Rancang Bangun Oven Untuk Proses Pengeringan Kulit Ikan

SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI 2015 Institut Teknologi Nasional Malang ISSN: 2407 – 7534

Rancang Bangun Oven Untuk Proses Pengeringan Kulit Ikan Denny M. E. Soedjono1, Joko Sarsetiyanto2, Dedy Zulhidayat Noor3, Eddy Widiyono4 Program Studi D3 Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya e-mail: [email protected] / [email protected]

ABSTRAK Distribusi temperatur dan sirkulasi udara panas adalah dua faktor yang dominan di dalam proses pengeringan dengan mode perpindahan panas konveksi bebas. Rancangan oven dilengkapi dengan bak penampung lemak cair untuk mencegah lemak cair produk di bagian atas menetes ke deretan produk di bawahnya. Bak penampung dibuat sedemikian sehingga sekaligus berfungsi sebagai pengarah aliran. Oven juga dilengkapi cerobong asap yang berfungsi untuk menghasilkan tarikan alam agar terjadi sirkulasi udara untuk membuang uap jenuh dan meratakan penyebaran gas panas. Rancangan tersebut merupakan perbaikkan terhadap oven lama yang dimiliki oleh Kelompok Usaha Bersama “Bina Usaha Mandiri dan UKM Suyono Pantoro” yang digunakan untuk proses pengeringan tokek dan ular. Dalam uji coba hasil rancang bangun model yang telah dilakukan untuk mengeringkan kulit ikan menunjukkan, bahwa pada bukaan pintu oven 10 mm yang menghasilkan kalor penguapan (Qevap) 40,0 Watt, total kalor yang hilang (Q loss) 24,8 Watt, dan memerlukan waktu pengeringan paling singkat yaitu 74 menit dengan prosentase pengurangan bobot kulit ikan sebesar 55 %. Kata kunci : perpindahan panas dan massa, konveksi bebas, pengarah aliran dan cerobong .

Pendahuluan Latar Belakang Industri pengeringan kulit ikan skala rumah tangga menghasilkan kulit ikan kering. Proses pengeringan menggunakan pengering (oven) sederhana bersumber panas kompor minyak tanah. Desain oven yang ada memiliki banyak kelemahan misalnya: mudah terbakar, lemak cair dari produk yang dikeringkan di bagian atas menetes ke produk dibawahnya, waktu pengeringan lama, dan produk berbau minyak tanah sebagai akibat pemanasan langsung dengan gas hasil pembakaran. Untuk itu perlu dirancang suatu oven yang lebih baik. Rancangan oven yang dihasilkan harus dapat menghilangkan kelemahan-kelemahan yang ada.

Perumusan Masalah 1. Proses pengeringan memerlukan waktu lama karena lemak cair dari produk yang dikeringkan di bagian atas menetes ke produk dibawahnya. Sirkulasi udara panas juga kurang memadai sehingga distribusi udara panas tidak merata. Solusinya pengering harus dilengkapi dengan bak penampung lemak cair untuk mencegah lemak cair produk di bagian atas menetes ke deretan produk di bawahnya dan juga dilengkapi cerobong asap yang berfungsi untuk menghasilkan tarikan alam agar terjadi sirkulasi udara untuk membuang uap jenuh dan meratakan penyebaran gas panas. SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

59


2. Produk yang dihasilkan berbau minyak tanah, karena pemanasan langsung dengan gas pembakaran dan mudah terbakar. Solusinya pemanasan langsung diubah menjadi tidak langsung yaitu gas hasil pembakaran digunakan untuk memanaskan udara bersih secara terpisah sehingga tidak tercemar bau minyak dan bak penampung dirancang sedemikian rupa sehingga juga berfungsi sebagai pengarah aliran pada bagian dalam pengering sehingga sirkulasi udara panas menjadi lebih baik. Untuk mengeleminir kehilangan kalor seluruh badan pengering dibalut isolator.

Maksud dan Tujuan Merancang ulang pengering (oven) bersumber panas kompor LPG yang aman dari kebakaran dan efektif dengan konsep dasar desain yang sederhana tetapi dapat meningkatkan kualitas produk.

