OPTIMASI PENGGUNAAN ABSORBEN PADA PENGERING SISTEM INTEGRASI ENERGI SURYA DAN DESIKAN SKRIPSI

Transkripsi

1 OPTIMASI PENGGUNAAN ABSORBEN PADA PENGERING SISTEM INTEGRASI ENERGI SURYA DAN DESIKAN SKRIPSI Oleh NORA PANJAITAN DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN JULI 2016

2 OPTIMASI PENGGUNAAN ABSORBEN PADA PENGERING SISTEM INTEGRASI ENERGI SURYA DAN DESIKAN SKRIPSI Oleh NORA PANJAITAN SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA JULI 2016

3 PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul: OPTIMASI PENGGUNAAN ABSORBEN PADA PENGERING SISTEM INTEGRASI ENERGI SURYA DAN DESIKAN dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya. Demikian pernyatan ini saya buat, apabila di kemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku. Medan, Juli 2016 Nora Panjaitan NIM : i

4 PENGESAHAN Skripsi dengan judul: OPTIMASI PENGGUNAAN ABSORBEN PADA PENGERING SISTEM INTEGRASI ENERGI SURYA DAN DESIKAN dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini telah diujikan pada sidang ujian skripsi pada 22 Juli 2016 dan dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Mengetahui, Medan, Juli 2016 Koordinator Skripsi Dosen Pembimbing Ir. Renita Manurung, MT Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, MS NIP NIP Dosen Penguji I Dosen Penguji II Ir. Bambang Trisakti, MT Prof. Dr. Rosdanelli Hasibuan, MT NIP NIP ii

5 PRAKATA Puji dan syukur Penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan Skripsi dengan judul Optimasi Penggunaan Absorben pada Pengering Sistem Integrasi Energi Surya dan Desikan, Berdasarkan hasil penelitian yang Penulis lakukan di Laboratorium Energi Baru/Terbarukan Balai Riset dan Standarisasi Industri Medan. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik. Hasil penelitian ini memberikan informasi mengenai solusi yang dapat digunakan pada malam hari untuk mencegah uap air yang ada di udara masuk kembali ke dalam bahan yang sudah setengah kering pada siang harinya mengingat kakao sangat rentan terhadap tumbuhnya jamur. Selama melakukan penelitian hingga penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat pengarahan dan bimbingan dari dosen pembimbing penulis. Untuk itu secara khusus penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesarbesarnya kepada Bapak Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, MS dan Ibu Dr. Ir. Sari Farah Dina, MT. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan. Medan, Juli 2016 Penulis Nora Panjaitan iii

6 DEDIKASI Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada : 1. Kedua orang tua tercinta, Sahat M Panjaitan dan Florida Pardosi serta kakak-adik tercinta, Christy dan Maritse yang telah banyak mendukung dan mendoakan penulis sampai saat ini. 2. Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, M.S, selaku dosen pembimbing dan Sekretaris Departemen Teknik Kimia USU. 3. Dr. Ir. Sari Farah Dina, M.T, selaku dosen pembimbing lapangan yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini. 4. Ir. Bambang Trisakti, M.T dan Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hasibuan, M.T yang telah memberikan saran dan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini. 5. Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Kimia USU. 6. Ibu Ir. Renita Manurung, M.T, selaku Koordinator Skripsi Departemen Teknik Kimia USU. 7. Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, M.S sebagai Dosen Pembimbing Akademik. 8. Seluruh Dosen/Staf Pengajar dan Pegawai Administrasi Departemen Teknik Kimia USU yang telah memberikan banyak sekali ilmu yang sangat berharga kepada penulis. 9. Henni D.D.Tampubolon atas kerjasamanya yang baik hingga akhir selama melakukan penelitian dan penulisan skripsi ini. 10. Pontius Pardede atas semangat, dorongan, dan informasi yang sudah diberikan kepada penulis. 11. Sahabat-sahabat Khataiia terbaik yang selalu memberikan dukungan serta doa untuk penulis yaitu Angel, Widya, Winda, Try, Chaterine, Steffanie, Mutiara, dan Maria. 12. Sahabat-sahabat stambuk 2011 di Teknik Kimia USU khususnya Happy, Fitri, Klaudia, Henni, Fahmi, Iloan, Windi, Anita dan Edy yang telah memberikan banyak dukungan dan semangat kepada penulis. iv

