi suhu zat cair, semakin kurang kental zat cair tersebut.Misalnya ketika ibu menggoreng paha ikan di dapur, minyak goreng yang awalnya kental menjadi lebih cair ketika dipanaskan.Sebaliknya, semakin tinggi suhu suatu zat gas, semakin kental zat gas tersebut.
Perlu diketahui bahwa viskositas alias kekentalan cuma ada pada fluida riil (rill = nyata). Fluida riil/nyata tuh fluida yang kita temui dalam kehidupan sehari-hari, seperti air, sirup, oli, asap knalpot, dan lainnya. Fluida riil berbeda dengan fluida ideal.Fluida ideal sebenarnya tidak ada dalam kehidupan sehari-hari.Fluida ideal hanya model yang digunakan untuk membantu kita dalam menganalisis aliran fluida (fluida ideal ini yang kita pakai dalam pokok bahasan Fluida Dinamis).Mirip seperti kita menganggap benda sebagai benda tegar, padahal dalam kehidupan sehari-hari sebenarnya tidak ada benda yang benar-benar tegar/kaku. Tujuannya sama, biar analisis kita menjadi lebih sederhana.
Satuan Sistem Internasional (SI) untuk koofisien viskositas adalah Ns/m2 = Pa.s (pascal sekon). Satuan CGS (centimeter gram sekon) untuk si koofisien viskositas adalah dyn.s/cm2 = poise (P). Viskositas juga sering dinyatakan dalam sentipoise (cP). 1 cP = 1/100 P. Satuan poise digunakan untuk mengenang seorang Ilmuwan Perancis, almahrum Jean Louis Marie Poiseuille (baca : pwa-zoo-yuh).
1 poise = 1 dyn .s/cm2 = 10-1 N.s/m2
Fluida
Temperatur (o C)
Koofisien Viskositas
Air
0
1,8 x 10-3
20
1,0 x 10-3
60
0,65 x 10-3
100
0,3 x 10-3
Darah (keseluruhan)
37
4,0 x 10-3
Plasma Darah
37
1,5 x 10-3
Ethyl alkohol
20
1,2 x 10-3
Oli mesin (SAE 10)
30
200 x 10-3
Gliserin
0
10.000 x 10-3
20
1500 x 10-3
60
81 x 10-3
Udara
20
0,018 x 10-3
Hidrogen
0
0,009 x 10-3
Uap air
100
0,013 x 10-3
Setiap zat cair mempunyai karakteristik yang khas, berbeda satu zat cair dengan zat cair yang lain. Salah satunya adalah viskositas.Viskositas merupakan tahanan yang dilakukan oleh suatu lapisan fluida terhadap suatu lapisan lainnya.Sifat viskositas ini dimiliki oleh setiap fluida, gas, atau cairan.  Viskositas suatu cairan murni adalah indeks hambatan aliran cairan.Aliran cairan dapat dikelompokan menjadi dua yaitu aliran laminar dan aliran turbulen.  Aliran laminar menggambarkan laju aliran kecil melalui sebuah pipa dengan garis tengah kecil.Sedangkan aliran turbulen menggambarkan laju aliran yang besar dengan diameter pipa yang besar.Penggolongan ini berdasarkan bilangan Reynoldnya.
Viskositas menentukan kemudahan suatu molekul bergerak karena adanya gesekan antar lapisan material.Karenanya viskositas menunjukkan tingkat ketahanan suatu cairan untuk mengalir. Semakin besar viskositas maka aliran akan semakin lambat. Besarnya viskositas dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti temperatur, gaya tarik antar molekul dan ukuran serta jumlah molekul terlarut. Fluida, baik zat cair maupun zat gas yang jenisnya berbeda memiliki tingkat kekentalan yang berbeda. Pada zat cair, viskositas disebabkan karena adanya gaya kohesi (gaya tarik menarik antara molekul sejenis). Sedangkan dalam zat gas, viskositas disebabkan oleh tumbukan antara molekul.
Fluida yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir, contohnya air.Sebaliknya, fluida yang lebih kental lebih sulit mengalir, contohnya minyak goreng, oli, madu dll.Tingkat kekentalan fluida dinyatakan dengan koefisien viskositas (h). Kebalikan dari Koefisien viskositas disebut fluiditas, , yang merupakan ukuran kemudahan mengalir suatu fluida.
Viskositas cairan adalah fungsi dari ukuran dan permukaan molekul, gaya tarik menarik antar molekul dan struktur cairan. Tiap molekul dalam cairan dianggap dalam kedudukan setimbang, maka sebelum sesuatu lapisan melewati lapisan lainnya diperlukan energy tertentu.Sesuai hokum distribusi Maxwell-Boltzmann, jumlah molekul yang memiliki energy yang diperlukan untuk mengalir, dihubungkan oleh factor e-E/RT dan viskositas sebanding dengan e-E/RT. Secara kuantitatif pengaruh suhu terhadap viskositas dinyatakan dengan persamaan empirik,
h = A e-E/RT
A merupakan tetapan yang sangat tergantung pada massa molekul relative dan volume molar cairan dan E adalah energi ambang per mol yang diperlukan untuk proses awal aliran.



