BAB IV DISAIN DAN SIMULASI PENGERING GABAH TIPE RESIRKULASI MENGGUNAKAN KONVEYOR PNEUMATIK 4.1
PENDAHULUAN
4.1.1 Latar Belakang Padi merupakan salah satu tanaman pangan yang penting di Indonesia, karena buah atau biji padi yang dikenal dengan beras adalah bahan pangan pokok masyarakat Indonesia. Pola konsumsi beras secara perlahan tetapi pasti mengalami peningkatan sejalan dengan semakin meningkatnya pendapatan, pendidikan dan mudahnya akses informasi, peningkatan kebutuhan beras di dalam negeri mencapai 1.6% per tahun (Mulyo Sidik 2006). Adapun produksi gabah tahun 2008 diprediksi sebesar 59.877 juta ton gabah kering panen (GKP) (BPS 2008) setara dengan 37.63 juta ton beras Salah satu aspek penting dalam pengembangan sistem agribisnis padi adalah penanganan pasca panen, hal tersebut terkait dengan massalah kehilangan hasil yang terjadi pada kegiatan panen, pasca panen baik berupa kehilangan bobot (kuantitatif) maupun berupa penurunan mutu dan kerusakan fisik (kualitatif) yang cukup tinggi. Kehilangan hasil pada proses pengeringan secara dijemur di Indonesia antara 2.3 hingga 2.6% (Komuro 1995) dan berdasarkan Badan Pusat Statistik (BPS) 2006, kehilangan hasil panen dan pasca panen akibat dari ketidaksempurnaan penanganan pasca panen mencapai 20%, dimana kehilangan saat pemanenan 9.5%, perontokan 4.8%, pengeringan 2.1%, penggilingan 2.2%, penyimpanan 1.6%, dan pengangkutan 0.2%. Angka ini jika dikonversikan terhadap produksi padi nasional pada tahun 2008 yang mencapai 59.877 juta ton setara lebih dari Rp 20 triliun, dan terdapat 1.47 juta ton gabah hilang karena penjemuran atau setara dengan Rp 3.53 triliun, dengan harga gabah Rp 2400,-/kg. Untuk mengatasi kehilangan pada proses pengeringan tersebut serta dalam rangka menghadapi perubahan iklim akibat pemanasan global, dimana mendung ataupun hujan yang tidak menentu mengakibatkan pengeringan dengan dijemur
56
sering tidak dapat dilakukan, bahkan penelitian Afif (1988) menunjukkan bahwa pengeringan
pada
bulan
Desember-April
di
daerah
Jatiluhur
tingkat
keberhasilannya hanya 17%, oleh karena itu untuk meningkatkan keberhasilan pengeringan diperlukan pengering mekanis. Pengeringan mekanis komersial yang menggunakan udara panas dari pembakaran bahan bakar dengan memanfaatkan alat penukar panas, pada umumnya menggunakan tipe fixed batch dryer (box dryer, inclined bed dryer, flat bed), Continous- flow dan recirculating batch. Penggunaan tipe fixed batch mempunyai keunggulan sederhana, murah dan mudah, tetapi mempunyai kelemahan gradien kadar air antara bagian bawah dan atas dapat mencapai 3-4% (IRRI 2003), serta apabila menggunakan udara pengering bertemperatur tinggi mungkin terjadi over drying dibagian bawah. Untuk tipe resirkulasi yang juga dikenal dengan intermittent drying atau pengeringan bertahap secara umum terdapat dua bagian yaitu bagian tempering dan bagian pengeringan (Gambar 24), bahan bersirkulasi melalui bagian-bagian tersebut sehingga proses pengeringan dan tempering terjadi bergantian, umumnya menggunakan bucket conveyor untuk meresirkulasikan bahan yang dikeringkan.
Produk Aliran udara panas
Aliran bahan
Ruang Tempering
Ruang pengering Blower
Aliran Bahan
Gambar 24 Skema sistem pengering resirkulasi
57
Proses resirkulasi dimaksudkan juga untuk mencegah terjadinya over-drying seperti pada proses pengering lainnya, dimana setelah proses pengeringan bahan dinaikkan lagi ke ruang tempering untuk menyamakan kondisi kadar airnya dan turun ke bagian pengeringan, bersirkulasi hingga kadar air tercapai sesuai yang dikehendaki, serta dalam sistem pengeringan tersebut dapat menggunakan udara pengering bertemperatur tinggi, sehingga menaikkan laju pengeringan, dan mempercepat proses pengeringan tanpa menurunkan kualitasnya. Pengering resirkulasi tidak memerlukan lahan yang luas, dapat diletakkan di gudang, serta memungkinkan beroperasi secara otomatis. Metode simulasi digunakan dengan membuat konstruksi model matematika untuk menduga karakteristik pengeringan dengan menggunakan komputer dan program Visual Basic. Sedangkan untuk menguji kehandalan model simulasi, maka hasil simulasi perlu divalidasi sengan percoabaan langsung. Penggunaan metode simulasi akan dapat menghemat waktu dan biaya pembuatan serta percobaan alat sesungguhnya.
4.1.2
Tujuan Tujuan khusus penelitian ini adalah membuat simulasi dan menguji kinerja
pengering tipe resirkulasi dengan menggunakan konveyor pneumatik dan pemanas berbahan bakar campuran minyak tanah dan minyak jarak.
4.2
TINJAUAN PUSTAKA
4.2.1
Metode Pengeringan Metode pengeringan pada prinsipnya dapat dilakukan dengan dua cara yaitu
pengeringan secara alami dan pengeringan buatan. Pengeringan alami adalah pengeringan yang menggunakan energi matahari sebagai sumber panasnya, dimana bahan yang dikeringkan dihamparkan ditempat terbuka sehingga mendapatkan panas dari matahari, adapun pengeringan buatan menggunakan ruang pengering
58
yang dirancang khusus untuk bahan yang akan dikeringkan, serta sumber panasnya dapat disesuaikan dengan kebutuhan dan keadaan. Dalam sistem pengeringan buatan terdapat beberapa komponen yang berfungsi untuk mengeringkan bahan hingga kadar air tertentu, adapun komponenkomponen tersebut adalah, peralatan untuk mengalirkan udara, ruangan untuk bahan yang dikeringkan dan sumber panas, pada pengering buatan sumber panas dapat menggunakan berbagai sumber energi baik yang berbasis fosil maupun energi terbarukan sebagai energi alternatif. Sehingga dengan metode ini parameter pengering seperti temperatur ruang pengering, laju aliran udara pengering, waktu pengeringan, dan sebagainya dapat dikendalikan dengan baik, serta tingkat kebersihan bahan dapat dijamin. Pengeringan mekanis komersial yang menggunakan udara panas dari pembakaran bahan bakar dengan memanfaatkan alat penukar panas, pada umumnya menggunakan tipe fixed batch dryer (box dryer, inclined bed dryer, flat bed), Continous- flow dan Recirculating batch (Gambar 25). Pengering tipe fixed bed batch biasanya berbentuk bak persegi panjang dengan ruang plenum dibawah (flat bed dryer, box dryer, inclined bed dryer), jenis yang paling umum digunakan adalah tipe bak datar (flat bed) hal ini dikarenakan, biaya investasi murah, mudah dioperasikan, tanpa tenaga ahli, disainnya sangat sederhana, dimana bahan diletakkan di atas plat berlubang, dan udara panas ditiupkan dari bagian bawah. Untuk mengalirkan udara panas digunakan fan aliran axial yang sederhana, dan sebagai pemanas udara digunakan kompor minyak tanah ataupun tungku biomasa.