7 ivi

8 ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh pertambahan massa absorben terhadap efektivitas pengeringan malam hari, menentukan nilai difusivitas pengeringan kakao, menetukan model kinetika pengeringan kakao, mengetahui nilai konsumsi energi spesifik, dan mengetahui laju pengeringannya. Bahan yang digunakan adalah biji kakao fermentasi. Variabel berubah dalam penelitian ini adalah massa absorben yaitu 1 kg, 2 kg, dan 3 kg. Pengeringan dilakukan menggunakan energi surya selama siang hari yang dilakukan mulai pukul sampai dengan pukul dengan Indirect Solar Dryer dan dilanjutkan dengan penggunaan absorben pada pakal Pengeringan dihentikan pada saat dicapai berat konstan. Hasil pengeringan terbaik diperoleh dari perbandingan massa kakao dan absorben 1:3. Pada malam hari, massa kakao berkurang 19 % 24 % dengan rentang RH 41 % 79%. Difusivitas efektif dari hasil pengeringan kakao berada pada rentang 1,16 x ,38 x (m 2 /detik). Model kinetika yang paling sesuai untuk pengeringan kakao dengan variasi massa absorben ini adalah Model Page. Konsumsi energi spesifik paling rendah yaitu 10,40 MJ/kg H2O yang diuapkan. Laju pengeringan rata-rata adalah 0,0004 kg H2O/jam/kg berat kering dengan kadar air akhir 4,63 % serta waktu pengeringan 26,8 jam. Kata Kunci : pengeringan tak langsung, pengeringan kontinu, efektifitas pengeringan, konsumsi energi spesifik, model kinetika pengeringan, difusivitas efektif vi

9 ABSTRACT This study aims to determine the effect of the absorbent mass accretion to the effectiveness of drying during off-sunshine, determining the value of effective diffusivity drying cocoa, determine the kinetics model for drying cocoa, knowing the value of specific energy consumption, and knowing the drying rate. Material used is fermented cocoa beans. Variable change in this study is the mass of the absorbent ie, 1 kg, 2 kg, and 3 kg. Drying is using solar energy during sunshine hours, start at 9 a.m to 5 p.m. and continued by absorbent during off-sunshine, start at 5 p.m to 9 a.m. Drying is done if the mass of the cocoa is constant. The best results of this study are obtained from in comparison mass of the cocoa and absorbent 1 :3. In the offsunshine mass of the cocoa reduce 19 % - 24 % with a range of RH 41 % - 79 %. Effective diffusivity cocoa is in the range 1,16 x ,38 x (m 2 /sec). The most suitable kinetics model for drying cocoa is a Page model. The lowest of specific energy consumption is 10,40 MJ/kg moist. The average of drying rate is 0,0004 kg H2O/hour/kg dry mass with a moisture content 4,63 % and the drying time 26,8 hours. Key words: indirect solar drying, continuous drying, effectiveness of drying, specific energy consumption, effective diffusivity, and kinetics model of drying cocoa vii

10 DAFTAR ISI Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i PENGESAHAN ii PRAKATA iii DEDIKASI iv RIWAYAT HIDUP v ABSTRAK vi ABSTRACT vii DAFTAR ISI viii DAFTAR GAMBAR iv DAFTAR TABEL DAFTAR LAMPIRAN vi viii BAB I PENDAHULUAN LATAR BELAKANG PERUMUSAN MASALAH TUJUAN PENELITIAN MANFAAT PENELITIAN RUANG LINGKUP PENELITIAN 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA BIJI KAKAO PENGERING SURYA Pengeringan Open Sun Pengeringan Tak Langsung (Indirect Dryer) Pengeringan Langsung (Direct Solar) ENERGI SURYA DESIKAN KINETIKA PENGERINGAN KONSUMSI ENERGI SPESIFIK PSIKOMETRIK DI DALAM PENGERINGAN FAKTOR FAKTOR YANG MEMPENGARUHI LAJU viii

