3. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan di Lab. EEP dan Ergotronika, Departemen Teknik Pertanian IPB, Bogor dan Desa Cijulang Kec. Cikembar Kab. Sukabumi sebagai lokasi pengujian. Waktu penelitian dimulai pada bulan Agustus 2008 sampai dengan Mei 2009. 3.2 Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian mencakup: 1. Pengering ERK hybrid karya Nelwan dkk (2007) yang dimodifikasi tahun 2008. 2. Bahan uji jagung pipilan diperoleh dari Koperasi BAGUS di Cijangkar Sukabumi. 3. Bahan bakar berupa tongkol jagung dan minyak bakar pemantik. 4. Peralatan untuk aplikasi sistem kendali logika fuzzy meliputi: a. b. c. d. e f. g. h.
Personal Computer (PC) dengan prosesor Intel Pentium IV Mikrokontroler DT-51 MinSys PetraFuz ver 3.3 Rangkaian zero crossing detecor dan triac optocoupler Rangkaian driver motor DC dengan DAC 0808 Sensor SHT11 dan SHT75 Keypad 4x4 dan LCD 16x2 Gear Motor 5A, 24 Volt DC. Kipas/blower dengan daya 250 Watt, AC 220V, 50Hz
5. Peralatan untuk pengambilan data meliputi: a. g. d. e. f. g. h.
Sistem akuisisi dengan alat kendali on/off sensor SHT11 dan SHT75 Chino Recorder dan termokopel tipe CC dan CA Timbangan digital AND Model EK-1200A Anemomaster Kanomax Model 6011 Tongkat sampel jagung Moisture Tester Pyranometer, Klamp meter dan AVO meter
3.3 Prosedur Penelitian Prosedur yang digunakan dalam pelaksanaan penelitian adalah: 1. Merancang unit tungku dan sistem pengumpan tongkol jagung secara mekanis. 2. Merancang sistem kendali yang terdiri atas perangkat keras dan perangkat lunak. 3. Merancang sistem akuisisi data dan simulasi pemrograman logika fuzzy dalam delphi7.
21
4. Pengujian sistem kendali, akuisisi data dan mekanisme drivernya. 5. Kalibrasi sensor SHT11 dan SHT75 6. Penyiapan tongkol jagung sebagai bahan bakar tungku biomassa. 7. Ujicoba sistem kendali logika fuzzy pada ERK-hybrid dan unit tungku biomassa tanpa beban pengeringan. 8. Penyiapan tongkol jagung sebagai bahan bakar dan jagung pipilan sebagai beban uji pengeringan. 9. Ujicoba sistem kendali logika fuzzy pada ERK-hybrid dan unit tungku biomassa dengan beban pengeringan. 3.4 Metode Pengendalian Algoritma pengendalian dan akuisisi data pada sistem kendali logika fuzzy dijabarkan dalam bentuk diagram seperti pada gambar 14. Mulai Set Point T, RH
Baca & rekam T, RH
Hitung: Error T & dError T Error RH & dError RH Fuzzifikasi (anggota): μ (Error T & dError T) μ (Error RH & dError RH) φ (matriks T & RH) Aturan Fuzzy: if ξ is A and ψ is B then γ is C
Aksi Kontrol: Blower & Motor Defuzzifikasi (Bobot): γ (matriks T & RH) dari μ Output Fuzzy T & RH
Penyesuaian Nilai: Output Fuzzy dengan Input Peralatan Analog.
