ANALISIS PINDAH PANAS PADA SISTEM PEMANAS TAMBAHAN ALAT PENGERING SURYA HIBRID-TIPE RAK BERPUTAR UNTUK SAWUT UBI JALAR ADITYA NUGRAHA

Transkripsi

1 ANALISIS PINDAH PANAS PADA SISTEM PEMANAS TAMBAHAN ALAT PENGERING SURYA HIBRID-TIPE RAK BERPUTAR UNTUK SAWUT UBI JALAR ADITYA NUGRAHA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014

2

3 PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Analisis Pindah Panas pada Sistem Pemanas Tambahan Alat Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar untuk Sawut Ubi Jalar adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. 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, Juli 2014 Aditya Nugraha NIM F

4 ABSTRAK ADITYA NUGRAHA. Analisis Pindah Panas pada Sistem Pemanas Tambahan Alat Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar untuk Sawut Ubi Jalar. Dibimbing oleh DYAH WULANDANI. Pemanas tambahan pada alat pengering ERK-Hybrid merupakan bagian yang penting dalam proses pengeringan. Kehilangan panas pada sistem tersebut mempengaruhi proses pengeringan. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan analisis pindah panas yang terjadi pada sistem pemanas tambahan untuk mencari efisiensi sistem pemanasan air dan efektivitas heat exchanger, serta menentukan model matematis pendugaan suhu pada sistem ruang pengering. Berdasarkan hasil pengujian, didapatkan efisiensi sistem pemanasan air dan tungku sebesar persen, kehilangan panas terbesar terjadi pada lubang udara masuk tungku sebesar watt. Rata-rata nilai efektivitas pada HE 1 dan HE 2 adalah 0.35 dan 0.65, sementara nilai NTU sebesar 0.42 dan Pemodelan simulasi pendugaan suhu ruang pengering ini dapat digunakan yang memiliki error sebesar 5%. Berdasarkan hasil analisis pindah panas ini, terjadi kehilangan panas yang cukup besar pada sistem pemanasan air dan tungku, sehingga perlu modifikasi pada sistem tersebut. Beberapa modifikasi untuk meningkatkan suhu ruang pengering antara lain membuat penutup pada tungku, memperbesar luasan permukaan HE 2, meningkatkan daya pompa dan kipas serta laju pemasukkan bahan bakar. Kata kunci: pindah panas, heat exchanger, efisiensi, efektivitas ABSTRACT ADITYA NUGRAHA. Heat Transfer Analysis Of Auxiliary Heater System Of Hybrid Solardryer-Rotating Rack Type For Sweet Potatos Grates. Supervised by DYAH WULANDANI. Auxiliary heater on GHE-Hybrid heating instrument is one of important part in heating process. Heat loss on the system can affect heating process. The aim of this research is to find water heating system efficiency and effectiveness of the heat exchanger, and determine the mathematical model of energy balance on drying stove system by analyzing heat transfer occured on auxiliary heater. Based on result, efficiency on water heating system and stove was %, the highest heat loss on inlet air in the stove was watt. The average of the effectiveness of the HE 1 and HE 2 respectively were 0.35 and 0.65, while the value of NTU respectively were 0.42 and This estimation of simulation modeling can be applied, indicated by error of 5%. Base on the heat transfer analysis, stove and water heating system yield the highest heat loss, so auxiliary heater system need to be modified, such as: by adding the cover stove, expanding HE 2 heat transfer area, increasing pump power and fan, and increasing biomass input rate. Key words: heat transfer, heat exchanger, efficiency, efectiveness

5 ANALISIS PINDAH PANAS PADA SISTEM PEMANAS TAMBAHAN ALAT PENGERING SURYA HIBRID-TIPE RAK BERPUTAR UNTUK SAWUT UBI JALAR ADITYA NUGRAHA Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014

6

7 Judul Skripsi : Analisis Pindah Panas pada Sistem Pemanas Tambahan Alat Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar untuk Sawut Ubi Jalar Nama : Aditya Nugraha NIM : F Disetujui oleh Dr Ir Dyah Wulandani, MSi Pembimbing Diketahui oleh Dr Ir Desrial, MEng Ketua Departemen Tanggal Lulus:

8

9 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala karunia-nya sehingga tugas akhir ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2013 ini ialah pengeringan, dengan judul Analisis Pindah Panas pada Sistem Pemanas Tambahan Alat Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar untuk Sawut Ubi Jalar. Dengan selesainya penelitian hingga tersusunnya skripsi ini, penulis ingin menyampaikan penghargaan dan terima kasih kepada: 1. Dr Ir Dyah Wulandani, MSi selaku dosen pembimbing tugas akhir yang telah memberikan nasihat kepada penulis dalam penelitian hingga penyelesaian tugas akhir skripsi ini. 2. Dr Ir Leopold Oscar Nelwan, MSi dan Dr Ir Y.Aris Purwanto, MSc selaku dosen penguji yang telah memberikan masukan yang berharga bagi penulis. 3. Bapak Andi Riva i dan Ibu Nunung Akhirwati selaku orang tua yang telah memberikan banyak dorongan, motivasi, semangat dan doa sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. 4. Elsamila, Stephani, Andreas, Endah, Ivan, Nopri, Tika, Adytia, Desi, Jarwo, Naufal, Rizki, Gumi, koi, Anisa, Trihadi dan teman-teman Orion TMB 46 yang membantu selama penulis melakukan penelitian. 5. Iqbal, Anggar, Dito, Ihsan, Lutfi, dan Reza dari Dermaga Regensi B22 yang telah memberikan dukungan penulis selama penelitian. 6. Bapak Harto, Bapak Darma dan Mas Firman yang telah membantu penulis dalam penelitian, serta seluruh staff UPT TMB IPB yang telah membantu dalam proses administrasi. Akhir kata, penulis berharap semoga tulisan ini dapat bermanfaat. Bogor, Juli 2014 Aditya Nugraha

10 DAFTAR ISI DAFTAR TABEL vi DAFTAR GAMBAR vi DAFTAR LAMPIRAN vi DAFTAR SIMBOL vii PENDAHULUAN 1 Latar Belakang 1 Perumusan Masalah 2 Tujuan Penelitian 2 Manfaat Penelitian 2 TINJAUAN PUSTAKA 2 Ubi Jalar 2 Pengeringan Efek Rumah Kaca (ERK) 3 Sistem Pemanas Tambahan 3 Perpindahan Panas 5 METODE 5 Waktu dan Tempat Penelitian 5 Bahan 5 Alat 5 Prosedur Penelitian 6 Parameter Pengukuran 9 Analisis Data 11 HASIL DAN PEMBAHASAN 14 Sistem Pemanasan Air dan Tungku 14 Efektivitas dan NTU Heat Exchanger 16 Pemodelan Tanpa Beban Pengeringan 16 Modifikasi Sistem Pemanas Tambahan 19 SIMPULAN DAN SARAN 22 Simpulan 22 Saran dan Rekomendasi 22 DAFTAR PUSTAKA 22

11 LAMPIRAN 24 RIWAYAT HIDUP 52 DAFTAR TABEL 1 Parameter yang digunakan dalam simulasi pengeringan tanpa beban 9 2 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air dan tungku 14 3 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem tungku 15 4 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air 15 5 Kehilangan panas pada sistem pemanasan air dan tungku 15 6 Efektivitas dan NTU heat exchanger 16 7 Suhu rata-rata, nilai error hasil validasi 20 8 Skenario modifikasi dan hasil simulasi ruang pengering 20 9 Parameter untuk perhitungan NTU dan ϵ HE Parameter untuk perhitungan heat exchanger dalam pengering Parameter untuk menghitung kehilangan panas pada tungku 50 DAFTAR GAMBAR 1 Ubi jalar 2 2 Konfigurasi dari penukar panas aliran tertutup. (a) Counterflow. (b) Parallelflow. (c) Crossflow. 4 3 Pengering ERK-hybrid tipe rak berputar 6 4 Pemanas tambahan pada pengering ERK rak berputar 6 5 Diagram alir tahapan penelitian 7 6 Skema aliran pindah panas pada sistem pemanas tambahan 8 7 Aliran pindah panas seluruh sistem pengering ERK rak berputar 8 8 Titik-titik pengukuran suhu 10 9 Kehilangan panas pada sistem pemanasan air Skema aliran pindah panas penukar kalor dalam tangki pemanas air Validasi simulasi suhu ruang pengering Validasi simulasi suhu absorber Validasi simulasi suhu air dalam heat exchanger Grafik perbandingan suhu simulasi pengeringan Wilayah-wilayah di dalam tabung-tabung vertikal Desain perbaikan pada tungku (dalam mm) 51 DAFTAR LAMPIRAN 1 Data nilai-nilai hasil pengukuran pada tanpa beban (percobaan 1) 24 2 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 2) 27

12 2 3 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 3) 29 4 Koreksi-koreksi untuk beberapa situasi konveksi bebas 31 5 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada ruang pengering 31 6 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada absorber 35 7 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada sistem pemanasan air 36 8 Perhitungan untuk koefisien pindah panas tungku 46 9 Perhitungan efisiensi sistem pemanasan air dan tungku Perhitungan NTU dan efektivitas penukar kalor Perhitungan kehilangan panas pada tungku Perhitungan kehilangan panas pada tungku yang telah dimodifikasi Rekomendasi perbaikan pada tungku 51 DAFTAR SIMBOL A Luas permukan pindah panas m 2 Cp Panas jenis spesifik J Kg -1 ᵒC -1 Gr Bilangan Grashof - h Koefisien pindah panas konveksi W m -2 0 C H Nilai kalor suatu bahan J Kg -1 I Iradiasi surya W m -2 K Konduktivitas termal W m -1 0 C L Panjang karakteristik m Massa bahan Kg ṁ Laju aliran massa Kg s -1 Nu Bilangan Nusselt - NTU number of heat transfer units - Pr Bilangan Prandtl - Q Panas dari suatu bahan - Re Bilangan Reynold - T Suhu hasil pengukuran T' Suhu hasil simulasi Δt Selang waktu s U Koefisien pindah panas menyeluruh W m -2 0 C ϵ Efektivitas penukar panas % ɳ Efisiensi % ɛ Emisivitas suatu bahan - α Absorptivitas - τ Transmivitas - ρ Massa jenis - μ Viskositas dinamik Kg m -1 s 0 C 0 C

13 σ Tetapan Stefan Boltzman ( 5,67 x 10-8 ) W m -2 K -4 3 Indeks a a 1 a 2 abs bb C dp dtk dtu HE 1 HE 2 L Lu ptu r Tu u Air Air yang masuk ke HE dalam ruang pengering (air dalam tangki) Air keluaran HE dalam ruang pengering Absorber Bahan bakar biomassa Cerobong pada HE dalam tangki Dinding ruang pengering Dinding tangki pemanas air Dinding tungku Heat exchanger dalam tangki pemanas air Heat exchanger dalam ruang pengering Lingkungan Lubang masukan udara pada tungku Penutup lubang pemasukan bahan bakar Ruang pengering Tungku Udara

