MODIFIKASI PENUKAR PANAS MODEL PENGERING HYBRID TIPE RAK UNTUK PENGERINGAN CHIP MOCAF
CANDRA VIKI ARNANDA
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Modifikasi Penukar Panas Model Pengering Hybrid Tipe Rak untuk Pengeringan Chip Mocaf adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing skripsi dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2015 Candra Viki Arnanda NIM F14100061
ABSTRAK Permasalahan utama pada penelitian sebelumnya menggunakan alat pengering efek rumah kaca (ERK) hybrid tipe rak adalah rendahnya nilai efisiensi pengering dan tingginya konsumsi energi, oleh karena itu tujuan penelitian ini adalah melakukan modifikasi desain penukar panas dan tungku biomassa dari pengering ERK hybrid tipe rak dan uji performansi pengering ERK hybrid tipe rak untuk pengeringan chip mocaf. Pengembangan desain yang dilakukan berupa penambahan sirip tipe melingkar pada heat exchanger sebanyak 9 sirip per pipa. Ukuran sirip 0.093 m × 0.063 m. Bahan pembangun tungku adalah batu bata dengan ukuran 0.58 m × 0.58 m × 0.30 m. Pengujian pengeringan di siang hari menggunakan chip mocaf dengan kapasitas 18.04 kg dari kadar air 69.88%bk hingga 12.56%bk dibutuhkan waktu 11.5 jam dengan suhu pengeringan 43.65C, efisiensi pengeringan 9.37%, efisiensi termal 24.84%, dan konsumsi energi spesifik 28.19 MJ/kg uap air. Pengujian dengan kapasitas 18.09 kg chip mocaf pada siang dan malam dari kadar air 70.74%bk hingga 13.76%bk, waktu pengeringan selama 15 jam dengan suhu pengeringan 45.83C, efisiensi pengeringan 6.79%, efisiensi termal 24.32%, dan konsumsi energi spesifik 32.80 MJ/kg uap air. Hasil ini memberikan peningkatan efisiensi sebesar 1.697% dibandingkan dengan penelitian sebelumnya. Kata kunci : chip mocaf, efisiensi, sirip, tungku,
ABSTRACT The main problems of previous experiment using rack type greenhouse effect dryer (GHE) equipment were low level of drying efficiency and high level of energy consumption, therefore the purposes of this experiment were to develop the design of heat exchanger and biomass stove from rack type GHE dryer and to develop the performance of hybrid rack type GHE dryer for drying mocaf chips. One of the developments of the design was the addition of circle type fins on heat exchanger as much as 9 fins per pipe. The dimension of each fin was 0.093 m x 0.063 m. Materials of the stove were bricks by dimension of 0.58 m x 0.58 m x 0.3 m (L x W x H). The drying experiment during daylight period using mocaf chips with capacity of 18.04 kg from moisture content of 69.88%db to 12.56%db needed 11.5 hours with drying temperature of 43.65C. The drying efficiency was 9.37%, thermal efficiency was 24.84% and specific energy consumption was 28.19 MJ/kg vapor. In the experiment capacity of 18.09 kg mocaf chips during daylight and night period from moisture content of 70.74%db to 13.76%db required drying time of 15 hours with drying temperature of 45.83C, drying efficiency was 6.79%, thermal efficiensy was 24.32%, and specific energy consumption was 32.80 MJ/kg vapor. This research resulted increased efficiency of 1.697% than previous design. Keywords : mocaf chip, fin, stove, efficiency
MODIFIKASI PENUKAR PANAS MODEL PENGERING HYBRID TIPE RAK UNTUK PENGERINGAN CHIP MOCAF
CANDRA VIKI ARNANDA
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015
PRAKATA Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia dan rahmat-Nya sehingga tugas akhir ini dapat diselesaikan. Judul dari tugas akhir ini yaitu Modifikasi Desain Penukar Panas Model Pengering Hybrid Tipe Rak untuk Pengeringan Chip Mocaf yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2014. Bersamaan dengan selesainya tugas akhir ini, penulis ingin menyampaikan penghargaan dan terima kasih kepada : 1. Wahman dan Wasini selaku orang tua, Annisa Unnurjannah dan Ibnu Firmansyah selaku adik penulis yang telah memberikan dukungan, motivasi, semangat dan do’a sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Dr Ir Dyah Wulandani, MSi selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan, masukkan, motivasi, dan nasihat kepada penulis selama penelitian hingga penyusunan skripsi ini. 3. Dr Ir Leopold Oscar Nelwan, STP MSi dan Dr Ir Gatot Pramuhadi, MSi selaku dosen penguji yang telah memberikan bimbingan dan masukan yang berharga kepada penulis. 4. Winda Lismaya, Fika Rahimah, Elgy Muhammad Rizqia, Deny Saputro, Adhika Rozi Ahmad, Oldga Agusta Dezarino, Amri Maulana, Febri Aditya AGS, Eris Astari Putra, Rizki Agung Prandhita, Muhammad Fahri Hasyim, Fajar Fajrul Ulum, Rosma Z Wardhani, Nariratri Kusuma Liski, Aulia Mutmainnah, Ryan Akbar Prayogi, dan teman-teman TMB yang telah memberikan motivasi dan bantuan kepada penulis selama penelitian hingga penyusunan skripsi ini. 5. Pak Harto, Pak Ahmad, dan Pak Darma yang membantu penulis selama penelitian dan seluruh staf UPT TMB IPB yang membantu dalam proses administrasi. 6. Pak Damiri, Pak Agus, dan Enday yang telah memberikan masukan dan bantuan selama proses pabrikasi alat pengering. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat bermanfaat.
Bogor, Januari 2015
Candra Viki Arnanda
DAFTAR ISI DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR SIMBOL Subscript PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan TINJAUAN PUSTAKA Chip Mocaf Pengeringan Chip Mocaf Pengeringan Pengeringan Efek Rumah Kaca (ERK) Hybrid Heat Exchanger dan Sirip Tungku Biomassa METODOLOGI Waktu dan Tempat Pelaksanaan Alat dan Bahan Prosedur Penelitian Analisis Data HASIL DAN PEMBAHASAN Pembuatan dan Penyempurnaan Konsep Desain Perancangan Analisis Perancangan Heat Exchanger dan Tungku Biomassa Pembuatan Model Alat Pengering ERK Pengujian Tanpa Beban Pengujian dengan Bahan Chip Mocaf Uji Performansi Pengering Penggunaan Energi Selama Proses Pengeringan Perpindahan Panas pada Sistem Tungku SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN RIWAYAT HIDUP
v vi vi vii vii vii 1 1 2 2 2 2 3 4 5 6 7 8 8 8 9 11 13 13 14 16 20 22 24 28 29 31 31 32 32 35 58
DAFTAR GAMBAR 1 Tahapan pembuatan mocaf 2 Kurva penurunan laju pengeringan terhadap waktu 3 Permukaan penyerap panas yang diperluas (Kothandaraman 2006) 4 Diagram tahap penelitian 5 Lokasi pengambilan data 6 Pengering ERK hybrid tipe rak 7 Rak bahan 8 Heat exchanger 9 Tungku biomassa 10 Inlet ruang pengering 11 Outlet ruang pengering 12 Inlet, ruang heat exchanger, dan outlet heat exchanger 13 Sebaran suhu ruang pengering pada percobaan 1 14 Sebaran suhu ruang pengering pada percobaan 2 15 Sebaran suhu ruang pengering pada percobaan 3 16 Sebaran suhu ruang pengering pada percobaan 4 17 Perubahan kadar air pada percobaan 3 18 Perubahan kadar air pada percobaan 4
3 5 7 9 11 16 17 17 18 18 19 19 21 21 23 23 27 27
DAFTAR TABEL 1 2 3 4 5 6 7 8
Standar mutu mocaf Peralatan penelitian Data awal perancangan Perhitungan dimensi untuk rancangan konsep pengering Kebutuhan panas pengering Perhitungan jumlah, dimensi, dan panas pada heat exchanger Perhitungan sirip Nilai rata–rata suhu, RH, kecepatan angin, irradiasi surya, dan biomassa pada pengujian tanpa beban 9 Nilai rata–rata suhu, RH, kecepatan angin, irradiasi surya, dan biomassa pada pengujian menggunakan beban 10 Uji performansi alat pengering ERK hybrid tipe rak 11 Hasil uji performansi pengering ERK hybrid tipe rak yang dilakukan Aritesty (2013) 12 Jumlah dan laju pembakaran biomassa selama percobaan 13 Kehilangan panas pada sistem tungku 14 Panas pembakaran dan kehilangan panas pada tungku 15 Panas pembakaran dan kehilangan panas tungku pada percobaan yang dilakukan Aritesty (2013) 16 Panas efektif heat exchanger 17 Panas efektif heat exchanger pada percobaan yang dilakukan Aritesty (2013) 18 Panas yang hilang pada dinding ruang pengering 19 Panas yang hilang pada dinding ruang pengering pada percobaan yang
3 8 14 14 15 15 16 22 24 25 25 29 29 29 30 30 30 31 31
dilakukan Aritesty (2013)
DAFTAR LAMPIRAN 1 Kebutuhan perhitungan panas berdasarkan data awal pengeringan 2 Perhitungan dimensi fisik subfungsi struktur 3 Perhitungan pipa heat exchanger 4 Perhitungan sirip 5 Hasil uji performansi model alat pengering ERK hybrid 6 Masukkan energi selama percobaan 7 Perhitungan uji performansi model ERK hybrid 8 Kehilangan panas pada dinding tungku 9 Kehilangan panas pada lubang udara masuk 10 Panas yang hilang pada dinding ruang pengering 11 Panas efektif heat exchanger 12 Gambar teknik tungku biomassa 13 Gambar teknik rangka pengering ERK hybrid 14 Gambar teknik rak bahan 15 Gambar teknik heat exchanger 16 Gambar teknik pengering ERK hybrid
DAFTAR SIMBOL A = luas (m2) C = panas jenis (kJ/kg) h = koefisien pindah panas konveksi (W/m2C) H = panas laten (kJ/kg) I = irradiasi (W/m2C) k = konduktifitas panas (W/m2C) KES = konsumsi energi spesifik (kJ/kg uap air) LMTD = beda suhu inti (C) m = massa (kg) M = kadar air (%bk) n = jumlah (buah) Nu = bilangan Nusselt P = daya (Watt) Q = kalor (kJ) R = tahanan Re = bilangan Reynold T = suhu (C) U = koefisien pinadah panas keseluruhan (W/m2C) V = volume (m3) = absorsivitas = efisiensi (%) = transmisivitas = ketetapan Stefan Bolztmann
35 37 39 42 43 44 44 46 49 50 51 53 54 55 56 57
Subscript loss 1 loss 2 loss 3 loss 4 loss 5 a b f fg g i p s T u
= kehilangan panas pada dinding tegak tungku (kanan/kiri) = kehilangan panas pada dinding tegak tungku (belakang) = kehilangan panas pada alas tungku = kehilangan panas pada lubang udara masuk tungku = kehilangan panas pada dinding ruang pengering = lingkungan = biomassa = akhir = penguapan = global = awal = pengering = surya = total pengeringan = uap air
PENDAHULUAN Latar Belakang Singkong (Manihot utilissima) merupakan salah satu komoditas tanaman pangan yang banyak mengandung karbohidrat dan banyak dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan manusia. Singkong secara luas dikonsumsi di daerah tropis. Salah satu produk dari singkong yang dikembangkan saat ini yaitu mocaf (modified cassava flour) (Aida et al. 2012). Mocaf adalah tepung dari ubi kayu atau singkong yang diproses menggunakan prinsip memodifikasi sel ubi kayu dengan cara fermentasi. Cara fermentasi ini bertujuan untuk meningkatkan nilai protein dan mengurangi kadar asam sianida (HCN) (Akindahunsi et al. 1999). Proses fermentasi pada pembuatan tepung mocaf bermanfaat untuk meningkatkan mutu dari singkong, sehingga baik digunakan sebagai bahan baku pembuatan roti, mi, dan berbagai makanan turunan tepung terigu. Selain proses fermentasi, proses lainnya dalam pembuatan mocaf yaitu pengeringan. Pengeringan chip mocaf yang dilakukan para pengusaha mocaf masih menggunakan cara tradisional, metode pengeringan ini menemui beberapa kendala, diantaranya membutuhkan waktu yang relatif lebih lama, membutuhkan area yang cukup luas, pelaksanaannya sangat tergantung pada cuaca, serta tingkat kebersihan yang rendah. Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk mengatasi kendala-kendala tersebut yaitu dengan menerapkan pengeringan mekanik yang dapat dilakukan dengan menggunakan pengering efek rumah kaca (ERK) hybrid. Pengering ERK memanfaatkan radiasi matahari dengan menggunakan medium udara sebagai pembawa panas. Pengering ERK hybrid mempunyai beberapa tipe, salah satunya adalah pengering ERK hybrid tipe rak. Penggunaan pengering ERK hybrid tipe rak mempunyai beberapa kelebihan jika dibandingkan dengan pengeringan secara langsung di bawah sinar matahari. Beberapa kelebihan pengering tipe ini yaitu suhu pengeringan yang dicapai lebih tinggi sehingga waktu pengeringan menjadi lebih cepat dan tingkat kehigenisan bahan lebih tinggi karena tidak ditempatkan di area terbuka sehingga tingkat kontaminasi bahan menjadi lebih rendah. Rak pada pengering tipe ini terbuat dari aluminium berlubang, sehingga produk terjaga dari kontaminan akibat korosi. Penelitian pengeringan menggunakan pengering ERK hybrid tipe rak telah banyak dilakukan sebelumnya, namun masih ditemukan beberapa kendala pada proses pengeringannya. Penelitian sebelumnya dilakukan oleh Aritesty (2013) pada pengering ERK hybrid tipe rak hasil rancangan Wulandani et al. (2009). Kendala yang ditemukan pada proses pengeringan menggunakan alat tersebut yaitu terjadi kehilangan panas pada sistem heat exchanger tipe cross flow dan tungku biomassa sehingga efisiensi sistem pengering menjadi rendah dan konsumsi energi dari pengering menjadi tinggi. Pada penelitian yang dilakukan oleh Aritesty (2013), efisiensi heat exchanger hanya mencapai 1.386%, sedangkan efisiensi tungku hanya mencapai 81.607%, nilai tersebut masih dapat ditingkatkan dengan melakukan modifikasi pada heat exchanger dan tungku biomassa.
