LAPORAN PENELITIAN. Oleh :

Transkripsi

1 LAPORAN PENELITIAN KAJI EKPERIMENTAL PERANGKAT PENGERING SURYA (SOLAR DRYER) JENIS PEMANASAN TIDAK LANGSUNG DENGAN PENYIMPAN PANAS BERUBAH FASA MENGGUNAKAN RAK BERTINGKAT Oleh : Efi Afrizal, ST. MT. NIP Ir. Herisiswanto, MT. NIP Azridjal Aziz, ST. MT. NIP Dibiayai oleh : Dana DIPA Universitas Riau Tahun Anggaran 2009 No / /IV/2009 Tanggal 31 Desember 2008 dengan kode kegiatan Kontrak Nomor : 165/H19.2/PL/2009 tanggal 2 Maret 2009 LEMBAGA PENELITIAN UNIVERSITAS RIAU PEKANBARU Tahun 2009

2

3 ABSTRAK Agar waktu pengeringan relatif lebih pendek dan kualitas hasil pengeringan lebih baik, proses pengeringan dilakukan menggunakan teknologi rekayasa surya sebagai hasil perbaikan dari cara pengeringan alami dan tradisional. Pengering Surya (Solar Dryer) merupakan cara pengeringan menggunakan kolektor yang memanfaatkan radiasi energi matahari dengan lebih maksimal (Azridjal, 2004). Pemanfaatan energi surya (solar energy) untuk tujuan pengeringan telah dikenal sejak dahulu sekali, yaitu pengeringan secara langsung (pasif) dengan melakukan penjemuran. Penjemuran langsung merupakan cara yang paling mudah dan murah untuk proses pengeringan, namun jika diteliti lebih seksama penjemuran langsung membutuhkan waktu yang lebih lama dan kualitas hasil pengeringannya tidak terlalu bagus. Penggunaan rak bertingkat pada pengering surya jenis pemanasan tidak langsung bertujuan memaksimalkan pemanfaatan udara panas dan memaksimalkan pemakaian ruang pengering, sehingga alat pengering menjadi lebih kompak dan efisien dalam penerimaan udara panas. Pemanfaatan penyimpan panas berubah fasa pada kolektor menghasilkan panas yang lebih lama dan merata walaupun intensitas cahaya matahari mulai berkurang. Pada penelitian ini direalisasikan sebuah perangkat pengering surya (solar dryer) menggunakan rak bertingkat. Perancangan yang dibahas disini adalah untuk kolektor surya jenis plat datar dengan fluida kerja udara. Perancangan meliputi perencanaan dan perhitungan desain termal serta desain konstruksi dari bagian-bagian utama kolektor. Kolektor dirancang dengan luas 1,6 m 2 untuk kenaikan temperatur udara 30 0 C, laju aliran massa 1, x 10-2 kg/s dan efisiensi diharapkan sebesar 35%. Besar kenaikan temperatur udara serta efisiensi kolektor dipengaruhi oleh sifat-sifat radiasi kaca penutup dan pelat absorber besar intensitas energi surya yang diterima dan laju massa udara yang mengalir dalam kolektor. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pengeringan yang dilakukan menggunakan kolektor memberikan kualitas hasil pengeringan yang lebih baik, waktu pengeringan lebih cepat ± ½ - 1 hari (tergantung produk yang dikeringkan) dibanding pengeringan dengan dijemur langsung. Pengeringan menggunakan penyimpan panas berubah fasa sedikit lebih cepat dan merata pengeringannya dibanding tanpa penyimpan panas berubah fasa. iii

4 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, sebagai rasa terima kasih penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas kekuatan dan rahmat-nya lah maka penulis akhirnya dapat menyelesaikan laporan penelitian ini. Penulis mengucapkan terima kasih yang terhingga banyaknya kepada : 1. Lembaga Penelitian Universitas Riau yang telah mendanai penelitian ini melalui Dana DIPA UNRI Tahun Anggaran Bapak Dr. Syaiful Bahri, M.Si., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Riau dan Bapak M. Dalil, ST. MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Riau, Bapak Ir. Herisiswanto, MT. Dan Bapak Azridjal Aziz, ST. MT. yang telah membantu mewujudkan penelitian ini dan memberikan ide dan saran untuk kesempurnaan penelitian ini. Rekan-rekan dosen Jurusan Teknik Mesin, saudara Arief Fiandi, Juni Purba dan mahasiswa lainnya selaku mahasiswa bimbingan tugas akhir yang telah membantu terwujudnya penelitian ini serta semua pihak yang telah memberikan saran dan masukan dalam pembuatan penelitian ini. Penulis yakin sepenuhnya bahwa penelitian ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu penulis akan berbesar hati atas saran dan kritik yang membangun agar penelitian selanjutnya dapat lebih baik lagi. Pekanbaru, Septembe 2009 Penulis iv