14

15

16

17 PENDAHULUAN Latar Belakang Ubi jalar merupakan salah satu produk pangan lokal yang potensial dan prospektif untuk dikembangkan sebagai produk diversifikasi pangan. Ubi jalar juga dapat diolah menjadi beranekaragam produk dan bahan baku industri seperti pati, tepung, saus dan alkohol. Menurut Sarwono (2005), subtitusi terigu dengan tepung ubi jalar pada industri makanan olahan akan mengurangi penggunaan terigu 1.4 juta ton per tahun, disamping dapat menghemat penggunaan gula hingga 20%. Proses pengeringan ubi jalar selama ini dilakukan dengan cara tradisional dan modern yaitu penjemuran langsung dibawah panas matahari dan menggunakan mesin pengering rotari. Pengeringan penjemuran seperti ini memang relatif murah, tetapi memiliki banyak kekurangan yaitu membutuhkan lahan terbuka yang luas, tergantung pada penyinaran matahari, kelembaban dan kondisi angin. Produk yang dihasilkan dari pengering dengan cara ini juga dapat terkontaminasi material asing seperti debu dan tidak aman dari serangga. Hal tersebut menyebabkan produk tersebut menjadi kurang higienis. Pengering rotari merupakan salah satu pengering tipe kontinyu dan mempunyai kapasitas besar. Masalah yang akan timbul pada pengering dengan kapasitas besar adalah kinerja pengering dan serta konsumsi energi yang besar, serta biaya pengeringan yang dikeluarkan lebih besar, sehingga kurang sesuai digunakan untuk UKM (Usaha Kecil Menengah). Pengering Efek Rumah Kaca (ERK)-hybrid tipe rak berputar dapat dijadikan alteratif alat pengering sawut ubi jalar yang sesuai untuk skala UKM karena memiliki kapasitas yang sesuai. Pengering ini memanfaatkan energi surya dan biomassa serta tenaga manusia untuk memutar rak. Energi surya dan biomassa juga merupakan energi terbarukan, gratis dan ramah lingkungan. Pengering ERK-hybrid ini dimaksudkan untuk menjaga kelangsungan proses pengeringan. Penggunaan sistem hybrid ini dilakukan pada saat kondisi cuaca kurang mendukung atau pada malam hari. Proses pengeringan dapat terus berlangsung dengan mengoperasikan heater sebagai pemanas tambahan. Pemanas tambahan pada pengering ERK-hybrid ini merupakan bagian yang penting untuk memberikan panas kepada bahan, terutama ketika cuaca sedang kurang mendukung dan pada malam hari. Pemanas tambahan pada alat pengering ini adalah tungku biomassa dan heat exchanger (penukar kalor). Tungku biomassa memanfaatkan limbah pertanian sebagai bahan bakar, panas yang dihasilkan dari tungku dipindahkan oleh heat exchanger ke ruang pengering. Efisiensi tungku bergantung pada aliran pindah panas pada pengering, jumlah output panas yang diberikan pada pengering terhadap jumlah input panas dari bahan bakar biomassa. Maka dari itu diperlukan analisis pindah panas pada sistem pemanas tambahan yang berguna untuk mengetahui dimana letak kehilangan panas. Pengujian terhadap pemanas tambahan ini diharapkan dapat ditindaklanjuti dengan pemeliharaan, perbaikan dan modifikasi, sehingga efisiensinya meningkat.

18 2 Perumusan Masalah Pemanas tambahan pada alat pengering ERK-hybrid merupakan bagian yang penting dalam proses pengeringan. Maka dari itu diperlukan penelitian untuk menganalisis pindah panas yang terjadi pada sistem pemanas tambahan yang berguna untuk mengetahui dimana letak kehilangan panas. Pengujian terhadap pemanas tambahan ini diharapkan dapat ditindaklanjuti dengan rekomendasi untuk pemeliharaan, perbaikan dan modifikasi, sehingga efisiensinya meningkat. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Mendapatkan nilai efisiensi sistem pemanasan air dan tungku serta efektivitas dan NTU (number of transfer unit) pada heat exchanger sebagai alat pemanas tambahan. 2. Menentukan model matematis keseimbangan energi pada sistem ruang pengering 3. Melakukan analisis pindah panas alat pengering ERK tipe rak berputar dan sistem pemanas tambahan. Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini yaitu untuk memberikan informasi kondisi sistem pemanas tambahan dengan menganalisis pindah panas pada sistem pemanas tambahan yang digunakan sebagai dasar dalam rangka untuk memperbaiki performa tungku dan heat exchanger. TINJAUAN PUSTAKA Ubi Jalar Ubi jalar merupakan salah satu komoditas utama yang mempunyai daya adaptasi yang luas, sehingga dapat tumbuh dan berkembang dengan baik di seluruh nusantara. Komoditas ini merupakan tanaman umbi-umbian penting ke-2 setelah ubi kayu yang mempunyai manfaat beragam (Hafsah 2004). Gambar 1 Ubi jalar

19 Pengolahan ubijalar segar menjadi produk setengah jadi sangat penting guna pengamanan ubijalar segar yang tidak tahan disimpan (Syah 2008). Umbi-umbian biasanya dikeringkan untuk tujuan tertentu, misalnya untuk pembuatan tepung. Widowati et al. (2002) menyebutkan proses pembuatan ubijalar menjadi tepung didahului oleh proses pengupasan dan pencucian, kemudian ubijalar disawut atau dirajang tipis. Sawut basah direndam dalam sodium bisulfit 0.3% selama ± 1 jam lalu dipress, diremahkan, dan kemudian dikeringkan sampai kadar air 12-14%. 3 Pengeringan Efek Rumah Kaca (ERK) Menurut Henderson dan Perry (1976), pengeringan adalah pengeluaran air dari suatu bahan pertanian menuju kadar air keseimbangan dengan udara sekeliling atau pada tingkat kadar air dimana mutu bahan pertanian dapat dijaga dari serangan jamur, aktivitas serangga dan enzim. Keuntungan utama dari proses pengeringan adalah bahan lebih tahan lama disimpan pada suhu ruang karena mikroba dan enzim pada bahan pangan dapat diatasi akibat berkurangnya kadar air dalam bahan. Metode pengeringan secara umum terdiri dari dua yaitu pengeringan manual/alami dan mekanis/buatan. Pada pengeringan alami panas pengeringan dipengaruhi oleh cahaya matahari dan kondisi lingkungan. Pengeringan mekanis dilakukan dengan pemanas tambahan. Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) adalah alat pengering berenergi surya yang memanfaatkan efek rumah kaca yang terjadi karena penutup transparan pada dinding bangunan,serta plat absorber sebagai pengumpul panas untuk menaikkan suhu udara ruang pengering didalamnya (Kamaruddin et al. 1994). Alat pengering ERK-hybrid tipe rak berputar merupakan hasil rancangan tim peneliti hibah bersaing IPB (Wulandani et al. 2009). Pengering ini terdiri dari tiga bagian utama, yaitu bangunan rumah kaca dengan dimensi 2.15 m x 1.75 m x 1.9 m, silinder dengan rak pengering dan pemanas tambahan yaitu tungku biomassa, tangki air dan radiator. Pengering ini dilengkapi tungku biomassa untuk memanaskan air, pompa digunakan untuk sirkulasi air dan radiator untuk mengubah uap air menjadi udara panas. Bangunan rumah kaca berfungsi sebagai pengumpul panas. Sistem Pemanas Tambahan Sistem pemanas tambahan dalam sistem pengeringan berfungsi untuk mempertahankan suhu ruang pengering pada tingkat tertentu yang diinginkan, disesuaikan dengan keadaan bahan serta keadaan cuaca di sekitar sistem pengeringan. Tungku Biomassa Tungku biomassa merupakan unit pemanas tambahan yang diperlukan apabila suhu ruang pengering minimum tidak tercapai dan atau untuk digunakan pada malam hari (Mursalim 1995). Penggunaan tungku biomassa memiliki banyak keuntungan selain dari segi ekonomi yang cukup efisien, murah dan mudah didapat. Penemuan dan pemanfaatan biomassa kayu, tanaman ataupun limbah pertanian sebagai bahan baku energi secara umum telah menarik perhatian

20 4 dunia. Tujuan utama dari usaha-usaha tersebut adalah mencari pengganti sumberdaya fossil seperti minyak bumi, gas alam, batu bara dengan sumbersumber yang dapat diperbaharui. Pada waktu yang sama, produksi limbah hasil pertanian meningkat sehingga dapat dimanfaatkan untuk bahan bakar biomassa. Heat Exchanger (Penukar Panas) Menurut Chapman (1984), heat exchanger merupakan alat yang digunakan untuk memindahkan sejumlah panas dari sebuah bahan atau zat ke bahan atau zat lain. Bentuk yang paling sederhana dari penukar panas adalah regenerator berupa kontainer dimana bahan yang bersuhu tinggi didalamnya akan kontak secara langsung dengan bahan yang bersuhu lebih rendah. Pada sistem ini, masingmasing bahan atau fluida akan mencapai suhu akhir yang sama. Jumlah dari panas yang dapat dipindahkan dapat dihitung dengan konsep keseimbangan energi. Energi yang dilepaskan oleh fluida yang lebih panas akan sama dengan jumlah energi yang diterima oleh fluida yang lebih dingin. (a) (b) Gambar 2 Konfigurasi dari penukar panas aliran tertutup. (a) Counterflow. (b) Parallelflow. (c) Crossflow. Bentuk lain dari penukar panas adalah menggunakan dinding atau sekat sehingga memungkinkan adanya perambatan panas dari fluida yang bersuhu tinggi ke fluida yang bersuhu rendah. Sistem ini kemudian disebut dengan sistem penukar panas sistem tertutup (closed type heat exchanger). Sedangkan pada penukar panas sistem terbuka (open type heat exchanger) sebelum fluida masuk kedalam sistem penukar panas, fluida akan masuk terlebih dahulu kedalam suatu ruangan terbuka, setelah bercampur fluida akan masuk dan meninggalkan penukar panas dalam aliran tunggal (Rachmansyah 1999). Arah aliran dari fluida juga digunakan sebagai dasar untuk mengklasifikasikan bentuk penukar panas pada sistem tertutup. Arah aliran penukar panas dibedakan menjadi aliran yang berlawanan arah (Counterflow), aliran yang searah (Parallelflow), dan arah aliran yang memotong (Crossflow). Beberapa bentuk dari arah aliran penukar panas dapat dilihat pada Gambar 2.