BAB III
                                                     METODELOGI PENELITIAN              

1.      Deskripsi Permasalahan
Kampus merupakan sebuah tempat yang menghasilkan limbah kertas yang paling banyak di Indonesia.Di Universitas Indonesia didapatkan fakta bahwa 25% dari sampah organic yang dihasilkan dari sekitar 6 ton per hari merupakan sampah kertas.Oleh karena itu limbah kertas yang sering menumpuk ditempat sampah menjadi masalah lingkungan khususnya diUniversitas Indonesia.apabila tidak diolah dengan baik, dengan melalui hanya memalui proses  pembakaran tidak menyelesaikan masalah karena dengan pembakaran hanya akan meningkatkan pemenasan global di atmosfir. Oleh karena itu di Universitas Indonesia haruslah dibuat sebuah system untuk proses pendaurulangan sampah kertas menjadi kertas yang layak kembali untuk digunakan serta dengan memperhitungkan nilai   ekonomis kertas yang telah didaurulang tersebut untuk dijual kembali, sehingga dapat diperoleh berapakah keuntungan yang dari pendaurulangan kertas
Pada tulisan ini akan dibuat peran ilmu keteknikan dalam pengolahan pendaurulangan kertas bekas ini menjadi kertas yang dapat digunakan kembali dengan metode komputasi dan simulasi teknik dimana pada metode komputasi akan dapat memprediksi berapa lama proses pendaur ulangan kertas, berapa kali proses pendaur ulangan kertas dilakukan, berapakah keuntungan yang didapatkan serta kita dapat memprediksi berapa banyak pohon yang telah kita selamatkan jika kita melakukan proses pendaur ulangan kertas. Dan juga akan diperlihatkan simulasi menggunakan CFDSof ketika proses pengeringan kertas daur ulang.

2.      Metode
Pada makalah ini akan dibuat sebuah metode pengolahan sampah kertas di Universitas Indonesia dengan bantuan komputasi dan simulasi sehingga dapat memprediksi seberapa besar kebermanfaatan dan keuntungan jika kita melakukan proses pendaurulangan kertas, khususnya di lingkungan Universitas Indonesia.
Dari data yang didapatkan memalui Bank Sampah Universitas Indonesia pada tahun 2012 sekitar 6 ton sampah organic/ hari dan 1.2 ton sampah non organic/ hari yang dihasilkan kampus Universitas Indonesia dimana 25% atau sekita 1500 kg/ hari dari sampah organic yang dihasilkan adalah sampah kertas.
Proses pengolahan sampah  kertas menjadi art paper adalah sebagai berikut :