Batasan Masalah Mengingat konsep desain sederhana yang diterapkan pembahasan dibatasi pada hal-hal berikut: 1. Dalam perhitungan diasumsikan :  Konduksi steady state  Perpindahan panas satu dimensi dan radiasi diabaikan  Hamparan produk dianggap sebagai plat datar  Sifat udara diambil berdasarkan temperatur film  Temperatur produk dianggap merata 2. Produk yang dikeringkan adalah kulit ikan dengan bobot basah antara 70 – 135 gr yang memiliki panjang 6,5 cm dan lebar 3 cm 3. Tidak dilakukan penelitian difusi air dari dalam bahan ke permukaan bahan.

Kajian Teori Dasar Kesetimbangan Kalor Pada Oven Kesetimbangan kalor yang terjadi pada oven adalah sebagai berikut (kondisi tunak):

Qin

Qevap

Qloss

Qloss_RB Gambar 1. Kesetimbangan Energi Pada Oven

Dimana: Qin : Kalor masuk Qevap : Kalor untuk menguapkan air Qloss : Kalor yang hilang Qloss_RB: Kalor yang hilang di ruang bakar

Qloss  Qloss _ dinding  Qgas _ keluar (Watt)

(1)

Kalor Masuk (Qin) Kalor masuk adalah kalor yang berasal dari proses pembakaran bahan bakar.

 bb xLHV (Watt) Qin  m

(2)

Dimana :

m bb : laju konsumsi bahan bakar (kg/sc) SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

60


LHV : nilai kalor bawah bahan bakar (kJ/kg) Kalor Penguapan (Qevap) Kalor penguapan adalah bagian dari kalor masuk (Qin)yang berguna untuk menguapkan kandungan air pada produk yang dikeringkan.

 u xh fg (Watt) Qevap  m

(3)

Dimana :

m u

: laju massa uap air yang terjadi (kg/sc)

h fg

: Kalor penguapan air (kJ/kg)

Kalor Yang Hilang (Qloss) Kalor Hilang Dibawa Gas Keluar Kehilangan kalor adalah kalor yang hilang lewat perpindahan panas melalui dinding dan juga panas yang terbawa oleh aliran udara keluar melalui cerobong. Kalor hilang terbawa aliran udara:

Qgas _ keluar  m*c p (Tgas_ keluar  Tudara_ luar )

(4)

Kehilangan kalor melalui dinding: Susunan dinding oven adalah sebagai berikut: (tahanan panas galvalum diabaikan) Glass wool Plat galvalum

Plat galvalum

h1

h2 T1 T2 1 h1 A

l1 k1 A

Rtot 

l 1 1  1  h1 A k1 A h2 A

1 h2 A

Gambar 2. Perpindahan Panas Melalui Dinding

Qloss _ dinding 

T (watt) Rtot

(5)

Dimana : T : perbedaan temperatur di dalam dan di luaroven (T1 - T2) Rtot : hambatan perpindahan panas total (W/K) A : luas permukaan dinding oven (m2) L : tebal dinding (m) K : konduktifitas panas bahan dinding (W/mK) h : koefisien konveksi (W/m2K)

SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

61


Kalor Hilang di Ruang Bakar Kalor yang hilang di ruang bakar adalah total yang hilang melalui dinding ruang bakar dan kalor udara pembakaran yang masuk ke ruang bakar.

Qloss _ RB  Qin  (Qevap  Qloss _ dinding  Qgas_ keluar )

(6)

Perpindahan Panas Konveksi Bilangan Nusselt rata–rata untuk konveksi bebas tergantung pada permukaan plat panas menghadap ke atas (hot surface facing up) atau menghadap ke bawah (hot surface facing down) dan permukaan plat lebih panas atau lebih dingin daripada fluida di sekitarnya. Untuk plat horizontal dengan permukaan panas menghadap ke atas (hot surface facing up) 1

1.

N uL  0,54 Ra L 4 , (104  RaL  107)

2.

