Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada Frekuensi Radio dari Andaliman (Determination of Thermal Diffusivity and Dielectric Properties in Radio Frequency of Andaliman [Zanthoxylum acanthopodium DC]) Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan
Abstract Determination of dielectric properties in radio frequency and thermal diffusivity of andaliman were conducted. Dielectric properties was measured by developed Q-meter at frequency of 9, 11, 13, 15, 17, 19, and 21 MHz for moisture content of 8,52%; 9,93%; 14,27% and 16,17%. Thermal diffusivity was measured using Dickerson’s method for those moisture content. Dielectric constant and dielectric loss depend on frequency and moisture content. Dielectric constant and dielectric loss tend to decrease for higher frequency. Conversely the dielectric constant and loss tend to increase with moisture content. While thermal diffusivity of andaliman tend increases with moisture content. Key words: dielectric properties, thermal diffusivity, radio frequency, andaliman Abstrak Pengukuran sifat dielektrik pada frekuensi radio dan difusivitas termal dari andaliman telah dilakukan. Sifat dielektrik diukur dengan metode Q-meter pada frekuensi 9, 11, 13, 15, 17, 19, dan 21 MHz pada kandungan air bahan 8,52%; 9,93%; 14,27%, dan 16,17%. Difusivitas termal diukur dengan metode Dickerson untuk kandungan air bahan tersebut. Konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik bergantung pada frekuensi dan kandungan air. Konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik cenderung menurun pada frekuensi yang lebih tinggi. Sebaliknya cenderung meningkat pada kandungan air yang lebih tinggi. Sementara difusivitas termal andaliman cenderung meningkat pada kandungan air yang lebih tinggi. Kata kunci: sifat dielektrik, difusivitas termal, frekuensi radio, andaliman
Pendahuluan Latar Belakang Berdasarkan hasil-hasil eksperimen penggunaan gelombang elektromagnetik yang dikombinasikan dengan cara konvensional memberikan hasil pemanasan yang lebih cepat dan distribusi temperatur yang lebih seragam dalam bahan (Tulasidas et al. 1997, Monzo-Cabrera et al. 2000, Sanga et al. 2001). Salah satu pemanfaatan gelombang elektromagnetik untuk pemanasan adalah pada frekuensi radio (RF). Pemanfaatan
55
gelombang elektromagnetik pada frekuensi radio didasarkan pada kelebihan penetrasi gelombang yang lebih dalam dan panas yang dihasilkan tidak terlalu tinggi dibandingkan pada microwave. Untuk dapat menganalisis proses pemanasan pada kisaran gelombang radio, perlu diketahui sifat dielektrik bahan pada kisaran gelombang radio, yaitu sifat menyimpan energi listrik (konstanta dielektrik, ε’ ) menghamburkan
dan energi
sifat listrik
yang (faktor
kehilangan dielektrik ε’). Pada penerapan panas konvensional, difusivitas termal bahan adalah sifat fisik bahan yang menentukan kecepatan
Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan: Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada Frekuensi Radio dari Andaliman
distribusi panas dalam bahan. Difusivitas termal adalah sifat yang secara natural mendistribusikan panas keseluruh bagian produk (Holman, 1994). Semakin besar nilai difusivitas termal bahan semakin cepat terjadi pembauran panas dalam bahan dan sebaliknya. Sifat difusivitas termal bahan digunakan untuk menganalisis konduksi panas yang terjadi dalam bahan. Sifat difusivitas termal dipengaruhi oleh kadar air bahan, komposisi kimia bahan dan struktur bahan.
Metodologi Penelitian Bahan Penelitian Bahan adalah andaliman yang terdiri dari empat tingkat kadar air. Untuk mendapatkan kondisi kadar air bahan yang berbeda dilakukan pengeringan dengan dioven. Peralatan Penelitian 1.
Alat ukur difusivitas termal Peralatan pengukur difusivitas termal yang dirancang berdasarkan metode Dickerson (menggunakan pendekatan model silinder tak hingga).
2.