2
Perumusan Masalah Pengeringan di bawah sinar matahari secara langsung merupakan metode yang dilakukan pengusaha mocaf untuk mengeringkan chip mocaf. Terdapat beberapa kendala yang ditemukan pada pengeringan tersebut, diantaranya sangat tergantung pada cuaca sehingga waktu pengeringan menjadi lebih lama, keterbatasan area pengeringan, selain itu tingkat kebersihan chip mocaf menjadi rendah karena ditempatkan di area terbuka, hal ini menyebabkan chip mocaf mudah terkontaminasi oleh debu, bakteri, serangga, dan patogen lainnya yang dapat menurunkan mutu dari mocaf yang dihasilkan. Salah satu solusi yang dapat digunakan yaitu menggunakan pengeringan mekanik. Pengeringan mekanik yang dapat diterapkan yaitu dengan menggunakan pengering ERK hybrid tipe rak. Pengeringan dengan menggunakan pengering ERK hybrid tipe rak skala besar ditemukan beberapa permasalahan. Permasalahan yang muncul pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Aritesty (2013) yaitu terjadi kehilangan panas pada sistem heat exchanger secara konveksi melalui cerobong heat exchanger dan kehilangan panas pada tungku biomassa secara radiasi ke lingkungan, sehingga konsumsi energi untuk proses pengeringan menjadi tinggi. Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan melakukan modifikasi penukar panas dan tungku biomassa pada model pengering ERK hybrid tipe rak skala laboratorium dan dilakukan uji performasi pada model pengering ERK hybrid tipe rak. Keluaran yang diharapkan dari penelitian ini adalah model pengering ERK hybrid dengan efisiensi yang lebih tinggi dan konsumsi energi yang lebih rendah. Tujuan Tujuan penelitian ini yaitu : 1. Modifikasi penukar panas dengan penambahan sirip dan perubahan bahan pembangun tungku biomassa pada model pengering ERK hybrid tipe rak hasil rancangan Wulandani et al. (2009) untuk meningkatkan efisiensi pengeringan dan menurunkan konsumsi energi selama pengeringan. 2. Melakukan uji performansi pengering berupa efisiensi pengeringan dan efisiensi termal pada model pengering ERK hybrid tipe rak untuk pengeringan chip mocaf.
TINJAUAN PUSTAKA Chip Mocaf Singkong secara luas dikonsumsi di berbagai negara, di Afrika Barat dan Karibia, makanan singkong dikenal sebagai gari yang diproduksi secara fermentasi (Okafor 1998). Sebelum proses fermentasi, singkong dikupas untuk menghilangkan kulit luar tipis yang berwarna colat dan kulit dalam yang berwarna putih tebal (Okafor 1998). Singkong sering dianggap sebagai bahan baku bermutu rendah karena rendahnya protein, mineral, dan vitamin (Aletor 1993). Namun varietas tertentu dari singkong mengandung banyak cynogenic glikosida (linamarin dan loustralin) yang dapat dihidrolisis menjadi HCN oleh enzim
3
endogen (linamarase) ketika jaringan tanaman rusak selama pemanenan, pengolahan, atau proses mekanis lainnya (Corn 1973). Singkong juga mengandung asam tannic, zat ini dapat menimbulkan warna kusam pada produk olahan singkong sehingga mempunyai nilai pasar yang rendah (Hahn 1992). Singkong di beberapa daerah digunakan sebagai makanan untuk mengatasi masalah kelaparan, sehingga sangat penting dalam hal keamanan pangan (Aletor 1993). Oleh karena itu, dibutuhkan proses untuk meningkatkan nilai protein dan mengurangi kadar HCN. Proses tersebut yaitu fermentasi yang nantinya menghasilkan singkong dengan kadar protein yang tinggi dan HCN yang rendah. Prinsip pembuatan mocaf adalah memodifikasi sel ubi kayu secara fermentasi, sehingga menyebabkan perubahan karakteristik yang lebih baik dari tepung yang dihasilkan berupa naiknya viskositas, kemampuan gelasi, daya rehidrasi dan kemudahan melarut. Secara umum proses pembuatan mocaf meliputi tahap-tahap pengupasan, pemotongan, perendaman (fermentasi), pengeringan, penepungan, dan pengayakan. Selama proses fermentasi terjadi penghilangan komponen warna, seperti pigmen (khusus singkong kuning) dan protein yang dapat menyebabkan warna coklat ketika pemanasan. Dampaknya adalah warna mocaf yang dihasilkan lebih putih jika dibandingkan dengan warna tepung ubi kayu biasa, selain itu hasilnya juga tidak berbau. Proses fermentasi menghasilkan tepung yang secara karakteristik dan kualitas hampir menyerupai tepung terigu sehingga mocaf sangat cocok untuk menggantikan bahan terigu untuk kebutuhan industri makanan. Pada Tabel 1 di bawah ini menyajikan standar mutu mocaf. Tabel 1 Standar mutu mocaf Kriteria uji Satuan Bentuk Bau Warna Kadar air %bb Kadar abu %bb Serat kasar %bb Derajat putih (MgO = 100) Belerang oksida (SO2) %bb Derajat asam ml NaOH HCN mg/kg
Persyaratan Serbuk halus Normal Putih Maksimum 13 Maksimum 1.5 Maksimum 2 Minimum 87 Negatif Maksimum 4 Maksimum 10
Sumber : SNI. 2011
Pengeringan Chip Mocaf Pemilihan bahan
Pengupasan
Pencucian
Pemotongan
Penepungan
Pengeringan
Pencucian
Fermentasi
Gambar 1 Tahapan pembuatan mocaf
4
Singkong (Manihot utilissima) merupakan salah satu komoditas pangan penting yang banyak mengandung karbohidrat. Indonesia memiliki potensi umbi– umbian sebagai sumber karbohidrat sekaligus bahan baku tepung lokal yang tidak kalah dengan terigu. Salah satu usaha diversifikasi pengolahan singkong yang saat ini sedang dikembangkan yaitu mocaf (Aida et al. 2012). Pembuatan mocaf terdiri dari beberapa tahapan yang ditampilkan pada Gambar 1. Pada tahap pembuatan mocaf, terdapat tahap pengeringan chip singkong, pengeringan dilakukan segera setelah proses fermentasi selesai. Pengeringan singkong umumnya dilakukan dengan memotong umbi menjadi chip dengan kisaran ketebalan antara 2-12 mm. Pengeringan dilakukan diatas lantai terbuka dengan tebal tumpukan yang bervariasi. Beberapa hasil penelitian menunjukkan beragam kondisi pengeringan yang menghasilkan variasi kadar air akhir dan kebutuhan energi totalnya. Kajuna (2001) melakukan pengeringan singkong dalam bentuk lapisan tipis (thin layer) dimana umbi singkong segar dipotong dadu dengan panjang sisi 5 mm dengan ketebalan tumpukan 10 mm sebanyak 200 g singkong dikeringkan pada udara normal dan dalam pengering buatan. Pada udara normal dengan suhu 25ºC, untuk mengeringkan singkong dari kadar air 75.4%bb hingga mencapai kadar air kesetimbangan membutuhkan waktu 2-3 hari, sementara untuk pengering buatan hanya membutuhkan waktu 200 menit untuk suhu 55ºC. Kajuna (2001) juga menyatakan bahwa suhu udara pengering yang baik adalah pada kisaran suhu sedang, yaitu sekitar 55ºC. Mkandawire (2008) menyebutkan bahwa kadar air singkong kering yang direkomendasikan adalah pada kisaran 9–15%bb. Suhu pengering yang baik untuk pengeringan singkong menurutnya adalah 40ºC–60ºC sebagaimana yang direkomendasikan oleh Food and Agriculture Organization (FAO) (2008). Mkandawire (2008) menyarankan agar pengeringan dilakukan pada suhu di bawah 60ºC untuk menghindari terjadinya gelatinisasi. Selama pengeringan, udara kering perlu dilewatkan kedalam pengering untuk membawa uap air keluar dari ruang pengering. Mkandawire (2008) menyebutkan pada musim panas dimana kelembaban rendah, maka udara lingkungan dapat digunakan untuk proses pengeringan, meskipun kondisi ini juga dapat dicapai dengan melakukan preheating atau drying terhadap udara pengering. Pengeringan Henderson dan Perry (1976) menyebutkan pengeringan adalah proses pengeluaran air atau pemisahan air dalam jumlah yang relatif kecil dari bahan dengan menggunakan energi panas. Dasar proses pengeringan adalah terjadinya proses penguapan air bahan ke udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara dengan bahan yang dikeringkan. Menurut Brooker et al. (1992) ada 3 hal yang mempengaruhi proses pengeringan yaitu kecepatan udara, suhu udara, dan kelembaban udara. Selama proses pengeringan terjadi dua proses yaitu proses pindah panas dan pindah massa yang terjadi secara simultan. Panas dibutuhkan untuk menguapkan air bahan yang akan dikeringkan. Penguapan terjadi karena suhu bahan lebih rendah dari suhu udara di sekelilingnya. Proses pindah panas diperlukan untuk memindahkan massa uap air dari permukaan ke udara. Pindah panas terjadi karena
5
tekanan uap air di dalam bahan lebih tinggi dari pada udara. Mekanisme pengeringan diterangkan melalui teori tekanan uap, air yang diuapkan terdiri dari air bebas dan air terikat. Air bebas berada di permukaan bahan dan pertama kali mengalami penguapan. Bila air permukaan telah habis, maka terjadi migrasi air karena perbedaan tekanan pada bagian dalam dan bagian luar (Henderson dan Perry 1976). Terdapat 2 laju pengeringan pada proses pengeringan, yaitu periode laju pengeringan konstan (constant rate period dehydration) dan periode laju pengeringan menurun (falling rate period dehydration). Laju pengeringan konstan terjadi pada awal proses pengeringan yang kemudian diikuti oleh laju pengeringan menurun. Periode ini dibatasi oleh kadar air kritis (critical moisture content) menurut Handerson dan Perry (1981). Laju pengeringan konstan akan berhenti manakala telah mencapai kadar air kritis (critical moisture content) dan setelah itu laju pengeringan berubah menjadi laju pengeringan menurun. Laju pengeringan menurun terjadi apabila difusi uap air dari dalam bahan ke permukaan lebih lambat dari kecepatan penguapan air dari permukaan bahan. Beberapa produk mempunyai lebih dari satu periode laju pengeringan menurun (Heldman dan Singh 1981). Gambar 2 di bawah ini menukukkan laju pengeringan konstan yang terjadi sepanjang garis AB, laju pengeringan menurun pertama terjadi sepanjang garis BC, dan laju pengeringan menurun kedua selama garis CD.
Gambar 2 Kurva penurunan laju pengeringan terhadap waktu Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) Hybrid Pengeringan dengan energi surya mempunyai kelemahan yaitu tidak kontinyu dan sewaktu-waktu dapat terhalang oleh hujan atau awan. Salah satu upaya melakukan pengeringan lanjutan pada saat cuaca tidak mendukung atau pada malam hari adalah dengan memberikan pemanas tambahan (Manalu 1999). Keuntungan pengering ERK antara lain disain tidak rumit, pengoperasian sederhana, bahan konstruksi mudah diperoleh, dan performansi cukup baik. Pengering ERK adalah alat pengering berenergi surya yang memanfaatkan efek rumah kaca yang terjadi karena adanya penutup transparan pada dinding
6
bangunan serta plat absorber sebagai pengumpul panas untuk menaikkan suhu udara ruang pengering (Kamaruddin et al. 1994). Desain standar untuk pengering ERK terdiri atas dinding transparan yang terbuat dari lembaran polikarbonat, UV stabilized plastic, fiberglass atau plastik polietilen. Komponen utama lainnya yaitu drying bin atau troli yang dilengkapi rak, komponen pengatur pergerakan udara dan unit pemanas tambahan (Kamaruddin 2007). Pengering ERK biasanya menggunakan pemanas tambahan untuk memenuhi kebutuhan panas total yang tidak bisa sepenuhnya disuplai dari energi surya. Pemanas tambahan itu dapat berupa tungku (dengan heat exchanger), radiator, dan lainnya. Penggunaan kombinasi energi surya dan energi pemanas tambahan tersebut sering dikenal dengan pengering ERK hybrid. Pemilihan bahan dinding ERK hybrid diusahakan mempunyai nilai absorpsi yang tinggi dan nilai emisivitas yang rendah untuk mendapatkan panas yang besar. Pemilihan bahan yang tepat dapat mempercepat perubahan suhu yang berarti suhu akan cepat naik tetapi suhu juga cepat turun. Pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Aritesty (2013) untuk mengeringkan temulawak dengan massa 21.08 kg dari kadar air 82.87%bb menjadi 10.46%bb membutuhkan waktu 27.5 jam dengan suhu pengeringan 45.47C, efisiensi pengeringan yang diperoleh sebesar 4.247%, dan konsumsi energi spesifik mencapai 57.414 MJ/kg uap air. Pengujian dengan massa 60.75 kg, kadar air 81.31%bb menjadi 8.55%bb membutuhkan waktu 30.5 jam, suhu pengeringan yang dicapai yaitu 41.77C, efisiensi pengeringan mencapai 8.519%, dan konsumsi energi spesifik 28.611 MJ/kg uap air. Efisiensi termal rata-rata dari semua percobaan adalah 20.99% dengan keragaman 5.37%. Heat Exchanger dan Sirip Berbagai industri mengaplikasian panas yang telah ditransfer melalui fluida yang dialirkan ke medium lainnya melalui benda padat yang mengelilingi fluida tersebut. Peralatan yang digunakan untuk tujuan ini disebut heat exchanger. Heat exchanger adalah alat yang berfungsi untuk menukarkan panas dari satu fluida ke fluida lain. Fluida-fluida tersebut dicegah bercampur satu dengan lainnya oleh pembatas seperti dinding pipa. Menurut Kothandaraman (2006) heat exchanger dibagi menjadi beberapa tipe, diantaranya yaitu : 1. Single tube, pada tipe ini, fluida mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida lainnya mengalir di luar pipa. Terdapat 3 kemungkinan arah aliran fluida, yaitu (a) parallel flow, dimana arah aliran dari kedua fluida sama, (b) counter flow, dimana arah aliran fluida berlawanan satu dengan lainnya, dan (c) cross flow, dimana fluida di luar pipa mengalir dengan arah tegak lurus terhadap pipa. 2. Shell and tube, tipe ini mempunyai kelebihan dari tipe single tube, yaitu tipe ini lebih banyak digunakan di kalangan industri karena tipe ini mempunyai kapasitas yang lebih besar dari tipe single tube. 3. Cross flow heat exchanger, tipe heat exchanger ini sering digunakan untuk penukar panas dengan media udara ataupun gas. Permukaan-permukaan penyerap panas maupun pembuang panas masing– masing dikenal sebagai permukaan utama (prime surface). Apabila permukaan
7
utama diperluas seperti Gambar 3, maka gabungan antara kedua permukaan tersebut dinamakan permukaan yang diperluas (extended surface). Elemen yang digunakan untuk memperluas permukaan utama dikenal sebagai sirip (fin). Jika elemen sirip tersebut berbentuk kerucut atau silinder, sirip tersebut dinamakan spines atau pegs.