11 PENGERINGAN 15 BAB III METODOLOGI PENELITIAN TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN BAHAN DAN PERALATAN YANG DIGUNAKAN Bahan yang Digunakan Peralatan yang Digunakan Peralatan Pengujian DIAGRAM KERJA PROSEDUR KERJA Efektifitas Pengeringan Siang Hari Efektivitas Pengeringan Malam Hari Difusivitas Efektif Model Kinetika Pengeringan yang Sesuai Konsumsi Energi Spesifik Hubungan Laju Pengeringan dengan Waktu dan 22 Kadar Air BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN EFEKTIVITAS PENGERINGAN PADA SIANG HARI PERTAMA UNTUK KETIGA SAMPEL 4.2 EFEKTIVITAS PENGERINGAN PADA SIANG HARI KEDUA UNTUK KETIGA SAMPEL EFEKTIVITAS DESIKAN PADA PROSES DEHIDRASI BIJI KAKAO PADA MALAM HARI NILAI DIFFUSIVITAS EFEKTIF (DEFF) UNTUK KETIGA SAMPEL MODEL PENGERINGAN Moisture Ratio (Rasio Kelembaban) Analisa Model Pengeringan HUBUNGAN LAJU PENGERINGAN DENGAN WAKTU DAN KADAR AIR UNTUK KETIGA 41 SAMPEL 4.7 KONSUMSI ENERGI SPESIFIK (KES) 43 ix

12 x BAB V KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN SARAN DAFTAR PUSTAKA 48

13 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Prinsip Kerja dari Pengering Open Sun 7 Gambar 2.2 Prinsip Pengering Tak Langsung 8 Gambar 2.3 Prinsip Pengering Tak Langsung 8 Gambar 2.4 (a) Rancangan Isolator (b) Gradien Perpindahan Panas 12 Kolektor Surya Gambar 2.5 Grafik Psikometrik : Sifat Campuran Udara dan Air-Uap 14 Gambar 3.1 Laptop 17 Gambar 3.2 RH dan T Data Logger 17 Gambar 3.3 Hobo Microstation Data Logger 18 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Load Cell Thermolaser Gambar 3.6 Diagram Kerja Pengeringan Kakao Energi Surya Menggunakan Absorben LiCl 19 Gambar 3.6 Prosedur Pengukuran 24 Gambar 3.7 Flowchart Penelitian Optimasi Penggunaan Absorben Pada Pengering Sistem Integrasi Energi Surya dan Desikan 27 Gambar 4.1 (a) Kondisi Cuaca Pada Tanggal 25 November 2015, (b) Kondisi Cuaca Pada Tanggal 27 November 2015, (c) Kondisi Cuaca Pada Tanggal 17 Desember Gambar 4.2 (a) Temperatur dan RH didalam Box Pengering pada Tanggal November 2015 (b) Temperatur dan RH didalam Box Pengering pada Tanggal November 2015 (c) Temperatur dan RH didalam Box Pengering pada Tanggal Desember Gambar 4.3 (a) Kondisi Cuaca pada Tanggal 26 November 2015, (b) Kondisi Cuaca pada Tanggal 28 November 2015, (c) Kondisi Cuaca pada Tanggal 18 Desember xi