Alat Ukur Sifat Dielektrik Peralatan pengukur sifat dielektrik adalah hasil pengembangan dari rancangan Harmen (2001) yaitu dirancang berdasarkan metode Q-Meter.
Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk mengukur sifat dielektrik (konstanta dan kehilangan dielektrik) pada kisaran frekuensi radio dan difusivitas termal dari andaliman pada beberapa tingkat kadar air bahan.
A la t P e r e ka m
P engaduk P em anas
T e r m o ko p e l S ilin d e r Bak
Gambar 1. Bagan Peralatan Pengukur Sifat Difusivitas Termal W adah C ontoh
AC VOLTMETER
L CV
P encacah F rekw ens
R
K apasitansi M eter
O SIL A TO R
Gambar 2. Bagan Peralatan Pengukur Sifat Dielektrik
56
Buletin Agricultural Engineering BEARING • Vol. 1 • No. 2 • Desember 2005
Tahapan Penelitian Pengukuran Sifat Dielektrik Pengukuran sifat dielektrik andaliman dilakukan pada 4 tingkat kadar air dan pada frekuensi kisaran radio 9, 13, 15, 17, 19, dan 21 MHz dengan 4 ulangan. Prosedur pengukuran dalam mengunakan alat pengukur adalah pertamatama mengatur keluaran frekuensi dari osilator sebesar frekuensi yang diinginkan, dengan mengukur keluaran osilator menggunakan pencacah frekuensi. Keluaran dari osilator menjadi sumber arus bagi rangkaian LRC. Dengan memanfaatkan voltmeter, posisi dari variabel kapasitor yang terdapat dalam rangkaian LRC diatur sedemikian rupa hingga didapatkan pembacaan tegangan maksimum pada voltmeter. Tegangan yang diperoleh dicatat sebagai Q1 (tegangan tanpa bahan). Kemudian dengan menggunakan kapasitansi meter, besarnya kapasitansi variabel kapasitor pada posisi tersebut, diukur dan dicatat sebagai C1 (kapasitansi tanpa bahan). Pada saat mengukur kapasitansi variabel kapasitor, hubungan arus ke rangkaian LRC diputus. Selanjutnya wadah contoh disambungkan secara paralel dengan variabel kapasitor. Tegangan maksimum yang ada sebelumnya, akan berubah (menurun). Besarnya tegangan yang terjadi setelah diparalelkan dengan bahan, dicatat sebagai Q2 (tegangan setelah ada bahan). Posisi variabel kapasitor diatur kembali untuk mendapatkan tegangan maksimum yang dapat terbaca oleh voltmeter. Setelah didapatkan tegangan maksimum, wadah contoh dilepaskan hubungannya dari variabel kapasitor dan arus ke rangkaian LRC diputus. Pada posisi tersebut, kapasitansi variabel kapasitor diukur dan dicatat sebagai C2 (kapasitansi ada bahan). Selanjutnya dilakukan perhitungan, dengan langkah-langkah berikut:
⎛ QQ Q x = ⎜⎜ 1 2 ⎝ Q1 − Q2
1.
Tetapan dielektrik (ε’) :
ε'=
57
Cd d Aε 0
………………….……….(1)
Mendapatkan Qx :
⎞ ⎛ C1 − C 2 ⎟⎟ ⎜⎜ ⎠ ⎝ C1
⎞ ⎟⎟ ….……(2) ⎠
Kehilangan dielektrik (ε”):
ε"=
ε'
Qx
…………………………….(3)
2.
Pengukuran Koefisien Difusivitas Termal Pengukuran difusivitas termal dilakukan pada 4 tingkat kadar air dengan 2 ulangan. Prosedur pengukuran adalah memasukan andaliman yang sudah diketahui kadar airnya, kedalam silinder alat ukur. Bahan yang masuk ke dalam benarbenar padat. Kepadatan bahan untuk tiap ulangan pengamatan harus sama. Silinder yang sudah berisi bahan ditutup rapat-rapat dan kemudian dimasukkan kedalam bak pemanas yang sudah berisi air. Selanjutnya pengaduk, heater dan perekam dinyalakan. Perekam akan mencatat perubahan suhu bahan (pada permukaan dinding dan pusat dalam silinder) dan air pemanas. Proses pemanasan pada awalnya akan menghasilkan kurva pemanasan yang mempunyai gradien suhu (
stabil.