Simpan Data: T, RH, Step Aksi
Kadar Air Jagung ≤ 15%bb
Tidak
Ya Selesai
Gambar 14. Algoritma pengendalian dengan logika fuzzy - Error dan dError suhu/RH Error_Suhu/RH = Data_Suhu/RH – Set_point Suhu/RH ................................ (17) dError_Suhu/RH = Error_Suhu/RH(1) – Error_Suhu/RH(0) .......................... (18)
22
- Fuzzifikasi Suhu/RH (Penentuan derajat keanggotaan) Proses ini dilakukan dengan memetakan input suhu dan RH pada selang nilai yang dapat terjadi secara ril (dapat mengacu ke data penelitian sebelumnya tentang selang nilai suhu dan RH udara). Pada rancangan ini universe of discourse nilai suhu yang digunakan adalah 20 – 100 oC dan nilai RH sebesar 15 – 90 %. Sedangkan selang nilai derajat keanggotaan (degree of membership) secara umum ditetapkan sebesar 0 – 1. Keterangan (label) yang digunakan adalah Negatif Besar (NBE), Negatif Sedang (NSE), Negatif Kecil (NKE), Zero (ZE), Positif Kecil (PKE), Positif Sedang (PSE) dan Positif Besar (PBE) yang menggambarkan kondisi suhu dan kelembaban dari kriteria rendah ke kriteria tinggi secara proporsional. Sedangkan bangun yang digunakan untuk merepresentasikan batas scope/domain adalah bentuk segitiga dan trapesium. Bangun trapesium terjadi pada batas bawah dan batas atas domain sedangkan bangun segitiga terjadi diantara kedua bangun trapesium tersebut. Nilai analog (Crisp input) yang digunakan untuk mencari derajat keanggotaan adalah NBE = -0,75 , NSE = -0,50 , NKE = -0,25 , ZE = 0 , PKE = 0,25 , PSE = 0,5 dan PBE = 0,75. Scope domain dalam konsep ini adalah bangun yang dibatasi oleh masingmasing crisp input yakni bangun trapesium pada nilai <= -0,75 atau bangun segitiga pada nilai 0 – 0,25. - Defuzzy (Penegasan) Proses penegasan dilakukan untuk memperoleh nilai analog dari konsep penerapan aturan if then (fuzzy rules) terhadap penentuan derajat keanggotaan dari Error suhu/RH dan dError suhu/RH. Penerapan aturan if then (fuzzy rules) tidak terpisah sebagai sebuah tahapan melainkan digunakan baik pada proses penentuan derajat keanggotaan, penegasan maupun penyesuaian nilai keluaran fuzzy pada input peralatan analog. Penegasan menggunakan metode pembobotan Center of Gravity yakni dengan menggunakan persamaan 1. - Adjusting (Penyesuaian Nilai) Proses ini dimaksudkan untuk menyesuaikan kecenderungan keluaran fuzzy yang dihasilkan dengan kecenderungan pengendalian yang diinginkan. Nilai keluaran yang diatur terdiri atas tegangan digital motor DC dan tegangan digital blower. Tegangan digital motor DC dari kondisi diam hingga kecepatan putar maksimum rancangan pengumpan diperoleh pada nilai 40 – 85 Volt. Dengan demikian untuk
23
memperoleh empat mode kecepatan motor DC maka selang nilai tegangan tersebut dibagi menjadi nilai 40-53 Volt untuk kondisi diam hingga motor DC mulai berputar, 65 Volt untuk kecepatan lambat, 75 Volt untuk kecepatan sedang dan 85 Volt untuk kecepatan penuh. Hubungan antara tegangan digital dengan kecepatan putar motor DC memiliki korelasi yang positif. Sedangkan tegangan digital blower untuk kondisi kecepatan lambat, sedang dan kecepatan putar penuh sesuai rancangan diperoleh pada nilai 152 – 0 Volt. Nilai tegangan 152 Volt untuk kecepatan putar lambat, 76 Volt untuk kecepatan putar sedang dan 0 Volt untuk kecepatan putar penuh. Hal ini terjadi mengingat hubungan antara tegangan digital dengan kecepatan putar blower memiliki korelasi yang negatif. 