Gambar 3 Permukaan penyerap panas yang diperluas (Kothandaraman 2006) Sara et al. (2000) melakukan penelitian mengenai analisa unjuk kerja pada solid blocks yang dipasang pada plat datar di dalam duct flow. Hasil dari penelitian tersebut menyatakan bahwa perpindahan panas dari solid blocks akan meningkat secara signifikan karena adanya penambahan luasan permukaan perpindahan panas. Selain itu, peningkatan bilangan Reynolds menyebabkan penurunan unjuk kerja termal. Tungku Biomassa Utami (2008) menyebutkan bahwa tungku merupakan alat yang digunakan untuk mengkonversi energi potensial biomassa menjadi energi panas. Jenis tungku beraneka ragam sesuai dengan kebudayaan daerah setempat dan jenis bahan bakar yang digunakan. Johannes (1984) membedakan tungku atau kompor pembakaran biomassa atas beberapa jenis, yaitu: 1. Tungku biomassa, dimana bahan bakar biomassa langsung dibakar, misalnya tungku lorena, singer, dan lain-lain. 2. Tungku bioarang, menggunakan bahan bakar arang, misalnya anglo dan keren. 3. Tungku hibrida, menggunakan bahan bakar biomassa dan arang yang disusun sedemikian rupa agar asap dapat terbakar sehingga menghasilkan energi lebih banyak. Dasar pemikiran dalam mendesain suatu tungku antara lain kebutuhan penggunaan sumber daya yang ada. Data teknis dan parameter sosial diperlukan untuk mendesain tungku yang tepat guna. Beberapa data yang dibutuhkan untuk mendesain suatu tungku antara lain fungsi tungku, bahan–bahan tungku, tipe bahan bakar yang digunakan, dan konstruksi tungku. Desain teknis tungku atau kompor harus diperhatikan untuk memperoleh efisiensi pembakaran yang baik dari sebuah kompor atau tungku. Perapian terbuka hanya menyadap tidak lebih dari 10% energi kayu sedangkan sebuah tungku yang ditingkatkan (tertutup) dapat meningkatkan efisiensi 20% atau lebih. Rancangan tungku sangat menentukan sempurna atau tidaknya proses pembakaran yang berlangsung dan besarnya energi yang dapat dimanfaatkan oleh tungku atau
8
kompor tersebut. Selain itu, rancangan tungku juga menentukan laju pembakaran atau jumlah bahan bakar terbakar per satuan waktu (Abdullah et al. 1998). Menurut Arnold (1978) untuk mengurangi kehilangan panas pada tungku atau kompor dapat dilakukan dengan memberi insulasi pada tungku atau kompor, mengatur lubang pemasukkan udara dan penyempurnaan pembakaran, aliran udara dikonsentrasikan ke lubang dapur, desain pengeluaran (cerobong) yang sesuai untuk pengeluaran udara, pemakaian alat masak yang mengurangi kebocoran, serta kehilangan panas. Penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Aritesty (2013), jenis tungku yang digunakan sebagai pemanas tambahan pada pengering ERK yaitu tungku biomassa dengan dinding tungku terbuat dari bahan besi. Hasil yang didapat yaitu efisiensi sistem tungku sebesar 81.607%, sedangkan panas yang hilang pada sistem tungku mencapai 1800.134 Watt dengan panas pembakaran sebesar 9982.489 Watt.
METODOLOGI Waktu dan Tempat Pelaksanaan Penelitian ini dilaksanakan pada Februari 2014 hingga Agustus 2014. Proses pembuatan dan penyempurnaan konsep desain model pengering ERK hybrid tipe rak dilaksanakan pada minggu akhir bulan Februari 2014. Proses pabrikasi model pengering ERK hybrid tipe rak dilakukan pada bulan Mei 2014. Sementara itu, untuk tahap uji performansi model pengering ERK hybrid tipe rak untuk pengeringan chip mocaf, uji mutu chip mocaf hasil pengeringan, dan pengolahan data penelitian dilaksanakan pada bulan Juni 2014 hingga Agustus 2014. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian dan Laboratorium Lapang Siswadhi Soepardjo, Leuwikopo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, FATETA IPB. Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan pada penelitian ini disajikan pada Tabel 2. Tabel 2 Peralatan penelitian Alat Meteran Termokopel Termometer standar Hg Hybrid recorder Anemometer Piranometer Timbangan digital Oven pengering
Spesifikasi
Ketelitian 1 mm
CC Ø 0.1 mm 0.5C Model 30813 Yokogawa Model 6011 Kanomax Tipe MS-401 Tipe EK-1200 A Tipe SS-204 D Ikeda Scientific
0.1C 0.01 m/s 0.01 g, kapasitas 1200 g -
Bahan yang digunakan pada penelitian ini yaitu chip mocaf sebanyak 36 kg.
9
Prosedur Penelitian Terdapat beberapa tahap penelitian yang disajikan dalam diagram alir penelitian yang terdapat pada Gambar 4. Mulai Identifikasi masalah - Penelitian Wulandani et al. (2009) - Penelitian Aritesty (2013) Pengumpulan informasi Pembuatan dan penyempurnaan konsep desain Pembuatan model alat
Uji pendahuluan Tidak Verifikasi Berhasil Percobaan 1 (tanpa beban) Qu, Qb, Qs Percobaan 2 (tanpa beban) Qu, Qb, Qs Percobaan 3 (menggunakan beban) Qu, QT, Qb, Qs, Ql, mu Percobaan 4 (menggunakan beban) Qu, QT, Qb, Qs, Ql, mu Analisis efisiensi pengeringan, efisiensi termal, konsumsi energi spesifik
Selesai Gambar 4 Diagram tahap penelitian
10
Berikut merupakan kegiatan–kegiatan yang dilakukan selama penelitian : 1. Analisis perancangan heat exchanger dan tungku biomassa Tahap ini dilakukan analisis dan perhitungan mengenai heat exchanger dan tungku biomassa yang menjadi pusat kajian dalam penelitian ini. Analisis dan perhitungan rancangan dilakukan berdasarkan hasil penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Aritesty (2013). 2. Pembuatan dan penyempurnaan konsep desain pengering ERK Tahap ini dilakukan pembuatan dan penyempurnaan konsep desain mengenai heat exchanger dan tungku biomassa. Permukaan pindah panas heat exchanger diperluas dengan penambahan sirip tipe melingkar, sedangkan pada tungku biomassa, bahan pembangun tungku dirubah menjadi batu bata sehingga kehilangan panas pada tungku berkurang. Konsep desain tersebut diharapkan mampu merubah konsumsi energi menjadi berkurang dan efisiensi energi yang dihasilkan menjadi tinggi. 3. Pembuatan model alat Tahap pembuatan model, dibangun model alat pengering ERK hybrid tipe rak dengan pengembangan desain pada heat exchanger dan tungku biomassa. 4. Uji pendahuluan Uji pendahuluan dilakukan untuk menguji pengguaan alat pada proses pengeringan. 5. Uji performansi model pengering ERK Tahap selanjutnya adalah pengujian model alat pengering ERK hybrid tipe rak. Uji performansi model pengering ini dilakukan 2 percobaan dengan 2 kali pengulangan untuk masing–masing percobaan. Percobaan tersebut yaitu : a. Percobaan 1 dan 2 : percobaan tanpa menggunakan bahan chip mocaf dan dilakukan selama 24 jam untuk masing–masing percobaan. Hasil uji termal yang diperoleh dibandingkan dengan hasil uji termal yang dilakukan Aritesty (2013). b. Percobaan 3 : pengeringan chip mocaf di siang hari selama 4-8 jam/hari. c. Percobaan 4 : pengeringan chip mocaf di siang hari dan malam hari selama 11-15 jam/hari. Saat uji performansi model pengering, dilakukan pengambilan data sebagai berikut : a. Suhu pengeringan, suhu lingkungan, dan suhu tungku Pengukuran suhu pengeringan dilakukan dengan menggunakan thermocouple CC dan recorder hybrid yang ditempatkan pada outlet heat exchanger, selain itu ditempatkan pada ruang pengering pada rak bagian atas dan bawah. Suhu lingkungan diukur dengan menggunakan alat yang sama yang ditempatkan di lingkungan luar, sedangkan suhu tungku diukur menggunakan termokopel batang yang ditempatkan di dalam tungku. b. Kecepatan udara pengeringan dan lingkungan Kecepatan udara pengeringan diukur dengan menggunakan anemometer yang ditempatkan pada outlet ruang pengeringan, sedangkan udara lingkungan diukur dengan menggunakan anemometer yang ditempatkan di lingkungan luar.
11
c. Irradiasi surya Irradiasi surya diukur dengan menggunakan piranometer yang ditempatkan di luar model pengering sehingga terkena cahaya matahari secara langsung tanpa halangan. d. Kebutuhan energi pengeringan Kebutuhan energi pengeringan dihitung dari kebutuhan energi biomassa sebagai sumber energi tambahan pada saat pengeringan, selain itu dihitung kebutuhan energi listrik yang digunakan untuk menggerakkan kipas, dan kebutuhan energi surya yang digunakan sebagai sumber energi utama pengeringan pada model pengering. e. Efisiensi pengeringan dan efisiensi termal Efisiensi pengeringan adalah tingkat efisiensi penggunaan energi, yaitu energi surya, energi biomassa, dan energi listrik pada saat pengeringan yang dihitung menggunakan persamaan 16. Sedangkan efisiensi termal merupakan penggunaan energi berguna yang berasal dari energi surya dan biomassa untuk meningkatkan udara pada ruang pengering yang dihitung menggunakan persamaan 15. Lokasi pengambilan data pada percobaan ini dapat diketahui pada Gambar 5. Suhu outlet tungku
Suhu outlet pengering RP2 1
RP1 1
RP2 2
RP12
Suhu bola basah dan bola kering ruang pengering
Suhu tungku Gambar 5 Lokasi pengambilan data
6. Uji mutu bahan Pengujian mutu bahan dilakukan dengan menguji kadar air bahan yang telah dikeringkan dengan menggunakan metode oven. Analisis Data Berikut dirangkum persamaan–persamaan yang digunakan untuk menghitung performansi alat pengering ERK hybrid dan modifikasi pengering ERK hybrid. 1. Jumlah air yang diuapkan Pengukuran jumlah air yang diuapkan selama proses pengeringan dihitung berdasarkan basis kering atau basis basah (Henderson dan Perry 1976). Jumlah air yang diuapkan selama proses pengeringan dihitung menggunakan persamaan berikut :
12
m0 (100 - M0 ) (100 - M1 ) mu = mo - m1 (1) Panas untuk meningkatkan suhu bahan (Q1) Q1 = m0 Cpb (T1 - T0 ) (2) Untuk mencari Cpb digunakan persamaan Siebel (Helman dan Singh 1892). CPb = 0.837 + (0.034 M0 ) Panas untuk menguapkan air pada bahan (Q2) Q2 = mu Hfg (3) Panas total pengeringan (QT) QT = Q1 + Q2 (4) Energi surya (Qsurya) Qs = 3.6 Ig Ap t (5) Energi biomassa (Qbiomassa) Qbb = mbb Hbb (6) Energi listrik yang digunakan (Qlistrik) Qlistrik = 3.6 Pk t (7) Luas rak yang dibutuhkan m0 Vtotalrak = ρ V total rak A total rak = (8) m1 =
2.
3. 4. 5. 6. 7. 8.
tinggi tumpukan
9. Bilangan Grashof Gr =
(2 gβ∆Tx3 )
(9)
µ2
10. Bilangan Nusselt Nu = 0.021(GrPr)2/5 (10) Bilangan Nusselt tersebut dipilih jika aliran dalam pipa mempunyai nilai Gr Pr berada pada rentang 109 s.d 1013 (Holman JP 1997). 11. Koefisien pindah panas konveksi pipa bagian dalam k hi = Nu d (11) 12. Koefisien pindah panas keseluruhan 1 U0 = A (R + R + R ) (12) 0
i
Besi
0
13. Luas total heat exchanger 0.3 q Atotal = 1.1 (U LMTD)
(13)
14. Jumlah pipa heat exchanger A total npipa = A per pipa
(14)
0
15. Efisiensi termal termal =
Q Peningkatan suhu udara Qb + QSurya
x 100%
(15)
QPeningkatan suhu udara = mr Cpr (Tr1 - Tr0 ) 16. Efisiensi pengeringan pengeringan =
QT Qbb + QSurya + Qlistrik
x 100%
(16)
13
17. Konsumsi energi spesifik (KES) KES =
Qbb + QSurya + QListrik
(17)
mu
18. Kehilangan panas pada sistem tungku Qloss 1,2,3 = (h A (Td - Ta )) + (σ A ε (T4d - T4a )) Qloss = Qloss 1 + Qloss 2 + Qloss 3 19. Panas efektif tungku Panas efektif tungku =
Qb - Qloss Qb
x 100%
20. Panas efektif heat exchanger Panas efektif HE = hhe Ahe LMTD 21. Efisiensi heat exchanger Panas efektif HE Efisiensi HE = Panas efektif tungku x 100%
(18) (19) (20) (21)
HASIL DAN PEMBAHASAN Pembuatan dan Penyempurnaan Konsep Desain Pengering Penentuan konsep desain model pengering ERK hybrid tipe rak difokuskan pada modifikasi penukar panas dan tungku biomassa dari desain pengering ERK hybrid tipe rak rancangan Wulandani et al. 2009. Pembuatan model pengering ERK hybrid tipe rak masih menggunakan tipe piggy back pada ruang pengering dan menggunakan tipe cross flow heat exchanger pada penukar panas, tipe rak yang digunakan yaitu tipe rak datar, tungku yang digunakan yaitu tipe tungku biomassa dan menggunakan kipas aksial untuk mendistribusikan panas dari heat exchanger. Sedangkan modifikasi yang dilakukan yaitu penambahan sirip pada heat exchanger dan perubahan bahan pembangun tungku biomassa menggunakan batu bata. Model pengering ERK hybrid tipe rak digunakan untuk mengeringkan chip mocaf dengan kapasitas tampung 18 kg dari kadar air awal bahan 65%bk hingga 13%bk pada suhu pengeringan 40C s.d 60C dan suhu lingkungan 28C, dan dapat dioperasikan pada siang hari maupun malam hari pada kondisi cerah maupun berawan atau hujan. Model pengering ERK hybrid tipe rak menggunakan energi surya sebagai sumber energi penghasil panas utama dan energi biomassa sebagai pemanas tambahan serta energi listrik untuk menggerakkan kipas. Bahan yang digunakan untuk membangun model pengering ERK hybrid tipe rak yaitu besi sebagai bahan pembangun rangka pengering, heat exchanger dan sirip pada heat exchanger. Aluminium berlubang digunakan sebagai bahan pembangun dari alas rak dan kayu sebagai penyangga alas rak. Polikarbonat dengan transmisivitas 90% digunakan untuk menyelimuti pengering serta batu bata digunakan untuk membangun tungku biomassa. Berdasarkan spesifikasi yang harus dipenuhi untuk membangun model pengering ERK, maka data awal yang digunakan untuk perancangan pengering ERK hybrid dirangkum dalam Tabel 3.