59
Aliran Udara Aliran Bahan
Fixed bed batch dryer
Re‐circulating batch dryer
Continous flow dryer
Gambar 25 Klasifikasi pengering (IRRI.2003) Kapasitas pengering tipe fixed bed, bervariasi dari satu hingga sepuluh ton, secara umum lantainya berbentuk datar dengan tinggi tumpukan umumnya 40 cm,menggunakan udara panas dengan temperatur antara 40 – 45oC, kecepatan aliran udara 0.15-0.25 m/s serta memerlukan daya kipas antara 1.5–2.5 kW/ton gabah Penggunaan tipe fixed batch mempunyai keunggulan sederhana, murah dan mudah, tetapi mempunyai kelemahan gradien kadar air antara bagian bawah dan atas dapat mencapai 3-4% (IRRI.2003), berdasarkan Standar Nasional Indonesia (SNI) untuk pengering tipe bak datar (flat bed) gradien kadar air yang diperbolehkan adalah ± 1.5% , kelemahan lainnya adalah, ketika menggunakan udara pengering bertemperatur tinggi mungkin terjadi over drying atau over heating dibagian bawah. Walaupun tidak terlalu umum digunakan terutama dinegara-negaraAsia Tenggara pengering aliran kontinyu (Continuous Flow Dryer) sering dijumpai pada penggilingan padi yang besar, karena dapat mengeringkan gabah dalam jumlah besar. Pengering tipe aliran kontinyu, biasanya terdiri dari kolom pengering campuran atau bukan campuran dengan sistem aliran udara yang berbeda-beda terhadap aliran bahan yang dikeringkan.
60
Jenis aliran udara tersebut adalah, pengering aliran menyilang yang merupakan jenis paling sederhana, dimana bahan mengalir kebawah diantara pelat berlubang, sementara udara pengering mengalir horizontal melalui bahan. Ketika aliran udara searah dengan aliran bahan yang dikeringkan, maka jenis aliran tersebut dinamakan aliran searah, keuntungan jenis aliran ini adalah memungkinkan udara yang bertemperatur tinggi kontak dengan bahan yang mempunyai kadar air yang tinggi pula. Pengeringan terjadi cepat dibagian atas dan berkurang pada bagian bawahnya. Pengering aliran berlawanan, adalah ketika aliran udara pengering bergerak ke atas dan aliran bahan bergerak turun, system ini sangat efisien, oleh karena udara pengering secara terus menerus menyerap kadar air bahan pada saat keluar ruang pengering. Adapun jenis aliran yang lain adalah aliran campuran yang dapat menghasilkan kualitas paling baik, hal ini disebabkan adanya efek campuran yang terus menerus, saluran udara masuk dan keluar dapat diletakkan pada pola yang bergantian, sehingga aliran udara pada pengering dapat terjadi secara searah ataupun berlawanan arah.
Pengering tipe resirkulasi (Recirculating batch) terdiri dari ruang pengering
yang ditengahnya terdapat ruang plenum, alat untuk transportasi bahan dari bawah ke atas, dapat berupa bucket conveyor, screw conveyor ataupun konveyor pneumatik, dan dibagian atas adalah ruang tempering, Dalam menghadapi perubahan iklim akibat pemanasan global, pengeringan secara tradisional
sering tidak dapat dilakukan, dikarenakan cuaca yang tidak
menentu, panen mungkin terjadi saat hujan ataupun berawan, dengan demikian gabah tidak dapat dikeringkan dan akan menimbulkan kerusakan, seperti busuk, berjamur, tumbuh kecambah, butir kuning, sehingga dalam kondisi demikian usaha peningkatan bahansi gabah menjadi kurang berguna, oleh karena itu diperlukan alat pengering mekanis. Alat pengering mekanis digunakan selain dapat mempercepat proses pengeringan juga dapat menggurangi bercampurnya debu ataupun kotoran lainnya serta dapat lebih terkendali. Didalam pengering mekanis penggunaan udara
61
bertemperatur tinggi dapat dilakukan, semakin tinggi temperatur udara pengering, akan menyerap kandungan air bahan lebih banyak, sehingga mempercepat pengeringan dan hal ini mengakibatkan kebutuhan laju aliran udara tiap satuan massa bahan lebih sedikit daripada untuk pengering dengan temperatur udara yang lebih rendah. Banaszek dan Siebenmorgan (1990) dalam penelitiannya menyebutkan bahwa laju adsorpsi kadar air tergantung pada temperatur dan kelembaban relatif udara pengering, selain kadar air awal bahan. Penggunaan
udara
bertemperatur
tinggi
dalam
pengeringan
dapat
mengakibatkan terjadinya laju pengeringan yang terlalu cepat, dan mengakibatkan stress didalam bahan, serta menciptakan perbedaan kadar air antara pusat dan permukaan bahan, pada akhirnya mengakibatkan keretakan didalam bahan. Keretakan didalam bahan yang terjadi setelah pengeringan akan menjadi beras patah ketika digiling, banyaknya beras patah akan menentukan mutu beras, karena mutu beras ditandai dengan prosentase jumlah beras kepala atau rendemen beras kepala.
4.2.2 Persamaan pengeringan teoritis Dalam sistem pengering, kandungan air dalam bahan yang akan dikeringkan sangat menentukan proses pengeringan. Terjadinya perpindahan massa didalam bahan saat pengeringan disebabkan oleh adanya perbedaan kadar air. Hukum Fick II telah banyak digunakan oleh para peneliti dengan asumsi yang digunakan adalah, perpidahan massa didalam bahan saat pengeringan disebabkan oleh perbedaan kadar air didalam bahan dan udara pengering. Model persamaan matematik yang digunakan untuk proses perpindahan air dalam bahan, adalah : ∂M = ∇ 2 DM ∂t
4.1
62
Penyelesaian model persamaan 4.1, telah ditemukan oleh Crank (1956) di dalam Young dan Whitaker (1971) dengan benda berbentuk plat tak terbatas, silinder tak terbatas, bentuk bola dan silinder terbatas. Bentuk persamaanpersamaan yang dihasilkan adalah seperti berikut : a). Plat datar tak terbatas
M − Me 8 = 2 Mo − Me π
∞
1
∑ (2n + 1) n =0
2
exp[−(2n + 1) 2 k t ]
4.2
b). Silinder tak terbatas ∞ M − Me 1 = ∑ 2 2 exp[−a 2 α 2 k t / π 2 ] Mo − Me n =0 a α n
4.3
c). Bola terbatas M − Me 6 = 2 Mo − Me π
∞
1
∑n n =1
2
exp[ − n 2 k t ]
4.4
d). Silinder terbatas
M − Me 8 = 2 Mo − Me π
∞
[∑ n =0
4 a α 2
2 n
exp{−a 2 α 2 k t / π 2 } ] x
4.5
Persamaan di atas hanya valid untuk material bahan yang homogen. Young dan Whitaker (1971) menyarankan bahwa asumsi tersebut tidak valid untuk material bahan pertanian yang komposit (tidak seragam). Material bahan yang komposit, mungkin akan berbeda kadar air keseimbangan dan difusivitas massanya. Young dan Whitaker (1971) menyarankan penggunaan persamaan pindah massa air dalam material bahan dalam bentuk perbedaan kadar uap air didalam pori-pori bahan sebagai daya dorong perpindahan massa air.Henry menggambarkan bahwa penyelesaian persamaan matematisnya akan melibatkan pindah panas dan massa secara simultan.