21 5 Perpindahan Panas Perpindahan panas (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perpedaaan suhu diantara benda atau material. Dari termodinamika telah diketahui bahwa energi yang pindah itu dinamakan kalor (Holman 1986). Kalor dapat berpindah dari tempat dengan temperatur lebih tinggi ke tempat dengan tempertatur yang lebih rendah. Ada tiga cara pindah panas yang dikenal yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Kalor dari suatu bagian benda bertemperatur lebih tinggi akan mengalir melalui zat benda itu ke bagian lainnya yang bertemperatur lebih rendah. Zat atau partikel zat dari benda yang dialui kalor ini sendiri tidak mengalir sehingga tenaga kalor berpindah dari satu partikel ke lain partikel dan mencapai bagian yang dituju. Perpindahan ini disebut konduksi, arus panasnya adalah arus kalor konduksi dan zatnya itu mempunyai sifat konduksi kalor. Konveksi kalor terjadi karena partikel zat bertemperatur lebih tinggi berpindah tempat secara mengalir sehingga dengan sendirinya terjadi perpindahan kalor melalui perpindahan massa. Aliran zat atau fluida, dapat berlangsung sendiri sebagai akibat perbedaan massa jenis karena perbedaan temperatur, dan dapat juga sebagai akibat paksaan (Halli 2012). Mode ketiga dari transmisi kalor disebabkan oleh perambatan gelombang elektromagnetik, yang dapat terjadi baik didalam vakum total maupun di dalam medium. Bukti eksperimental mengindikasikan bahwa perpindahan kalor radian adalah proposional terhadap pangkat keempat dari temperatur absolut, sementara konduksi dan konveksi proposional terhadap selisih temperatur linier (Pitts dan Sissom 2008). METODE Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Penelitian ini telah dilaksanakan selama 4 bulan, terhitung dari tanggal 23 Maret 2013 hingga tanggal 23 Juni Bahan Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah ubi jalar yang diperoleh dari Kelompok Tani Hurip di Desa Cikarawang, Kecamatan Darmaga, Kabupaten Bogor. Alat Alat pengering yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat pengering ERK-hybrid tipe rak berputar ini merupakan hasil rancangan tim peneliti hibah bersaing IPB (Wulandani et al. 2009). Sumber panas berasal dari energi surya dan

22 6 biomassa. Pengering ini terdiri dari tiga bagian utama, yaitu bangunan rumah kaca dengan dimensi 2.15 m x 1.75 m x 1.9 m, silinder dengan rak pengering (Gambar 3) dan pemanas tambahan yaitu tungku biomassa, tangki pemanas air dan radiator (Gambar 4). Tungku biomassa berbentuk balok dengan dimensi 0.57 m x 0.53 m x 0.34 m. Tangki pemanas air berbentuk tabung dengan diameter 0.46 m dan tinggi 0.55 m, serta didalamnya terdapat heat exchanger yang berbentuk silinder (9 buah) dan balok. Radiator yang berada dalam ruang pengering berjumlah 3 buah dengan luas permukaan m 2. Pemanas tambahan dilengkapi pompa air untuk sirkulasi air ke radiator dan kembali ke tangki air, pompa yang digunakan membutuhkan daya sebesar 125 Watt. Gambar 3 Pengering ERK-hybrid tipe rak berputar Gambar 4 Pemanas tambahan pada pengering ERK rak berputar Instrumen yang dibutuhkan sebagai berikut termokopel tipe CC, termokopel tipe K, timbangan digital dengan ketelitian 0.1 gram, drying oven SS- 204 D Ikeda Scientific, hybrid recorder, termometer air raksa, anemometer kanomax tipe 6011, digital multimeter, pyranometer, stopwatch, pisau, alat sawut ubi, ember, gelas ukur dan tray. Prosedur Penelitian Pada penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan yang dapat dilihat pada diagram alir pada Gambar 5.

23 7 Mulai Persiapan : Pengumpulan data sifat-sifat termofisik material pengering & Produk yang dikeringkan Percobaan pengeringan Analisis efisiensi sistem pemanasan air & tungku efektivitas sistem heat exchanger Pemodelan pindah pindah panas suhu & simulasi suhu Tidak Validasi error suhu Ya Modifikasi sistem penukar panas Rekomendasi Selesai Gambar 5 Diagram alir tahapan penelitian Kegiatan penelitian terdiri dari beberapa tahapan, yaitu : 1. Persiapan Persiapan yang dilakukan yaitu pengumpulan data sifat-sifat termofisik material pengering dan produk yang dikeringkan. Sifat termofisik berupa nilai panas jenis spesifik, konduktifitas termal, koefisien pindah panas, emisivitas bahan dan mengenal jenis penukar panas yang digunakan 2. Percobaan pengeringan Percobaan pengeringan dillakukan sebanyak 3 kali, yaittu pengeringan tanpa beban dan pengeringan menggunakan produk. Percobaan 1 merupakan percobaan tanpa beban dilakukan selama 24 jam. Percobaan 2 dan 3 dilakukan menggunakan beban, selama 14.5 jam dan 13.5 jam. 3. Analisis efisiensi sistem pemanasan air dan tungku dan efektivitas sistem penukar panas Dari data yang didapatkan dari percobaan, dihitung jumlah panas yang diterima air berbanding dengan panas yang diberikan bahan bakar

24 8 biomassa, kemudian didapatkan efisiensi sistem pemanasan air dan tungku, nilai efisiensi tersebut didapatkan dari persamaan 9. Data percobaan suhu yang bersangkutan dengan penukar panas, digunakan untuk mencari nilai efektivitas penukar panas. Nilai efektivitas tersebut didapatkan dari persamaan 21 dan 23. Penukar panas yang digunakan pada alat pengering ini ada dua buah, yaitu penukar panas yang terdapat pada tangki pemanas air (HE 1 ) dan penukar panas yang terdapat pada ruang pengering (HE 2 ). Data percobaan tersaji pada Lampiran 1, 2, dan 3. Skema aliran pindah panas pada sistem pemanas tambahan dapat dilihat pada Gambar 6. Keterangan: (1) Tungku biomassa; (2) HE 1 ; (3) Pompa air; (4) Selang; (5) HE 2 Gambar 6 Skema aliran pindah panas pada sistem pemanas tambahan 4. Pemodelan pindah panas dan simulasi suhu ruang pengeringan Simulasi ini dilakukan melalui pendekatan-pendekatan dari distribusi suhu yang dihasilkan pada pengujian tanpa beban. Sehingga dapat diketahui distribusi suhu dalam ruang pengering. Simulasi ini menggunakan parameter-parameter pada Tabel 1. Skema aliran pindah panas seluruh sistem pengeringan ERK rak berputar ini dapat dilihat pada Gambar 7. Keterangan : Pindah panas Konveksi dan Konduksi Pindah massa Panas melalui konveksi Pembakaran Biomassa Iradiasi surya Gambar 7 Aliran pindah panas seluruh sistem pengering ERK rak berputar

25 9 Tabel 1 Parameter yang digunakan dalam simulasi pengeringan tanpa beban Udara pengering Parameter Simbol Satuan Nilai Keterangan Massa udara ruang pengering m r Kg Wulandani (2009) Laju udara lingkungan ṁ L kg/detik Utari (2013) Panas spesifik lingkungan Cp L J/kgᵒC Lampiran 5 Panas spesifik ruang pengering Cp r J/kgᵒC Lampiran 5 Luas permukaan dinding A dp m Pengukuran Koefisien pindah panas keseluruhan U dp W/m 2ᵒC Lampiran 5 dinding Absorber Massa absorber m abs kg Utari (2013) koefisien pindah panas absorber h abs W/m 2ᵒC 2.71 Lampiran 6 Panas spesifik absorber Cp abs J/kgᵒC 452 Holman (1986) Absorsivitas absorber α abs 0.96 Utari (2013) Transimivitas ruang pengering τ abs 0.45 Wulandani (2009) Luas permukaan absorber A abs m Pengukuran Heat exchanger (dalam ruang pengering) Massa HE 2 m HE2 kg 4.5 Wulandani (2009) Panas jenis spesifik radiator Cp HE2 J/kgᵒC 385 Holman (1986) Luas permukaan radiator ( 3 buah ) A HE2 m Wulandani (2009) Koefisien pindah panas menyeluruh HE 2 U HE2 W/m 2ᵒC 15 Wulandani (2009) Sistem pemanasan air Laju air yang masuk ke tangki ṁ a kg/detik 0.31 Lampiran 7 Panas spesifik air dalam tangki Cp a J/kgᵒC Lampiran 7 Massa air dalam tangki m a kg Lampiran 7 Nilai kalor biomassa H bb J/kg Utari (2013) Laju bahan bakar biomassa (pagi siang) ṁ bb kg/detik Pengukuran Laju bahan bakar biomassa (sore malam) ṁ bb kg/detik Pengukuran Efisiensi sistem pemanasan air dan tungku ɳ 0.54 Lampiran 9 5. Rekomendasi Setelah mendapatkan model simulasi ruang pengering, nilai efisiensi sistem pemanasan air dan tungku dan nilai efektivitas penukar kalor, dilakukan rekomendasi berupa modifikasi penukar panas dan tungku. Parameter Pengukuran Suhu Suhu yang diukur adalah api pembakaran, suhu udara yang keluar dari cerobong, suhu air dalam tangki, suhu air yang keluar dari HE 2, suhu dinding pada HE 1, suhu dinding tungku, suhu dinding tangki, suhu fin pada HE 2, suhu ruang pengering (bola basah-kering), suhu dinding pengering, suhu absorber, suhu

26 10 lingkungan (bola basah-kering). Pengukuran menggunakan termometer, termokopel tipe K dan CC pada titik-titik pengukuran (Gambar 8). Pengukuran suhu ruang menggunakan termometer yang diletakkan di tengah ruang, dengan asumsi suhu pada ruangan merata. Pengambilan data suhu dilakukan secara periodik yaitu setiap 30 menit sekali. Keterangan : T1: Suhu lubang pemasukan bahan bakar, T2: suhu api pembakaran, T3: suhu dinding tungku, T4: suhu air dalam tangki, T5: suhu dinding tangki, T6: suhu air keluaran HE 2, T7: suhu dinding HE 1, T8 : suhu cerobong, T9: suhu lantai absorber, T10-T12: suhu dinding fin HE 2, T13: suhu ruang pengering, T14: suhu dinding pengering, T15: suhu udara lingkungan, T16: suhu atap pengering. Gambar 8 Titik-titik pengukuran suhu Iradiasi Surya Pengukuran menggunakan pryanometer dan diletakan ditempat yang tidak terhalang cahaya matahari. Kecepatan Aliran Udara Diukur menggunakan anemometer model 6011 Kanomax, dengan ketelitian 0.01 m/detik. Bagian yang ukur meliputi kecepatan aliran udara lingkungan dan kecepatan udara dalam ruang pengering. Kebutuhan Bahan Bakar Jumlah biomassa yang dibutuhkan selama proses pengeringan merupakan penggunaan biomassa yang terbakar. Debit Air Debit air pompa diukur secara volumetrik menggunakan gelas ukur dan stopwatch. Debir air digunakan untuk mengetahui laju air yang keluar dari HE 2.