14 xii Gambar 4.4 Pengaruh Massa Absorben LiCl terhadap Ratio Humidity (RH) dan Temperatur Minimum yang Dicapai 34 Gambar 4.5 Pengurangan Massa Kakao pada Malam Hari 35 Gambar 4.6 Perbandingan Nilai Difusivitas Efektif dengan Waktu 36 Gambar 4.7 Hubungan MR (Moisture Ratio) dengan Waktu Pengeringan Kakao Selama Proses Pengeringan 37 Gambar 4.8 Hasil Pencocokan Kurva Untuk Menggambarkan Model Pengeringan Biji Kakao (a) Surya + Absorben (1:1) (b) Surya + Absorben (1:2) (c) Surya + Absorben (1:3) Hubungan Laju Pengeringan Terhadap Waktu Untuk Ketiga Sampel 40 Gambar 4.9 Hubungan Laju Pengeringan Terhadap Kadar Air Untuk Ketiga Sampel 41 Gambar 4.10 Hubungan Laju Pengeringan Terhadap Kadar Air Untuk Ketiga Sampel 42 Gambar 4.11 Energi yang Diserap/Diterima Box Pengering 44 Gambar 4.12 Konsumsi Energi Spesifik Proses Pengeringan Biji Kakao 44 Gambar L2.1 Hubungan Ln MR vs t untuk Variasi Sampel Massa Absorben : Kakao = 1 : 1 98 Gambar L2.2 Hubungan Ln (-Ln MR) vs Ln t untuk Variasi Sampel Massa Absorben : Kakao = 1 : Gambar L2.3 Hubungan MR vs t untuk Variasi Sampel Massa Absorben : Kakao = 1 : Gambar L2.4 Hubungan MR vs t untuk Variasi Sampel Massa Absorben : Kakao = 1 : Gambar L2.5 Hubungan MR vs t untuk Variasi Sampel Massa Absorben : Kakao = 1 : Gambar L3.1 Foto Alat Indirect Solar Dryer 117 Gambar L3.2 Foto Sampel Kakao Sebelum Pengeringan 117 Gambar L3.3 Foto Sampel Kakao pada Pengeringan Malam Hari 118 Gambar L3.4 Foto Sampel Kakao Sesudah Pengeringan 118

15 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1.1 Penelitian Sebelumnya Tentang Alat Pengering Kakao 3 Tabel 1.2 Variabel Tetap Yang Dilakukan Dalam Penelitian 5 Tabel 2.1 Model Kinetika Pengeringan yang Digunakan 11 Tabel 3.1 Spesifikasi Pyranometer 20 Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor 21 Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus 21 Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor 22 Tabel 3.5 Tabel Pengukuran yang Dilakukan dalam Penelitian 25 Tabel 4.1 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao 33 Tabel 4.2 Bentuk Linier Model Pengeringan Biji Kakao 38 Tabel 4.3 Nilai Konstanta dan R 2 Masing-Masing Model Pengeringan 38 Tabel 4.4 Nilai R 2, χ 2 dan RMSE 39 Tabel L1.1 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao dengan Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 1 53 Tabel L1.2 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao dengan Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 2 58 Tabel L1.3 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao dengan Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 3 62 Tabel L1.4 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao dengan Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 1 67 Tabel L1.5 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao dengan Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 2 71 Tabel L1.6 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao dengan Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 3 76 Tabel L1.7 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 1 dengan 80 Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 1 xiii

16 xiv Tabel L1.8 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 1 dengan 82 Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 2 Tabel L1.9 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 1 dengan 85 Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 3 Tabel L1.10 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 2 dengan 87 Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 1 Tabel L1.11 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 2 dengan 90 Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 2 Tabel L1.12 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 2 dengan 93 Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 3 Tabel L2.13 Sifat Fisik Udara pada Temperatur Film 314,14 K 104 Tabel L2.14 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 310,35 K 107 Tabel L2.15 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 330,42 K 109