Beberapa peneliti telah menggunakan model dengan
melibatkan pindah panas dan massa secara simultan dengan metode pemecahan
63
numerik. Pada permasalahan ini perubahan temperatur dan kadar air dipengaruhi oleh difusivitas massa sedangkan perubahan kadar air dipengaruhi oleh konduktivitas panas. Laju pindah panas dan massa dalam material bahan dinyatakan dalam bilangan Lewis, yaitu perbandingan difusivitas panas dan difusivitas massa. Young telah memodifikasi persamaan bilangan Lewis seperti persamaan berikut :
Lem =
k{ f + (1 − f )ds β } D(1 − f )ds {Cs + Cw M + h fg τ }
4.6
sedangkan M = α + β C − τ T
4.7
Apabila bilangan Lewis yang dimodifikasi nilainya sama atau lebih besar dari 60, maka hanya pindah massa saja yang perlu dibahas dalam proses pengeringan, karena tidak ditemukan perbedaan temperatur dalam material bahan dengan temperatur lingkungan. Jika nilai bilangan Lewis lebih rendah dari 60, maka kurva penurunan kadar air dipengaruhi oleh sebaran temperatur didalam material bahan secara nyata. Young menyimpulkan, bahwa dari data yang ada, maka kebanyakan bahan pertanian memiliki nilai bilangan Lewis lebih besar dari 60. Laju pengeringan
untuk pengering biji-bijian termasuk gabah, menurut
Bala.(1997), dapat dianalogikan dengan laju perubahan temperatur berdasarkan hukum Newton untuk pendinginan, dapat dituliskan : dM = −k ( M − M e ) dt
4.8
Persamaan 4.8 dapat ditulis sebagai 4.9
64
Hasil integralnya adalah M − Me = e − k ( t −t0 ) M0 − Me
4.10
4.11
dan akhinya dapat dituliskan seperti pada persamaan 3.1 M − Me = αe − kt M0 − Me
untuk α = e − kt0 Dimana, konstanta α adalah faktor bentuk tergantung bentuk geometri bahan yang dikeringkan. Untuk bentuk : Lempeng
: α = 8 π-2 = 0.81057
Bola
: α = (8 π-2)-3 = 0.53253
Silinder
: α = 6 π-2 = 0.60793
Secara umum beberapa peneliti (Simmonds et al. 1953. O’Callaghan 1954. Boyee 1966) dalam Bala (1997), menganjurkan persamaan untuk biji-bijian seperti gandum, gabah, jagung sebagai berikut. M − Me = e − kt M0 − Me
4.12
Berdasarkan persamaan kadar air kesetimbangan Me untuk gabah yang diasumsikan
sebagai
bentuk
silinder
tak
terbatas,
Thahir
R
(1986)
menyederhanakan persamaan kadar air keseimbangan sebagai fungsi dari selisih temperatur bola kering dan temperatur bola basah ΔT, dan bentuk persamaannya berdasarkan Thahir.R (1986) Me = (18.61977 exp(-0.059853ΔT)
4.13
Dan nilai konstanta pengeringan k yang merupakan karakteristik bahan dalam mempertahankan air yang terkandung didalamnya terhadap temperatur udara panas berdasarkan Thahir R (1986) adalah : k = exp (6.8274 – 4431.98/T)
4.14
65
Tabel 14 Parameter model pengeringan untuk gabah T(oC)
RH (%)
Me (% db)
k (min-1)
50
27.3
6.616
0.0085
60
16.9
4.616
0.0129
4.2.3
Perkembangan pengering resirkulasi Ridwan Thahir et al. (2001) membuat pengering sirkulasi untuk biji kedelai,
dimana alat tersebut berkapasitas 2 ton dengan menggunakan minyak tanah sebagai sumber panas, serta menggunakan bucket konveyor untuk mesirkulasi bahan, dengan daya motor sebesar 746 watt, dan hasil pengujian menunjukkan konsumsi minyak
tanah sebesar 5.12 liter/jam dengan efisiensi pengeringan 28.43% serta
laju penurunan kadar air 0.96%/jam, dan tingkat kerusakan biji pecah 1.13%, serta lama proses pengeringan adalah 5 jam. Kamaruddin (2007) telah menghasilkan pengering biji-bijian tipe resirkulasi dengan menggunakan energi surya, dan tambahan bahan bakar arang kayu, energi listrik yang digunakan untuk motor getar 0.18 kW serta untuk blower 0.25 kW. Alat tersebut digunakan untuk mengeringkan gabah seberat 24 kg dengan kadar air awal 23% bb hingga menjadi 15.8%, membutuhkan arang kayu 12 kg dan lama pengeringan 7 jam, efisiensi pengeringan 1.93%. International Rice Research Institute (IRRI) menunjukkan pengering yang digunakan oleh pengusaha penggilingan padi kapasitas besar, pengering tipe resirkulasi tersebut nampak pada Gambar 26.
66
Gambar 26. Deretan pengering resirkulasi (IRRI.2003) Pengering menggunakan bucket elevator, dilengkapi screw konveyor dengan menggunakan bahan bakar minyak. Thakur A.K dan A.K.Gupta (2006), dalam penelitiannya menghasilkan kesimpulan bahwa tempering dapat meningkatkan rendemen beras kepala hingga 8 % lebih tinggi dibandingkan pengeringan kontinyu, dan pengurangan konsumsi energi hingga 44%, dengan menggunakan temperatur udara pengering 60 oC selama 20 menit dan waktu tempering 30 menit, 60 menit dan 120 menit. Hung Jung Shei dan Yi LuenChen (2002), membuat simulasi
dengan
menggunakan model Partial Differential Equation, menggunakan bahasa Fortran untuk pengeringan bertahap (intermittent) berdasarkan hasil penelitian laboratorium menggunakan pengeringan resirkulasi kapasitas 50 kg, dengan temperatur udara pengering 35oC hingga 60oC, merekomendasikan perbandingan waktu pengeringan dan waktu tempering antara 1/1 hingga 1/9 dan laju pengeringan kurang dari 1.5 %/jam, untuk mendapatkan hasil tingkat keretakan bahan yang baik. Hasil simulasi
67
menunjukkan waktu tempering tidak berpengaruh terhadap laju pengeringan, adapun total waktu pengeringan antara simulasi dengan percobaan mempunyai tingkat kesalahan kurang dari 5%. Nishiyama
(2006),
membuat
model
sederhana
untuk
menganalisa
karakteristik pengeringan bertahap, menggunakan model pengering bola untuk pengering lapisan tipis, dengan hasil tingkat ketelitian pendugaan kadar air kurang dari 0.47% bk. Model matematika sangat efektif untuk menggambarkan karakteristik pengeringan gabah (Giner, Bruce, Mortimore. 1998) menggunakan hukum Fick untuk difusi model pengeringan lapisan tipis gabah. Cao, Nishiyama, Koide (2004) menyatakan, adalah sulit untuk mensimulasi proses pengeringan bertahap yang didalamnya termasuk perioda pengeringan dan tempering menggunakan analisis teoritis. Adapun Yang et al. (2002) melakukan analisis teoritis pengeringan gabah diikuti dengan proses tempering, didalam penelitian tersebut model bola digunakan, oleh kerena sederhana dan dapat diaplikasikan untuk perhitungan pada proses pengeringan ataupun pada proses tempering.
4.2.4
Konveyor Pneumatik Konveyor pneumatik merupakan salah satu jenis konveyor yang telah
banyak digunakan. Konveyor ini menggunakan prinsip perbedaan tekanan udara dan pengangkutan bahan melalui udara yang dihembuskan atau dihisap dalam suatu saluran tertutup. Keuntungan konveyor ini adalah dapat meminimalisasi kehilangan produk untuk pengangkutan (product losses) (Spivakosky 1982). Analisis konveyor pneumatik skala laboratorium perlu dilakukan untuk mendapatkan sistem transportasi bahan pertanian seperti gabah, gandum, kedelai dan lain sebagainya, untuk pengolahan pasca panen yang lebih ideal.