Setelah
beberapa
∂T ) yang tidak ∂r lama,
pemanasan akan menghasilkan
proses
∂T yang ∂r
stabil. Proses pemanasan dihentikan setelah kurva pemanasan menunjukkan gradien suhu stabil, karena proses perhitungan difusivitas termal bahan sudah dapat dilakukan. Gradien suhu yang stabil inilah yang dimanfaatkan untuk menghitung besarnya nilai difusivitas termal bahan dengan menggunakan persamaan 4.
A R2 α= 4 (Ts − Tc )
………………….(4)
Hasil dan Pembahasan Sifat Dielektrik Andaliman Pengukuran sifat dielektrik telah dilakukan pada empat tingkat kadar air
Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan: Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada Frekuensi Radio dari Andaliman
Tabel 1. Rata-Rata Konstanta dan Kehilangan Dielektrik Andaliman pada Empat Tingkat Kadar Air dan Tujuh Tingkat Frekuensi Catu Daya Konstanta Dielektrik (ε’) k. Air (%)
Frekuensi (MHz) 9 5.439675 6.715648 6.245553 6.849961
7.06 8.54 9.69 20.92
11 5.862761 5.130755 6.305994 7.373782
13 4.553209 4.794973 5.459822 5.882908
15 4.61365 4.512916 4.936001 6.104524
17 4.452475 4.553209 4.835267 5.600851
19 4.150271 4.049536 4.492769 5.399381
21 4.251005 4.170418 4.512916 5.218059
0.104446 0.099443 0.121548 0.11608
0.068169 0.064688 0.084842 0.07075
0.042147 0.032414 0.06199 0.033873
Kehilangan Dielektrik (ε”) 7.06 8.54 9.69 20.92
0.170894 0.183276 0.179495 0.238894
0.133095 0.131594 0.170672 0.160432
0.09314 0.09747 0.096589 0.123655
0.103113 0.10548 0.115669 0.135398
7 .5 K K K K
Konsta nta Die le ktrik
7 6 .5
a a a a
7 8 9 2
.0 6 .5 4 .6 9 0 .9 2
6 5 .5 5 4 .5 4 3 .5 8
9
1 0
1 1
1 2
1 3
1 4
1 5
1 6
1 7
1 8
1 9
2 0
2 1
2 2
F r e k u e n si (M H z )
Gambar 3. Pengaruh Frekuensi Catu Daya terhadap Konstanta Dielektrik Andaliman 0 .2 5 K K K K
Ke h ilang an Die le k tr ik
0 .2
a a a a
7 8 9 2
.0 6 .5 4 .6 9 0 .9 2
0 .1 5
0 .1
0 .0 5
0
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Fr e k u e n s i (M Hz )
Gambar 4. Pengaruh Frekuensi Catu Daya terhadap Kehilangan Dielektrik Andaliman 7,06%; 8,54%; 9,69% dan 20,92%, dan pada tujuh tingkat frekuensi catu daya: 9 MHz, 11 MHz, 13 MHz, 15 MHz, 17 MHz, 19 MHz, dan 21 MHz dengan 4 ulangan. Rata-rata nilai
konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik hasil perhitungan disajikan dalam Tabel 1. Pada Gambar 3 dapat dilihat bahwa nilai konstanta dielektrik andaliman berubah
58
Buletin Agricultural Engineering BEARING • Vol. 1 • No. 2 • Desember 2005
Berdasarkan Gambar 5, pada frekuensi catu daya 11 MHz, 15 MHz, 19 MHz, dan 21 MHz, nilai konstanta dielektriknya menurun ketika kadar air andaliman meningkat dari 7,06% ke 8,54%. Sebaliknya untuk frekuensi 9 MHz, 13 MHz, dan 17 MHz. Pada kadar air dari 8,54% ke 20,92%, untuk semua frekuensi (kecuali frekuensi 9 MHz), nilai konstanta dielektrik meningkat sejalan dengan peningkatan kadar air andaliman. Secara keseluruhan berdasarkan bentuk grafik