5 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL HALAMAN PENGESAHAN RINGKASAN KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR i ii iii iv v vii viii BAB I. PENDAHULUAN Latar Belakang Penelitian Identifikasi dan Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Kegunaan Penelitian 4 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA Pemanas Udara Surya Keseimbangan Energi Pada Kolektor Energi Yang Dibutuhkan Dalam Proses Pengeringan Penyimpan Panas 9 BAB III. METODE PENELITIAN (BAHAN DAN METODE) Lokasi dan Waktu Penelitian Metode Dasar Idealisasi Dan Data Perencanaan Pembuatan Solar Dryer 15 v

6 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Deskripsi Alat Pengering yang Digunakan Prosedur Pengujian Pengambilan Data Pengujian Analisis Data 22 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Saran-saran 26 DAFTAR PUSTAKA 27 LAMPIRAN 28 vi

7 DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Hasil Pengujian Massa Bahan (Pisang) 23 Tabel 4.2. Persentase Massa Bahan Yang Menguap 24 Tabel 4.3. Hasil Pengujian Temperatur 25 vii

8 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Pengering Surya Langsung 6 Gambar 2.2. Pengering Surya Tidak Langsung 6 Gambar 2.3. Keseimbangan Energi pada Kolektor 7 Gambar 2.4. Keseimbangan Massa dan Energi Proses Pengeringan 9 Gambar 3.1. Gambar 4.1 Refleksi Radiasi Matahari pada Permukaan Absorber Dengan Sudut Kemiringan 45 0 Pengurangan Massa Bahan yang dikeringkan terhadap waktu pengeringan Gambar 4.2 Variasi temperatur kolektor terhadap waktu pengeringan 25 viii

9 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penelitian Radiasi surya merupakan radiasi termal dalam bentuk gelombang elektromagnetik yang mempunyai panjang gelombang dari 0,26 μm sampai 2,6 μm (Dahnil, 1990), Intensitas radiasi surya yang mencapai permukaan bumi besarnya bervariasi sampai 1000 W/m 2, tergantung waktu, letak geografis dan kondisi cuaca lokal. Pada siang hari untuk Indonesia, harga intensitas radiasi matahari rata-rata adalah sebesar 600 W/m 2 (Suwono, 1980). Ini berarti untuk rumah berukuran sedang dengan luas 50 m 2, setiap harinya akan menerima energi radiasi surya sebesar 30 kw atau sekitar 3 kw jika dikonversi dalam bentuk energi listrik dengan efisiensi 10 % dan efisiensi yang lebih besar diperoleh jika dikonversi sebagai energi termal (sekitar 40% - 80%) (Zainuddin,1995). Sampai saat ini telah dikenal banyak cara untuk memanfaatkan energi surya yang telah dibuktikan memenuhi kelayakan teknologi, namun atas dasar ini saja belum dapat ditarik kesimpulan bahwa pemanfaatan energi surya dapat menggantikan energi konvesional. Penerimaan masyarakat terhadap teknologi ini dari aspek ekonomi dan sosial perlu menjadi perhatian agar pemanfaatan teknologi ini dapat diintegrasikan secara berhasil kepada masyarakat tradisional kita (Harahap, 1980). Pemanfaatan energi surya (solar energy) untuk tujuan pengeringan telah dikenal sejak dahulu sekali, yaitu pengeringan secara langsung (pasif) dengan melakukan penjemuran. Penjemuran langsung merupakan cara yang paling mudah dan murah untuk proses pengeringan, namun jika diteliti lebih seksama penjemuran langsung 1