68
Konveyor pneumatik merupakan konveyor yang dapat digunakan untuk mengangkut biji-bijian. Konveyor ini memiliki kemampuan membersihkan sendiri (self cleaning), dan memiliki instalasi yang lebih fleksibel dibandingkan jenis konveyor yang lain dengan tingkat kerusakan akibat pengangkutan yang hampir sama dengan konveyor ulir. Konveyor ini sesuai untuk pengangkutan dalam jumlah besar. Konveyor pneumatik merupakan transportasi bahan dengan metode suspensi fluida secara horisontal maupun vertikal dengan jarak mulai dari beberapa kaki hingga ratusan kaki (feet) (Perry 1984). Konveyor ini tergolong jenis konveyor pengangkut bahan dalam bentuk curah. Konveyor pneumatik sering dipakai di banyak industri, pertanian, konstruksi bangunan dan transportasi cairan kimia. Menurut
Spivakosky
(1982)
konveyor
pneumatik
akan
dirancang
berdasarkan kapasitas yang dibutuhkan berupa debit aliran bahan yang diangkut (Qs) dan massa jenis tumpukan bahan (γ). Parameter penting dalam perhitungan konveyor pneumatik yaitu debit udara pembawa bahan(Vair), tekanan udara (P) dan diameter pipa dalam (dp) beserta jumlah panjang jarak konveyor pneumatik (Leq), kerapatan campuran bahan dan udara (u), dan kecepatan aliran udara. Perhitungan konveyor pneumatik dilakukan dengan menentukan debit aliran bahan. Debit aliran bahan tersebut menunjukkan massa bahan yang harus dialirkan per satuan waktu. Debit bahan ini biasanya telah diketahui dan disesuaikan dengan kapasitas sistem sebelum maupun sesudahnya sesuai dengan yang dikehendaki. Debit bahan suatu sistem konveyor dapat diketahui dengan analisa atau percobaan dengan mengukur berat bahan yang lewat serta waktu pengangkutan. Hasilnya dimasukkan ke dalam persamaan berikut : 4.15 Jumlah panjang jarak konveyor pneumatik adalah jumlah total jarak yang harus ditempuh bahan dari pemasukan konveyor hingga keluarannya
Jumlah
panjang dapat dihitung dengan persamaan : 4.16
69
Menurut Perry (1966) belokan 90o menimbulkan hambatan sebesar 40K dari diameter, dengan K sebagai konstanta hambatan sebesar 1.5. Massa jenis tumpukan produk (Bulk Density) biasanya telah diketahui atau dapat dilakukan dengan percobaan. Massa jenis tumpukan adalah massa bahan per satuan volume tumpukan. Perhitungan dilakukan dengan persamaan sebagai berikut : 4.17 Parameter kecepatan udara pembawa (Vudara) dapat diperoleh dengan dua cara yaitu melalui tabel maupun perhitungan. Kecepatan udara pembawa yang dibutuhkan dapat dihitung secara matematis dengan persamaan sebagai berikut : .
2
4.18
di mana α sebagai konstanta ukuran bahan, meningkat sesuai dengan besar ukuran bahan (Tabel 15) , serta B sebagai konstanta bernilai antara ( 2 hingga 5 x 10-5) sesuai tingkat kadar air bahan. Atau kecepatan udara pembawa juga dapat secara pendekatan dengan menggunakan tabel 16. Tabel 15. Jenis Bahan dan Konstanta Berdasarkan Ukuran Bahan α Bahan
Ukuran maksimum bahan
α
bubuk
1-1000 micron
10-16
Butiran
1-10 mm
17-20
Gumpalan kecil
10-20 mm
17-22
Gumpalan menengah
40-80 mm
22-25
Sumber : (Spivakosky,1982)
70
Tabel 16 Hubungan Massa Jenis Tumpukan dan Kecepatan Udara Pembawa No. Massa Jenis Tumpukan/ Kecepatan Udara Pembawa/ Bulk Density lb/ft
3
Gas Velocity 3
kg/m
ft/min
m/min
1
10
160
2900
884
2
15
240
3590
1094
3
20
320
4120
1256
4
25
400
4600
1402
5
30
480
5050
1539
6
35
560
5500
1676
7
40
640
5840
1780
8
45
720
6175
1882
9
50
800
6500
1981
10
55
880
6800
2072
11
60
960
7150
2179
12
65
1040
7450
2270
13
70
1120
7700
2347
14
75
1200
8000
2438
15
80
1280
8250
2515
16
85
1360
8500
2591
17
90
1440
8700
2652
18
95
1520
9000
2743
19
100
1600
9200
2804
20
105
1680
9450
2880
Sumber : (Perry, 1984) Menurut Hosokawa (1960) debit udara konveyor pneumatik yang membawa suatu bahan dapat diperhitungkan dengan persamaan: 1000 60
13,9
4.19
71
1
4.20
dan k sebagai konstanta memiliki nilai 0.3 -1.2 (untuk jarak vertikal) dan 0.2 – 0.4 (untuk jarak horisontal). Kerapatan campuran udara dan bahan (u) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: 3,6
4.21
.
4.2.4.1 Penurunan Tekanan Fluida yang bergerak akan mengalami penurunan tekanan. Perbedaan tekanan inilah yang disebut sebagai penurunan tekanan. Penurunan tekanan tersebut terjadi karena adanya hambatan yang sangat berhubungan dengan gaya gesekan. Gaya gesek tersebut bisa terjadi antara fluida dan pipa maupun gesekan dalam bahan fluida itu sendiri. Konveyor pneumatik terdiri dari pipa-pipa tertutup dengan aliran fluida di dalamnya. Perbedaan tekanan antar titik input dan titik output bahan yang akan dihitung sebagai tekanan yang dibutuhkan oleh fluida dalam konveyor pneumatik. Fluida yang digunakan dalam pipa konveyor pneumatik adalah udara. Udara pembawa inilah yang akan membawa bahan seperti gabah dari satu titik masukan (input) hingga titik keluaran (output). Pengukuran penurunan tekanan pipa konveyor pneumatik dapat dilakukan dengan menggunakan rumus Darcy Weisbach (Ippen 1958) yaitu : ΔP
γ
= f
4.22 f =
Ltot C 2 d 2g
ΔP
d 2g γ Ltot C 2
4.23
Faktor gesek (f) akan bergantung pada ukuran pipa, percepatan aliran fluid, sifat kekentalan dan kekasaran bagian dalam pipa. Kekasaran relatif merupakan
72
perbandingan ukuran ketidak sempurnaan permukaan ε terhadap garis tengah sebelah dalam pipa. Pengukuran penurunan tekanan (pressure drop) pada konveyor pneumatik dapat menggunakan alat pengukur tekanan udara seperti manometer. Manometer merupakan alat pengukur tekanan udara yang paling sederhana dan dipakai secara luas. Salah satu tipe yang paling banyak digunakan adalah Manometer tabung U. Tekanan didapatkan dari perbedaan tinggi kolom cairan dalam tabung U seiring dengan masuknya udara yang mendesak cairan dalam tabung. Tabel 17 Perhitungan penurunan tekanan udara tanpa bahan
No
1 2 3 4 5 6
Q/A (m3/s m2) 16.63 20.4 28 28.2 28.8 31
Penurunan tekanan ∆P, Pa/m Hitung
Ukur
85.10 126.21 232.578 235.98 246.2 280.92
95 141 259 264 275 314
Adapun daya yang dibutuhkan untuk menghasilkan perbedaan tekanan adalah hasil kali antara fluida yang mengalir per detik (ρfgQ) dengan H. P = QΔPH
Dimana
4.24
H = Ltot (persamaan 4.16), m Q = Laju aliran udara, m3/det
4.2.4.2 Kecepatan (terminal terminal velocity)
Suatu objek yang jatuh mengalami dua gaya, yaitu gaya gravitasi dan gaya tarik yang besar, penjumlahan kedua gaya tersebut menghasilkan persamaan : F = mg-qACd Kecepatan terminal dicapai ketika F = 0, sehingga