14
Parameter Kapasitas rencana Kadar air awal Kadar air akhir Suhu udara tungku Suhu udara ruang pengering Suhu lingkungan Irradiasi rata–rata
Tabel 3 Data awal perancangan Nilai Satuan Sumber 18.00 kg Ditentukan 65.00 %bk Nanda (2002) 13.00 %bk Nanda (2002) 350.00 C Aritesty (2013) 46.00 C 28.00 C 500.00 W/m2
Keterangan 65–75%bk 12–14%bk
Aritesty (2013) Aritesty (2013) Aritesty (2013)
Analisis Perancangan Heat Exchanger dan Tungku Biomassa Perhitungan Dimensi Pengering Berdasarkan kebutuhan spesifikasi pengering yang telah disebutkan sebelumnya, maka dilakukan perhitungan dimensi yang diperlukan untuk menjalankan fungsi utama dari pengering, dimana hasil perhitungannya dirangkum dalam Tabel 4 sedangkan perhitungan secara lebih detail disajikan pada Lampiran 2. Tabel 4 Perhitungan dimensi untuk rancangan konsep pengering Parameter Nilai Satuan Keterangan Kapasitas 18.00 kg Ditentukan Densitas 500.00 kg/m3 Nanda (2002) Jumlah rak 18.00 Buah Ditentukan Tinggi tumpukan 0.01 m Ditentukan Luas total rak 3.60 m2 Luas per rak 0.23 m2 Lebar rak 0.45 m Ditentukan Panjang rak 0.50 m Massa produk per rak 1.00 kg/rak Jarak antar rak 0.10 m Ditentukan Jumlah ruang pengering 2.00 Buah Ditentukan Tinggi ruang pengering 1.00 m Lebar ruang pengering 0.45 m Berdasarkan lebar rak Panjang ruang pengering 0.50 m Berdasarkan panjang rak Berdasarkan hasil perhitungan yang disajikan pada Tabel 4 di atas, diperoleh panjang rak yaitu 0.50 m dan lebar 0.45 m dengan jumlah 18 rak. Jarak antar rak yaitu 0.10 m, sehingga tinggi ruang pengering yang diperoleh yaitu 1 m dengan panjang 0.50 m dan lebar 0.45 m. Panjang dan lebar ruang pengering disesuaikan berdasarkan panjang dan lebar dari rak. Kebutuhan Panas Pengering ERK Berdasarkan perhitungan kebutuhan panas pada Tabel 5, diperoleh panas yang digunakan untuk menaikkan suhu bahan sebesar 658.15 kJ, sedangkan panas yang dibutuhkan untuk menguapkan air bahan sebesar 25 892.77 kJ, sehingga
15
panas total yang dibutuhkan oleh pengering selama pengeringan yaitu 26 550.92 kJ. Perhitungan secara lebih lengkap dapat dilihat pada Lampiran 1. Tabel 5 Kebutuhan panas pengering Parameter Nilai Satuan Kadar air awal 65.00 %bk Kadar air akhir 13.00 %bk Massa awal bahan 18.00 kg Massa akhir bahan 7.24 kg Air yang diuapkan 10.76 kg uap Panas untuk menaikkan suhu bahan 658.15 kJ Panas untuk menguapkan air bahan 25 892.77 kJ Panas total 26 550.92 kJ
Keterangan Nanda (2002) Nanda (2002) Ditentukan
Perhitungan jumlah, dimensi, dan panas pada heat exchanger Heat exchanger merupakan salah satu faktor penting yang digunakan dalam pengering ERK hybrid untuk proses pengeringan, oleh karena itu perlu diperhatikan dalam hal perancangan heat exchanger yang hasil perhitungannya disajikan pada Tabel 6. Tabel 6 Perhitungan jumlah, dimensi dan panas pada heat exchanger Parameter Nilai Satuan Keterangan Panas biomassa yang digunakan 288.47 Watt Suhu tungku (udara pemanas 350.00 C Aritesty (2013) masukkan) Suhu keluaran 70.00 C Aritesty (2013) Suhu awal (udara yang dipanaskan) 30.00 C Aritesty (2013) LMTD 123.33 C Panas spesifik udara (Cp) 1 034.06 W/mK Kecepatan udara (v) 0.10 m2 Aritesty (2013) Diameter luar pipa 0.031 m Diameter dalam pipa 0.031 m Konduktivitas besi 73.00 W/mK Bilangan Reynold (Re d) 155.51 Bilangan Nusselt (Nu d) 2.67 W/mK Koefisien pindah panas keseluruhan 1.78 W/mK Luas pipa (A faktor gesekan 20%) 1.07 m2 Jumlah pipa 10.00 Buah Panjang per pipa 1.03 m Berdasarkan perhitungan di atas, diperlukan 10 pipa heat exchanger dengan diameter luar pipa 0.033 m dan diameter dalam pipa 0.031 m, panjang per pipa yaitu 1.1 m, untuk lebih jelas hasil perhitungan secara lebih jelas disajikan pada Lampiran 3.
16
Perhitungan sirip Sirip berfungsi untuk meningkatkan panas yang disalurkan heat exchanger pada saat pengeringan, sehingga panas yang dihasilkan lebih tinggi dan kehilangan panas pada daerah heat exchanger akan berkurang karena perluasan permukaan oleh sirip. Berikut dicantumkan hasil perhitungan sirip yang disajikan pada Tabel 7 dan secara lengkap disajikan pada Lampiran 4.
Parameter Suhu dinding Suhu udara Jumlah sirip yang diinginkan Jarak antar sirip Panjang sirip (L) Tebal sirip (t) Efisiensi
Tabel 7 Perhitungan sirip Nilai Satuan Keterangan 60.00 C Aritesty (2013) 30.00 C Aritesty (2013) 9.00 Buah 0.10 6.30 × 10-2 1.00 × 10-2 30
m m m %
Ditentukan Ditentukan
Berdasarkan perhitungan yang dicantumkan pada Tabel 6 di atas, maka diperoleh panjang sirip yaitu 9.3 × 10-2 m dan lebar 6.30 × 10-2 m, dengan ketebalan 1.00 × 10-3 m. Jarak antar sirip pada heat exchanger yaitu 0.10 m dengan jumlah 9 sirip per pipa dan tingkat efisiensi sirip sebesar 30%. Pembuatan Model Alat Pengering ERK Rancangan pengering disusun dengan menggabungkan alternatif solusi yang dipilih untuk setiap subfungsi struktur pengering pada bagian sebelumnya. Subfungsi struktur ini disusun sedemikian rupa sehingga dapat mengakomodasi kerja semua subfungsi struktur, dengan demikian kombinasi struktur fungsi ini dapat menjalankan fungsi utamanya yaitu pengeringan. Berikut disajikan rancangan pengering pada Gambar 6, rancangan rangka pengering disajikan pada Lampiran 13, dan rancangan pengering beserta dimensinya secara lebih detail dilampirkan pada Lampiran 16.
Ruang Pengering
Gambar 6 Pengering ERK hybrid tipe rak
17
Rancangan Struktural Model alat pengering terdiri dari komponen-komponen sebagai berikut : 1. Ruang pengering Ruang pengering berukuran 0.5 m × 0.45 m × 1 m yang disusun dari besi hollow 40 mm × 40 mm × 5 mm. Ruang pengering diselimuti dinding dari bahan polikarbonat dengan ketebalan 1 mm dengan transmisivitas ± 90%. Ruang pengering dapat diketahui pada Gambar 6 di atas. 2. Rak Rak dibuat dari bahan kayu pada bagian penyangga alas, sementara untuk alas terbuat dari bahan aluminium berlubang. Ukuran dari rak yaitu 0.5 m × 0.45 m. Rak disajikan pada Gambar 7, sedangkan rancangan dan dimensi dari rak bahan disajikan pada Lampiran 14.
Gambar 7 Rak bahan 3. Heat exchanger Tipe heat exchanger yang dipilih yaitu tipe cross flow. Diameter pipa bagian luar yaitu 0.033 m dan dimeter pipa dalam yaitu 0.031 m, panjang pipa yang digunakan per pipa yaitu 1.1 m dengan jumlah 10 pipa. Penambahan sirip pada heat exchanger bertujuan untuk menambah daerah pindah panas pada heat exchanger. Sirip yang digunakan mempunyai ketebalan 0.001 m dengan panjang 0.093 m dan lebar 0.063 m, jarak antar sirip per pipa yaitu 0.1 m. Sirip pada setiap pipa di dalam penukar panas disajikan pada Gambar 8, hasil rancangan dan dimensinya secara detail disajikan pada Lampiran 15.
Heat exchanger
Gambar 8 Heat exchanger
18
4. Tungku biomassa Tungku yang digunakan yaitu tipe tungku tradisional. Penggunaan batu bata sebagai bahan pembangun tungku berfungsi untuk mengurangi kehilangan panas pada sistem tungku. Tungku biomassa mempunyai panjang 0.58 m, lebar 0.58 m, dan tinggi 0.30 m. Tungku disajikan pada Gambar 9, untuk mngetahui rancangan dan dimensi tungku biomassa dapat dilihat pada Lampiran 12.
Tungku biomassa
Gambar 9 Tungku biomassa 5. Kipas Jumlah kipas yang digunakan yaitu 4 buah, masing–masing 2 buah kipas untuk setiap ruang pengering. Kipas yang digunakan mempunyai daya masing– masing 12 Watt. Kipas yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 10. 6. Inlet ruang pengering Inlet ruang pengering ditempatkan di samping ruang heat exchanger dan dimensinya disesuaikan dengan kipas yang digunakan. Setiap ruang pengering memiliki 2 buah inlet yang disajikan pada Gambar 10.
Inlet ruang pengering dan kipas aksial
Gambar 10 Inlet ruang pengering dan kipas aksial 7. Outlet ruang pengering Outlet ditempatkan di samping ruang pengering dengan masing–masing 2 buah untuk setiap ruang pengering. Ukuran alas outlet yaitu 0.5 m × 0.5 m dengan tinggi 0.30 m dan untuk pembuangan berukuran 0.2 m × 0.3 m. Outlet diselimuti oleh dinding transparan polikarbonat dengan ketebalan 1 mm dan transmisivitas ± 90%. Gambar outlet ruang pengering terpapar pada Gambar 11 di bawah ini.
19
Dinding outlet
Rangka outlet
Gambar 11 Outlet ruang pengering 8. Inlet heat exchanger Inlet terdapat tepat di atas tungku yang menghubungkan tungku dengan heat exchanger. Secara lebih jelas terpapar pada Gambar 12 di bawah ini. Outlet udara dari tungku (asap)
Ruang heat exchanger
Inlet heat exchanger
Gambar 12 Inlet, ruang heat exchanger, dan outlet udara dari tungku (asap) 9. Outlet udara dari tungku (asap) Outlet udara dari tungku (asap) terdapat di atas ruang heat exchanger, outlet terhubung dengan heat exchanger berbentuk kubus tanpa sisi atas. Secara lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 12 di atas. 10. Ruang heat exchanger Ruang heat exchanger berukuran 0.58 m × 0.58 m × 1 m. Ruangan ini ditempatkan diantara ruang pengering. Rancangan bentuk heat exchanger terpapar pada Gambar 12 di atas. Rancangan Fungsional 1. Ruang pengering Ruang pengering berfungsi sebagai tempat mengeringkan bahan yang diletakkan pada rak. Ruang pengering ini memanfaatkan panas yang mengalir dari heat exchanger dengan bantuan kipas serta memanfaatkan panas dari matahari pada siang hari. 2. Rak Rak berfungsi sebagai tempat untuk meletakkan bahan yang dikeringkan.
20
3. Heat exchanger Heat exchanger berfungsi sebagai penyalur panas dari panas yang dihasilkan tungku biomassa ke ruang pengering dengan bantuan kipas. 4. Tungku biomassa Tungku biomassa berfungsi sebagai penghasil panas tambahan pada siang hari dan panas utama pada malam hari dari bahan kayu bakar yang digunakan untuk mengeringkan bahan selama pengeringan. 5. Kipas Kipas digunakan untuk mendistribusikan panas yang disalurkan dari heat exchanger menuju ke ruang pengering. 6. Inlet ruang pengering Inlet digunakan sebagai tempat mengalirkan panas dari heat exchanger menuju ruang pengering dengan bantuan kipas. 7. Outlet ruang pengering Outlet digunakan sebagai tempat keluaran udara pengering yang banyak mengandung uap air. Uap air tersebut keluar melalui oultet dengan bantuan kipas sebagai pendorong. 8. Inlet heat exchanger Inlet berfungsi sebagai masukkan panas yang berasal dari tungku biomassa yang kemudian disalurkan melalui heat exchanger menuju ruang pengering untuk mengeringkan bahan. 9. Outlet udara dari tungku (asap) Outlet udara dari tungku (asap) berfungsi sebagai cerobong tungku untuk keluaran asap yang dihasilkan dari pembakaran biomassa pada tungku. 10. Ruang heat exchanger Ruang heat exchanger berfungsi untuk menempatkan heat exchanger. Pengujian Tanpa Beban Pengujian tanpa beban dilakukan 2 kali percobaan yaitu percobaan 1 dan percobaan 2 masing–masing 24 jam. Data yang diambil yaitu sebaran suhu pada ruang pengering, RH lingkungan, outlet, dan ruang pengering, irradiasi surya, dan jumlah bahan bakar yang digunakan. Sebaran suhu pada ruang pengering secara keseluruhan yaitu yaitu 45.99C dengan nilai keragaman 4.81C dan RH pada ruang pengering yaitu 69.39%. Data sebaran suhu pada percobaan 1 dapat dilihat pada Gambar 13 di bawah ini.