17 DAFTAR LAMPIRAN Halaman LAMPIRAN 1 DATA PENELITIAN 53 L1.1 DATA HASIL PENGERINGAN PERCOBAAN 1 53 L1.2 DATA HASIL PENGERINGAN PERCOBAAN 2 67 L1.3 DATA RELATIVE HUMIDITY (RH),SUHU LINGKUNGAN, DAN INTENSITAS RADIASI MATAHARI PERCOBAAN 1 80 L1.4 DATA RELATIVE HUMIDITY (RH), SUHU LINGKUNGAN, DAN INTENSITAS RADIASI MATAHARI PERCOBAAN 2 87 LAMPIRAN 2 CONTOH PERHITUNGAN 96 L2.1 PERHITUNGAN BERAT KERING 96 L2.1.1 Perhitungan Berat Kering Untuk Sampel Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 96 L2.2 PERHITUNGAN KADAR AIR 96 L2.2.1 Perhitungan Kadar Air Untuk Untuk Sampel Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 96 L2.3 PERHITUNGAN LAJU PENGERINGAN 96 L2.3.1 Perhitungan Laju Pengeringan Untuk Sampel Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 97 L2.4 PERHITUNGAN MOISTURE RATIO 97 L2.4.1 Perhitungan Moisture Ratio Untuk Sampel Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 97 L2.5 PERHITUNGAN DIFFUSIVITAS EFEKTIF 98 L2.5.1 Perhitungan Diffusivitas Efektif Untuk Sampel Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 98 L2.6 MODEL MATEMATIKA PENGERINGAN 99 L2.6.1 Perhitungan MRpred 99 L2.6.2 Perhitungan RSME (Root Mean Square Error) 103 L2.6.3 Perhitungan χ 2 (Chi Square) 104 xv

18 xvi L2.7 MENGHITUNG KECEPATAN PROFIL KOLEKTOR 104 L2.8 MENGHITUNG TEMPERATUR MASUK RUANG PENGERING 106 L2.9 MENGHITUNG KOEFISIEN KONVEKSI 107 L2.10 MENGHITUNG KEHILANGAN PANAS 111 L2.11 MENGHITUNG PANAS MASUK (QIN) PADA KOLEKTOR 115 L2.12 MENGHITUNG PANAS YANG DIGUNAKAN (QU) PADA KOLEKTOR 115 L2.13 MENGHITUNG PANAS REAKSI ABSORBEN 115 L2.14 MENGHITUNG KONSUMSI ENERGI SPESIFIK 116 LAMPIRAN 3 DOKUMENTASI PENELITIAN 117 L3.1 FOTO ALAT INDIRECT SOLAR DRYER 117 L3.2 FOTO SAMPEL KAKAO SEBELUM PENGERINGAN 117 L3.3 FOTO SAMPEL KAKAO PADA PENGERINGAN MALAM HARI 118 L3.4 FOTO SAMPEL KAKAO SESUDAH PENGERINGAN 118

19 DAFTAR SINGKATAN DR RH ISD MR RSME PCM Drying Rate Relatif Humudity Indirect Solar Drying Moisture Ratio Root Mean Square Error Phase Change Material xvii

20 xviii DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan A Luas Bahan m dm Perubahan massa sampel gram dt Perubahan waktu m Massa sampel gram W Berat sampel gram t waktu Jam atau menit Mo Berat awal bahan gram Mt Berat saat t gram Mc Berat bahan saat setimbang gram T Suhu o C L Setengah tebal bahan cm Deff Difusivitas Efektif m 2 /detik R 2 Koefisien determinan - a Konstanta model pengeringan - k Konsanta model pengeringan - n Konstanta model pengeringan - χ 2 Chi square - N Jumlah data - Z Jumlah data konstan - MRexp MR percobaan - MRpred MR prediksi - b Bawah - dd Dinding - d Permukaan dalam - l Permukaan luar - k Kering sampel - kc Kaca - ky Kayu -

21 o Kondisi awal - p Plat absorber - r Reaksi - rw Rockwool - st Styrofoam - t Kondisi pada t detik - ud Udara - loss Hilang - rad Radiasi - F Faktor efisiensi kolektor (90%) % h Koefisien konveksi W/m 2.K I Intensitas radiasi matahari W/m 2 k Konduktivitas termal W/m.K Q Jumlah panas J r Jari-jari ekivalen bola m T Temperatur K, o C t Waktu detik v Kecepatan rata-rata m/s H entalpi kj xix