4.25
73
mg - qACd = 0 = mg -
ACd
dengan demikian nilai kecepatan Vt sebagai bentuk kecepatan terminal tanpa melibatkan efek daya apung (buoyancy) adalah 4.26 Apabila efek daya apung (buoyancy effects) diperhitungkan, suatu objek yang jatuh melewati suatu fluida karena beratnya sendiri dapat mencapai kecepatan terminal, jika gaya netto yang bekerja pada objek sama dengan nol. Ketika kecepatan terminal telah dicapai, maka berat objek telah diseimbangkan oleh daya apung ke atas dan daya tarik, sehingga W = Fb + Fd
4.27
W = π/6 d3ρog
4.28
3
Fb = π/6 d ρg
4.29
Fd = Cd ρ V2Ab
4.30
Dengan mensubstitusikan persamaan (4.28 - 4.30) kedalam persamaan 4.27, didapat kecepatan terminal Vt sebagai berikut 4 3
4.31
74
4.2.5
Model Matematika Pengeringan adalah proses termophisik dan termokimia yang berhubungan
dengan perpindahan panas dan perpindahan massa di dalam suatu material padat. Di dalam proses pengeringan udara digunakan untuk menghantar panas ke bahan sehingga terjadi penguapan kadar air serta membawa uap air keluar dari massa bahan. Udara panas mengalir melintang terhadap aliran bahan yang dikeringkan, sehingga aliran panasnya dikenal dengan aliran melintang (cross flow), ilustrasi pengering cross-flow ditunjukkan pada Gambar 27. Berdasarkan elemen volume (dx dy) setiap satuan panjang pada setiap arah lokasi didalam pergerakan bahan yang ditunjukkan oleh gambar 28. Aliran Aliran bahan bahan
Ta(i+1)
Tai
Tp1 Aliran udara panas
Gambar 27 Ilustrasi pengering cross-flow Tp, M , Gp x y ∆y
Ta , H , Ga
y + Δy Gabar 28 Elemen volume untuk proses pengeringan cross flow Terdapat empat variabel (Bala, 1997), yaitu Ta,Tp, H dan M, sehingga diperlukan empat persamaan untuk menyelesaikannya, yaitu tiga persamaan
75
diferinsial parsial (persamaan 4.38, 4.42, 4.46 ), dan satu persamaan untuk lapisan tipis ( persamaan 4.47) yang digunakan dalam kajian model simulasi ini. 4.2.6
Persamaan Keseimbangan massa :
perubahan kadar air dalam udara = perubahan kadar air bahan dalam satuan waktu, aliran kadar air dalam udara masuk suatu elemen adalah : Ga H(x) dy
4.32
dan keluar elemen: Ga H(x+dx)dy
4.33
demikian pula dalam satuan waktu aliran kadar air bahan masuk elemen: GpM(y)dx
4.34
dan keluar elemen: GpM(y+dy)dx
4.35
Keseimbangan massa nya adalah : [GaH(x+dx)- GaH(x)]dy = [GpM(y)-GpM(y+dy)]dx
4.36
Menggunakan deret Taylor dan menghilangkan semua bentuk dx2,dy2dan yang lebih tinggi, maka didapat : Ga
dH dM = −G p dx dy
G p dM dH =− dx G a dy 4.2.7
4.37 4.38
Persamaan Keseimbangan Energi Perubahan entalpi udara = pindah panas konvektif bahan dan yang diberikan
oleh udara dalam menguapkan kadar air. dalam satuan waktu panas yang mengalir ke dalam elemen adalah : Ga[(Cpa+CpwH(x))Ta(x)+hfgH(x)]dy
4.39
dan yang mengalir keluar elemen : Ga[(Cpa+CpwH(x+dx))Ta(x+dx)+hfgH(x+dx)]dy
4.40
76
Sehingga dari persamaan 4.39 dan 4.40, dapat dituliskan menjadi : Ga[(Cpa+CpwH(x+dx))Ta(x+dx)+hfgH(x+dx)]dy- Ga[(Cpa+CpwH(x))Ta(x)+hfgH(x)]dy = -hcv (Ta-Tp)dxdy + GaCpw
4.41
4.42
4.2.8
Persamaan Laju Pindah Panas
Laju pindah panas antara udara dan bahan = Perubahan panas sensibel bahan + delta entalpi dalam satuan waktu, panas yang mengalir kedalam elemen oleh karena pergerakan bahan adalah: Gp (Cpp+M(y)Cpl)Tp(y)dx
4.43
dan yang mengalir keluar adalah : Gp (Cpp+M(y+dy)Cpl)Tp(y+dy)dx
4.44
Perubahan tersebut mengakibatkan panas konveksi dari udara hcv (Ta-Tp)dxdy dan panas desorpsi yang ditambahkan ke bahan (hfg+CpwTp)Ga( H/ x)dxdy,sehingga dapat dituliskan menjadi : Gp (Cpp+M(y+dy)Cpl)Tp(y+dy)dx- Gp (Cpp+M(y)Cpl)Tp(y)dx = - hcv (Ta-Tp)dxdy - (hfg+CpwTp)Ga( H/ x)dxdy
4.45 /
4.46
4.2.9 Persamaan Laju Pengeringan dM/dt = menggunakan persamaan pengeringan lapisan tipis, persamaan dasar perubahan kadar air bahan dari kadar air awal M0 ke kadar air akhir M untuk model pengeringan lapisan tipis, berdasarkan Thahir (1986) : M − Me = e − kt M0 − Me
4.47
77
dM = −k ( M − M e ) dt
Me = 17.7700 exp (-0.0516.ΔT)/100 dan
4.49 4.49
k = exp (6.8274 – 4431.98/T) menit-1
4.50
Dalam penelitian ini dilakukan simulasi pengeringan untuk alat pengering tipe resirkulasi, yang secara diagramatis ditunjukkan pada gambar 25. Dari persamaan tersebut di atas terdapat 4 hal yang tidak diketahui yaitu kadar air M ; kelembaban absolut udara pengering H ; temperatur udara pengering Ta dan temperatur bahan Tp, untuk menyelesaikan persamaan-persamaan tersebut di atas digunakan teknik finite difference, seperti ditunjukkan pada Gambar 29. Dengan demikian didapat persamaan-persamaan sebagai berikut : Ta(i+1,j)=Ta(i,j)+Δx Tp(i,j+1)=Tap(i,j)+Δy
(i,j) (i,j)
H(i+1,j)=H(I,j)+Δx (i,j)
Δx
Tp
Δy
(i+1,j) (i,j) Ta
(i+1,j+1) (i,j+1)
y x Gambar 29 Grid finite difference untuk persamaan pengering resirkulasi cross-flow
4.51
78
dTp dy
hcv Ta
Tp
Ga hfg Gp Cpp
G p dM dH =− dx G a dy
Cpw
Cpl
Tp dH/dx
4.52
Cpl M
4.53
dM dM dt =− dy dt dy
4.54
Parameter-parameter yang digunakan dalam simulasi sebagai masukan adalah kadar air awal (M0), temperatur gabah awal (Tp0), temperatur udara pengering (Ta), laju udara pengering, kelembaban mutlak udara (H) yang diukur langsung dengan percobaan dilapangan, kelembaban relatif udara pengering (RH), serta beberapa parameter yang berhubungan dengan sifat udara dan gabah yang digunakan yaitu: Tabel 18. Parameter yang digunakan dalam simulasi Parameter
Nilai
Panas jenis gabah Cpp
2046 J/kg K
Koefisien pindah panas konveksi hcv
3.9178(737.33Ga)0.49 untuk Ga<0.678 kg/m2dt 2.0611(737.33Ga)0.59untuk Ga>0.678 kg/m2dt
Panas jenis air Cpw
4187 J/kg K
Panas jenis uap air Cpv
1850 J/kg K
Panas jenis udara Cpa
1008 J/kg K
Panas laten penguapan hfg
∆hfg /∆hfgw = 1.298
Untuk nilai-nilai k, Tp dan Ta diasumsikan konstan setiap awal proses pengeringan dalam pengering resirkulasi, hal ini dikarenakan setelah pengeringan terjadi tempering, dimana temperatur bahan berangsur-angsur kembali mendekati temperatur awalnya, karena tidak terjadi pemanasan selama proses tempering berlangsung, dan selama proses tempering diasumsikan tidak terjadi perpindahan massa pada permukaan bahan, perhitungan untuk proses tempering seperti perhitungan proses pengeringan, tetapi diasumsikan nilai k sama dengan 0.