21
60.00
Suhu (C)
50.00
RP1 1
40.00
RP1 2
30.00
RP2 1
20.00
RP2 2
10.00 8:20 10:00 11:40 13:20 15:00 16:40 18:20 20:00 21:40 23:20 1:00 2:40 4:20 6:00 7:40
0.00
Waktu (jam) Gambar 13 Sebaran suhu ruang pengering pada percobaan 1 Keterangan: RP1 1 : Ruang pengering 1 bagian atas RP1 2 : Ruang pengering 1 bagian bawah RP2 1 : Ruang pengering 2 bagian atas RP2 2 : Ruang pengering 2 bagian bawah Suhu ruang pengering pada percobaan 2 secara keseluruhan mencapai 43.65C dan nilai keragaman 4.04C serta RH mencapai 70.06%. Sebaran suhu ruang pengering pada percobaan 2 dapat dilihat pada Gambar 14. 60.00
Suhu (C)
50.00 RP1 1
40.00
RP1 2
30.00
RP2 1
20.00
RP2 2
10.00 8:40 10:10 11:40 13:10 14:40 16:10 17:40 19:10 20:40 22:10 23:40 1:10 2:40 4:10 5:40 7:10
0.00
Waktu (jam) Gambar 14 Sebaran suhu ruang pengering pada percobaan 2 Berdasarkan Gambar 13 dan Gambar 14, terlihat bahwa suhu ruang pengering di malam hari lebih tinggi dan lebih konstan jika dibandingkan pada siang hari. Nilai keragaman suhu ruang pengering pada percobaan 1 di siang hari mencapai 4.22C, sedangkan di malam hari keragamannya mencapai 3.14C, nilai
22
keragaman pada percobaan 2 di siang hari mencapai 3.62C dan pada malam hari mencapai 2.01C. Hal ini terjadi karena pada siang hari pengering memperoleh sumber energi dari matahari, biomassa, dan listrik, sedangkan pada malam hari pengering hanya memperoleh energi yang berasal biomassa dan listrik. Penambahan energi surya pada siang hari yang fluktuatif mempengaruhi panas yang diterima pada pengering menjadi kurang stabil, karena itu pada malam hari suhu lebih konstan dari pada di siang hari. Hasil pengujian tanpa beban secara lebih jelas dapat dilihat pada Tabel 8. Tabel 8 Nilai rata–rata suhu, RH, kecepatan angin, irradiasi surya, dan biomassa pada pengujian tanpa beban Nilai rata–rata Keterangan Satuan Percobaan 1 Percobaan2 (tanpa beban) (tanpa beban) Suhu ruang pengering 45.99 43.65 C RH ruang pengering % 69.39 70.06 Kec. angin ruang m/s 0.52 0.52 Suhu lingkungan 30.73 31.65 C RH lingkungan % 98.11 88.22 Kec. angin lingkungan m/s 0.19 0.18 Suhu outlet 39.34 38.56 C RH outlet % 81.54 78.29 Kec. angin outlet m/s 0.32 0.31 2 Radiasi surya 334.25 233.82 W/m C Penggunaan kayu bakar Kg 30.00 27.00 Pengujian dengan Bahan Chip Mocaf Pengujian menggunakan beban chip mocaf. Percobaan 3 dilakukan hanya di siang hari saja, sedangkan percobaan 4 dilakukan pada siang dan malam hari secara berkelanjutan. Hal ini dilakukan untuk melihat perbedaan performa pengering pada siang hari dan malam hari, selain itu percobaan ini dilakukan untuk melihat pengeringan pada waktu yang terbatas. Data yang diambil pada percobaan 3 dan percobaan 4 yaitu sebaran suhu ruang pengering, RH ruang pengering, outlet, lingkungan, irradiasi surya, serta jumlah biomassa yang digunakan. Sebaran suhu ruang pengering pada percobaan 3 secara keseluruhan mencapai 42.53C dan nilai keragamannya adalah 1.82C dengan RH sebesar 81.84%. Sebaran suhu ruang pengering dapat diketahui pada Gambar 15 di bawah ini.
23
60.00
Suhu (C)
50.00 RP1 1
40.00
RP1 2
30.00
RP2 1
20.00
RP2 2
10.00 10:20 11:10 12:00 12:50 13:40 14:30 15:20 8:50 9:40 10:30 11:20 12:10 13:00 13:50 14:40
0.00
Waktu (jam) Gambar 15 Sebaran suhu ruang pengering pada percobaan 3 Sebaran suhu pada percobaan 4 secara keseluruan pada ruang pengering mencapai 43.64C dengan nilai keragaman 3.90C, dan RH sebesar 58.30%. Sebaran suhu ruang pengering pada percobaan 4 dapat dilihat pada Gambar 16. 60.00
Suhu (C)
50.00 RP1 1
40.00
RP1 2
30.00
RP2 1
20.00
RP2 2
10.00 10:20 11:30 12:40 13:50 15:00 16:10 17:20 18:30 19:40 20:50 22:00 23:10 0:20 1:30 2:40
0.00
Waktu (jam) Gambar 16 Sebaran suhu ruang pengering pada percobaan 4 Berdasarkan Gambar 15 dan 16 terlihat sebaran suhu lebih stabil dari percobaan tanpa beban. Hal ini dikuatkan dengan nilai keragaman suhu ruang pengering pada percobaan menggunakan beban lebih rendah dari percobaan tanpa beban, dengan kisaran nilai yaitu untuk percobaan menggunakan beban 1.82C s.d 3.90C, sementara percobaan tanpa beban berkisar 4.04C s.d 4.81C. Gambar 15 menunjukkan bahwa suhu pada ruang pengering pada bagian bawah lebih tinggi pada bagian atas, hal ini dikarenakan terjadi kendala pada sambungan kabel ke
24
kipas pada bagian atas, sehingga penyebaran suhu pada bagian atas kurang merata, oleh karena itu terjadi perbedaan suhu pada bagian atas dan bawah pada ruang pengering. Suhu ruang pengering, RH ruang pengering, outlet, dan lingkungan, irradiasi surya, dan penggunaan biomassa dapat dilihat pada Tabel 9. Tabel 9 Nilai rata–rata suhu, RH, kecepatan angin, irradiasi surya, dan biomassa pada pengujian menggunakan beban Nilai rata – rata Percobaan 3 Percobaan 4 Keterangan Satuan (menggunakan (menggunakan beban) beban) Suhu ruang pengering 42.65 45.83 C RH ruang pengering % 81.84 58.30 Kec. angin ruang m/s 0.52 0.52 Suhu lingkungan 31.95 33.38 C RH lingkungan % 92.91 88.04 Kec. angin lingkungan m/s 0.22 0.12 Suhu outlet 39.30 42.31 C RH outlet % 86.28 46.06 Kec. angin outlet m/s 0.32 0.31 2 Radiasi surya 382.88 231.88 W/m C Penggunaan kayu bakar kg 14.00 19.50 Uji Performansi Pengering Efisiensi Pengering dan Efisiensi Termal Uji performansi alat adalah salah satu cara untuk melihat kinerja atau kemampuan alat tersebut dalam mencapai tujuan yang diinginkan. Uji performansi yang dilakukan pada alat pengering ini bertujuan untuk melihat kinerja alat dalam mengeringkan chip mocaf. Uji performansi alat ini dapat diketahui dengan melihat efisiensi pengeringan, efisiensi termal, konsumsi energi spesifik, dan mutu dari produk yang dikeringkan. Salah satu parameter yang digunakan untuk menentukan uji performansi alat ini yaitu efisiensi pengeringan. Efisiensi pengeringan merupakan banyaknya energi yang digunakan untuk menguapkan 1 kg uap bahan dalam waktu tertentu. Efisiensi pengeringan yang besar menunjukkan besarnya konsumsi energi yang digunakan untuk menguapkan 1 kg uap air bahan dalam kurun waktu tertentu semakin kecil, dan sebaliknya. Sedangkan efisiensi termal merupakan banyaknya energi berguna yang digunakan untuk meningkatkan suhu udara pengeringan. Efisiensi pengeringan dan efisiensi termal pada proses pengeringan disajikan pada Tabel 10 .
25
Tabel 10 Uji performansi alat pengering ERK hybrid tipe rak Keterangan Massa awal bahan Massa akhir bahan Kadar air awal bahan Kadar air akhir bahan Lama pengeringan Suhu ruang pengering Efisiensi pengeringan Efisiensi termal Kebutuhan energi spesifik
Hasil percobaan P2 (tanpa P3 (beban) beban)
P1 (tanpa beban)
Simbol
Satuan
m0
kg
-
-
18.04
18.09
mf
kg
-
-
4.69
6.77
M0
%bk
-
-
69.88
70.74
Mf
%bk
-
-
12.56
13.76
t
jam
24.00
24.00
11.50
15.00
Tr
°C
45.99
43.65
43.65
45.83
pengerin % gan
-
-
9.37
6.79
33.75
31.77
24.84
24.32
-
-
28.19
32.80
termal
%
KES
MJ/kg uap air
P4 (beban)
Tabel 11 Hasil uji performansi pengering ERK hybrid tipe rak yang dilakukan Aritesty (2013) Keterangan
Hasil percobaan P2 (tanpa P3 (beban) beban)
Simbol
Satuan
m0
kg
-
-
21.08
60.75
mf
kg
-
-
3.08
13.13
M0
%bb
-
-
82.87
81.31
Mf
%bk
-
-
10.46
8.55
t
jam
24.00
24.00
27.50
30.50
Tr
C
44.50
44.11
45.47
41.77
termal
%
18.82
26.50
24.13
14.53
Efisiensi Pengeringan
pengerin gan
%
-
-
4.24
5.51
Kebutuhan energi spesifik
KES
MJ/kg uap air
-
-
57.41
28.61
Massa awal bahan Massa akhir bahan Kadar air awal bahan Kadar air akhir bahan Lama pengeringan Suhu ruang pengering Efisiensi termal
P1(tanpa beban)
P4 (beban)
26
Berdasarkan Tabel 10 dapat diketahui bahwa efisiensi pengeringan pada percobaan 3 dan 4 yaitu 9.37% dan 6.79%. Besarnya efisiensi tersebut masih kecil namun masih dalam kisaran efisiensi pengering ERK hybrid tipe rak. Besarnya efisiensi tersebut lebih baik dari pada percobaan sebelumnya yang dilakukan oleh Aritesty (2013) pada Tabel 11. Efisiensi pengeringan pada percobaan sebelumnya mencapai 4.247% dan 8.519%. Besarnya efisiensi pengeringan pada percobaan ini yaitu pada percobaan 3 dan 4 sedikit berbeda, efisiensi pengeringan percobaan 3 lebih besar dari percobaan 4. Parameter selanjutnya yaitu efisiensi termal, berdasarkan Tabel 10 efisiensi termal dari percobaan 1 hingga percobaan 4 berturut–turut yaitu 33.75%, 31.77%, 24.82%, dan 24.32%, sedangkan efisiensi termal pada percobaan yang dilakukan oleh Aritesty (2013) pada Tabel 11 dari percobaan 1 hingga percobaan 4 berturut– turut yaitu 18.82%, 26.50%, 24.13%, dan 14.53%. Jika diperhatikan lebih lanjut besarnya efisiensi termal yang diperoleh pada percobaan ini lebih tinggi dari penelitian yang dilakukan oleh Aritesty (2013). Berdasarkan Tabel 10 efisiensi termal pada percobaan 3 pada penelitian ini lebih besar dari percobaan 4. Hal ini disebabkan karena pada percobaan 3 konsumsi energi berasal dari energi surya, biomassa, dan listrik secara penuh, namun pada percobaan 4 hanya memperoleh energi surya pada periode siang saja, oleh karena itu konsumsi energi biomassa pada percobaan 4 lebih besar dari percobaan 3. Namun jika diperhatikan secara terperinci, kebutuhan energi untuk proses pengeringan pada kedua percobaan tersebut tidak jauh berbeda, hal ini dapat disebabkan karena terdapat kehilangan panas pada sistem tungku yang besar dan dapat dilihat pada Tabel 13. Hal ini membuktikan tingkat efisiensi energi surya yang tinggi dari pada penggunaan energi biomassa pada proses pengeringan. Konsumsi energi spesifik yang diperoleh pada penelitian ini lebih besar dari penelitian yang dilakukan oleh Aritesty (2013). Hal ini menunjukkan bahwa modifikasi yang dilakukan belum mampu untuk menurunkan KES selama proses pengeringan. Data hasil uji performansi pengering ERK hybrid secara lengkap disajikan pada Lampiran 5, masukkan energi selama percobaan dilampirkan pada Lampiran 6, dan contoh perhitungan uji performansi pengering secara lengkap disajikan pada Lampiran 7. Pengujian Kadar Air Penurunan kadar air merupakan perubahan kadar air bahan per satuan waktu. Percobaan menggunakan bahan chip mocaf dilakukan 2 kali percobaan, yaitu percobaan 3 yang dilakukan pada waktu siang hari saja dan percobaan 4 yang dilakukan pada siang dan malam hari secara berkelanjutan. Pengambilan data kadar air bahan dilakukan pada rak bagian atas, tengah, dan bawah yang terdapat pada ruang pengering. Percobaan 3 dikerjakan 2 hari selama 11.5 jam, pada hari pertama dilakukan pengeringan selama 5.5 jam dan pada hari kedua selama 6 jam. Massa awal bahan pada percobaan 3 yaitu 18.04 kg yang dikeringkan hingga massa akhir bahan yaitu 6.776 kg, kadar air awal bahan mencapai 69.88%bk dan dikeringkan hingga mencapai kadar air akhir bahan sebesar 12.56%bk. Laju pengeringan bahan secara keseluruhan adalah 5.21%bk/jam. Perubahan kadar air bahan pada percobaan 3 dapat dilihat pada Gambar 17 di bawah ini.
27
80
Kadar Air (%bk)
70
R11
60
R12
50
R13
40
R21
30
R22
20
R23
10 0 0
2
4
6
8
10
12
14
Waktu (jam) Gambar 17 Perubahan kadar air pada percobaan 3 Percobaan 4 dilakukan pengeringan pada waktu siang dan malam hari selama 15 jam. Massa awal bahan pada percobaan 4 yaitu 18.09 kg dikeringkan hingga mencapai 6.771 kg, kadar air awal bahan mencapai 70.74%bk dan dikeringkan hingga kadar akhir bahan mencapai 13.76%bk, sedangkan laju pengeringan bahan pada percobaan 4 yaitu 3.88%bk/jam. Perubahan kadar air bahan pada percobaan 4 dapat dilihat pada Gambar 18 di bawah ini. 80
Kadar Air (%bk)
70
R11
60
R12
50
R13
40
R21
30
R22
20
R23
10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Waktu (jam) Gambar 18 Perubahan kadar air pada percobaan 4 Keterangan : R11 : Rak ruang pengering 1 bagian atas R12 : Rak ruang pengering 1 bagian tengah R13 : Rak ruang pengering 1 bagian bawah
28
R21 : Rak ruang pengering 2 bagian atas R22 : Rak ruang pengering 2 bagian tengah R23 : Rak ruang pengering 2 bagian bawah Waktu yang dibutuhkan untuk mengeringkan bahan pada percobaan 3 lebih cepat dari pada pengeringan bahan pada percobaan 4. Hal ini dapat terjadi karena pada waktu transisi (garis pembatas pada Gambar 17) dari hari pertama menuju hari kedua, bahan pada percobaan 3 hanya dihamparkan begitu saja di dalam ruangan terbuka, sehingga terjadi kehilangan kadar air yang cukup besar, hal ini dapat dilihat pada Gambar 17 di atas. Penurunan kadar air pada percobaan 3 dan 4 terjadi paling cepat pada rak bagian bawah, hal ini disebabkan karena suhu pada rak bagian bawah lebih tinggi dari rak tengah dan rak atas. Suhu pada rak bagian bawah lebih tinggi karena terjadi perpindahan panas secara konveksi dari absorber yang dipanaskan secara konduksi dari bagian tungku, karena itu diperlukan perhitungan mengenai kecepatan kipas yang tepat sebagai penghantar panas secara konveksi ke bahan. Penggunaan Energi Selama Proses Pengeringan Percobaan pengeringan menggunakan sumber energi surya dan energi biomassa berupa panas yang dihasilkan pada tungku biomassa dengan bahan bakar berupa kayu bakar serta energi listrik yang digunakan untuk menggerakkan kipas sebagai penyebar panas pada ruang pengering. Masukkan energi terbesar berasal dari biomassa yang dapat dilihat pada data masukkan energi selama percobaan pada Lampian 4, namun energi surya maupun energi listrik sangat berperan penting dalam proses pengeringan, hal ini dapat dilihat pada perbedaan total energi biomassa yang dihasilkan pada percobaan 3 dan 4 yang sangat signifikan. Percobaan 3 menggunakan bahan yang dilakukan pada siang hari saja hanya membutuhkan total energi biomassa sebesar 263 240.6 kJ, sedangkan pada percobaan 4 yang dilakukan siang dan malam secara berkelanjutan menghabiskan total energi biomassa sebesar 366 656.55 kJ yang dapat dilihat pada Tabel 12. Kedua percobaan tersebut yang membedakan adalah masukkan energi surya selama proses pengeringan, perbedaan total energi biomassa keduanya mencapai 103 415.9 kJ dan perbedaan jumlah masukkan biomassa sebesar 5.5 kg. Perbedaan total energi biomassa tersebut sangatlah besar, karena itu potensi energi surya pada proses pengeringan sangatlah tinggi.