N uL  0,15Ra L 3 , (107  RaL  1011)

(7)

1

(8)

Untuk plat horizontal dengan permukaan panas menghadap ke bawah (hot surface facing down) 1

N uL  0,27 Ra L 4 , (105  RaL  1010) h

(9)

Nu L k L

(10)

Dimana : h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2oK)

Nu L = Nusselt Number k = kondukvitas termal, (W/moK) L = panjang karakteristik, (m) A w L  P 2

(11)

Dimana : L : panjang karakteristik, (m) A : luas permukaan plat, (m2) P : keliling plat (perimeter ), (m) w : lebar dinding, (m) RaL adalah bilangan tak berdimensi yang disebut bilangan bilangan Rayleigh dihitung dengan rumus:

Ra L  GrL Pr 

g Ts  T L3 v

(12)

Dimana : Pr : bilangan prandtl g : percepatan gravitasi, (m/s2) L : panjang karakteristik, (m)  : viskositas kinematik, (m2/s)  : koefisien ekspansi volume ( 1 / T f ), (K-1)  : difusivitas termal, (m2/s)


62


Gr adalah bilangan tak berdimensi yang disebut bilangan Grashof., dihitung dengan rumus:

GrL 

g Ts  T L3 v2

(13)

Untuk plat Vertikal dengan pendekatan konveksi natural dapat menggunakan korelasi yang dapat dipakai untuk seluruh harga Rayleigh, yang diintrodusir oleh Churcil and Chu:

  0.387 Ra1L/ 6  NuL   0.825  8 / 27 9 / 16   1  ( 0 . 492 / Pr)  





(14)

Sedangkan laju perpindahan panas konveksi dihitung sebagai berikut:

q  hA(Tw  T ∞)

(15)

Dimana: Q = laju perpidahan panas konveksi, (W) h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/moK) Tw = temperatur permukaan, (oC) Perpindahan Massa Konveksi Keanalogisan antara perpindahan panas konveksi dan perpindahan massa konveksi menjadikan parameter untuk menghitung koefisien perpindahan panas serupa dengan parameter untuk menghitung koefisien perpindahan massa konveksi. Bilangan Sherwood didefinisikan sebagai:

S hL 

hm L D AB

(16)

Dimana: Shl : bilangan Sherwood hm : koefisien perpindahan massa konveksi (m/dt) L : panjang karakteristik, (m) DAB : diffusivitas massa fluida, (m2/dt) Bilangan Sherwood merupakan fungsi dari medan aliran yaitu bilangan Reynold (Re) dan bilangan Schmidt (Sc). o Untuk aliran laminer melintasi plat datar:

S hL  0,664 Re1/ 2 S c1/ 3 o

(17)

Untuk aliran turbulen melintasi plat datar

S hL  0,0296 Re1/ 2 S c1/ 3

(18)

Desain Pengering ( Oven ) Desain Lama Pengering (oven) di industri rumah tangga pengering kulit ikan untuk dijadikan keripik memiliki banyak kelemahan, diantaranya: 1. Produk yang dihasilkan mudah terbakar (gosong) karena pemanasan tidak dilengkapi dengan sistem sirkulasi udara panas.


63


2. Waktu pengeringan produk sangat lama karena tidak dilengkapi dengan bak penampung lemak cair yang berfungsi mencegah tetesan lemak cair dari bagian atas jatuh ke deretan produk di bawahnya. 3. Pengering (oven) yang digunakan mudah terbakar karena pemanasan langsung dengan gas hasil pembakaran. 4. Selain mudah terbakar pemanasan dengan gas hasil pembakaran juga menyebabkan produk tercemar dengan bau bahan bakar. Tempat produk

Plat pemanas

Gambar 3. Desain pengering lama

Desain Baru Pengering/oven dilengkapi dengan sistem sirkulasi udara panas dan cerobong. Penambahan sisitm sirkulasi ini memengakibatkan terjadi penurunan kalor masuk (Q in), tetapi membantu mengelurkan uap air hasil proses pemanasan dengan cepat sehingga dapat mempertahankan kelembaban udara di dalam oven. Kelembaban udara di dalam oven sangat berpengaruh terhadap laju penguapan kandungan air produk. Oven juga dilengkapi dengan bak penampung lemak cair sehingga tetesan lemak yang mencair dari produk dibagian atas tidah jatuh ke deretan produk dibawahnya. Dinding oven dibuat dari bahan seng. Seluruh dindingnya dilapisi dengan glass wool yang berfungsi untuk memperkecil kerugian panas (Qloss) yang keluar menembus dinding. Dengan rancangan perbaikan ini diharapkan dapat mempercepat waktu pengeringan produk. dapat menghasilkan produk yang tidak berbau bahan bakar, serta aman dari kebakaran. Cerobong Tempat produk Plat pemanas Pintu udara masuk