79
Sedangkan untuk verifikasi model dilakukan dengan menggunakan pengering resirkulasi yang telah dibuat, alat pengering tersebut dirancang dengan kapasitas 1 ton per proses, terdiri dari dua bagian yang dapat dioperasikan sendirisendiri, sehingga setiap bagian mempunyai kapasitas 500 kg per proses. Dasar penentuan kapasitas alat adalah hasil pengamatan dilapang yang menunjukkan bahwa rata-rata setiap unit usaha penggilingan padi didaerah Bogor memiliki lahan untuk pengeringan 15 x 15 m2 dengan kapasitas pengeringan 1.0 ton hingga 2.5 ton gabah. Parameter yang diamati adalah perubahan kadar air bahan, temperatur udara keluar ruang pengering, kelembaban udara masuk dan keluar ruang pengering, waktu yang dibutuhkan selama proses pengeringan hingga rata-rata kadar airnya mencapai 12% -14% basis basah , pengujian kadar air bahan dilakukan pada saat sebelum masuk ruang pengering dan setelah keluar ruang pengering. Suatu program komputer yang ditulis dalam Visual basic (Versi 6.0, Microsoft Corporation) digunakan untuk simulasi model pengeringan resirkulasi gabah (lampiran 3).
4.3
BAHAN DAN METODE
4.3.1
Waktu dan Tempat Penelitian untuk analisa sifat termofisik bahan, pembuatan alat uji (alat
pengering resirkulasi)
dan pengamatan
hasil pengeringan dilakukan di
Laboratorium Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Waktu penelitian dimulai bulan April 2007 sampai Juli 2008.
4.3.2 Bahan dan Alat Bahan yang digunakan dalam percobaan adalah gabah varietas Ciherang , yang didapat dari kelompok petani didaerah Bogor yang dipanen pada tanggal 18, 21 dan 23 Mei 2008, dan telah diuji sifat thermofisiknya seperti ditunjukkan pada tabel 18.
80
Peralatan yang digunakan adalah , pengering resirkulasi hasil perancangan, timbangan digital, anemomaster, sensor temperatur, sensor temperatur dan RH(SHT11), microkontroler 8051, komputer, termometer air raksa, gelas ukur, stop watch, Kett Mouisture tester, mesin penampi, Satake Rice Machine (Satake Engineering Co., Ltd., Japan), oven.
1 2 3 4
5
6
Keterangan : 1 2 3 4 5 6
Lubang pengukur tekanan dengan U tube Lubang pengukur kecepatan dan temperatur udara pengering Micro controller Cross flow heat exchanger Blower udara pengering Blower udara pembawa Titik pengambilan sampel Titik pengukuran temperatur Titik pengukuran temperatur dan RH Gambar 30 Titik pengukuran pengering resirkulasi
81
Kadar air kesetimbangan Me dan konstanta pengeringan k dihitung berdasarkan persamaan 4.49 dan 4.50 (Thahir, 1986), sedangkan panas laten penguapan air dalam bahan Δhfg/Δhfgw = 1.298
4.3.3
Prosedur Percobaan Percobaan dilakukan dengan menggunakan alat pengering resirkulasi ,
pengering terdiri dari: alat penukar panas dengan daya blower 0.25 HP; sistem konveyor pneumatik dengan daya motor 0.5 HP; bangunan ruang pengering dan tempering; kompor bertekanan dengan pompa listrik dan dilekengkapi dengan seperangkat akuisis data. Titik-titik pengukuran ditunjukkan pada Gambar 30. Temperatur udara pengering dijaga pada temperatur 60oC, dengan mengatur bukaan katup saluran bahan bakar. Prosedur percobaan adalah sebagai berikut : Gabah yang baru dipanen dibersihkan dari sisa-sisa jerami dan kotoran lainnya dengan menggunakan mesin penampi, kemudian ditimbang sebanyak 450 kg gabah kering panen dimasukan ke dalam alat pengering resirkulasi, kompor dinyalakan, setelah tiga menit untuk memanaskan pipa saluran bahan bakar, agar viskositas bahan bakar turun, kemudian blower udara pengering dihidupkan sehingga laju udara pengering adalah 0.16 m3/detik. Ketika temperatur udara pengering telah stabil pada 60oC, blower sistem konveyor pneumatik dihidupkan, kemudian katup aliran gabah dibuka pada ukuran tertentu sehingga didapat laju aliran gabah 6 kg/menit.
82
Gambar 31 Mekanisme Kerja Mesin Pengering Pengambilan sampel untuk pengujian kadar air dilakukan setiap jam sekali, dari bagian atas ruang pengering dan bagian bawah ruang pengering. Pengujian kadar air dilakukan baik dengan metode oven maupun menggunakan Kett Mouisture tester. Proses pengering berakhir ketika hasil pengujian kadar air dari sampel bagian atas ruang pengering dan dari bagian bawah ruang pengering sama dengan 14% ± 0.5% basis basah.
4.3.4
Kalibrasi pengukuran kadar air Pengukuran kadar air bahan dilakukan dengan menggunakan metode oven
(Metode pengukuran langsung), dengan temeperatur pengeringan 105oC, dengan waktu pengeringan 5 jam dan berat sampel 5 g , metode ini merupakan adopsi berdasarkan Food Agency (Seo, 1995), dan menggunakan Kett Mouisture tester
83
(metode pengukuran tidak langsung), hasil pengukuran tersebut dibandingkan dan hasilnya ditampilkan pada gambar 32.