10 membutuhkan waktu yang lama dan kualitas hasil pengeringannya kurang bagus. Agar waktu pengeringan relatif lebih pendek dan kualitas hasil pengeringan lebih baik, proses pengeringan dilakukan menggunakan teknologi rekayasa surya sebagai hasil perbaikan dari cara pengeringan alami dan tradisional. Pengering Surya (Solar Dryer) merupakan cara pengeringan menggunakan kolektor yang memanfaatkan radiasi energi matahari dengan lebih maksimal (Aziz,, 2004). Pengering energi surya (solar dryer) digunakan untuk mengoptimalkan penggunaan sinar matahari dalam proses pengeringan, dengan mengkonversi sinar matahari menjadi energi panas yang dilakukan menggunakan suatu alat pengumpul/kolektor panas. Pengering energi surya ini sangat bermanfaat dalam proses pengeringan hasil-hasil pertanian, tangkapan laut, pengeringan kayu dan untuk berbagai pengeringan lainnya yang dapat menghemat penggunaan energi tak terbaharukan. Pemenuhan standar hasil pengeringan untuk kondisi kering yang dibutuhkan juga merupakan bagian yang dapat dicapai dengan alat pengering surya. Penggunaan rak bertingkat pada pengering surya jenis pemanasan langsung bertujuan memaksimalkan pemanfaatan udara panas dan memaksimalkan pemakaian ruang pengering, sehingga alat pengering menjadi lebih kompak dan efisien dalam penerimaan udara panas. Pemanfaatan penyimpan panas pengering surya ini akan menjaga panas lebih merata dan menyentuh keseluruhan bahan dan penurunan temperatur tidak terjadi secara drastis akibat intensitas cahaya matahari yang berkurang. 1.2 Identifikasi dan Perumusan Masalah Pemanfaatan energi surya (solar energy) untuk tujuan pengeringan telah dikenal 2

11 sejak dahulu sekali, yaitu pengeringan secara langsung (pasif) dengan melakukan penjemuran. Cara tradisional ini merupakan cara yang paling mudah dan murah untuk proses pengeringan karena hanya memerlukan biaya investasi dan ongkos buruh yang relatif kecil, namun jika diteliti lebih seksama penjemuran langsung membutuhkan waktu yang lebih lama, area penjemuran yang lebih luas dan kualitas hasil pengeringannya tidak terlalu bagus. Sebagai contoh, dalam proses pengeringan berbagai hasil pertanian, perikanan atau peternakan secara tradisional kerugiankerugian yang disebabkan oleh penyusutan karena hilang, degradasi produk, kontaminasi oleh debu, serangga, dan binatang lainnya, serta pembusukan karena proses pengeringan yang terlalu lama, apabila diperhitungkan akan memberikan angka yang cukup mengejutkan. Penggunaan teknologi pengering surya (solar dryer) dapat menekan berbagai kerugian tersebut sehingga cara ini dapat diterima masyarakat dan mulai menggantikan cara tradisional. Penyempurnaan cara pengeringan tradisional merupakan pemecahan yang lebih tepat terutama karena letak geografik Indonesia yang sangat menguntungkan bagi pemanfaatan energi radiasi surya. Penyempurnaan untuk memperbaiki cara pengeringan tradisional dapat dilaksanakan dengan melakukan penelitian menggunakan sebuah kolektor dengan penyimpan panas berubah fasa dan sebuah ruang pengering dengan rak bertingkat untuk mengoptimalkan pemakaian ruang pengering. 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah : - merencanakan dan membuat perangkat pengering surya jenis pemanasan tidak langsung dengan penyimpan panas berubah menggunakan rak bertingkat. 3