29
Tabel 12 Jumlah dan laju pembakaran biomassa selama percobaan Percobaan 1 Percobaan 2 Percobaan 3 Percobaan 4 Parameter Satuan (tanpa (tanpa (dengan (dengan beban) beban) beban) beban) Jumlah kg 30.00 27.00 14.00 19.50 kayu bakar Nilai kalor kJ/kg 18 802.90 18 802.90 18 802.90 18 802.90 kayu bakar Laju kg/jam 1.25 1.13 1.22 1.30 pembakaran Total energi kJ 564 087.00 507 678.30 263 240.60 366 656.50 biomassa Perpindahan Panas pada Sistem Tungku Analisis pindah panas yang dilakukan, dihitung pada perpindahan panas pada sistem tungku. Kehilangan panas pada sistem tungku secara rinci terlampir pada Tabel 13, untuk mengetahui panas pembakaran dan kehilangan panas pada tungku dapat diketahui pada Tabel 14. Tabel 13 Kehilangan panas pada sistem tungku P1 P2 P3 Parameter Simbol Satuan (tanpa (tanpa (dengan beban) beban) beban) Panas yang hilang Qloss 1 Watt 18.33 0.52 59.82 pada dinding tegak Panas yang hilang Qloss 2 Watt 6.78 0.19 22.13 pada dasar Panas yang hilang pada lubang udara Qloss 3 Watt 155.04 129.27 126.94 masuk Jumlah Qloss Watt 180.14 129.98 208.88
P4 (dengan beban) 95.75 35.40 143.18 274.33
Tabel 14 Panas pembakaran dan kehilangan panas pada tungku Nilai kalor Laju Panas Q loss Parameter biomassa pembakaran pembakaran (Watt) (kJ/kg) (kg/jam) (Watt) P1 (tanpa beban) 18 802.91 1.25 6 528.79 180.14 P2 (tanpa beban) 18 802.91 1.13 5 875.91 129.98 P3 (dengan beban) 18 802.91 1.22 6 358.48 208.88 P4 (dengan beban) 18 802.91 1.30 6 789.94 274.33 Rata-rata 18 802.91 1.22 6 388.28 198.33
30
Tabel 15 Panas pembakaran dan kehilangan panas tungku pada percobaan yang dilakukan Aritesty (2013) Nilai kalor Laju Panas Q loss Parameter biomassa pembakaran pembakaran (Watt) (kJ/kg) (kg/jam) (Watt) P1 (tanpa beban) 15 779.13 2.62 11 483.69 1 787.44 P2 (tanpa beban) 15 779.13 1.82 7 977.22 1 785.70 P3 (dengan beban) 15 779.13 2.17 9 511.30 1 813.41 P4 (dengan beban) 15 779.13 2.50 10 957.72 1 813.97 Rata-rata 15 779.13 2.28 9 982.48 1 800.13 Berdasarkan Tabel 14 di atas, dapat diketahui bahwa jumlah panas yang hilang pada sistem tungku mencapai 198.33 Watt, sedangkan panas yang hilang pada percobaan yang dilakukan Aritesty (2013) mencapai 1800.134 Watt. Hasil tersebut menunjukkan bahwa kehilangan panas yang diperoleh jauh lebih kecil dari pada percobaan Aritesty (2013), hal ini menunjukkan bahwa penggantian bahan pembangun tungku sangat mempengaruhi tingkat kehilangan panas pada sistem tungku. Kehilangan energi terbesar pada sistem tungku terdapat pada lubang udara masuk yang mencapai rata-rata 136.31 Watt yang dapat diketahui pada Lampiran 7, sedangkan kehilangan panas pada dinding dan alas tungku hanya mencapai rata-rata 59.73 Watt yang disajikan pada Lampiran 8. Panas yang berasal dari biomassa disalurkan melalui heat exchanger untuk disebarkan ke ruang pengering dengan bantuan kipas. Data panas efektif heat exchanger dapat dilihat pada Tabel 16 dan perhitungannya pada Lampiran 9. Tabel 16 Panas efektif heat exchanger Panas Panas tungku Panas HE Parameter pembakaran (Watt) (Watt) (Watt) 29.73 P1 (tanpa beban) 6 528.79 6 348.65 28.51 P2 (tanpa beban) 5 875.91 5 745.94 21.93 P3 (dengan beban) 6 358.47 6 149.59 23.34 P4 (dengan beban) 6 789.94 6 515.62 25.88 Rata-rata 6 388.28 6 189.95
Panas efektif HE (%) 0.46 0.49 0.35 0.35 0.42
Tabel 17 Panas efektif heat exchanger pada percobaan yang dilakukan Aritesty (2013) Panas Panas tungku Panas HE Panas efektif Parameter pembakaran (Watt) (Watt) HE (%) (Watt) P1 (tanpa beban) 11 483.69 9 696.26 260.89 2.27 P2 (tenpa beban) 7 977.22 6 191.52 11.58 0.15 P3 (dengan beban) 9 511.30 7 697.89 28.82 0.30 P4 (dengan beban) 10 957.72 9 143.75 251.98 2.30 Rata-rata 9 982.48 8 146.45 138.32 1.39
31
Berdasarka Tabel 16 di atas, diketahui panas efektif heat exchanger yang dihasilkan masih kecil yaitu 25.88 Watt dan efisiensi sistem heat exchanger mencapai 0.42%, besarnya efisiensi sistem heat exchanger tersebut masih lebih kecil jika dibandingkan dengan penelitian sebelumnya oleh Aritesty (2013) pada Tabel 17 yang mencapai 1.386%. Hasil perhitungan panas efektif heat exchanger disajikan pada Lampiran 11. Rendahnya tingkat efisiensi sistem heat exchanger mengindikasikan masih terdapat kehilangan panas pada ruang pengering. Panas yang hilang pada ruang pengering dapat diketahui pada Tabel 18. Tabel 18 Panas yang hilang pada dinding ruang pengering Suhu Suhu ruang Panas yang hilang lingkungan pengering Parameter (Watt/m2) (C) (C) P1 (tanpa beban) 40.30 44.75 6.11 P2 (tanpa beban) 29.80 41.93 16.39 P3 (dengan beban) 33.63 41.40 11.02 P4 (dengan beban) 26.06 41.90 19.07 Rata–rata 32.45 42.49 13.15 Tabel 19 Panas yang hilang pada dinding ruang pengering pada percobaan yang dilakukan Aritety (2013) Suhu Suhu ruang Panas yang hilang lingkungan pengering Parameter (Watt/m2) (C) (C) P1 (tanpa beban) 30.32 44.5 18.92 P2 (tanpa beban) 29.91 44.11 18.95 P3 (menggunakan beban) 30.06 45.47 20.57 P4 (menggunakan beban) 29.95 41.77 13.93 Rata–rata 30.06 43.96 18.09 Berdasarkan Tabel 18 di atas diketahui bahwa potensi panas yang hilang per satuan luas pada ruang pengering melalui dinding ruang pengering diperoleh rata– rata sebesar 13.15 Watt/m2 (perhitungannya dapat diketahui pada Lampiran 10), sedangkan pada percobaan Aritesty (2013) pada Tabel 19, potensi kehilangan panas per satuan luas pada dinding ruang pengering mencapai 18.09 Watt/m2. Hal ini menunjukkan bahwa percobaan ini lebih baik karena potensi panas yang hilang per satuan luas melalui dinding ruang pengering lebih kecil dari percobaan yang dilakukan sebelumnya.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Hasil yang diperoleh pada percobaan pengeringan menggunakan alat ini adalah kadar air telah mencapai target (12%bk sampai dengan 14%bk) yaitu pada percobaan 3 mencapai 12.56%bk, sementara pada percobaan 4 kadar air akhir mencapai 13.76%bk. Laju pengeringan pada percobaan 3 mencapai 5.21%bk/jam,
32
sedangkan percobaan 4 yaitu 3.88%bk/jam. Pengeringan pada percobaan 3 dilakukan selama 11.5 jam, sementara percobaan 4 dilakukan selama 15 jam. Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, sumber energi masukkan berasal dari irradiasi matahari, energi biomassa berupa kayu bakar, dan energi listrik untuk menggerakkan kipas. Pada siang hari pengering mendapatkan 3 masukkan energi tersebut, sementara pada malam hari pengering hanya menggunakan energi biomassa dan energi listrik. Percobaan 3 yang dilakukan siang hari saja, total energi biomassa yang dibutuhkan lebih kecil dari percobaan 4, sedangkan energi pengeringan yang digunakan tidak jauh berbeda, hal ini menunjukkan besarnya peranan energi surya pada proses pengeringan dan penggunaan energi surya yang lebih efektif dan efisien dari pada energi biomassa. Modifikasi yang dilakukan pada penelitian ini yaitu pengembangan desain pengering ERK hybrid tipe rak rancangan Wulandani et al. (2009) yang difokuskan pada modifikasi heat exchanger dan tungku biomassa. Heat exchanger ditambahkan sirip tipe melingkar berjumlah 9 sirip per pipa, dan jumlah pipa yang dibutuhkan yaitu 10 buah. Sedangkan pada tungku biomassa, bahan pembangun tungku dirubah dari bahan besi menjadi batu bata. Performansi alat pengering ERK hybrid ini mencapai efisiensi pengeringan yang masih kecil. Efisiensi pengeringan pada percobaan 3 mencapai 9.37%, sementara pada percobaan 4 mencapai 6.79%, sedangkan efisiensi termal pada percobaan 3 mencapai 24.83%, dan pada percobaan 4 mencapai 24.32%. Efisiensi pengeringan yang kecil disebabkan kehilangan panas pada sistem tungku biomassa, heat exchanger, dan dinding ruang pengering. Saran Saran yang dapat diberikan melalui penelitian ini yaitu : 1. Penggunaan alat pengering di musim kemarau dapat dilakukan pada siang hari saja, sedangkan pada musim hujan pengeringan dilakukan pada siang dan malam hari secara berkelanjutan. 2. Diperlukan penelitian lanjutan mengenai pehitungan dan modifikasi yang tepat pada sistem tungku khususnya pada lubang udara masuk tungku, sehingga panas yang hilang pada sistem tungku menjadi berkurang dan efisiensi termal serta efisiensi pengeringan menjadi bertambah. 3. Diperlukan penambahan sirip pada heat exchanger dan modifikasi pipa untuk memperlambat aliran udara dalam pipa sehingga efisiensi heat exchanger meningkat. DAFTAR PUSTAKA Abdullah K, Tambunan AH, Thamrin, Wenur T, Wulandani D. 1994. Optimasi dalam perencanaan alat pengering hasil pertanian dengan energi surya [laporan penelitian hibah bersaing]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Abdullah K. 2007. Energi Terbarukan untuk Mendukung Pembangunan Pertanian dan Perdesaan. Bogor (ID): IPB Pr.
33
Aida N, Kurniati LI, Gunawan S, Widjaja T. 2012. Pembuatan mocaf (modified cassava flour) dengan proses fermentasi menggunakan Lactobacillus planatarum, Saccharomyses cerevisae, dan Rhizopus oryzae.Jurnal Teknik POMITS. 1(1):1-6. Aletor VA. 1993. Allelochemical in plant food and feedingstuffs : nutrional, biochemical and physiophatological aspects in animal production. Veterinary and Human Toxicolog. 35(1):57-67. Aritesty E. 2013. Uji performansi alat pengering efek rumah kaca (ERK) hybrid tipe rak untuk pengeringan temulawak (Curcuma xanthorizza Roxb.) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Brooker DB, Arkema FWB, Hall CW. 1974. Drying Cereal Grains. West Port Connecticut (US): The Avi Publishing Company Inc. Corn EE. 1973. Cynogenic glucosides: their occurrence biosynthesis and function [ulasan]. Nestle B, Mclntyr B. 1(1):55-63. Djatmiko ATW. 1986. Desain dan uji penampilan tungku bahan bakar arang dengan pemberian sekat udara [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Hahn SK. 1992. Cynide and tannin, traditional processing and utilizatin of cassava in Africa. IITA. 27(3).459-477. Heldman DR, Singh RP. 1981. Food Process Engineering. West Port Connecticut (US): The Avi Publishing Company Inc. Henderson SM, Perry RL. 1976. Agricultural Process Engineering. West Port Connecticut (US): The Avi Publishing Company Inc. Holman JP. 1997. Perpindahan Kalor Alih Bahasa Edisi Keenam. Jakarta (ID): Erlangga. Kajuna STAR, Silayo VCK, Mkenda A, Makungu PJJ. 2001. Thin-layer drying of diced cassava roots. AJST. 2(2):94-100. Kothandaraman CP. 2006. Heat and Mass Transfer. India (IN): New Age International Publisher. Manalu LP. 1999. Pengering energi surya dengan pengaduk mekanis untuk pengeringan kakao [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Mkandawire RW, Taulo JL. 2008. Status of cassava drying in Malawi [survey report]. Blantyre (MW): MIRTDC. Muttaqin FI. 2012. Rancang bangun dan uji kinerja pengering singkong efek rumah kaca (ERK) hibrid tipe rak dengan turbin ventilator untuk sirkulasi udara [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Nanda SK, Balagopalan C, Padmaja G, Moorthy SN, Sajeev MS. 2002. Post harvest management cassava for industry utilization. JIPI. 2(1):564. Okafor N. 1998. An intregrated biosystem for the disposal of cassava wastes, intregrated biosystem in zero emissions applications [Internet]. [Waktu dan tempat pertemuan tidak diketahui]. Shibuya (JP): UNU-IAS. [diunduh 2014 Sept 7]. Tersedia pada : http://www.ias.unu.edu/ proceeding/icibs. Sara O, Pekdemir T, Yapici S, Ersahan H. 2000. Thermal performance analysis for solid and perforated blocks attached on a flat surface in duct flow. Energy Conversion & Management. 41(1):1019-1028. Utami Y. 2008. Desain dan uji unjuk kerja tungku briket biomassa [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
34
Winarno FG, Fardiaz S, Fardiaz D. 1980. Pengantar Teknologi Pangan. Jakarta (ID): PT Sarana Perkasa. Wulandani D. 1997. Analisis pengeringan pada alat pengering kopi (Coffe sp) efek rumah kaca berenergi surya [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Wulandani D. 2005. Kajian distribusi suhu, RH dan aliran udara pengering untuk optimasi disain pengering efek rumah kaca [disertasi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Wulandani D, Nelwan LO. 2009. Rancang Bangun Kolektor Surya Tipe Plat Datar dan Konsentrator Surya Penghasil Panas pada Pengering ProdukProduk Pertanian. Bogor (ID): LPPM IPB.