Kadar air Oven % bb
30 y = 1,021x + 0,033 R² = 0,997
25 20 15 10 5 0 0
10 20 30 Kett Grain moisture tester % bb
Gambar 32 Kalibrasi pengukuran kadar air
4.4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.4.1
Hasil disain Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan pada bab 2 dan bab 3, dimana
kompor tekan digunakan sebagai sumber panas, untuk kebutuhan udara pengering, dan perbandingan waktu pengeringan dengan waktu tempering antara 1: 3 hingga 1: 4, yang juga sesuai dengan recomendasi dari Ban (1971), maka didapat disain dimensi ruang pengering 140 x 700 x 1200 mm3, serta dimensi ruang tempering 400 x 1000 x 1200 mm3 dan ruang hooper setelah ruang pengering dengan ukuran ratarata 400 x 400 x 650. Dengan demikian perbandingan volume antara ruang pengering dan total ruang tempering mencapai 1:4. Adapun berdasarkan persamaan 4.17, dengan asumsi diameter gabah 3 mm, Cd = 0.98, maka didapat kecepatan terminal 4.16 m/detik, sedangkan kecepatan udara pembawa berdasarkan persamaan 4.4, dapat dihitung dengan hasil 23.67 m/detik atau menggunakan tabel 15 hasilnya 28.8 m/detik. Perhitungan penurunan tekanan dihitung berdasarkan persamaan 4.8, dengan menggunkan pipa PVC, dianggap permukaan halus, sehingga kekasaran relatif
84
adalah 0.005 mm, menggunakan diagram Moody (Perry 1966), didapat nilai penurunan tekanan 1125 Pa. Berdasarkan data tersebut di atas, maka digunakan blower udara pembawa dengan spesifikasi tipe CZR1-80, dengan daya listrik 370 Watt, penurunan tekanan 1400 Pa, kapasitas 630 m3/jam, Gambar 33 menunjukkan alat pengering hasil disain.
Gambar 33 Alat pengering gabah resirkulasi hasil disain 4.4.2
Kurva Pengeringan antara simulasi dan percobaan Dengan mengunakan model pengeringan resirkulasi, kadar air bahan dapat
dihitung menggunakan nilai-nilai parameter (Me, k, Ta, dan RH), dengan diasumsikan pengering sebagai pengeringan lapisan tipis, aliran udara pengering cross-flow untuk pengeringan gabah. Gambar 34, menunjukkan kurva penurunan kadar air selama proses pengeringan baik berdasarkan hasil simulasi maupun hasil pengukuran, dengan bahan yang dikeringkan 450 kg, kadar air awal 23.5% (bb), berdasarkan simulasi
85
menunjukkan, lama pengeringan 11.8 menit dan tempering 48.9 menit setiap siklus dan terdapat 9 kali siklus untuk mencapai kadar air akhir 14.13%(bb),dengan waktu pengeringan total adalah 545.5 menit, sedangkan berdasarkan percobaan waktu pengeringan total selama 600 menit dan kadar air akhir 14.2%(bb), dengan perbedaan antara simulasi dengan percobaan adalah sebesar 0.07% (bb) untuk memprediksi kadar air akhir adalah, sedangkan untuk memprediksi waktu pengeringan hasil simulasi 54.5 menit lebih cepat.
Kadar air (% bb)
25 20 15 pengukuran
10
simulasi 5 0 0
200
400
600
800
Waktu total pengeringan (menit)
Gambar 34 Kurva penurunan kadar air antara percobaan dan simulasi untuk kadar air awal 23.5% bb Gambar 35, dengan jumlah bahan yang dikeringkan 410 kg, kadar awal bahan 22.3% (bb), berdasarkan simulasi diperlukan waktu pengeringan 11.8 menit, tempering 44 menit, untuk setiap siklusnya, untuk mencapai kadar air akhir 14.1% (bb) diperlukan 9 kali siklus, sehingga total waktu pengeringan yang dibutuhkan adalah 502 menit, adapun berdasarkan percobaan, total waktu pengeringan yang diperlukan untuk mencapai kadar air akhir 14.39% adalah 540 menit, dengan demikian terdapat perbedaan antara hasil simulasi dengan percobaan, dimana hasil pecobaan menunjukkan kadar air lebih besar 0.29% (bb) dan 38 menit lebih lama.
86
25
Kadar air (% bb)
20 15 pengukuran
10
simulasi 5 0 0
100
200
300
400
500
600
Waktu total pengeringan (menit)
Gambar 35 Kurva penurunan kadar air antara percobaan dan simulasi untuk kadar air awal 22.3% Kurva hasil percobaan tidak menggambarkan adanya proses tempering oleh karena didalam percobaan proses pengeringan terjadi sirkulasi terus menerus, serta pengukuran dilakukan setiap jam pada titik sebelum dan setelah ruang pengering saja. Waktu tempering didalam percobaan didapat berdasarkan waktu yang diperlukan bahan untuk mencapai ruang pengering, pada proses pengeringan berikutnya. Gambar 36 dan 37 menunjukkan distribusi kadar air di dalam ruang pengering berdasarkan simulasi. Penurunan kadar air terjadi secara diagonal, karena semakin ke bawah gabah mengalami pengeringan lebih lama, dan temperatur udara panas semakin berkurang ke arah saluran udara ke luar. Hasil simulasi mendekati hasil percobaan baik untuk penurunan kadar air maupun waktu yang diperlukan untuk pengeringan, perbedaan yang terjadi adalah total waktu pengeringan hasil simulasi lebih cepat antara 38 menit hingga 54.5 menit, serta kadar air akhir hasil pengeringan berdasarkan simulasi lebih rendah daripada hasil percobaan, hal ini disebabkan oleh adanya cara pengukuran yang dilakukan selama percobaan dalam interval 1 jam sekali.
877
1 4 7 10 13
22 2,5‐23
16 19 22 25 28
22 2‐22,5 21 1,5‐22 21 1‐21,5
31 34
Gamb bar 36 Distribbusi kadar air a di dalam ruang r pengerring hasil sim mulasi padaa waktu penggeringan 11.88 menit, denngan kadar air awal 23.5% % bb 1 4 7 0 10
20,5‐21 20‐20,5 19,5‐20 19‐19,5
13 3
18,5‐19
16 6
18‐18,5
19 9
17,5‐18
22 2
17‐17,5
25 5
16,5‐17
28 8
16‐16,5
31 1 34 4
15,5‐16 15‐15,5
Gamb bar 37 Distribbusi kadar air a di dalam ruang r pengerring hasil sim mulasi padaa waktu penggeringan 3033 menit, denngan kadar aiir awal 23.5% % bb
88
4.4.3
Pengaruh waktu tempering terhadap beras kepala Pengaruh waktu tempering terhadap mutu gabah yang ditandai dengan
besarnya nilai Beras kepala, seperti ditunjukkan pada tabel 20. Nampak walaupun kecil terdapat perbedaan, semakin lama waktu tempering semakin besar nilai beras kepala nya. Hal ini menunjukkan perlunya waktu tempering agar kadar air bahan antara pusat bahan dan permukaan merata dan mengurangi adanya tegangan panas (thermal stress) secara terus menerus yang dapat menyebabkan keretakan (Bonazzi et al. 1994). Tabel 20 Beras kepala terhadap waktu tempering Lama Tempering
40 menit
50 menit
Rendemen Beras kepala
72.69 %
74.3 %
4.4.4 Distribusi temperatur udara pengering masuk dan keluar Temperatur udara pengering masuk ruang pengering relatif konstan sebesar rata-rata 59.52oC dan RH 17.33%, entalpi rata-rata adalah 135.71(kJ/kg), sedangkan temperatur udara keluar rata-rata 42.29oC dan RH rata-rata 53.57%, entalpi rata-rata 135.58 (kJ/kg), dengan demikian entalpi udara pengering masuk dengan entalpi udara pengering keluar hampir sama, hal ini menunjukkan proses pengeringan terjadi secara entalpi konstan, dan dianggap proses adiabatik, karena tidak ada panas yang megalir selain dari udara pengering itu sendiri. Distribusi temperatur udara pengering di dalam ruang pengering bervariasi terhadap jaraknya, Gambar 38 menunjukkan distribusi temperatur pada menit ke 11.8 menit. Adapun Gambar 39 adalah keadaan distribusi temperatur udara pengering setelah menit ke 446.24 menit, ketika akhir proses pengeringan. Berdasarkan Gambar 40 temperatur udara keluar pengering secara rata-rata semakin meningkat, sepanjang waktu pengeringan, hal tersebut menandakan kadar air bahan semakin berkurang, sehingga energi yang diperlukan untuk menguapkan air dalam bahan semakin kecil.