Dari literature yang didapatkan bahwa komposisi air yang digunakan untuk merendam sampah kertas adalah 1 : 0.5 atau 100 kg kertas  =  50 kg air.Dari data bahwa Universitas Indonesia menghasilkan sampah kertas rata-rata 1500 kg/ hari maka diasumsikan bahwa dalam cetakan  untuk daur ulang kertas di Universitas Indonesia sebanyak 50 buah. Sehingga pada pemograman komputasi nantinya dapat diketahui berapa kali proses pencetakan dilakukan.
Pada proses pengering pengolahan sampah di Universitas Indonesia tidak dilakukan di lingkungan terbuka melainkan dilakukan proses pengeringan di dalam ruangan yang berukuran 4 x 4 x 3 meter, dengan  menggunakan lampu 150 watt. Sehingga kita dapat memprediksi berapa lama waktu yang dibutuhkan selama proses pengeringan.
Ketika semua proses dilakukan  kita juga dapat memprediksi berapa keuntungan yang didapatkan dari proses pendaur ulangan sampah kertas ini dan juga kita dapat mengetahui berapa banyak jumlah pohon yang dapat kita selamatkan apabila kita melakukan proses pendaur ulangan sampah kertas ini.
Pada simulasi CFDSOF yang akan digunakan akan dibuat sebuah desain ruangan tempat proses pengeringan kertas yang telah di olah sehingga pada nantinya akan dapat diketahui desain ruangan yang seperti apa yang paling optimal untuk tempat ruangan pengeringan pengolahan sampah kertas. Dengan memvariasikan letak inlet udara yang masuk dan outlet udara keluar sehingga pada nantinya akan dapat mempercepat proses pengeringan.
BAB IV
HASIL DAN ANALISA

1.      Hasil Komputasi (Matlab)
            Pada pembuatan algoritma pemograman untuk pengolahan sampah ini ada beberapa variable yang harus ditentukan terlebih dahulu yaitu :
ü  Input
ü  Asumsi
ü  Outout
            Untuk variable input yang kita inginkan  adalah berupa banyaknya sampah kertas yang akan diinginkan dalam satuan (kg) dimana pada sampel percobaan algoritma ini sebagai variable input-an adalah banyaknya sampah yang dihasilkan di Universitas Indonesia dalam satu hari. Dari data yang diperoleh dari Bank Sampah UI 2012 terdata bahwa 6 ton sampah organic yang dihasilkan Universitas Indonesia dalam satu hari dimana 25% dari sampah organic tersebut adalah sampah kertas. Oleh karena itu kita akan mengambil sampel input-an data jumlah sampah yang akan di proses adalah sebesar 1500 kg/hari.
            Untuk variable nilai-nilai apa saja yang diasumsikan adalah sebagai berikut :
ü  Asumsi volume cetakan kertas 0.12 kg
ü  Asumsi banyaknya cetakan 50 buah
ü  Asumsi banyaknya blender 50 buah
ü  Asumsi banyaknya massa air yang akan dikeringkan 0.02 kg
ü  Asumsi harga artpaper 5 lembar |Rp. 5000
ü  Asumsi 1 pohon = 730 kg kertas
Untuk Output yang diharapkan untuk komputasi pemograman (matlab) ini adalah :
ü  Banyaknya proses yang dilakukan.
ü  Lama waktu yang dibutuhkan untuk pengeringan selembar kertas
ü  Keuntungan yang didapatkan dari pengolahan sampah kertas
ü  Berapa banyak pohon yang kita selamatkan jika kita mengolah limbah kertas.
Berikut ini adalah algoritma Pemograman (matlan) pengolahan sampah kertas di Universitas Indonesia.

Program Matlab

function [ tb ] = artpaper(  )
% masukan jumlah sampah (kg)
k = input ('masukan limbah kertas yang akan dioalah (kg)');

% asumsi air
a = k/2;
% asumsi volume cetakan (0.12)
% asumsi alat belender (50 buah)

% Banyaknya proses yang dilakukan
proses = ((k+a)/0.12)/50

% Lama waktu pengeringan
q = 150 ;%(watt)kalor yang dihasilkan lampu
u = 2257000 ;% (j/kg) kalor laten air ketika 100 der C

% flow rate
w = q/u ;% (kg/s)

% asumsi massa air yang akan dihilangkan (0.02 gr)
m = 0.02 ; %(kg)

%waktu peneringan
wkt=((m *(1/w))/60)