27 11 Analisis Data Pindah Panas Analisis parameter pindah panas dihitung berdasarkan persamaanpersamaan sebagai berikut: 1. Pindah Panas Konduksi Perpindahan panas secara konduksi, maka laju perpindahan panas berbanding lurus dengan gradient suhu normal.: q ~ T A x (1) Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas atau ketetapan kesebandingan, maka: q ka T x dimana q adalah laju perpindahan kalor dan T x merupakan gradient suhu kearah perpindahan kalor. 2. Pindah Panas Konveksi a. Konveksi Alamiah (Bebas) Perpindahan kalor total dapat dinyatakan sebagai: q v ha ΔT (3) dimana h merupakan koefisien perpindahan kalor konveksi, dan A merupakan luasan permukaan. h Nu k......(4) L dimana k adalah konduktivitas dan L merupakan dimensi karakteristik. Nu C ( GrPr) m...(5) Dimana Nu adalah bilangan Nusselts yang merupakan fungsi dari h (koefisien perpindahan kalor), G r merupakan bilangan Grashof dan Pr merupakan bilangan Prandtl. Nilai konstanta C dan m didasarkan pada nilai GrPr dan konfigurasikonfigurasi geometri umum dapat dilihat Lampiran 4 (Pitts dan Sissom 2008) b. Konveksi Paksa Perpindahan kalor konveksi bergantung pada angka Reynold (Re) dan Prandtl (Pr). Bentuk paling sederhana koefisien perpindahan kalor konveksi paksa dapat dinyatakan dalam bentuk berikut: Nu C Re m Pr n......(6) Dimana C,m, dan n ialah konstanta yang ditdasarkan pada angka Reynold dalam berbagai bentuk dan kondisi. Pelat datar Laminar ( Re L < 5 x 10 5 ) Nu L Re ½ L Pr 1/ (7) 3. Pindah Panas Radiasi Rumus untuk perpindahan panas secara radiasi menerapkan hukum Stefan Boltzmann, yaitu: q r ɛ ςt (2) (8) Persamaan diatas disebut hukum stefan-boltzman tentang radiasi termal dan berlaku hanya untuk radiasi benda hitam saja. Benda hitam adalah benda yang memancarkan energi menurut hokum T 4, dimana

28 12 merupakan konstanta Stefan-Boltzmann ( 5.67 x 10-8 W/m 2 K 4 ) dan ɛ adalah emisivitas. Sistem Pemanasan Air dan Tungku Perhitungan keseimbangan energi pada sistem ini meliputi jumlah energi yang diterima unit pemasakan dari pembakaran bahan bakar. Efisiensi dari sistem pemanasan air dan tungku ini adalah perbandingan dari jumlah panas yang diterima oleh air akibat pembakaran bahan bakar (Q bb ) untuk memanaskan air tersebut. Efisiensi tersebut dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut: ɳ tangki dan tungku m a Cp a T a 1 T a (9) Q bb Maka keseimbangan yang terjadi pada sistem pemanasan air dan tungku dapat dimodelkan sebagai berikut : ɳ m bb H bb m acp a T a1 T a (10) Ideal nya seluruh panas yang dihasilkan dari proses pembakaran harus digunakan untuk memanaskan air dalam tangki. Namun demikian dalam prakteknya banyak panas yang hilang dalam beberapa cara sebagaimana ditunjukan Gambar 9. Gambar 9 Kehilangan panas pada sistem pemanasan air Pada tungku terjadi beberapa kehilangan panas, antara lain: kehilangan panas pada dinding tungku (Q L1 ), kehilangan panas pada lubang udara masuk pada tungku (Q L2 ), kehilangan panas pada gas buang cerobong (Q L3 ), sedangkan Pada tangki air terjadi kehilangan panas pada dinding tangki (Q L4 ). Kehilangan panas ini didekati dengan persamaan: Q L1 h dtu A dtu T dtu T L + ςa dtu ɛ T 4 4 dtu T L...(11) Q L2 A Lu ς ɛ T 4 4 Tu T Lu....(12) Q L3 A LC ς ɛ T 4 Tu T 4 LC + A DC ς ɛ T 4 4 LC T L +A DC h DC T DC T......(13) L Q L4 A dtk h dtk T dtk T L (14) Berdasarkan jumlah kehilangan panas dari sistem tungku (Q Ltu ) yaitu Q L1, Q L2 dan Q L3, efisiensi sistem tungku dapat dihitung dengan persamaan 15. ɳsistem tungku Q bb Q Ltu Q bb Q Ltu Q L1 + Q L2 + Q L3 Q tu Q bb (15).....(16)

29 Perbandingan antara panas yang diterima air (Q a ) dan panas yang diberikan tungku ke tangki pemanas air (Q tu ) merupakan efisiensi dari sistem pemanasan air. Efisiensi tersebut dapat dihitung dengan persamaan 17. ɳsistem tangki m a Cp a T a 1 T a2 Q tu Sistem Heat Exchanger dalam Tangki Pemanas Air (HE 1 ) Dalam sistem pemanasan air ini terdapat penukar kalor, penukar kalor yang digunakan dalam tangki yaitu penukar kalor tipe aliran berlawanan arah (CrossFlow). Pada sistem penukar panas ini keseimbangan energi meliputi panas dari air yang dipanaskan (Q a ), panas dari laju aliran udara yang melewati penukar panas (Q u ) dan beban panas teoritis dari penukar panas (Q he ). Skema aliran pindah panas pada penukar panas yang digunakan pada sistem pemanasan air dapat dilihat pada Gambar 10. Dari konsep keseimbangan energi diperoleh (Rachmansyah 1999) : Q a Q u Q he atau m acp a T a1 T a2 m ucp u T Tu T C A He1 U He1 ΔT m..(19) Nilai ϵ merupakan nilai efektifitas penukar panas, secara umum nilai efektivitas ini tergantung dari faktor suhu yang terjadi pada penukar panas selama proses berlangsung. Nilai efektifitas penukar kalor dengan C min /C maks 0 dapat dihitung dengan persamaan 21 ( Holman 1986 ). C C min C maks (m cp ) min (m cp ) maks (17) (18)....(20) ε 1 e NTU.....(21) U A NTU....(22) C min Nilai koefisien pindah panas pada heat exchanger ini dapat dihitung menggunakan persamaan 4, disesuaikan dengan geometri dari bentuk heat exchanger tersebut. NTU ( number of heat transfer units ) adalah jumlah satuan perpindahan panas yang merupakan tolak ukur perpindahan panas suatu penukar kalor. Gambar 10 Skema aliran pindah panas penukar kalor dalam tangki pemanas air

30 14 Sistem Heat Exchanger dalam Ruang Pengering (HE 2 ) Pada sistem heat exchanger dalam ruang pengering ini memiliki keseimbangan energi yang sama dengan heat exchanger yang terdapat dalam tangki air. Sistem aliran pada HE 2 dapat dilihat pada Gambar 6. Nilai efektivitas pada sistem penukar kalor dapat dicari dengan persamaan (Holman 1986): ε Q aktual...(23) Q maks Q aktual m acp a T ai T ao m ucp u T uo T ui...(24) Dimana panas maksimal yang mungkin terjadi dapat dihitung dengan persamaan (Holman 1986) : Q maks (ṁcp) min T h masuk T c masuk (ṁcp) min T ai T ui...(25) Setelah mendapatkan nilai efektivitas, nilai NTU untuk penukar kalor aliran silang dapat dihitung dengan persamaan (Holman 1986 ) : NTU Ln [1 + 1 Ln 1 + Cε ] C...(26) HASIL DAN PEMBAHASAN Sistem Pemanasan Air dan Tungku Efisiensi Sistem Pemanasan Air dan Tungku Efisiensi pemanasan sistem pemanasan air dan tungku merupakan perbandingan jumlah panas yang diterima air dengan panas hasil pembakaran bahan bakar. Hal ini menunjukan kemampuan pemanas air yaitu tungku dan tangki pemanas air untuk menaikan suhu air dengan melepaskan panas dari hasil pembakaran bahan bakar biomassa selama proses berlangsung. Berikut data hasil pengukuran pada sistem pemanasan air dan tungku dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air dan tungku Percobaan Q bb Q a ɳ W W % Efisiensi yang didapatkan dari hasil pengukuran berkisar %, panas yang dihasilkan dari pembakaran diserap untuk proses pemanasan air dan sebagian hilang diserap oleh dinding tungku, dinding tangki dan ke lingkungan. Efisiensi yang didapatkan dari nilai kehilangan pada sistem tungku dapat dilihat pada Tabel 3 dengan contoh perhitungan yang tersaji pada Lampiran 11. Pada analisis pindah panas yang dilakukan, tidak semua kehilangan panas pada seluruh komponen tungku diperhitungkan seperti pembakaran yang tidak sempurna. Kemungkinan efisiensi tungku yang dihasilkan dalam perhitungan ini

31 masih lebih besar daripada efisiensi tungku aktual. Nilai efisiensi tungku yang diperoleh merupakan perbandingan panas yang diterima tungku dan panas yang diberikan oleh bahan bakar biomassa. Tabel 3 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem tungku Percobaan Q bb Q Ltu Q tu ɳ W W W % Panas yang diterima tangki pemanas air digunakan untuk memanaskan air. Efisiensi sistem pemanasan air merupakan perbandingan antara panas yang diterima air dan panas yang diberikan oleh tungku ke tangki pemanas air. Nilai efisiensi sistem pemanasan air dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air Percobaan Q tu Q a ɳ W W % Kehilangan Panas pada Sistem Pemanasan Air dan Tungku Panas yang hilang pada sistem pemanasan air dan tungku antara lain kehilangan panas pada dinding tungku (Q L1 ), kehilangan panas pada lubang udara masuk pada tungku (Q L2 ), kehilangan panas pada gas buang cerobong (Q L3 ), sedangkan Pada tangki air terjadi kehilangan panas pada dinding tangki (Q L4 ). Tabel 5 Kehilangan panas pada sistem pemanasan air dan tungku 15 Percobaan Q L1 Q L2 Q L3 Q L4 Watt Watt Watt Watt Dari Tabel 5 dapat dilihat panas yang hilang pada sistem ini. Kehilangan panas terbesar pada sistem ini terdapat pada lubang udara pada tungku sebesar Watt. Hal ini dikarenakan panas dari hasil pembakaran terbuang secara langsung ke lingkungan melalui lubang udara pada tungku. Untuk mengurangi kehilangan panas yang terjadi pada sistem ini diperlukan modifikasi, terutama desain lubang pemasukan bahan bakar yang terbuka langsung.