12 - mempelajari unjuk kerja perangkat pengering ini yaitu : lama pengeringan, distribusi temperatur ruang pengering, beban pengeringan, kadar air bahan setelah dikeringkan. - mempelajari proses pengeringan perangkat pengering surya dengan penyimpan panas berubah fasa. 1.4 Kegunaan Penelitian Pada penelitian ini direalisasikan sebuah prototipe alat pengering surya jenis pemanasan tidak langsung dimana ruang pengering dengan rak bertingkat dihubungkan dengan sebuah kolektor dengan penyimpan panas sehingga dapat memaksimalkan pemakaian ruang pengering. Alat ini dapat dimanfaatkan untuk mengeringkan produk pertanian, perikanan dan peternakan dengan memaksimalkan pemanfaatan panas matahari. Kualitas hasil pengeringan dan waktu pengeringan menjadi lebih baik dengan waktu pengeringan yang lebih cepat. Diharapkan alat ini nantinya dapat dimanfaatkan untuk usaha kecil yang dalam produksinya membutuhkan energi untuk pengeringan produk. Alat ini dapat membantu mempercepat waktu pengeringan. Untuk sampel pengeringan pisang sale, waktu pengeringan untuk produk pisang sale lebih cepat ½ sampai 1 hari dengan kualitas pisang sale yang baik dan bersih, sehingga dapat dijual dengan harga yang lebih tinggi. Penggunaan penyimpan panas berubah fasa membantu menjaga agar panas ruang pengering tidak berubah drastis saat cahaya matahari mulai berkurang atau saat cuaca berawan. 4

13 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Energi matahari sebagai sumber energi pengganti tidak bersifat polutif, tak dapat habis, serta gratis dan mempunyai prospek yang cukup baik untuk dikembangkan. Apalagi letak geografis Indonesia didaerah khatulistiwa memiliki curah radiasi matahari yang hampir konstan sepanjang tahun. yang Agar pemanfaatan energi surya ini lebih baik maka digunakan alat pengumpul energi matahari. Alat ini dapat berupa pengumpul pelat datar dan konsentrator. (Azridjal, 2003). 2.1 Pemanas Udara Surya Pemanas udara surya adalah alat yang dapat mengkonversikan energi radiasi radiasi matahari ke dalam energi kalor sehingga akan meningkatkan entalpi udara. Alat ini pada umumnya sangat sederhana. Alat ini biasanya disebut kolektor/pengumpul, umumnya terdiri dari sebuah pelat penyerap/ absorber yang berfungsi untuk mengkonversi energi, sebuah suatu saluran udara dan sebuah penutup bagian atas dapat ditambahkan jika diperlukan. Saat udara mengalir masuk ke dalam saluran udara, panas dipindahkan dari udara ke absorber, sehingga temperatur udara bertambah atau dengan kata lain diperoleh udara panas.(azridjal, 2004) Pemanas udara surya dapat dikelompokkan atas : pemanas surya langsung/direct solar drier (pasif), dan pemanas surya tidak langsung/ indirect solar drier (aktif) atau kombinasi keduanya (Dahnil, 1990). 5

14 Pemanas surya langsung (pasif), di mana radiasi yang matahari diserap secara langsung oleh produk dan lingkungan sekitar. Bentuk sederhana dari pengering ini terdiri dari sebuah kotak berisi produk dengan suatu tutup transparan pada kemiringan tertentu, dan lubang ventilasi untuk tempat masuknya udara segar dan keluarnya udara yang lembab. Radiasi surya yang menimpa kotak dengan tutup transparan akan memanaskan produk, atau permukaan gelap didalam lemari pengering, dan menyebabkan uap air keluar dari bahan yang sedang digeringkan. Sistem seperti ini mirip dengan suatu rumah kaca dimana plastik atau kaca transparan menutup rangka rumah kaca. (gambar 2.1). Gambar 2.1 Pengering surya Langsung Pemanas tidak langsung di mana radiasi matahari digunakan untuk memanaskan udara yang kemudian dialirkan ke ruang pengering /aktif. Pengering surya ini menggunakan suatu kolektor udara surya terpisah, terdiri dari suatu plat logam yang berwarna gelap di (dalam) suatu kotak dengan tutup kaca transparan (gambar 2.2). Gambar 2.2 Pengering surya tidak langsung 6