%total waktu pengeringan
TWaktu = (wkt * proses)/60

% Harga jual artpaper
ap = (k + a)/0.12;

%asumsi 5 lembar =rp 5000
Harga = (ap /5)*5000

%pohon yang diselamatkan
%asumsi 1 pohon = 730 kg kertas
pohon = k/730

end

Beriku ini adalah hasil dari kalkulasi penggunaan program matlab :
 




1.      Hasil Simulasi CFDSOF untuk ruangan pengeringan sampah kertas.
            Pada simulasi dengan menggunakan CFDSOF ini akan dibuat variasi simulasi peletakan  inlet dan outlet didalam ruangan tempat peneringan sampah kertas yang telah diolah. Sehingga pada nantinya akan di dapatkan desain ruangan seperti apakah yang paling optimal untuk proses pengeringan sampah kertas yang telah diolah ini, dengan melihat parameter penyebaran temperature udara didalam ruangan, kecepatan aliran udaranya dan ketika kondisi benda yang akan dikeringkan dalam menerima panas yang dihasilkan.
            Pada simulasi ini untuk demensi ruangan adalah 4 x 3 dalam 2D, dan dengan 3 buah phase yang digunakan yaitu Air, Udara dan Uap Air sebagai media yang ada didalam ruangan. Dan parameter-parameter yang dimasukan dalam sumulasi seperti konduktifitas termal, densitas, kalor spesifik, viskositas untuk setiap jenis fluida yang digunakan yaitu udara, air dan uap air.
            Berikut ini adalah  hasil simulasi CFDSOF untuk ruangan pengeringan sampah kertas :
ü  Desain Pertama
          Pada Gambar 1desain pertama ruangan pengeringan sampah kertas posisi lubang udara (inlet) berada di tengah- tengah antara sumber cahaya (lampu 150 watt) dan dua buah lubang keluaran (outlet) pada bagian bawah. Untuk dua buah grid yang berwarna kuning adalah sumber cahaya (lampu 150 watt), grid warna biru adalah inlet, grid warna merah adalah outlet, da nada 3 buah grid berwarna hijau di dalam ruanganan adalah tempat cetakan dilektakan. 

Gambar 1. Desain ruangan pertama
          Pada Gambar 2 yang merupakan distribusi dari temperature didalam ruangan, dimana hasil tersebut didapatkan ketika proses iterasi dilakukan sampai mendapatkan hasil yang konvergen. Dari gambar hasil simulasi terlihat udara yang masuk memalui lubang inlet dari memecah aliran panas yang dihasilkan oleh kedua sumber cahaya (lampu) sehingga penyebaran temperature dari sumber cahya menyebar kesisi dinding ruangan. Dan dapat dilihat juga dari ketiga benda yangakan dikeringkan dapat menyerap panas yang dihasilkan oleh sumber cahaya sehingga proses pengeringan dapat terjadi, tetapi untuk posisi benda yang berada ditengah pada sisi bagian bawah menghasilkan tempertur yang lebih rendah daripada kedua benda yang berada disebelahnya.



Gambar 2.Distribusi temperature didalam ruangan

          PadaGambar 3 terlihat distribusi kecepatan dalam bentuk arah vector dimana dari gambar terlihat kecepatan udara yang masuk berkisaran lebih kurang 9 m/s dan keluar pada bagian outlet kecepatan udaranya berkisar antara 2 m/s. Aliran udara yang masuk dengan langsung menuju ke lubang outlet tanpa terjadinya turbulensi udara didalam ruangan sehingga menyebabkan distribusi temperature pada disain ini tidak merata.


Gambar 3Distribusi Kecepatan udara didalam ruangan

ü  Desain Kedua
     Pada Gambar 2 desain ruangan kedua terlihat bahwa posisi lubang udara (inlet) berada di sisi-sisi ujung atas ruangan dan lubang outlet berada dibawah ruangan posisi dari lubang (outlet) sama dengan desain pada gambar pertama.