yang dihasilkan, dapat dikatakan bahwa nilai konstanta dielektrik andaliman cenderung meningkat pada kadar air yang lebih tinggi. Terutama pada selang kadar air 8,54% hingga 20,92%. Berdasarkan bentuk-bentuk grafik pada Gambar 6 yang dihasilkan untuk tiap frekuensi catu daya, terlihat polanya tidak sama. Peningkatan kadar air andaliman untuk frekuensi tertentu mengakibatkan peningkatan nilai kehilangan dielektrik dan sebaliknya. Misalnya pada frekuensi 9 MHz, 13 MHz dan 15 MHz, di mana nilai kehilangan dielektriknya meningkat pada kadar air yang lebih tinggi dan sebaliknya untuk frekuensi pengukuran lainnya. Pola perubahan nilai kehilangan dielektrik andaliman untuk tiap frekuensi catu daya berbeda-beda. Tetapi secara keseluruhan nilai kehilangan dielektrik andaliman cenderung meningkat pada kadar air yang lebih tinggi.
dengan berubahnya frekuensi catu daya yang diterapkan. Misalnya untuk andaliman dengan kadar air 20,92%; 9,69%; dan 7,06%, nilai konstanta dielektriknya pada frekuensi 9 MHz adalah 6,84; 6,24 dan 5,43 berturutturut. Pada frekuensi 11 MHz nilainya meningkat menjadi 7,37; 6,30; dan 5,86 berturut-turut. Pola-pola nilai konstanta dielektrik andaliman terhadap perubahan frekuensi catu daya berbeda-beda. Tetapi dengan bentuk grafik yang dihasilkan, terdapat kecenderungan bahwa nilai konstanta dielektrik andaliman menurun pada frekuensi catu daya yang lebih tinggi untuk semua tingkatan kadar air dari andaliman. Pada Gambar 4 dapat dilihat bahwa pada frekuensi catu daya yang lebih tinggi nilai kehilangan dielektrik andaliman dapat meningkat dan sebaliknya. Misalnya ketika frekuensi catu daya meningkat dari 13 MHz ke 15 MHz, nilai kehilangan dielektriknya meningkat untuk semua tingkat kadar air. Pada frekuensi 17 MHz, nilai kehilangan dielektriknya menurun untuk andaliman dengan kadar air 7,06% dan 9,69%. Pola-pola perubahan (bentuk grafik yang dihasilkan) nilai kehilangan dielektrik andaliman terhadap peningkatan frekuensi catu daya berbeda-beda untuk tiap tingkat kadar air. Tetapi secara keseluruhan nilai kehilangan dielektrik andaliman cenderung menurun pada frekuensi yang lebih tinggi. 7 .5 7
Kons tanta D ielektrik
Fre k. 9 6 .5
Fre k. 1 1
6
Fre k. 1 3 Fre k. 1 5
5 .5
Fre k. 1 7
5
Fre k. 1 9 Fre k. 2 1
4 .5 4 3 .5 6
8
10
12
14
16
18
20
22
K a d a r A ir (% b k )
Gambar 5. Pengaruh Kadar Air Terhadap Konstanta Dielektrik Andaliman
59
Firman R. L. Silalahi dan Armansyah H. Tambunan: Pengukuran Difusivitas Termal dan Sifat Dielektrik pada Frekuensi Radio dari Andaliman
Tabel 2. Nilai Difusivitas Termal Andaliman Empat Tingkat Kadar Air Ulangan
Difusivitas termal (m2/detik)
1 2 Rata-Rata
Ka=20,92%(bk)
Ka=9,69%(bk)
Ka=8,54%(bk)
Ka=7,06%(bk)
2,8E-07 2,58898E-07 2,69449E-07
3,19667E-07 2,96333E-07 3,08E-07
2,82262E-07 2,8226E-07
2,7122E-07 2,49444E-07 2,60332E-07
3.6e-7
3.4e-7
3.2e-7
3.0e-7
2.8e-7
2.6e-7