35
Lampiran 1 Kebutuhan perhitungan panas berdasarkan data awal pengeringan 1. Jumlah air yang harus diuapkan m1 100 - M0 = m0 100 - M1 m1 100 - 65 = 18 100 -13 m1 = 7.24 Air yang harus diuapkan =18 -7.24 = 10.76 kg Laju penguapan Ẇ v = 10.76/18 = 0.597 kg/jam 2. Kebutuhan Panas Kondisi Udara Parameter C K Suhu awal 28 313 Suhu akhir 40 301 12 12 △T (Beda suhu) Panas untuk meningkatkan suhu bahan (Q1) Q1 = m0 Cpb (T2 -T1 ) CPb = 0.837 + (0.034 x M0 ) CPb = 0.837 + (0.034 x 65) CPb = 3.047 kJ/kgC Q1 = 18 kg × 3.047 kJ⁄kgC × (40 C - 28C) Q1 = 18 kg × 3.047 kJ⁄kgC × (12 C) Q1 = 658.152 kJ Panas untuk menguapkan air bahan (Q2) Q2 = mu Hfg (M0 - M1 ) mu = mo (100 - M1) (65 - 13 ) mu = 18 kg × (100 - 13 ) mu = 18 kg × 0.597%bk mu = 10.759 kg %bk Hfg = 2 406.7 kJ⁄kg (diperoleh dari tabel pindah panas berdasarkan suhu pengeringan) Q2 = 10.759 kg × 2 406.7 kj/kg Q2 = 25 892.772 kJ Panas total pengeringan yang dibutuhkan (QT ) QT = Q1 + Q2 QT = 658.152 kJ + 25 892.772 kJ QT = 26 550.924 kJ
36
Lampiran 1 Kebutuhan perhitungan panas berdasarkan data awal pengeringan (lanjutan) Panas yang tersedia (disuplai dari energi surya) diasumsikan selama penyinaran berlangsung yaitu 8 jam. Qs = 3.6 Ig Ap t W Qs = 3.6 x 500 2 x 0.75 m2 x 0.9 x 0.9 x 8 jam m Qs = 8 748 kJ Panas yang disuplai dari biomassa QB = QT - QS QB = 26 550.924 kJ – 8 748 kJ QB = 17 802.924 kJ
37
Lampiran 2 Perhitungan dimensi fisik subfungsi struktur 1. Perhitungan dimensi rak Kondisi awal Parameter Keterangan Massa bahan 18.00 Densitas bahan 500.00 Jumlah rak 18.00 Tinggi tumpukan bahan 0.01 Jarak antar rak 0.10
Satuan kg kg/m3 Rak m m
Mencari volume total rak m0 V total rak = ρ 18 kg V total rak = 500 kg/m3 V total rak = 0.036 m3 Mencari luas total rak V total rak A total rak = t tumpukan 0.036 m3 A total rak = 0.01 m A total rak = 3.6 m2 Mencari luas per rak A total rak A per rak = Jumlah rak 3.6 m2 A per rak = 18 rak A per rak = 0.2 m2 Mencari dimensi per rak Asumsikan panjang rak 0.5 m. A per rak l= Panjang rak 0.2 m2 l= 0.5 m l = 0.4 m 2. Perhitungan dimensi ruang pengering Parameter Keterangan Jumlah ruang pengering 2.00 Panjang ruang pengering 0.50 Lebar ruang pengering 0.40
Satuan Buah m m
38
Lampiran 2 Perhitungan dimensi fisik subfungsi struktur (lanjutan) Mencari tinggi ruang pengering Jumlah total rak t ruang pengering = Jarak antar rak × ( + 1) Jumlah ruang pengering 18 Buah t ruang pengering = 0.1 m × ( + 1) 2 Buah t ruang pengering = 1 m
39
Lampiran 3 Perhitungan pipa heat exchanger Parameter Nilai Satuan Panas biomassa yang digunakan 288.47 Watt Suhu tungku (udara pemanas 350.00 C masukkan) Suhu keluaran 70.00 C Suhu awal (udara yang dipanaskan) 30.00 C LMTD 123.33 C Panas spesifik udara (Cp) 1 034.06 W/mK Kecepatan udara (v) 0.10 m2 Diameter luar pipa 0.031 m Diameter dalam pipa 0.031 m Fluid properties pada suhu 70C 1.02 J/kgK Densitas () Viskositas (µ) 2.05 x 10-5 m/s Panas spesifik 1 008.70 W/mK Konduktivitas 0.03 W/mK Bilangan Prandlt 0.71 Fluid properties pada suhu 60C 1.05 J/kgK Densitas () Viskositas (µ) 2.01 x 10-5 m/s Panas spesifik 1 008.00 W/mK Konduktivitas 0.02 W/mK Bilangan Prandlt 0.71 Konduktivitas besi Bilangan Reynold (Re d) Bilangan Nusselt (Nu d) Koefisien pindah panas keseluruhan (U) Luas pipa (A faktor gesekan 20%) Jumlah pipa Panjang per pipa
Keterangan Aritesty (2013) Aritesty (2013) Aritesty (2013)
Aritesty (2013)
73.00 W/mK 155.51 (laminar) 2.67 W/mK 1.78 W/mK 1.07 m2 10.00 Buah 1.03 m
Mencari bilangan Reynold ( v Dd) Re = µ kg ( 1.0287 ⁄ 3 × 0.1 m⁄s × 0.031 m) m Re = 0.000020507 kg/ms
Re =155.506 (≤2000 berarti aliran laminar) Mencari bilangan Nusselt Nu =1.86 (Red Pr)1/3 (d/L)1/3 (µ/μw )
0.14
Nu =1.86 (155.506 x 0.70787)1/3 (0.031m/1 m)1/3 (0.000020507/0.000020061)0.14 Lampiran 3 Perhitungan pipa heat exchanger (lanjutan)
40
Nu = 2.80421 k hi = Nu d
0.029223 W/m2 C ) 0.031 m hi = 2.643 W/m2 C Mencari tahanan panas dari bahan besi r ln (r0 ) 1 RBesi = 2πk 0.0165 m ln (0.0155 m) RBesi = 2π × 73 W/mC RBesi = 0.00014 Mencari tahanan panas di dalam pipa 1 Ri = hi πd 1 Ri = W 2.643 mC × π x 0.031 m R i = 3.886 Mencari tahanan di luar pipa (Ti - ((Tudara - Ti ) x RBesi )) T0 = Ri (60C - ((70C - 60C) x 0.00014)) T0 = 3.886 T0 = 59.9996 C △T 1/4 h0 = 1.32 ( ) d △T 1/4 h0 = 1.32 ( ) d 59.996C - 50C 1/4 h0 = 1.32 ( ) 0.033 m h0 = 5.50734 1 R0 = dπh0 1 R0 = 0.033 m x π x 5.50734 R0 = 1.75233 Mencari koefisien pindah panas keseluruhan 1 U0 = A0 (Ri + RBesi + R0 ) 1 U0 = π × 0.033 m × 1 m (3.88628 + 0.00014 + 1.75233) U0 = 1.71149 W/mC hi = 2.80421 × (
41
Lampiran 3 Perhitungan pipa heat exchanger (lanjutan) Mencari luas total heat exchanger (catatan : efisiensi tungku 30%) 0.3 × q A total = 1.1 × ( ) U0 LMTD 0.3 × 288.473 W A total = 1.1 × ( ) W 1.71149 mC × 123.335 C
A total = 1.052 m2 Mencari jumlah pipa Atotal npipa = A per pipa 1.052 m2 npipa = π × 0.033 m × 1.1 m npipa = 9.23 buah (10 pipa)
42
Lampiran 4 Perhitungan sirip Parameter Diameter luar pipa Suhu dinding Suhu udara Panas yang diterima heat exchanger Koefisien pindah panas konveksi Konduktivitas besi Luas permukaan pipa tanpa sirip Pindahan panas pada permukaan tanpa sirip Peningkatan panas dari penambahan sirip Panas yang dihasilkan sirip Jumlah sirip yang diinginkan Energi yang dihasilkan per sirip Jarak antar sirip Panjang sirip (L) Tebal sirip (t) Lc (L + 0.5t) r1(0.5 × diameter luar pipa) r2c (Lc + r1) r2c/r1 Am Lc3/2 (h/(k Am))1/2 Efisiensi
Nilai 3.30 x 10-2 60.00 30.00
Satuan m C C
Keterangan Wulandani et al. (2009) Aritesty (2013) Aritesty (2013)
201.93 W 61.28 W/m2C 73.00 W/mC 0.11 m2 201.93 Watt 20.00 % 40.38 Watt 9.00 Buah
Ditentukan
4.48 Watt 0.10 m 6.30 x 10-2 m 1.00 x 10-2 m 6.35 x 10-2 0.02 0.08 4.84 6.35 x 10-5 1.839 30 %
Ditentukan
43
Lampiran 5 Hasil uji performansi model alat pengering ERK hybrid Parameter Massa awal bahan Massa akhir bahan Rendemen Massa air bahan yang diuapkan Kadar air awal bahan Kadar air akhir bahan Lama pengeringan Laju pengeringan Panas jenis bahan Panas laten penguapan Suhu ruang pengering Suhu awal bahan Suhu akhir bahan Suhu lingkungan Massa bahan bakar Laju pemasukkan bahan bakar Nilai kalor biomassa Luas permukaan pengering Transmisivitas bahan model pengering Absorsivitas bahan penyerap Radiasi global Lama penyinaran Daya kipas Lama penggunaan kipas Panas untuk meningkatkan suhu bahan Panas untuk menguapkan air bahan Kebutuhan energi untuk proses pengeringan Energi biomassa yang digunakan Energi surya yang diterima Energi listrik Efisiensi pengeringan Efisiensi termal
Simbol mo m1
Kebutuhan energi spesifik
KES
mu Mo M1 t Lp Cpb Hfg Tr T0 T1 Ta mb Lb Hb Ap
Satuan kg kg % kg %bk %bk jam %bk/jam kJ/kg°C kJ/kg °C °C °C °C kg kg/jam kJ/kg m2
I t penyinaran P T
W/m2 jam W jam
Q1
kJ
Q2
kJ
Qt
kJ
Qb
kJ
Qs Ql pengeringan thermal
kJ kJ % % kJ/kg uap air
P3 18.04 4.69 25.98 9.75 69.88 12.56 11.50 4.98 2.99 2 414.09 43.65 33.13 40.35 31.95 14.00 1.22 18 802.92 0.75
P4 18.09 6.77 37.43 11.32 70.74 13.76 15.00 3.80 2.96 2 407.80 45.83 33.88 36.88 26.07 19.50 1.30 18 802.92 0.75
0.90 0.90 382.88 11.50 12.00 11.50
0.90 0.90 231.88 4.00 12.00 15.00
390.46
352.02
25 365.89
24 875.11
25 756.35
25 227.13
263 240.86 366 656.92 9 656.56 2 028.52 1 987.20 2 592.00 9.37 6.79 24.84 24.32 28 193.29
32 799.95
44
Lampiran 6 Masukkan energi selama percobaan Parameter Surya Biomassa Listrik Jumlah
Percobaan 1 Percobaan 2 Percobaan 3 Percobaan 4 kJ % kJ % kJ % kJ % 7.72 1.34 5.51 1.06 9.66 3.51 2.03 0.55 564.09 97.94 507.68 98.13 263.24 95.76 366.66 98.76 4.15 0.72 4.15 0.80 1.99 0.72 2.59 0.70 575.95 100.00 517.33 100.00 274.88 100.00 371.28 100.00
Lampiran 7 Perhitungan uji performansi model ERK hybrid Perhitungan pengambilan data pada percobaan menggunakan beban 1 (P 3) 1. Panas yang digunakan untuk meningkatkan suhu bahan (Q1) Cpb = 0.0837+(0.034 x M0 ) = 0.0837+(0.034 x 18.04 kg) = 2.99kJ/kgC Q1 = m0 Cpb (T2 - T1 ) = 18.04 kg × 2.99 kJ/kgC × (40C – 33.13C) = 390.46 kJ 2. Panas yang digunakan untuk menguapkan air bahan (Q2) (Mo - Mf ) mu = mo (100 - Mf ) (63.49 - 12.56) mu = 18.04 kg (100 - 12.56) mu = 10.507 kg Hfg =2414.09 kj/kg Q2 = mμ × Hfg Q2 = 10.507kg × 2414.09 kj/kg Q2 = 25365.892 kJ 3. Panas total untuk pengeringan QT = Q1 + Q2 QT = 390.46 kJ + 25365.892kJ QT = 25756.347 kJ 4. Jumlah air yang diuapkan Hari ke 1 mu1 = m0 - mf mu1 = 18.04 kg - 11.35 kg mu1 = 6.69 kg Hari ke 2 mu2 = m0 - mf mu2 = 7.75 kg - 4.69 kg mu2 = 3.06 kg Total jumlah air bahan yang diuapkan mu = mu1 +mu2 mu = 6.69 kg + 3.06 kg mu = 9.75 kg
45
Lampiran 7 Perhitungan uji performansi model ERK hybrid (lanjutan) 5. Energi biomassa yang diterima model pengering ERK hybrid Qb = mb Hb kJ Qb = 14 kg × 18 802.92 kg Qb = 263 240.86 kJ 6. Energi surya yang diterima model pengering ERK hybrid Qs = 3.6 Ig AP t W Qs = 3.6 × 349.436 2 × 0.75 m2 × 0.9 × 0.9 × 11.5 jam m Qs = 9 656.56 kJ 7. Energi listrik yang digunakan (Qlistrik) Qlistrik = 3.6 P t n Qlistrik = 3.6 × 12 W × 11.5 jam × 4 Qlistrik = 1 987.20 kJ 8. Efisiensi termal v = 0.52 m/s Q = v Aoutlet noutlet Q = 0.52m/s × 0.24 m2 Q = 0.125 m3/s ṁ v = 1.094 kg/m3 × 0.125 m3 /s ṁ v = 0.137 kg/s Q Peningkatan suhu udara = mr Cpr (Tr - Ta ) kJ QPeningkatan suhu udara = 5 652.392 kg × 1.006 × (43.65C - 31.95C ) kgC QPeningkatan suhu udara = 67 776.454 kJ QPeningkatan suhu udara termal PB1 = × 100% Qb + QSurya 67776.454 kJ termal PB1 = × 100% 263 240.86 kJ + 9 656.561 kJ termal PB1 = 24.836 % 9. Konsumsi energi spesifik (KES) KES =
Qb + QS + QListrik muap
KES =
263 240.86 kJ + 9 656.56 kJ + 1 987.20 kJ 9.75 kg uap air
KES = 28 193.29 kJ/kg uap air
46