Gambar 4. Desain oven

Data Oven Ekspemimen  Dimensi model oven panjang = 100 cm lebar = 50 cm tinggi = 160 cm tinggi cerobong = 100 cm dimensi cerobong = (9x9) cm  Ukuran pintu pengatur udara Panjang = 20 cm lebar = 2 cm SENATEK 2015 | Malang, 17 Januari 2015

64








Data dinding : Bahan dinding 1. Galvalum tebal (L1) = 1 mm kondukvitas termal (k) = 116 W/mK 2. Glass wool (cellular glass) tebal (L2) = 20 mm konduktivitas termal k1)=0,058W/mK 3. Galvalum tebal (L3) = 1 mm kondukvitas termal (k) = 116 W/mK Data rak dan bak pemanpung lemak cair panjang (L) = 30,5 cm lebar (w) = 23 cm Data kulit ikan : panjang = 6,5 cm lebar = 3 cm tabal =  1 mm luas permukaan kulit ikan (As) = (6,5x30)cm2 = 19,5 cm2

Hasil dan Pembahasan

339,6

9,0

35,0

82

53 %

339,2

21,0

35,6

76

52 %

337,1

24,8

40,0

74

55 %

340,9

28,5

38,8

83

57 %

341,4

42,7

36,0

85

57 %

Qloss (W)

Qevap (W)

Kandungan air yang hilang %)

Terbuka 10 mm Terbuka 15 mm Terbuka 20 mm

Waktu pengeringan (menit)

Tertutup rapat Terbuka 5 mm

Q in (W)

Posisi pintu pengatur udara masuk

Hasil eksperimen untuk berbagai bukaan pintu udara masuk dapat dilihat pada tabel 1. Tabel 1: Hasil eksperimen Catatan : kandungan air kulit ikan segar  76 % kandungan air kulit ikan kering  25 %

Nilai pada tabel tersebut disajikan dalam bentuk grafik sebagai berikut:


65


Kinerja Oven 350

100

Q_ in

60 340 40 335

20

330

Waktu - Q_loss Q_evap

80

345

0 0

5

10

15

20

Bukaan Pintu (m m ) Q in (w att)

Q loss (w att)

Q evap (w att)

Waktu (menit)

Gambar 6. Perbandingan kinerja oven

Kehilangan Kalor (Qloss): Kehilangan kalor adalah kalor yang hilang lewat perpindahan panas melalui dinding dan juga panas yang terbawa oleh aliran udara keluar melalui cerobong. Pada gambar 5 diperlihatkan grafik bukaan pintu Vs Q loss. Semakin besar bukaan pintu masuk kehilangan kalor total semakin besar, hal tersebut merupakan konsekuensi adanya sistim sirkulasi udara yang ditambahkan dalam rancangan oven tersebut. Ketika pintu masuk udara ditutup praktis tidak ada aliran udara sehingga kehilangan kalor yang terjadi hanya kalor yang berpindah melalui dinding oven. Kalor Penguapan (Qevap): Kalor penguapan adalah bagian dari kalor masuk (Q in) yang berguna untuk menguapkan kandungan air pada produk yang dikeringkan. Pada gambar 5 diperlihatkan grafik bukaan pintu Vs Qevap. Proses pengeluaran kandungan air produk bergantung pada proses perpindahan panas konveksi antara produk (yang dijajar dan dianggap seperti plat datar) dengan aliran udara diatasnya. Perpindahan panas yang terjadi adalah perpindahan panas konveksi bebas, yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran udara, perbedaan temperatur rata-rata antara produk dan udara, luas permukaan produk yang bersinggungan dengan aliran udara dan sifat-sifat udara. Jadi semakin besar aliran udara maka semakin besar pula koefisien konveksi bebas yang dihasilkan dan akhirnya juga semakin memperbesar kalor yang masuk ke dalam produk dan digunakan untuk menguapkan kandungan air di dalamnya. Waktu Pengeringan: Waktu pengeringan adalah waktu yang dibutuhkan untuk melakukan proses pengeringan produk yaitu mulai dari saat produk masuk oven sampai kandungan airnya tersisa  25 %. Pada gambar 5 diperlihatkan grafik bukaan pintu Vs waktu pengeringan. Grafik tersebut berbentuk parabolik yang titik terendahnya berada di waktu proses 74 menit (terlama). Pada grafik terlihat secara umum semakin besar bukaan pintu (setelah lewat titik puncak) ternyata waktu proses pengeringan semakin lama. Hal ini disebabkan oleh adanya sirkulasi udara yang dapat membuang uap air yang dihasilkan proses pengeringan sehingga dapat mempertahankan kelembaban udara di dalam oven. Proses penguapan sangat dipengaruhi oleh kelembaban udara disekitarnya. Semakin lembab udara maka proses penguapan semakin lambat/sulit, dan sebaliknya makin kering udara proses penguapan semakin cepat/mudah. Tetapi bersama dengan pembuangan kandungan uap air hasil pengeringan produk juga ikut dibuang pula kalor yang dimiliki gas panas. Hal ini akan menambah rugi-rugi kalor. Hasil percobaan menunjukkan pada bukaan 15 cm dan 20 cm waktu pengeringan menjadi 83 dan 85 menit.