3.5 Deskripsi Sistem Pengeringan dan Pengendalian Pengeringan berlangsung dengan memindahkan kandungan air jagung pipilan ke udara dalam ruangan yang dibatasi oleh dinding transparan dengan lingkungan. Perpindahan air dari jagung ke udara dalam sistem ini menyebabkan kelembaban udara relatif (RH) meningkat disamping menyebabkan efek pendinginan udara. Jika kondisi ini terjadi secara terus-menerus maka udara dalam ruangan berubah ke kondisi jenuh sehingga proses penguapan air selanjutnya akan terganggu. Pada kondisi inilah mekanisme pengendalian diterapkan yakni dengan mengatur laju aliran udara keluar ruangan melalui blower. Kecepatan putar blower yang akan mengalirkan udara keluar ruangan diatur sesuai dengan tingkat kelembaban udara ruang pengering. Jika kondisi kelembaban udara pengering tinggi (meningkat) maka kecepatan putar blower akan bertambah cepat dan sebaliknya jika kelembaban udara pengering rendah (menurun) maka kecepatan putar blower akan berkurang. Dengan demikian aksi kecepatan putar blower akan berubah sesuai dengan besarnya uap air yang pindah dari jagung ke udara dalam ruangan (sistem). Perpindahan uap air ke udara disamping meningkatkan kelembaban relatif udara juga menyebabkan efek pendinginan udara. Oleh karena itu pengendalian suhu udara juga dilakukan dengan mengatur banyaknya tongkol jagung yang akan terbakar melalui sistem pengumpan kincir yang digerakkan oleh motor DC. Putaran motor DC pengumpan yang cepat akan menyuplai tongkol jagung ke tungku untuk selanjutnya terbakar dan menghasilkan panas yang akan dipindahkan oleh air ke udara melalui penukar panas. Demikian sebaliknya jika suhu udara dalam ruangan sudah memadai
24
maka kecepatan putar motor DC akan pelan atau bahkan berhenti sehingga tidak terjadi pengumpanan bahan bakar. Pada konteks ini kecepatan konversi kalor bahan bakar menjadi panas sehingga suhu udara pengering meningkat akan diatur melalui mekanisme kecepatan putar motor DC. Kondisi suhu udara pengering yang tinggi dan kelembaban udara yang rendah menjadi faktor yang mempercepat proses penguapan air bahan (pengeringan). 3.6 Parameter Ukur Parameter yang akan diukur pada sistem pengeringan ini meliputi: 1. Suhu udara Titik pengukuran suhu meliputi suhu tungku, suhu udara pengering, suhu bahan pada 2 titik yakni awal mengenai bahan dan saat meninggalkan bahan pada silinder sirkulasi udara baik pada bahan untuk hembusan udara ruas kiri maupun kanan (skema pada lampiran 3 dan 4). Suhu udara bola basah dan kering pada blower udara buangan dan suhu udara bola basah dan kering pada lingkungan. Pengukuran dilakukan dengan termokopel tipe C dan K, sensor SHT11, SHT75 dan termometer alkohol. 2. Kelembaban udara Pengukuran kelembaban udara dilakukan pada titik sebelum masuk ke silinder sirkulasi dan mengenai bahan baik pada hembusan udara ruas kiri maupun kanan (skema pada lampiran 3 dan 4). Kelembaban udara pada blower udara buangan dan kelembaban udara lingkungan. Pengukuran dilakukan dengan sensor SHT11, SHT75, termokopel tipe C dan termometer alkohol untuk bola basah dan bola kering. 3. Kadar air bahan Pengukuran kadar air bahan dilakukan sebelum pengeringan, saat pengeringan dengan interval waktu 30 menit hingga mencapai kadar air akhir yang diinginkan yakni 19 %bk atau 16 %bb. Pengukuran kadar air dilakukan dengan alat moisture tester dan penimbangan berat untuk metode Oven Drying. 4. Massa dan kadar air tongkol jagung Pengukuran massa tongkol jagung sebagai bahan bakar dilakukan sepanjang pengumpanan pada unit tungku dengan pengukuran berat menggunakan timbangan
25
analog berkapasitas 100 kg. Pengukuran kadar air tongkol jagung dilakukan untuk melihat pengaruhnya terhadap proses pembakaran pada unit tungku. 5. Tegangan dan arus Pengukuran tegangan dan arus pada motor baik yang menggerakkan blower maupun pengumpan tongkol dengan menggunakan alat Klamp Meter. 6. Kecepatan Udara Kecepatan udara diukur dengan menggunakan anemomaster. Titik pengukuran adalah udara keluar bangunan yakni pada blower udara buangan yang akan dikendalikan dengan logika fuzzy (skema pada lampiran 4 dan 5). 7. Iradiasi Surya Pengukuran data iradiasi surya dilakukan pada lingkungan sekitar alat pengering dengan menggunakan pyranometer. Keluaran dari pyranometer berupa tegangan (mV). Tegangan keluaran dari piranometer sebesar 1 mV setara dengan 1000/7 watt/m2, maka akan diperoleh iradiasi sesaat. 3.7 Perhitungan Performansi Teknis 1. Energi Total Pengeringan Energi total pengeringan merupakan energi yang digunakan dalam penguapan sejumlah massa air dari udara panas selama proses pengeringan.