32 16 Efektivitas dan NTU Heat Exchanger Pada alat pengering tipe rak berputar-hybrid ini memiliki dua buah heat exchanger. Kemampuan heat exchanger dalam memberikan panas dapat dilihat dari nilai efektivitasnya, yaitu panas aktual yang terjadi terhadap panas maksimal yang mungkin diberikan oleh heat exchanger. Nilai efektivitas kedua heat exchanger disajikan pada Tabel 6 dengan contoh perhitungan yang tersaji pada Lampiran 10. Nilai efektivitas HE 1 sebesar , yang berarti efektivitas dari heat exchanger cukup kecil. Hal tersebut dikarenakan panas aktual yang diterima air jauh lebih kecil dibandingkan dengan panas maksimal yang diberikan heat exchanger. Nilai Efektivitas HE 2 lebih besar dibanding HE 1 yaitu sebesar Luas permukaan HE 2 yang besar mempengaruhi banyaknya panas yang diterima ruang pengering sehingga efektivitasnya cukup tinggi. Nilai NTU pada heat exchanger merupakan tolak ukur perpindahan panas suatu penukar kalor, semakin tinggi nilai NTU semakin tinggi efektivitasnya. Tabel 6 Efektivitas dan NTU heat exchanger Percobaan HE 1 HE 2 NTU ϵ NTU ϵ I II III Nilai efektivitas HE 1 yang diperoleh sesuai dengan hasil penelitian Rukmini (2006) menyatakan, nilai efektivitas heat exchanger berkisar Heat exchanger yang digunakan hampir sama dengan HE 1 yaitu tipe counterflow, namun berbeda dari segi desain. Prinsip kerja heat exchanger pada penelitian Rukmini, udara masuk memanaskan pipa-pipa heat exchanger kemudian pipa tersebut memanaskan udara pengering. Hal ini berbeda dengan HE 1 pada penelitian ini, pipa-pipa penukar panas memanaskan air dalam tangki. Nilai HE 2 yang diperoleh dalam pengujian mendekati hasil peneltian Rachmansyah (1999) yaitu berkisar Heat exchanger yang digunakan berupa radiator dan bahan bakar yang digunakan untuk memanaskan air yaitu minyak tanah. Pemodelan Tanpa Beban Pengeringan Pemodelan simulasi dilakukan untuk mengetahui sebaran suhu pada ruang pengering, suhu absorber, suhu air yang masuk kedalam HE 2. Tujuan dan manfaat dari simulasi ini adalah untuk memperkirakan suhu ruang pengering selama proses pengeringan. Pemodelan dari simulasi ini dapat digunakan untuk mengevaluasi metode pengoperasian terbaik atau sebagai acuan untuk memperbaiki peforma pada alat pengering ini. Proses simulasi ini merupakan pengembangan dari pemodelan matematis yang telah dimodifikasi sesuai dengan keadaan dalam proses pengeringan berdasarkan keseimbangan energi pada setiap komponen penyusun pengering ERK (Kamaruddin 1994). Pendugaan sebaran suhu pada simulasi didapatkan dari persamaan keseimbangan panas yang terjadi antara suhu ruang pengering, absorber, dan air

33 dalam HE 2. Perhitungan hasil simulasi ini didapatkan dari data suhu lingkungan (T L ), iradiasi surya (I), suhu air yang keluar dari HE 2 (Ta 2 ) dan laju pemasukan biomassa (ṁbb) pada saat pengambilan data tanpa beban selama 24 jam. Simulasi ini menggunakan parameter-parameter yang ada, dapat dilihat pada Tabel 1. Berikut adalah pengembangan dari pemodelan matematis yang digunakan dalam proses simulasi pengeringan tanpa beban: Pada ruang pengering dtr m r Cp r m dt LCp L T L T r + A abs h abs T abs T r + A He2 U He2 T a1 T r + A dp U dp T L T r.... (27) m r Cp r T t r T r m LCp L T L T r + A abs h abs T abs T r + + A He2 U He2 T a1 T r + A dp U dp T L T r... (28) T r T r + [ t { m m r Cp r LCp L T L T r + A abs h abs T abs T r + A He2 U He2 T a1 T r + A dp U dp T L T r }]... (29) 17 Persamaan 29 digunakan untuk menduga suhu ruang pengering pada ruang pengering yang dipengaruhi oleh kondisi plat absorber, suhu absorber, suhu lingkungan dan suhu heat exchanger. Peningkatan suhu pada ruangan dipengaruhi oleh panas yang diberikan absorber, heat exchanger dan panas yang keluar dari ruang ke lingkungan. Pada persamaan ini menggunakan asumsi panas yang diberikan heat exchanger sebesar 0.4 dan asumsi panas dari absorber 0.6 (siang) dan 0.8 (malam). Nilai 0.4 digunakan asumsi, yang dimaksud hanya 40% panas yang diberikan heat exchanger ke ruangan, sementara panas yang diberikan absorber ke ruangan pada siang hari hanya 60% dan panas yang diterima absorber pada malam hari hanya 80%. Pada absorber dtabs m abs Cp abs A dt abs h abs T r T abs + I τ dp A abs α abs... (30) m abs Cp abs T t abs T abs + I τ dp A abs α abs A abs h abs T r T abs... (31) T ab s T abs + [ +I τ dp A abs α abs }] t m abs Cp abs { A abs h abs T r T abs... (32) Persamaan 32 digunakan untuk menduga suhu absorber pada ruang pengering yang dipengaruhi oleh iradiasi surya, luasan plat absorber, koefisien pindah panas plat absorber, suhu pada plat absorber dan suhu ruang pengering. Peningkatan suhu pada absorber dipengaruhi oleh panas yang diberikan oleh iradiasi surya dan ruang pengering. Pada persamaan ini menggunakan asumsi energi surya yang diterima oleh absorber sebesar 0.2 dan asumsi panas dari ruangan sebesar 0.6 (siang) dan 0.8 (malam).

34 18 Nilai 0.2 yang digunakan sebagai asumsi, maksudnya adalah dari energi surya keseluruhan yang diterima oleh absorber dalam ruang pengering, hanya 20%. Asumsi panas dari ruangan sama dengan persamaan 29 yaitu 60% dan 80 %. Pada sistem pemanasan air dta 1 m a1 Cp a1 ɳ m dt bb H bb m acp a T a1 T a2... (33) m a 1 Cp a 1 t T a1 T a1 ɳ m bb H bb m acp a T a1 T a2... (34) T a1 T a1 + [ t ɳ m m a Cp bb H bb m a acp a T a1 T a2 ]... (35) Persamaan 35 digunakan untuk menduga suhu air dalam tangki yang akan masuk ke HE 2 dan dipengaruhi oleh kondisi suhu air dalam tangki, kondisi tungku dan kondisi heat exchanger. Validasi Pemodelan Simulasi Validasi pemodelan simulasi ini dilakukan terhadap suhu ruang pengering, suhu absorber dan suhu air di dalam HE 2. Validasi bertujuan untuk membuktikan kebenaran model dalam menggambarkan kondisi nyata. Validasi ini didapatkan dengan membandingkan hasil simulasi dengan data pengukuran hasil percobaan. Validasi suhu dapat dilihat pada Gambar 11 (validasi suhu ruang pengering), Gambar 12 (validasi suhu absorber) dan Gambar 13 (validasi suhu air dalam heat exchanger) Suhu (ᵒC) Pukul Truang ukur Truang Simulasi Gambar 11 Validasi simulasi suhu ruang pengering

35 19 Suhu (ᵒC) Pukul Tabs ukur Tabs simulasi Gambar 12 Validasi simulasi suhu absorber Suhu (ᵒC) Pukul Tair ukur Tair simulasi Gambar 13 Validasi simulasi suhu air dalam heat exchanger Pada Gambar 11, 12, 13, pola sebaran suhu hasil simulasi telah mengikuti pola sebaran suhu hasil pengukuran. Pada Gambar 12, suhu hasil simulasi absorber ketika pukul meningkat drastis, hal ini dikarenakan nilai iradiasi pada saat pengukuran sangat tinggi. Nilai error dari validasi suhu diatas dapat dilihat pada Tabel 7. Nilai error tersebut masih dapat diterima, sehingga persamaan tersebut dapat digunakan untuk simulasi pada alat pengering ERKhybrid tipe rak berputar. Suhu hasil simulasi absorber dan ruang pengering lebih tinggi dibanding suhu hasil pengukuran. Hal ini disebabkan oleh radiasi surya yang diterima oleh plat absorber terhalang oleh susunan rak yang ada diatasnya dan panas yang diberikan HE 2 tidak maksimal dikarenakan kinerja HE 2 yang mulai menurun. Hasil validasi suhu air dalam heat exchanger cukup mendekati,

36 20 dengan efisiensi pemanasan air rata-rata yang didapatkan dari hasil perhitungan sebesar 54 persen. Tabel 7 Suhu rata-rata, nilai error hasil validasi Keterangan Suhu rata-rata (ᵒC) Error Ukur Simulasi (%) Suhu ruang pengering Suhu absorber Suhu air dalam HE Modifikasi Sistem Pemanas Tambahan Berdasarkan analisis pindah panas yang pada sistem pemanasan air dan tungku serta simulasi yang dihasilkan, maka dilakukan beberapa modifikasi untuk mencapai suhu ruang pengering antara 50-55ᵒC. Suhu yang digunakan untuk pengeringan ubi berkisar 50-55ᵒC, suhu yang tidak melewati suhu kritis antosianin, dimana pada suhu diatas 65ᵒC antosianin akan mulai terdegradasi (Karleen 2010). Dilakukan beberapa skenario untuk mencapai suhu pengeringan ubi tersebut, skenario dan hasil simulasi suhu ruang pengering dapat dilihat pada Tabel 8 dan Gambar 14. Simulasi ini menggunakan parameter-parameter pada penelitian ini, dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 8 Skenario modifikasi dan hasil simulasi ruang pengering Skenario Laju bahan bakar (kg/jam) QL sistem pemanasan air &tungku (watt) ɳ sistem pemanasan air &tungku (%) Modifikasi atau perbaikan Suhu ruang simulasi (ᵒC) Sebelum perbaikan Modifikasi tungku (bahan bakar tetap) Modifikasi tungku (laju bahan bakar 48.3 menurun) Meningkatkan daya pompa Menaikan koefisien pindah panas 53.5 menyeluruh (U HE2 25 W/m 2ᵒC) Meningkatkan laju bahan bakar Memperluas permukaan HE Meningkatkan laju bahan bakar & 50.0 modifikasi tungku Pada skenario 1, 2, dan 7 dilakukan modifikasi pada tungku yang bertujuan mengurangi kehilangan panas pada tungku. Modifikasi yang mungkin dilakukan adalah memakai penutup pada lubang pemasukan bahan bakar dengan sedikit memberi ruang udara untuk proses pembakaran. Rekomendasi perbaikan pada tungku dapat dilihat pada Lampiran 13. Dengan perbaikan pada lubang pemasukan pada bahan bakar tungku, kehilangan panas pada bagian tersebut dapat dihitung dengan persamaan 36. Bahan yang digunakan untuk penutup tungku

37 adalah plat besi. Laju aliran oksigen pada tungku setelah dimodifikasi diasumsikan sama dengan laju pembakaran yang terjadi pada tungku sebelum dimodifikasi. Q L2 h ptu A ptu T ptu T L + ςa Lu ɛ T 4 4 Tu T Lu... (36) Suhu simulasi ruang pengering (ᵒC) S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 Pukul Gambar 14 Grafik perbandingan suhu simulasi pengeringan Pada skenario 3, daya pompa yang awalnya 125 watt ditingkatkan menjadi 200 watt. Peningkatan daya pompa berhubungan dengan pressure drop dan debit pompa. Dengan meningkatnya debit pompa, laju air yang mengalir pada HE 2 pun meningkat. Hal ini bertujuan agar pindah panas air ke HE 2 semakin besar, sehingga berpengaruh pada suhu ruangan yang meningkat. Namun hasil simulasi suhu ruang pada skenario ini menurun, hal ini dikarenakan pada pemodelan simulasi menggunakan data percobaan suhu air yang keluar dari HE 2 (Ta 2 ) dan nilai koefisien pindah panas U HE2 yang masih menggunakan data percobaan awal. Oleh karena itu suhu Ta 2 dibuat pemodelan matematis. Pada skenario 4, meningkatkan suhu ruang pengering dengan meningkatkan daya kipas yang bertujuan untuk meningkatkan kecepatan angin dari HE 2 ke ruang pengering, sehingga nilai koefisien pindah panas menyeluruh pada HE 2 (U HE2 ) juga meningkat dan panas yang berpindah dari HE 2 ke ruangan lebih besar. Pada Skenario 5 dan 7, laju pemasukan bahan bakar ditingkatkan sampai suhu air mampu memindahkan panas melalui HE 2 ke ruangan, sehingga suhu ruang mencapai suhu yang diinginkan. Pada skenario 5 untuk mencapai suhu 50ᵒC pada ruangan membutuhkan bahan bakar 4.47 kg/jam. Sementara pada skenario 7 hanya membutuhkan bahan bakar 3.49 kg/jam, hal ini dikarenakan tungku yang digunakan telah dimodifikasi sehingga laju bahan bakar lebih sedikit. Pada skenario 6, memperluas permukaan HE 2 menjadi 5.99 m 2 yang bertujuan memperbesar panas yang berpindah dari HE 2 ke ruang pengering. Skenario yang rata-rata nya mencapai suhu ᵒC, yaitu skenario 4, 5, 6 dan 7.