Difusivitas termal (m^2/detik) 2.4e-7
2.2e-7 6
8
10
12
14
16
18
20
22
Kadar air (% bk)
Gambar 7. Hubungan antara Kadar Air dengan Difusivitas Termal Andaliman Difusivitas Termal Andaliman Pengukuran dilakukan dengan dua ulangan pada kadar air 20,92; 9,69; 8,54; dan 7,06% (bk). Dari grafik hubungan waktu dengan suhu, kemudian dihitung kecepatan peningkatan suhu bahan (A) dan perbedaan suhu permukaan dengan pusat bahan (Ts– Tc). Hasil-hasil perhitungan difusivitas termal andaliman untuk tiap tingkat kadar air disajikan dalam Tabel 2. Berdasarkan Gambar 7, terlihat pada kadar air 7,06% (bk) hingga 9,69% (bk) nilai difusivitas termal andaliman meningkat pada kadar air yang lebih tinggi. Selanjutnya pada kadar air 20,92%, nilai difusivitas termal andaliman menurun hingga lebih kecil dari nilai difusivitas termal pada kadar air 8,54%. Hal ini menunjukkan andaliman dengan kadar air pada tingkat tertentu tidak mempunyai hubungan positif dengan nilai difusivitas termalnya.
Kesimpulan Berdasarkan penelitian ini dapat diambil kesimpulan bahwa nilai konstanta
dan kehilangan dielektrik andaliman cenderung menurun pada frekuensi pengukuran yang lebih tinggi. Sebaliknya nilai konstanta dan kehilangan dielektrik andaliman cenderung meningkat pada kadar air yang lebih tinggi. Sementara nilai difusivitas termal andaliman cenderung meningkat pada kadar air yang lebih tinggi.
Daftar Pustaka Cabrera, Juan Monzo, Murcillo, A.D., Civera, J. M. C. and Reyes, E. de los. 2000. Heat and Massa Transfer Caracteristics of Microwaves Drying of Leather. ADC 2000. Harmen. 2001. Rancang bangun Alat dan Pengukuran Nilai Sifat Dielektrik Bahan Pertanian Pada Kisaran Frekuensi Radio. Bogor. Tesis. Jurusan Keteknikan Pertanian Pasca Sarjana IPB Bogor. Holman, J. P. 1986. Heat Transfer. New York. Mc Graw Hill.
60
Buletin Agricultural Engineering BEARING • Vol. 1 • No. 2 • Desember 2005
Moshenin, Nuri. 1980. Thermal Properties of Food and Agricultural Materials. New York. Gordon and Breach Publishers.
Prasad, Suresh. 1993. Physical and Thermal properties of gorgon nut. Journal of food process. Engineering Vol. 16. p.237-245
Moshenin, Nuri. 1984. Electromagnetic Radiation Properties of Food and Agricultural Product. New York. Gordon and Breach Publishers.
Rao, M. A. and Rizvi S. S. H.. 1995. Engineering Properties of Foods. New York. Mercel Decker.
Paulus, Gunawan Suharto. 1989. Pengukuran Nilai Difusivitas Panas Bubur dan Tepung Cabe Merah dari Hasil Pengeringan Alami dan Buatan. Bogor. Skripsi. Jurusan Keteknikan Pertanian IPB Bogor.
61
Sanga, E., A. S. Mujumdar and G. S. V. Raghavan. 2001. Experimental and Numerical Analysis of Intermitent Microwave Convection Drying. ADC (Editet by Daud et al). Tulasidas, T. N., Ratti, C., and Raghavan, G. S. V. 1997. Modelling of microwave drying of grapes. Journal od Canadian Agricultural Engineering. Vol. 39. No. 1.