Lampiran 8 Kehilangan panas pada dinding tungku Parameter Simbol Satuan P1 P2 P3 P4 Panjang tungku P m 0.65 0.65 0.65 0.65 Lebar tungku L m 0.55 0.55 0.55 0.55 Tinggi tungku T m 0.30 0.30 0.30 0.30 Luas dinding tegak sisi A1 m2 0.20 0.20 0.20 0.20 kanan/kiri tungku Luas dinding tegak sisi A2 m2 0.17 0.17 0.17 0.17 depan/belakang tungku Luas dinding A3 m2 0.36 0.36 0.36 0.36 dasar tungku Suhu dinding Td °C 50.84 30.41 60.79 65.66 Suhu lingkungan Tl °C 40.30 29.80 33.63 26.07 Beda suhu dinding dan suhu Td-Tl °C 10.54 0.61 27.16 39.59 lingkungan Suhu film Tf °C 45.57 30.10 47.21 45.86 Nilai emisivitas E 0.93 0.93 0.93 0.93 bahan Dari tabel sifat-sifat udara (berdasarkan Tf) diperoleh Bilangan Prandtl Pr 0.71 0.71 0.71 0.71 Konduktifitas Ku W/m°C 0.03 0.03 0.03 0.03 udara Viskositas 2.00× 2.00× 2.00× 2.00× µ m2/s kinematik 10−5 10−5 10−5 10−5 3.19× 3.19× 3.19× 3.19× K = 1/Tf (1/K) 10−3 10−3 10−3 10−3 K 0.03 0.03 0.03 0.03 W/m2C Konstanta Stefan 5.67× 5.67× 5.67× 5.67× S Boltzmann 10−8 10−8 10−8 10−8 Dimensi karakteristik sisi L m 0.46 0.46 0.46 0.46 kanan/kiri Dimensi karakteristik sisi L m 0.55 0.55 0.55 0.55 depan/belakang Dimensi karakteristik sisi L m 0.85 0.85 0.85 0.85 dasar tungku Konduktifitas kbahan W/m°C 0.69 0.69 0.69 0.69 bahan tungku Nilai Grasshorf Gr 1.12×109 6.44×107 2.88×108 4.20×108
47
Lampiran 8 Kehilangan panas pada dinding tungku (lanjutan) Parameter Simbol Satuan P1 P2 P3 P4 Bilangan Ra 7.97×108 4.58×107 2.05×108 2.99×109 Rayleigh Bilangan Nusselt Nu 55.74 27.30 70.63 77.60 Koefisien pindah W/ panas konveksi H 3.26 1.60 4.13 4.54 m2°C (sisi kanan/kiri) Koefisien pindah panas konveksi W/ H 2.76 1.35 3.50 3.84 (sisi m2°C depan/belakang) Koefisien pindah panas konveksi W/ H 1.78 0.87 2.25 2.48 (sisi dasar m2°C tungku) Kehilangan panas pada dinding QL1 Watt 13.49 0.38 44.04 70.49 kiri/kanan Kehilangan panas pada dinding QL2 Watt 4.84 0.14 15.78 25.26 depan/belakang Kehilangan panas pada dasar QL3 Watt 6.78 0.19 22.12 35.40 tungku Jumlah QLtotal Watt 25.11 0.71 81.94 131.14 kehilangan panas Contoh perhitungan kehilangan panas pada dinding tungku percobaan 1 1. Perhitungan suhu film Tf = (Td + Ta )/2 Tf = (Td + Ta )/2 Tf = (50.84 + 40.30)/2 Tf = 45.57C 1 2. = T (Kelvin) f
=
1 (45.57 + 273)
= 0.00319 3. Mencari nilai Grasshof Gr = Gr =
β g ∆T x3 ϑ2 0.00319 x 9.81 kg/m2 × (50.84C - 40.30C) × (0.46m)3
Gr = 111 917 746.38
(0.00002 m2 /s)
2
48
Lampiran 8 Kehilangan panas pada dinding tungku (lanjutan) 4. Mencari bilangan Rayleigh Ra = Gr Pr Ra = 111 917 746.38 × 0.71201 Ra = 79 686 554.601 5. Mencari bilangan Nusselt (C = 0.59 dan m = 0.25) Nu = C (Ra)m Nu = 0.59(111 917 746.38)0.25 Nu = 55.744 6. Mencari koefisien pindah panas konveksi k h = Nu ( ) L 0.02701 W/mC h = 55.744 × ( ) 0.461 m h = 3.26 W/m2 C 7. Mencari kehilangan panas pada dinding tegak dan dasar tungku QL1 = (hA(Td - Ta )) + (σAε(T4d - T4a )) W QL1 = (3.26 2 × 0.195 m2 × (50.84℃-40.30℃)) + m s (5.67×10-8 × 0.195 m2 × 0.9 × ((50.84℃)4 - (40.30℃)4 )) QL1 = 13.49 Watt QL2 = (hA(Td - Ta )) + (σAε(T4d - T4a )) W QL2 = (3.26 2 × 0.165 m2 × (50.84℃ - 40.30℃)) + m s (5.67×10-8 × 0.165 m2 × 0.9 × ((50.84℃)4 - (40.30℃)4 )) QL2 = 4.84 Watt QL3 = (hA(Td - Ta )) + (σAε(T4d - T4a )) W QL3 = (3.26 2 × 0.357 m2 × (50.84℃-40.30℃)) + m s (5.67×10-8 × 0.357m2 × 0.9 × ((50.84℃)4 - (40.30℃)4 )) QL3 = 6.781 Watt
49
Lampiran 9 Kehilangan panas pada lubang udara masuk Parameter Simbol Satuan P1 P2 P3 Konstanta Stefan 0.56 x 10-7 0.56 x 10-7 0.56 x 10-7 Boltzmann Luas lubang udara A inlet m2 0.11 0.11 0.11 masuk Emisivitas bahan 0.69 0.69 0.69 Suhu tungku Ttungku °C 346.78 317.93 313.35 Suhu lingkungan Ta °C 40.30 29.80 33.63 Suhu udara masuk Ti °C 193.54 173.87 173.49 Panas yang hilang pada lubang udara QL Watt 155.04 129.27 126.94 masuk Contoh perhitungan kehilangan panas pada lubang udara masuk percobaan 1 QL4 = σ Am ε ((Tm + 273)4 - (Ta + 273)4 ) QL4 = 5.67x10-8 × 0.11 m2 × 0.69 ((346.78℃ + 273)4 - (40.30℃ + 273)4 ) QL4 =155.04 Watt
P4 0.56 x 10-7 0.11 0.69 337.91 26.07 181.99 143.18
50
Lampiran 10 Panas yang hilang pada dinding ruang pengering Parameter Simbol Satuan P1 P2 Tinggi dinding T m 1.10 1.10 Lebar dinding L m 0.60 0.60 Luas dinding depan dan A1 m 2.64 2.64 belakang Luas dinding samping A2 m2 1.80 1.80 Luas atap A3 m2 1.60 1.60 2 Luas dinding A4 m 6.04 6.04 Suhu ruang pengering Tr 44.75 41.93 C Suhu lingkungan Ta 40.30 29.80 C Suhu film Tf 42.53 35.87 C 3 Densitas kg/m 1.12 1.14 Kec. angin lingkungan v1 m/s 0.19 0.18 Kec. angin ruang v2 m/s 0.54 0.54 pengering Dimensi karekteristik L m 0.55 0.55 Viskositas kinematik Vk kg/ms 1.72×10-5 1.65×10-5 Bilangan Prandtl Pr 0.71 0.71 -3 K W/mC 2.73×10 2.67×10-3 Massa jenis udara kg/m3 1.11 1.12 -3 3.16×10 3.23×10-3 -3 Dimensi spesifik x m 1.00×10 1.00×10-3 Bilangan Grasshorf Gr 0.24 0.71 Bilangan Rayleigh Ra 0.17 0.51 Bilangan Nusselt Nu 1.50 1.50 Koefisien pindah panas Ud W/m2C 1.37 1.35 keseluruhan pada dinding Panas yang hilang pada QL W 6.11 16.39 dinding ruang pengering
P3 1.10 0.60
P4 1.10 0.60
2.64
2.64
1.80 1.60 6.04 41.40 33.63 37.52 1.14 0.22
1.80 1.60 6.04 41.90 26.07 33.98 1.15 0.12
0.54
0.54
0.55 1.67×10-5 0.71 2.69×10-3 1.12 3.22×10-3 1.00×10-3 0.44 0.31 1.50
0.55 1.64×10-5 0.71 2.66×10-3 1.12 3.25×10-3 1.00×10-3 0.96 0.68 1.50
1.44
1.20
11.02
19.07
Contoh perhitungan panas pada dinding ruang pengering percobaan 1 (percobaan tanpa beban 1) Ad = 6.04 m2 Ud = 40.89 W/m2C QL5 = (Ad Ud (Tr – Ta))/Ad QL5 = (6.04 m2 × 1.374 W/m2C × (44.75C – 40.30C))/ 6.04 m2 QL5 = 6.11 Watt/m2
51
Lampiran 11 Panas efektif heat exchanger Parameter Jumlah pipa Panjang pipa Diameter luar Diameter dalam Luas permukaan pipa Luas permukaan sirip Luas permukaan Suhu tungku Suhu HE akhir Suhu ruang pengering Suhu HE awal
Simbol n pipa L pipa Dl Dd
Satuan Buah m m m
P1 10.00 1.00 3.30× 10−2 3.10× 10−2
P2 10.00 1.00 3.30× 10−2 3.10× 10−2
P3 10.00 1.00 3.30× 10−2 3.10× 10−2
P4 10.00 1.00 3.30× 10−2 3.10× 10−2
Apipa
m2
0.10
0.10
0.10
0.10
Asirip
m2
9.70× 10−2
9.70× 10−2
9.70× 10−2
9.70× 10−2
A total Ttungku THE 1
m2 C C
2.01 346.78 69.40
2.01 317.93 62.97
2.01 313.35 81.31
2.01 337.91 87.34
Tr
C
44.75
41.93
41.40
41.90
THE o
C
34.40
35.00
Gr Ra Nu
28.50 36.80 Berdasarkan suhu HE W/m°C 2.92× 10−2 2.87× 10−2 kg/ms 2.05× 10−5 2.02× 10−5 2.92× 10−3 2.98× 10−3 m2/s 1.00 1.00 3 kg/m 1.03 1.05 0.71 0.71 10 2.01× 10 2.01× 1010 10 1.42× 10 1.43× 1010 241.93 242.12
Konduktifitas udara Viskositas dinamik Dimensi spesifik Massa jenis udara Bilangan Prandtl Bilangan Grasshorf Bilangan Rayleigh Bilangan Nusselt Koefisien pindah panas konveksi LMTD Panas Efektif HE
ku vk
3.00× 10−2 2.10× 10−5 2.82× 10−3 1.00 1.00 0.71 1.44× 1010 1.02× 1010 211.70
3.04× 10−2 2.13× 10−5 2.78× 10−3 1.00 0.97 0.71 1.42× 1010 1.00× 1010 210.29
hi
W/m2°C
QHE
C W
vd
7.06
6.96
6.35
6.40
43.27 29.73
42.11 28.51
35.46 21.93
37.48 23.34
Contoh perhitungan panas efektif heat exchanger pada percobaan 1 1. β = 1⁄T (Kelvin) HE 1 β = ⁄(69.40℃+273) β = 0.0029 2. Mencari bilangan Grasshorf 2 gβ∆Tx3 Gr = ϑ2 2 kg (1.035 ⁄ 3 ) 9.81 m⁄ 2 × 0.0029 × (69.40℃ - 44.75℃) × (1 m)3 m s Gr = 2 (1.864 × 10-5 m/s) Gr = 2.0121 × 1010
52
Lampiran 11 Panas efektif heat exchanger (lanjutan) 3. Mencari bilangan Rayleigh Ra = Gr Pr Ra = (2.0121 × 1010 ) × 0.70794 Ra = 1.4245 × 1010 4. Mencari bilangan Nusselt (C=0.021 dan m=0.4) Nu = C Ram 0.4
Nu = 0.021 (1.4245 × 1010 ) Nu = 241.925423 5. Mencari koefisien pindah panas konveksi k hHE = Nu L 0.029181W/m℃ hHE = 241.925423 × 1m hHE = 7.0596W/m2 ℃ 6. Panas efektif heat exchanger QHE = hHE AHE LMTD W QHE = 7.0596 2 × 2.01 m2 × 43.2662322C m ℃ QHE = 29.7318613 Watt
53
Lampiran 12 Gambar teknik tungku biomassa
Lampiran 13 Gambar teknik rangka pengering ERK hybrid
54
55
Lampiran 14 Gambar teknik rak bahan
Lampiran 13 Gambar teknik heat exchanger
56
57
Lampiran 16 Gambar teknik pengering ERK hybrid
58
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Cilacap pada tanggal 21 April 1992 dari ayah Wahman dan ibu Wasini. Penulis merupakan putra pertama dari tiga bersaudara. Tahun 2004 penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD N 5 Tambakreja, kemudian pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan di SMP N 1 Sidareja dan lulus pada tahun 2007. Penulis menyelesaikan pendidikan di SMA N 1 Sidareja pada tahun 2010, dan pada tahun tersebut penulis melanjutkan pendidikan di Institut Pertanian Bogor melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB dan diterima di Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian. Selama perkuliahan penulis mengikuti pelatihan Autocad pada tahun 2011, dan pada tahun yang sama penulis menjadi penitia Reds Cup periode 2010/2011 sebagai staff logistik dan transportasi, selain itu penulis menjadi pengurus Badan Eksekutif Mahasiswa Fakultas Teknologi Pertanian sebagai staff Departemen Minat dan Bakat Mahasiswa periode 2011/2012. Pada tahun 2012 menjadi panitia Reds Cup periode 2011/2012 sebagai koordinator olahraga, pada tahun tersebut penulis juga menjadi staff logistik dan transportasi pada kegiatan Olimpiade Mahasiswa IPB (OMI) dan IPB Art Contest (IAC) periode 2011/2012 yang diselenggarakan oleh Badan Eksekutif Mahasiswa Institut Pertanian Bogor. Pada tahun 2013 penulis mengikuti Program Kreatifitas Mahasiswa (PKM-M 2013) sebagai anggota tim Founder Bengkel Sampah Rebin yaitu kegiatan edukasi daur ulang sampah organik dan non-organik terhadap anak usia dini yang bekerja sama dengan SD Cihideung Udik 4 dan Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi (DIKTI), dan pada tahun yang sama penulis melaksanakan kegiatan Praktik Lapang di PT. Musirawas Citraharpindo dengan topik Mempelajari Aspek Teknik pada Pengolahan Limbah Kelapa Sawit di PT. Musirawas Citraharpindo, Kalimantan Tengah.