38 22 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Berdasarkan perhitungan analisis pindah panas, didapatkan efisiensi sistem pemanasan air dan nilai efektivitas serta NTU pada kedua heat exchanger yang digunakan oleh sistem pemanas tambahan alat pengering rak berputar-hybrid ini. Efisiensi sistem pemanasan air dan tungku didapatkan dari hasil percobaan sebesar 52-56%. Pada sistem pemanasan air dan tungku terjadi kehilangan panas, kehilangan panas yang terbesar terjadi di bagian lubang pemasukkan bahan bakar sebesar Watt. Nilai rata-rata efektivitas HE 1 dan HE 2 berturut turut sebesar 0.35 dan 0.65, sedangkan nilai NTU sebesar 0.43 dan Nilai ini menjadi tolak ukur besarnya perpindahan panas pada heat exchanger. Pemodelan simulasi pendugaan suhu ruang pengering ini dapat digunakan karena nilai error yang kecil. Modifikasi sistem pemanasan tambahan diperlukan untuk meningkatkan suhu ruang pengering. Modifikasi yang dilakukan antara lain perbaikan tungku, peningkatan daya pompa dan kipas, serta membesar luasan permukaan HE 2. Saran dan Rekomendasi Saran dan rekomendasi yang bisa diberikan pada penelitian ini adalah: 1. Berdasarkan hasil analisis pindah panas pada sistem pemanas tambahan ini, terjadi kehilangan panas pada yang cukup besar pada sistem pemanasan air dan tungku, sehingga perlu modifikasi pada bagian tungku yang telah dilakukan pada penelitian ini. 2. Berdasarkan hasil simulasi dari pemodelan, diperlukan penelitian lanjutan untuk pemodelan suhu air yang keluar dari HE 2 (Ta 2 ) serta pemodelan iradiasi surya dan suhu lingkungan. Pemodelan iradiasi dan suhu lingkungan tersebut didasarkan pada data di daerah tersebut. 3. Diperlukan penelitian yang lebih detail mengenai kondisi HE 2, yaitu penentuan koefisien pindah panas menyeluruh HE 2 dengan memperhatikan laju air dan udara pada sistem tersebut. 4. Dengan pemodelan yang sudah dibangun dapat digunakan sebagai dasar optimasi penggunaan biaya. Optimasi biaya tersebut mencakup biaya investasi untuk perbaikan alat dan biaya operasional untuk pengeringan suatu bahan tertentu. DAFTAR PUSTAKA Chapman AJ Heat Transfer. Ed ke-4. New York (US): Macmillan Publishing Co. Hafsah MJ Prospek Bisnis Ubi Jalar. Jakarta (ID): Pustaka Sinar Harapan. Halli A Koefisien perpindahan panas menggunakan profil kotak pada alat penukar kalor [skripsi]. Depok (ID). Universitas Indonesia.

39 Henderson SM, Perry RL Agricultural Process Engineering. Wesport (US): The AVI Publishing Co.Inc. Holman JP Perpindahan Kalor. Jasifi E, penerjemah; Hariandja, editor. Jakarta (ID): Penerbit Erlangga. Terjemahan dari: Heat Transfer. Ed ke-6. Kamaruddin A, Thamrin FW, Wulandani D Optimasi dalam perencanaan alat pengering hasil pertanian dengan energi surya [laporan akhir penelitian hibah bersaing I]. Bogor (ID): Ditjen Dikti, Departemen Pendidikan dan Kebudayaan IPB. Karleen S Optimasi proses pembuatan tepung ubi jalar ungu (Ipomoea batatas (L.)Lam) dan aplikasinya dalam pembuatan keripik simulasi (simulated chips) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Mursalim Uji penampilan sistem pengering kombinasi energri surya dan tungku batu bara dengan bangunan tembus cahaya sebagai pembangkit panas untuk pengeringan vanili (Vanilla Planivora) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Pitts DR, Sissom LE Perpindahan Kalor. Layukallo T, penerjemah; Simarmata L, editor. Jakarta (ID): Penerbit Erlangga. Terjemahan dari: Heat Transfer. Ed ke-2. Rachmansyah A.1999.Uji unjuk kerja pemanas tambahan pada pengering efek rumah kaca (ERK) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Rukmini A Perancangan dan uji alat penukar panas (heat exchanger) tipe counter flow [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Sarwono B Ubi Jalar. Jakarta (ID): Penebar Swadaya. Syah H Kajian pengering rotari tipe Co-current untuk pengeringan sawut ubi jalar [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Utari S Uji performansi pengering efek rumah kaca (ERK)-Hybrid tipe rak berputar untuk pengeringan sawut ubi jalar (Ipomoea batatas L.) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Widowati S, Sulismono, Suarni, Sutrisno, Komalasari O Petunjuk Teknis Proses Pembuatan Aneka Tepung dari Bahan Pangan Sumber Karbohidrat Lokal. Jakarta(ID): Balai Penelitian Pascapanen Pertanian. Wulandani D, Purwanto YA, Agustina SE, Widodo P Pengembangan alat pengering efek rumah kaca (ERK) hybrid tipe rak berputar untuk penyeragaman aliran udara. Di dalam: Prastowo, Sulistiono, Suprayogi A, Saharjo BH. Editor. Prosiding Seminar Hasil-hasil Penelitian IPB; 2009 Des 22-23; Bogor, Indonesia. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Hlm

40 Lampiran 1 Data nilai-nilai hasil pengukuran pada tanpa beban (percobaan 1) Waktu T Tu T HE21 T HE22 T HE23 T a1 T dtk T a2 T HE2 T dtu T LU T L T r T abs T C T at T dp Iradiasi bb (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m 2 ) (kg)

41 25 Lampiran 1 Data nilai-nilai hasil pengukuran pada tanpa beban (Lanjutan 1) Waktu T Tu T HE21 T HE22 T HE23 T a1 T dtk T a2 T HE2 T dtu T LU T L T r T abs T C T at T dp Iradiasi bb (kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m 2 )

42 26 Lampiran 1 Data nilai-nilai hasil pengukuran pada tanpa beban (Lanjutan 2) Waktu T Tu T HE21 T HE22 T HE23 T a1 T dtk T a2 T HE2 T dtu T LU T L T r T abs T C T at T dp Iradiasi bb (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m 2 ) (kg) Keterangan : T tu : Suhu tungku T dp : Suhu dinding pengering T HE2 : Suhu HE dalam ruang pengering Bb : Jumlah bahan bakar biomassa T a1 : Suhu air dalam tangki T r : Suhu ruang pengering T dtk : Suhu dinding tangki air T abs : Suhu absorber T a2 : Suhu air keluaran HE 2 T C : Suhu udara keluaran cerobong T HE1 : Suhu HE dalam tangki T at : Suhu dinding atap T dtu : Suhu dinding tungku T LU : Suhu dari lubang masuk udara tungku : Suhu lingkungan T L

43 27 Lampiran 2 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 2) Waktu T Tu T HE21 T HE22 T HE23 T a1 T dtk T a2 T HE1 T dtu T LU T L T r T abs T C T at T dp Iradiasi bb (kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m 2 )

44 28 Lampiran 2 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 2) Waktu T Tu T HE21 T HE22 T HE23 T a1 T dtk T a2 T HE1 T dtu T LU T L T r T abs T C T at T dp Iradiasi bb (kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m 2 ) ,

45 29 Lampiran 3 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 3) Waktu T Tu T HE21 T HE22 T HE23 T a1 T dtk T a2 T HE1 T dtu T LU T L T r T abs T C T at T dp Iradiasi bb (kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m 2 )

46 30 Lampiran 3. Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 3) Waktu T Tu T HE21 T HE22 T HE23 T a1 T dtk T a2 T HE1 T dtu T LU T L T r T abs T C T at T dp Iradiasi bb (kg) (jam) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (W/m 2 )

47 31 Lampiran 4 Koreksi-koreksi untuk beberapa situasi konveksi bebas Konfigurasi Gr Pr L c m Pelat dan silinder vertikal Laminar L v ( Dimensi Vertikal) Turbulen L v ( Dimensi Vertikal) Pelat horizontal Laminar (permukaan panas di atas) x 10 7 L (L 1 + L 2 )/ Turbulen (permukaan panas di atas) 2 x x L (L 1 + L 2 )/ Laminar (permukaan panas di bawah) 3 x x L (L 1 + L 2 )/ Sumber: Pitts dan Sissom, 2008 Lampiran 5 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada ruang pengering Parameter Simbol Satuan Nilai Panjang dinding p m 2.15 Lebar dinding l m 1.75 Tinggi dinding t m 1.9 Luas permukaan dinding tegak kanan/kiri A dkk m Luas permukaan dinding tegak depan/belakang A ddb m Luas permukaan dinding horizontal atap A at m Luas permukaan dinding A dp m Suhu dinding T d K Suhu lingkungan T L K Suhu ruang pengering T r K Suhu atap T at K Panas spesifik udara lingkungan Cp L J/kgᵒC Panas spesifik udara ruang pengering Cp r J/kgᵒC Kecepatan angin lingkungan U m/detik Kecepatan angin dalam ruang pengering U m/detik 0,39 Tebal dinding ruang pengering ΔX m Konduktivitas thermal dinding K W/m 2ᵒC Koefisien Pindah panas menyeluruh dinding pengering U d W/m 2ᵒC 1.096