                                      Gambar 4. Desain ruangan kedua                      
Dari hasil iterasi yang dilakukan pada desain ruangan yang kedua yang terlihat pada Gambar 5 distribusi temperature didalam  ruangan.tidak merata kesemua ruangan terlihat bahwa akibat dari lubang inlet yang berada pada ujung atas ruangan membuat temperature yang dihasilkan dari sumber cahaya menyebar ke satu titik ruangan yaitu pada posisi benda yang berada ditengah, sedangkan pada kedua benda lainnya tidak mendapatkan temperature yang sama dengan pada posisi benda yang pertama.

                        Gambar 5. Distribusi temperature didalam  ruangan

Pada Gambar 6 terlihat distribusi kecepatan udara di dalam  ruangan  dimana pada gambar telihat distribusi kecepatan udara didalam  ruangan  yang masuk dari inlet langsung menuju ke lubang outlet hal tersebut yang menyebabkan penyebaran temperature yang tidak merata pada ruangan dan oleh karena itu temperature pada dua benda yang berada didekat dinding mendapatkan temperature yang lebih rendah dari benda yang berada ditengah yang mendapat temperature lebih dari sumber cahaya, sedangkan pada kedua benda yang berada didekat dinding temperaturnya dipengaruhi oleh kecepatan udara yang melewati sisi kedua benda tersebut.

Gambar 6. Distribusi Kecepatan udaradidalam ruangan

ü  Desain ketiga
Pada Gambar 7 yaitu Desain ruangan Ketiga, terlihat dari gambar posisi inlet dikombinasikan dari desain ruangan pertama dan desain ruangan yang kedua dimana posisi lubang inlet ada tiga buah yang terdapat di dua bagian ujung atas dinding dan pada bagian tengah antara kedua buah sumber cahaya. Sedangkan posisi lubang otlet sama seperti desain sebeluimnya, dan juga peletakan sumber cahaya dan benda yang akan dikeringkan posisinya tetap sama.

Gambar 7. Desain Ruangan Ketiga

Pada Gambar 8 merupakan distribusi temperature di dalam ruangan dimana dari hasil iterasi yang telah dilakukan sampai mendapatkan hasil yang konvergen. Dari gambar telihat distribusi temperature didalam ruangan telihat lebih merata dibandingkann dengan keduan desain ruangan sebelumnya yaitu di desain yang pertama dan desain kedua, dari gambar terlihat juga akibat dengan adanya penambahan inlet menjadi tiga buah dengan posisi inlet yang simetris, hal tersebut membuat udara yang masunk melalui inlet tersebut membantu proses penyebran temperature yang dihasilkan oleh sumber cahaya (lampu). Dan ketiga benda yang menjadi tempat pengeringan mendapatkan temperature yang sama untuk setiap benda sehingga waktu pengeringan antara tiap benda dapat seragam.


Gambar 8. Distribusi Tempertur di dalam ruangan

Pada Gambar 9 terlihat distribusi kecepatan udara didalam ruangan untuk desain yang ketiga, dari gambar terlihat kecepatan udara yang masuk dari setiap lubang inlet membuat penyebaran udara yang menyeluruh kesemua ruangan , hal tersebut sangat membantu dalam penyebaran temperature dari sumber cahaya. Dengan demikian dengan inlet yang simetris tersebut membuat proses pengeringan untuk ketiga benda tersebut dapat kering dalam waktu yang sama. Sehingga pada desain ketiga ini adalah desain yang paling optimum untuk desain sebuah ruangan pengeringan karena distribusi temperature yang merata disemua ruangan.

Gambar 9. Distribusi Kecepatan Udara di dalam ruangan

BAB V
PENUTUP
5.      Kesimpulan

·         Pemograman (matlab) yang telah dibuat dapat menghasilkat output jumlah proses yang dilakukan, lama waktu pengeringan, keuntungan yang didapatkan dan seberapa banyak pohon yang dapat diselamatkan jika melakukan proses pengolahan limbah kertas
·         Dari proses disimulasi CFDSOF yang telah dilakuakan makan desain ruangan yang ketiga merupakan desai terbaik dari dua desain lainnya, dikarenakan distribusi temperature yang merata yang mengakibatkan proses pengeringan yang beragam sehingga waktu pengeringannya akan sama.