899
1 59‐60 57‐58 55‐56 53‐54 51‐52 49‐50 47‐48 45‐46 43‐44 41‐42 39‐40 37‐38 35‐36
4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34
58‐59 56‐57 54 4‐55 52‐53 50‐51 48‐49 46‐47 44 4‐45 42‐43 40‐41 38‐39 36‐37
Gambar 38 8 Distribusi temperatur t u udara pengerring secara simulasi s di dalam d ruang peng gering pada menit m ke 11.88 menit, untuuk kadar air gabah 23.5 % bb
1 4 7 10 13
59‐60
58‐59
57‐58
56‐57
55‐56
54‐55
53‐54
52‐53
51‐52
50‐51
16
49‐50
48‐49
19
47‐48
46‐47
22
45‐46
44‐45
25
43‐44
42‐43
28
41‐42
40‐41
31
39‐40
38‐39
37‐38
36‐37
34
Gambar 39 9 Distribusi temperatur t u udara pengerring secara simulasi s di dalam d ruang pengeering pada menit m ke 446.2 menit, unntuk kadar air gabah 23.55% bb
90 70
temperatur (°C)
60 50 40 suhu udara masuk
30
suhu udara keluar
20 10 0 0
200
400 Waktu (menit)
600
800
Gambar 40 Distribusi temperatur udara pengering pengukuran pada percobaan dengan kadar air gabah 23.5% bb. Gambar 40 menunjukkan perbandingan distribusi temperatur udara keluar pengering berdasarkan simulasi dan percobaan, nampak bahwa hasil simulasi tidak jauh berbeda dengan hasil pengukuran dalam percobaan dengan koefisien diterminasi (R2) = 0.95, sehingga simulasi dapat digunakan untuk memprediksi nilai temperatur keluar pengering dengan sangat baik. 60
Temperatur ( C)
50 40 30 simulasi 20
percobaan
10 0 0
200
400
600
800
Waktu (menit)
Gambar 41 Distribusi temperatur udara keluar pengering, secara simulasi dan percobaan
91
Tempertur percobaan °C
47
Tcoba = 0,935Tsim + 0,867 R² = 0,975
42
Linear (antara simulasi vs percobaan)
37
32 32
37 42 47 Temperatur simulasi °C
Gambar 42 Grafik temperatur udara keluar pengering, secara simulasi dan percobaan 4.4.5
Perubahan Temperatur Bahan Temperatur bahan rata-rata di dalam ruang pengering meningkat secara
linier terhadap waktu pengeringan, berdasarkan hasil simulasi peningkatan temperatur bahan tersebut berdasarkan persamaan y = 0.896x + 30.06, dimana y adalah temperatur bahan dan x merupakan waktu pengeringan. Gambar 43 menunjukkan perubahan temperatur bahan terhadap waktu pengeringan, dimana pada akhir satu proses pengeringan temperatur bahan adalah 39.9oC, ini berarti masih berada dibawah garis temperatur transisi gelas. Dengan demikian akan mengurangi terjadinya keretakan bahan. Apabila bahan dikeringkan selama 20 menit, berdasarkan hasil simulasi, temperatur bahan mencapai 47.95oC, sehingga berada pada daerah transisi gelas, hal ini akan berakibat terjadinya perbedaan sifat antara bagian permukaan bahan yang berada dalam daerah glassy dan pada bagian pusat bahan masih dalam daerah rubbery. Keadaan tersebut akan menimbulkan stress pada bahan, sehingga akan meningkatkan kerusakan bahan.
92
Temperatur bahan (°C)
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
5
10
15
Waktu pengeringan (menit)
Gambar 43 Simulasi perubahan temperatur bahan terhadap waktu pengeringan siklus pertama 4.4.6 Penurunan Tekanan Hasil pengukuran menunjukkan, penurunan tekanan dari lubang keluaran blower arah horisontal ditambah belokan adalah 686.7 Pa (7 cm kolom air) dan pada arah vertikal sepanjang 2 meter pengukuran adalah 294.3 Pa (3 cm kolom air) sehingga total penurunan tekanan adalah 980 Pa (10 cm kolom air). Berdasarkan persamaan 4.23, maka didapat nilai f = 0.068. Sedangkan daya listrik yang dibutuhkan berdasarkan persamaan 4.24, didapat hasil daya P = 217.78 watt. Spesifikasi blower yang digunakan mempunyai kapasitas 24 m3/menit dengan diameter pipa PVC 76 cm, kecepatan udara pembawa adalah 46 m/detik dan penurunan tekanan hingga 1400 Pascal, daya 0.5 Hp (370 watt), dengan demikian pemilihan blower dalam disain memadai karena, penurunan tekanan yang terjadi masih berada dibawah kapasitas blower yang digunakan. Terdapat aliran yang tidak lancar selama proses pengeringan berlangsung yang kemungkinan disebabkan oleh adanya bridging, sehingga mengurangi kapasitas alat.
93
Tabel 21 Unjuk kerja alat secara umum Parameter Massa gabah awal Kadar Air awal KadarAir Akhir Temp Udara lingkungan RH udara lingkungan Temp Udara pengering rata-rata RH udara Pengering Laju udara pengering Daya blower udara pengering Temp Udara pengering keluar rata-rata Laju Udara Pembawa Daya blower udara pembawa Total waktu pengeringan Konsumsi bahan bakar Effisiensi pengeringan Rendemen beras kepala (thd beras pecah kulit) Konsumsi Energi Spesifik (non renewable energy) Konsumsi Energi Spesifik (total)
4.5
Satuan kg % bb % bb o C % o C % m3/dt Watt o C
Percobaan I 450 23.5 13.95 31 80 59.5 19 0.16 125 43
Percobaan II Percobaan III 410 410 22.3 22.8 14.15 14.20 31 31 80 80 59.5 60 20 18 0.16 0.16 125 125 42 43
m3/dt Watt jam liter/jam % %
0.23 370 10 0.95 31.1 74.3
0.23 370 9 1.15 22.2 72.69
0.23 370 9 1.20 22.6 72
MJ/kg uap air MJ/kg uap air
3.475
4.786
4.131
6.499
8.980
8.625
KESIMPULAN 1. Simulasi komputer yang dibuat dapat digunakan untuk memprediksi total waktu pengeringan dengan perbedaan antara 7-10%, dan perbedaan kadar air akhir antara 2 – 3%. 2. Waktu pengeringan berdasarkan simulasi, tiap sirkulasi yang diperlukan 11.8 menit dan waktu tempering 48.9 menit (perbandingan waktu pengeringan dan waktu tempering 1:4), dengan kadar air awal bahan 23.5%, untuk mencapai kadar air rata-rata 14.2% dibutuhkan 9 kali sirkulasi dengan total waktu pengeringan 545.5 menit.
94
3. Penggunaan temperatur udara pengering 60 oC menghasikan rendemen beras kepala 72-74.3%, adapun pengeringan kovensional menghasilkan rendemen beras kepala 64.77%, pada pengeringan cuaca cerah. 4. Konsumsi energi spesifik (non renewable energy) antara 3.475 MJ/kg uap air hingga 4.786 MJ/kg uap air, dengan menggunakan campuran minyak jarak dan minyak tanah 1:1, didapat konsumsi energi spesifik total antara 6.499 MJ/kg uap air hingga 8.98 MJ/kg uap air dan Efisiensi pengeringan antara 22.20 – 31.10%. Konsumsi Energi listrik menggunakan konveyor pneumatik 1.028 Wh/kg produk.