48 32 1. Perhitungan koefisien pindah panas keseluruhan dinding ruang pengering (U d ) Perhitungan koefisien pindah panas keseluruhan dinding ruang pengering (U dp ) - Perhitungan hi ( dinding ke ruang pengering) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / K b. Perhitungan bilangan Reynold Re ρ U L X 0.39 X μ X Dimana : ρ : kerapatan udara (kg/m 3 ), didasarkan pada T f (Holman 1986) U : Kecepatan angin (m/detik) L : Dimensi karakteristik konveksi paksa ( tinggi/panjang ) μ : Viskositas Dinamik ( kg/m detik ), didasarkan pada T f (Holman 1986) c. Perhitungan bilangan Nusselt Nu C (Pr) m (Re) n (Pr) 1/3 (Re) 1/ ( ) 1/3 ( ) 1/ Dimana : C, m, n, didasarakan bilangan Reynold (Holman 1986) Pr Bilangan Prandtl didasarkan pada T f (Holman 1986) d. Perhitungan hi h i Nu L k L X W/m 2 0 C Dimana : k Konduktifitas thermal udara (W/m 2ᵒC ), didasarkan pada T f (Holman 1986) - Perhitungan menghitung h o (lingkungan ke dinding) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / K b. Perhitungan bilangan Reynold Re ρ U L μ X X X

49 33 c. Perhitungan bilangan Nusselt Nu C (Pr) m (Re) n (Pr) 1/3 (Re) 1/ ( ) 1/3 ( ) 1/ d. Perhitungan ho h o Nu L k L X W/m 2 0 C Maka koefisien pindah panas meyeluruh dinding ruang pengering (U dp ) : 1 U dp 1 + x + 1 h i k h o W/m 2 0 C Perhitungan koefisien pindah panas keseluruhan atap ruang pengering (U at ) Perhitungan hi (atap ke ruang pengering) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / K b. Perhitungan bilangan Reynold Re ρ U L X 0.39 X μ X c. Perhitungan bilangan Nusselt Nu C (Pr) m (Re) n (Pr) 1/3 (Re) 1/ ( ) 1/3 (18697) 1/2 80,80 d. Perhitungan hi h i Nu L k L X W/m 2 0 C

50 34 Perhitungan menghitung h o (lingkungan ke atap) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / K b. Perhitungan bilangan Reynold Re ρ U L X X μ X ,50 c. Perhitungan bilangan Nusselt Nu C (Pr) m (Re) n (Pr) 1/3 (Re) 1/ (0.7067) 1/3 ( ) 1/ d. Perhitungan hi h i Nu L k L X W/m 2 0 C Maka koefisien pindah panas meyeluruh pada atap ruang pengering (U at ): 1 U at 1 + x + 1 h i k h o W/m 2 0 C Maka koefisien pindah panas menyeluruh dinding pengering (U d ): U d U dp + U at W/m 2 0 C 2. Perhitungan panas spesifik lingkungan (Cp L ) T L K Cp pada suhu 300 K J /kg 0 C (Holman 1986) Cp pada suhu 350 K 1009 J/kg 0 C Interpolasi : x

51 x x J/kg 0 C 3. Perhitungan panas spesifik ruang pengering (Cp r ) T r K Cp pada suhu 300 K J /kg 0 C (Holman 1986) Cp pada suhu 350 K 1009 J/kg 0 C Interpolasi : x ,51 x x J/kg 0 C Lampiran 6 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada absorber Parameter Simbol Satuan Nilai Panjang p m 2.15 Lebar l m 1.75 Luas permukaan absorber A abs m Suhu absorber T abs K Suhu ruang pengering T r K Koefisien pindah panas konveksi absorber h abs W/m 2ᵒC Perhitungan koefisien pindah panas konveksi absorber (h abs ) Perhitungan hi ( dinding ke ruang pengering) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / K b. Perhitungan bilangan Reynold Re ρ U L X 0.39 X μ X c. Perhitungan bilangan Nusselt Nu C (Pr) m (Re) n 0,664 (Pr) 1/3 (Re) 1/ ( ) 1/3 ( ) 1/ d. Perhitungan h abs h abs Nu L k L

52 X W/m 2 0 C Lampiran 7 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada sistem pemanasan air Parameter Simbol Satuan Nilai Diameter tabung silinder HE 1 luar d so m Diameter tabung silinder HE 1 dalam d si m Tinggi tabung silinder HE 1 t m Luas permukaan tabung silinder HE 1 A HeS m Panjang HE 1 Kotak p M 0.26 Lebar HE 1 Kotak l m 0.26 Tinggi HE 1 Kotak t m 0.05 Luas permukaan HE 1 kotak A HeP m Diameter tangki luar d dtk m Tinggi tangki t dtk m 0.55 Diameter tangki dalam d dtk m 0457 Luas permukaan tangki luar A dtk m Luas permukaan tangki dalam Suhu dinding tangki T dtk K Suhu heat exchanger dalam tangki T HE1 K Suhu air dalam tangki T a1 K Suhu air dari HE 2 T a2 K Suhu api tungku T Tu K Suhu Lingkungan T L K Koefisien pindah panas menyeluruh HE 1 U HE1 W/m 2ᵒC Koefisien pindah panas menyeluruh dinding tangki U dtk W/m 2ᵒC Konduktivitas thermal dinding tangki K W/m 2ᵒC 73 Gravitasi G m/detik Panas jenis spesifik air Cp a J/kg K Laju air ṁ a kg/detik 0.3 Kecepatan air U a m/detik Debit air Q a m 3 /detik Kecepatan angin lingkungan u L m/detik 0.195

53 1. Perhitungan koefisien pindah panas menyeluruh HE (U HE1 ) Perhitungan koefisien pindah panas menyeuruh HE tabung silinder (U HeS ) Perhitungan h HeSi ( api tungku ke dinding HE 1 ) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / b. β 1 / T f β 1 / c. Perhitungan bilangan Grashof Gr g β L3 T V 2 (9.8 x x x456.75)/ (4.67 x 10-5 ) Dimana: g : gravitasi bumi ( 9,8 m/s 2 ) L : Dimensi Karakteristik, didasarkan geometri (Pitts dan Sissom 2008 ) T: Beda suhu api tungku dengan dinding HE V : Kinematik Viskositas (m 2 /s), didasarkan pada T f (Holman 1986). d. Bilangan Rayleigh (Ra) Ra Gr x Pr x x 10 7 e. Mencari bilangan Nusselt Nu C (Ra) m Nu 0.59 (14.7 x 10 7 ) Dimana : C,m dicari berdasarkan bilangan Rayleigh dan geometri (Pitts dan Sissom 2008 ) f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h HeSi Nu L k L X W/m 2 0 C Perhitungan h HeSo ( Dinding HE tangki ke air ) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / K

54 38 b. β 1 / T f β 1 / c. Perhitungan bilangan Reynold Kondisi ini terjadi pada kumpulan tabung di dalam aliran memotong yang segaris., maka : U max U a a D X m/detik Dimana : a : Jarak dari titik tengah tabung dengan tabung lain nya D : Diameter luar tabung Re U max D X V 4.09X Pada kondisi perpindahan panas konveksi paksa ini, aliran dari luar (U ) sangat rendah, mungkin cukup terpengaruh oleh arus konveksi bebas. Maka diperlukan analisis orde besaran persamaan lapisan-batas konveksi bebas, kriteria nya sebagai berikut: Gr/ Re 2 > 10 Konveksi bebas sangat penting, hasil ini sesuai dengan Gambar 14 Gambar 15. Wilayah-wilayah di dalam tabung-tabung vertikal (Pitts dan Sissom 2008 )

55 39 d. Perhitungan bilangan Grashof Gr g β L3 T V 2 (9.8 x x x1.35)/ (4.131 x 10-7 ) x Gr/ Re x 10 8 / Sehingga Gr/ Re 2 > 10, hal ini konveksi bebas penting. e. Bilangan Rayleigh (Ra) Ra Gr x Pr 1.36 x x x f. Mencari bilangan Nusselt Nu C (Ra) m Nu 0.13 (3.50 x ) g. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h HeSo Nu L k L X W/m 2 0 C Maka nilai koefisien pindah panas menyeluruh HE silinder tabung 1 U HeS 1 + Ln( do di ) + 1 h i 2πkL h o 1 0, Ln( 0,0372 ) π 73 (0.393) ,3850 W/m 2 0 C Perhitungan koefisien pindah panas menyeuruh HE plat vertikal (U HePv ) Perhitungan h HePvi (api tungku ke plat vertikal ) - Bagian kanan, kiri, depan, belakang ( plat vertikal) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / b. β 1 / T f β 1 / c. Perhitungan bilangan Grashof Gr g β L3 T V 2

56 40 (9.8 x x x456.75)/ (4.676 x 10-5 ) d. Bilangan Rayleigh (Ra) Ra Gr x Pr x Dimana: Pr Bilangan Prandtl didasarkan pada T f (Holman 1986) e. Mencari bilangan Nusselt Nu C (Ra) m Nu 0.59 ( ) f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h HePvi Nu L k L X W/m 2 0 C Perhitungan h HePvo (plat vertikal ke air ) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ,\.38) / K b. β 1 / T f β 1 / 345,055 0, c. Perhitungan bilangan Grashof Gr g β L3 T V 2 (9,8 x 0, x 0,105 3 x1,35)/ (4,131 x 10-7 ) d. Bilangan Rayleigh (Ra) Ra Gr x Pr x 2,565 6,68 x 10 8 e. Mencari bilangan Nusselt Nu C (Ra) m Nu 0.59 (6,68 x 10 8 ) ,84 f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h HePvo Nu L k L

57 X ,26 596,744W/m 2 0 C Maka nilai koefisien pindah panas menyeluruh HE plat vertikal 1 U HePv 1 + ΔX + 1 h i K h o , , , W/m 2 0 C Perhitungan koefisien pindah panas menyeuruh HE plat atas (U HePa ) Perhitungan h HePai ( pi tungku ke plat atas ) - Bagian atas (plat horizontal panas di bawah) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / b. β 1 / T f β 1 / c. Perhitungan bilangan Grashof Gr g β L3 T V 2 (9.8 x x x456,75)/ (4,.76 x 10-5 ) ,85 d. Bilangan Rayleigh (Ra) Ra Gr x Pr x e. Mencari bilangan Nusselt Nu C (Ra) m Nu 0.27 ( ) f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h HePai Nu L k L X W/m 2 0 C - Bagian atas (plat horizontal panas di bawah) Perhitungan h HePao (plat ke air) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / K

58 42 b. β 1 / T f β 1 / c. Perhitungan bilangan Grashof Gr g β L3 T V 2 (9.8 x x x1.35)/ (4.131 x 10-7 ) 2 3,952 x 10 9 d. Bilangan Rayleigh (Ra) Ra Gr x Pr x 10 9 x ,01 x e. Mencari bilangan Nusselt Nu C (Ra) m Nu 0.27 (3.952 x 10 9 ) ,67 f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h HePao Nu L k L X , W/m 2 0 C Maka nilai koefisien pindah panas menyeluruh HE plat vertikal 1 U HePv 1 + ΔX + 1 h i K h o , , ,698 3,74 W/m 2 0 C Perhitungan koefisien pindah panas menyeuruh HE plat bawah (U HePb ) Perhitungan h HePbi ( api tungku ke plat bawah ) - Bagian bawah ( plat horizontal panas di atas ) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / b. β 1 / T f β 1 / c. Perhitungan bilangan Grashof Gr g β L3 T V 2