66


Kesimpulan 1. Semakin besar aliran udara maka semakin besar pula koefisien konveksi bebas yang dihasilkan dan akhirnya juga semakin memperbesar kalor yang masuk ke dalam produk dan digunakan untuk menguapkan kandungan air di dalamnya(Qevap). 2. Semakin besar bukaan pintu masuk kehilangan kalor total (Qloss) semakin besar, hal tersebut merupakan konsekuensi adanya sistim sirkulasi udara yang ditambahkan dalam rancangan oven. 3. Semakin besar bukaan pintu masuk kehilangan kalor total semakin besar, hal tersebut merupakan konsekuensi adanya sistim sirkulasi udara yang ditambahkan dalam rancangan oven tersebut. Semakin besar bukaan pintu masuk udara maka massa udara masuk (m*udara) juga semakin banyak, sedangkan udara luar yang masuk tersebut bertemperatur rendah (Tawal). 4. Semakin besar bukaan pintu ternyata waktu proses pengeringan semakin lama dan paling cepat terjadi pada bukaan pintu 10 mm yaitu 74 menit. Hal ini disebabkan oleh adanya sirkulasi udara yang dapat membuang uap air yang dihasilkan proses pengeringan sehingga dapat mempertahankan kelembaban udara di dalam oven. Proses penguapan sangat dipengaruhi oleh kelembaban udara disekitarnya. Semakin lembab udara maka proses penguapan semakin lambat/sulit, dan sebaliknya makin kering udara proses penguapan semakin cepat/mudah. 5. Sistim sirkulasi yang ditambahkan ke dalam oven dapat membantu membuang uap air pada proses pengeringan, sehingga laju proses pengeringan lebih cepat.

Daftar Pustaka 1. Bejan, Adrian, Heat Transfer, John Wiley & Sons Inc. Canada, 1993 2. BPTP Kaltim, Alat Pengering Surya Sederhana, Lembar Informasi Pertanian, 2001 3. Heru Purnawarman, Pengaruh Jumlah dan Jarak Kaca Terhadap Temperatur Plat Solar Kolektor, Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Mesin, Surabaya, 2001 4. Incropera, Frank P. & Dewitt, David P.: Fundamental of Heat and Mass Transfer, 7ed. John Wiley and Sons, Inc. USA, 2011 5. Kamaruddin Abdullah, Fish Drying Using Solar Energy, Lectures and Workshop Exercises on Drying of Agricultural and Marine Products. ASEAN SCNCER, pp. 159-183, 2003 6. Wijayadi Arninputranto, Desaín Prototipe Mesin Seterika dan Penggulung Kain Dengan Energi Panas Sinar Matahari, Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Mesin, Surabaya 2007


67

Rancang Bangun Oven Untuk Proses Pengeringan Kulit Ikan

Recommend Documents