QTP = QTP qu v h3 h1 t
qu (h3 − h1 ) x3600t ................................................................................... (19) v
= energi total pengeringan (kJ) = Debit udara (m/s) = volume jenis udara (m3/kg) = entalpi akhir (kJ/kg) = entalpi awal (kJ/kg) = lama pengeringan (jam)
2. Energi Total Sistem Energi yang dibutuhkan dalam sistem pengeringan merupakan penjumlahan dari energi biomassa (tongkol jagung), energi surya dan energi listrik dalam persamaan berikut ini: QTS = QB + QS + QL
......................................................................................... (20)
QTS = energi total sistem (kJ) QB = energi biomassa (kJ)
26
QS = energi surya (kJ) QL = energi listrik (kJ) a. Energi Biomassa (tongkol jagung) Energi biomassa (QB) berupa tongkol jagung merupakan sumber panas utama bagi pengeringan jagung yang diperoleh melalui proses pembakaran pada unit tungku. Besarannya dihitung melalui jumlah massa yang terbakar dikali nilai kalor bahan.
QB = mb.Nkb ......................................................................................... (21) Mb = massa tongkol jagung yang digunakan selama pengeringan (kg) Nkb = Nilai kalor bahan (kJ/kg) b. Energi Surya Energi surya dihitung melalui iradiasi sesaat yang dikalikan dengan jumlah jam penyinaran selama proses pengeringan. QS = 3.6 I h A p (σα )t
................................................................................... (22)
Ih = total iradiasi surya harian (Wh/m2) Ap = Luas permukaan pengering (m2) σα = transmisivitas dan absorbsivitas dinding transparan t = lamanya penyinaran surya (jam) Total iradiasi surya harian (Ih) dihitung secara matematis dengan menggunakan metode Simpson (Purcell et al., 1990) didalam Mulyantara (2008). Ih =
[
Δt I i + 4∑ It gl + 2∑ It gp + I f 3
]
........................................................ (23)
Dimana ; Δt = selang pengukuran (jam) Igl = iradiasi selang pengukuran ganjil (W/m2) Igp = iradiasi selang pengukuran genap (W/m2) Ii = iradiasi awal (W/m2) If = iradiasi akhir (W/m2) c. Energi Listrik Energi listrik merupakan sumber penggerak motor baik yang digunakan oleh blower penghembus udara maupun motor pompa air dan pengumpan tongkol jagung. Motor listrik dapat berupa motor satu fase (24) maupun tiga fase (25).
QL = 3.6.V .i.t ............................................................................................... (24) Q L = V .i.t. cos φ 3 ........................................................................................ (25)
V = tegangan terpakai alat (Volt)
27
i = arus rata-rata nominal alat (Amp) t = lama penggunaan alat (jam) 3. Energi Berguna Energi berguna merupakan energi atau panas yang terlibat langsung dalam memanaskan suhu bahan, menguapkan air bahan dan panas yang pindah ke udara pengering. a. Panas yang diterima udara pengering
qu C pu (Tr − Tl ).3600t ....................................................................... (26) vu Cpu = panas jenis udara (kJ/kgoC) Tr = Suhu udara ruang pengering (oC) Tl = Suhu udara lingkungan (oC) QUd =
b. Panas untuk menaikkan suhu bahan QSp = mOj C pj (Tr − T j ) ................................................................................ (27)
Moj Cpj Tr Tj
= massa awal jagung (kg) = panas jenis jagung (kJ/kgoC) = suhu udara ruang pengering (oC) = suhu bahan/jagung (oC)
c. Panas untuk menguapkan air bahan QUap = QTP − (QSp + QUd ) ............................................................................. (28)
d. Panas untuk menaikkan dan menguapkan air bahan Q SpUap = Q Sp + QUap ...................................................................................... (29)
4. Efisiensi Penggunaan Energi Efisiensi termal bangunan merupakan perbandingan antara energi panas yang masuk dalam sistem yang digunakan untuk memanaskan udara pengering (Nelwan, 1997).
ηT =
QTS x100% QS + Q B
................................................................................ (30)
Parameter lain berupa Komsumsi Energi Spesifik (KES) merupakan jumlah energi yang diterima dibandingkan dengan satu satuan massa air bahan yang diuapkan. KES =
QTS muap
............................................................................................... (31)
28
muap = massa air yang diuapkan selama pengeringan (kg). 5. Kadar Air Bahan Perhitungan kadar air bahan (Brooker et al., 1992) dalam kategori basis basah dan basis kering menggunakan persamaan berikut.
Kadar Air (%bb) =
Ww x100% Wo
....................................................................... (32)
Kadar Air (%bk) =
Ww x100% Wd
....................................................................... (33)
6. Efektifitas Proses Pengeringan Laju penurunan kadar air bahan yang menunjukkan efektifitas proses pengeringan menggunakan persamaan berikut.
Laju penurunan kadar air bahan :
dM M − M = dt Δt 1
2
...................................... (34)
29