59 43 (9.8 x x x456.75)/ (4.131 x 10-7 ) d. Bilangan Rayleigh (Ra) Ra Gr x Pr x e. Mencari bilangan Nusselt Nu C (Ra) m Nu 0.14 ( ) f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h HePbi Nu L k L X / W/m 2 0 C g. Bagian bawah ( plat horizontal panas di atas ) Perhitungan h HePbo ( plat ke air) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / K b. β 1 / T f β 1 / c. Perhitungan bilangan Grashof Gr g β L3 T V 2 (9.8 x x x1.35)/ (4.131 x 10-7 ) x 10 9 d. Bilangan Rayleigh (Ra) Ra Gr x Pr x 10 9 x 2,.65 1,01 x e. Mencari bilangan Nusselt Nu C (Ra) m Nu 0.14 (1.01 x ) f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h HePbo Nu L k L X ,916W/m 2 0 C

60 44 Maka nilai koefisien pindah panas menyeluruh HE plat vertikal 1 U HePb 1 + ΔX + 1 h i K h o , , ,42 W/m 2 0 C Maka koefisien pindah panas menyeluruh dinding heat exchanger tangki (U HE1 ): U He1 U HeS + U HePv + U HePa + U HePb 4 7, ,24 + 3,74 + 8, W/m 2 0 C 2. Perhitungan koefisien pindah panas menyeluruh tangki (U dtk ) Perhitungan hi (air ke tangki ) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / b. β 1 / T f β 1 / c. Perhitungan bilangan Grashof Gr g β L3 T V 2 (9.8 x x x8.625)/ (4.37x 10-7 ) x d. Bilangan Rayleigh (Ra) Ra Gr x Pr x x x e. Mencari bilangan Nusselt Nu C (Ra) m Nu 0.13 (5.91x ) f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h dtki Nu L k L X W/m 2 0 C

61 45 Perhitungan ho (tangki ke lingkungan ) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / b. β 1 / T f β 1 / c. Perhitungan bilangan Grashof Gr g β L3 T V 2 (9.8 x x x34.075)/ (1.759x 10-5 ) d. Bilangan Rayleigh (Ra) Ra Gr x Pr x 0, x 10 8 e. Mencari bilangan Nusselt Nu C (Ra) m Nu 0.59 (3.97x 10 8 ) 0, f. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h dtko Nu L k L X W/m 2 0 C Maka Koefisien pindah panas meyeluruh pada tangki (U dtk ) : 1 U dtk 1 + ln ( ro ri ) + 1 h i 2πkL h o 1 0, ln ( 0,2285 ) x π x 73 x W/m 2 0 C 3. Perhitungan panas spesifik air dalam tangki (Cp a ) T a ᵒC Cp pada suhu 60 ᵒC J /kg 0 C( Pitts dan Sissom 2008 ) Cp pada suhu 80 ᵒC J/kg 0 C Interpolasi : x

62 x x J/kg 0 C 4. Perhitungan massa air dalam tangki ( m a ) m a ρ a x V a kg/m 3 x m kg 5. Perhitungan Laju air (ṁ a ) ṁ a q x ρ a m 3 /s x kg/m kg/s Lampiran 8 Perhitungan untuk koefisien pindah panas tungku Parameter Simbol Satuan Nilai Panjang dinding p m 0.57 Lebar dinding l m 0.53 Tinggi dinding t m 0,34 Luas permukaan tungku tegak kanan/kiri A dts m Luas permukaan tungku tegak belakang A dtb m Luas permukaan dinding tungku horizontal atap A dta m Luas permukaan dinding tungku A dtu m Suhu dinding tungku T dtu K Suhu lingkungan T L K Suhu api tungku T Tu K Panas spesifik udara tungku Cp tu J/kgᵒC Kecepatan angin lingkungan U m/detik Tebal dinding vertikal tungku ΔX 1 m 0.08 Tebal dinding atas tungku ΔX 2 m 0.04 Konduktivitas thermal dinding K W/m 2ᵒC 0.69 Koefisien pindah panas konveksi dinding tungku h dtu W/m 2ᵒC Perhitungan koefisien pindah panas tungku (h dtu ) Perhitungan h (dinding ke lingkungan) a. Perhitungan suhu film (T f ) T f ( ) / K b. β 1 / T f β 1 /

63 47 c. Perhitungan bilangan Reynold Re ρ U L X X μ X Pada kondisi perpindahan panas konveksi paksa ini, aliran dari luar (U ) sangat rendah, mungkin cukup terpengaruh oleh arus konveksi bebas. Maka diperlukan analisis orde besaran persamaan lapisan-batas konveksi bebas, kriteria nya sebagai berikut: Gr/ Re 2 > 10 d. Perhitungan bilangan Grashof Gr g β L3 T V 2 (9.8 x x x37.35)/ (1.78 x 10-5 ) 2 1,46 x 10 8 Gr/ Re x 10 8 / Sehingga Gr/ Re 2 > 10, hal ini konveksi bebas penting. e. Bilangan Rayleigh (Ra) Ra Gr x Pr 1.46 x 10 8 x x 10 8 f. Mencari bilangan Nusselt Nu C (Ra) m Nu 0.59 (1.03 x 10 8 ) g. Perhitungan koefisien pindah panas konveksi h dtu Nu L k L X W/m 2 0 C Lampiran 9 Perhitungan efesiensi sistem pemanasan air Contoh perhitungan pada percobaan 1: ɳ m acp a T a1 T a2 m bb H bb 0.31 kg / detik x J/kgᵒC x ( ) ᵒC kg / detik x J/kg %

64 48 Lampiran 10 Perhitungan NTU dan efektivitas penukar kalor 1. Heat exchanger dalam tangki (Percobaan I ) Tabel 9. Parameter untuk perhitungan NTU dan ϵ HE 1 Parameter Simbol Satuan Nilai Laju air ṁ a kg/detik 031 Panas spesifik air Cp a J/kgᵒC Panas spesifik udara HE Cp u J/kgᵒC Suhu air tangki ( T a1 ) T a1 ᵒC 71.4 Suhu air dari HE 1 ( T a2 ) T a2 ᵒC 67.1 Suhu api ( T Tu ) T u1 ᵒC Suhu cerobong ( T C ) T u2 ᵒC Luas permukaan HE 1 A HE1 m Koefisien menyeluruh HE U HE1 W/m 2ᵒC 7.47 a. Panas yang diterima air Qa m acp a T a1 T a2 Qa 0.31 kg / detik x J/kgᵒC x ( ) ᵒC J/detik b. Massa udara dalam heat exchanger Massa udara dalam heat exchanger dapat dihitung mengacu pada persamaan 8. m acp a T a1 T a2 m ucp u T u1 T u2 m u m acp a T a1 T a2 Cp u T u1 T u J/detik / [ J/kgᵒC x ( ) ᵒC ] kg /detik ṁ a cp a 0.31 kg/ detik x J/kgᵒC W/ᵒC ṁ u cp u kg/ detik x J/KgᵒC W/ᵒC Sehingga C min ṁ u cp u U A NTU C min 7.47 W/m 2ᵒC x m 2 / W/ᵒC Maka nilai efektifitas penukar kalor sebesar : ε 1 e NTU 1 e

65 49 2. Heat exchanger dalam ruang pengering (Percobaan I ) Tabel 10. Parameter untuk perhitungan Heat exchanger dalam pengering Parameter Simbol Satuan Nilai Suhu rata-rata ruang pengering ( T r ) T ui ᵒC Suhu rata-rata HE 2 ( T HE2 ) T uo ᵒC 61.9 Suhu rata-rata air yang masuk ke HE 2 ( T a1 ) T ai ᵒC 71.4 Suhu rata-rata air yang keluar dari HE 2 ( T a2 ) T ao ᵒC 67.1 Panas jenis air Cp a J/kgᵒC Panas jenis udara HE 2 Cp u J/kgᵒC Laju air ṁ a kg/detik 0.31 Luas permukaan HE 2 A HE2 m Massa udara dalam HE 2 dapat dihitung mengacu pada persamaan 8. m acp a T ai T ao m ucp u T uo T ui m u m acp a T ai T ao Cp u T uo T ui W/ᵒC x ( ) ᵒC J/kgᵒC x( )ᵒC kg /detik ṁ a cp a 0,31 kg/ detik x J/kgᵒC W/ᵒC ṁ u cp u 0.318kg/ detik x J/kgᵒC W/ᵒC Sehingga C min ṁ u cp u Q maks (ṁcp) min T ai T ui W/ᵒC x ( ) ᵒC W Q aktual (ṁcp) a T ai T ao W/ᵒC x ( ) ᵒC W ε

66 50 Lampiran 11 Perhitungan Kehilangan Panas pada Tungku Tabel 11. Parameter untuk menghitung kehilangan panas pada tungku Parameter Simbol Satuan Nilai Luas permukaan lubang masuk udara A LU m Luas permukaan lubang cerobong A C m Luas permukaan dinding tungku vertikal A dtu m Luas Permukaan Tangki air A dtk m Luas permukaan dinding cerobong A DC m Koefisien pindah panas konveksi dinding tungku vertikal h dtu W/m 2ᵒC 4.81 Tetapan Stefan-boltzman σ W/m 2 K E-08 Emisivitas dinding tungku ɛ dtu 0.93 Contoh perhitungan pada percobaan I 1. Kehilangan panas pada dinding tungku ( Q L1 ) Q L1 h dtu A dtu T dtu T L + ςa dtu ɛ dtu T dtu 4 T L x x ( ) E-08 x 0.93 x ( ) Watt 2. Kehilangan panas lubang masuk udara tungku ( Q L2 ) Q L2 A Lu ς ɛ u T Tu 4 T Lu 4 Emisivitas udara dicari dengan persamaan : ɛ u x 10-5 (T L + 273) 2 ɛ u x 10-5 ( ) Q L x 5.67E-08 x x ( ) Watt 3. Kehilangan panas pada cerobong ( Q L3 ) Q L3 A LC ς ɛ u T Tu 4 T C 4 + A DC ς ɛ u T C 4 T L 4 +A DC h DC T DC T L Q L x 5.67E-08 x x ( ) x 5.67E-08 x x ( ) x ( ) Watt 4. Kehilangan panas pada dinding tangki ( Q L4 ) Q L4 A dtk h dtk T dtk T L

67 51 Q L x ( ) Watt Lampiran 12 Perhitungan kehilangan panas pada lubang pemasukan bahan bakar yang telah dimodifikasi Parameter Simbol Satuan Nilai Luas permukaan lubang masuk udara A LU m Luas permukaan penutup tungku A ptu m Koefisien pindah panas konveksi penutup tangki h ptu W/m 2ᵒC 7.47 Tetapan Stefan-boltzman σ W/m 2 K E-08 Contoh perhitungan pada percobaan I dengan asumsi laju aliran oksigen pada tungku tidak berubah Q L2 h ptu A ptu T ptu T L + ςa Lu ɛ T Tu 4 T Lu 4 Q L x x ( ) x 5.67E-08 x x 0,858 x ( ) Q L Watt Lampiran 13 Rekomendasi perbaikan pada tungku Gambar 16 Desain perbaikan pada tungku (dalam mm)