15 2.2 Keseimbangan Energi Pada Kolektor Energi yang diserap oleh kolektor (Q A ) adalah : Q = GA( τ + α) (2.1) A dimana Q A adalah besar energi yang diserap (kw), G adalah radiasi surya total (kw/m 2 ), A adalah luas kolektor surya (m 2 ), τ adalah faktor transmission dari penutup, α adalah faktor absorptance dari pelat penyerap kolektor. Energi yang hilang/kerugian energi dari kolektor (Q L ) adalah ( ) Q = UA T T (2.2) L p a dimana Q L adalah kerugian energi dari kolektor (kw), U adalah nilai koefisien perpindahan kalor keseluruhan dari kolektor (kw/m 2 K), A adalah luas kolektor surya (m 2 ), T p adalah temperatur pelat penyerap kolektor (K), dan T a adalah temperatur udara sekitar (K). Keseimbangan energi pada kolektor, seperti tampak pada gambar 2.3. Energi surya yang diserap kolektor Energi bermanfaat dari kolektor Kerugian energi dari kolektor Gambar 2.3. Keseimbangan energi pada kolektor Energi berguna yang diperoleh dari kolektor (Q s ) adalah sebesar : ( τ β ) ( ) Q = GA + UA T T (2.3) s p a Energi yang diterima oleh kolektor dengan intensitas radiasi (E glob ) dan luas kolektor (Ak) ialah : Qin = E glob. Ak (2.4) 7

16 Efisiensi kolektor ditentukan dari besarnya energi yang diserap oleh kolektor (Q in ) terhadap, besarnya energi yang dapat dimanfaatkan (Q s ). Q s η a = (2.5) Qin Proses pengeringan merupakan cara untuk mengeluarkan kandungan air dalam bahan sampai pada harga tertentu dengan menggunakan kalor. Pada proses pengeringan terjadi dua proses secara bersamaan yaitu proses perpindahan energi dalam kalor/panas dari lingkungan untuk menguapkan kandungan air dari bahan dan perpindahan massa air di dalam bahan ke permukaan sebagai akibat proses penguapan dari kalor/panas yang dipindahkan. dan perpindahan massa secara bersamaan. Pada proses pengeringan terjadi perpindahan massa air secara termal untuk memperoleh produk yang kering (kandungan air rendah). 2.3 Energi yang Dibutuhkan dalam Proses Pengeringan Besarnya energi yang dibutuhkan dalam proses pengeringan sangat dipengaruhi oleh kadar air awal bahan yang akan dikeringkan, kadar air akhir yang diinginkan, dan jumlah massa bahan yang akan dikeringkan. Rumusan energi pengeringan yang dibutuhkan secara umum ditentukan dari analisa termodinamika proses pengeringan tersebut, penentuan kebutuhan energi pengeringan dalam uraian berikut dapat digunakan (Fachrizal, et al, 1994). Keseimbangan energi pada proses pengeringan digambarkan pada gambar 2.4. Dari gambar 2.4 dapat dihitung keseimbangan energi dan massa proses pengeringan yaitu : m h + m h = m h + Q (2.6) 1 1 w w 2 2 dimana : 8

17 1 = kondisi masuk sistem 2 = kondisi keluar sistem m = massa udara (kg udara kering/jam) W = kelembaban mutlak (kg/kg udara kering) h = entalpi udara (kj/kg) m w = massa air yang dikeluarkan dari bahan yang dikeringkan(kg/jam) h w = entalpi penguapan air (kj/kg) Q = kalor untuk pengeringan (kj/jam) m 1 W 1 h 1 t 1 Udara Ruang Pengering m 2 W 2 h 2 t 2 Q M w h w Gambar 2.4 Keseimbangan Massa dan Energi Proses Pengeringan mw + m = m W ; m = m = m (2.7) 1 1 w w ( ) m = m W W (2.8) 2 1 Besarnya energi total ( Q ) pada proses pengeringan sangat tergantung pada kadar T air bahan, kadar air akhir yang diinginkan, massa bahan yang akan dikering dan energi yang digunakan menaikkan temperatur bahan ( Q ), energi untuk menaikkan temperatur air di dalam bahan ( Q ), energi untuk menguapkan kandungan air dalam bahan ( Q ), dan energi untuk menaikkan temperatur uap air ( Q ). e m QT = Qk + Qm + Qe + Qv (2.9) k v 2.4 Penyimpan Panas Penyimpan panas berfungsi untuk memberikan panas tambahan jika energi yang dibutuhkan dalam ruang pengering berkurang. Beberapa hal yang harus dipertimbangkan pada waktu memilih, merencanakan dan mengoperasikan sistem 9

18 penyimpan energi adalah kapasitas panas yang besar, kerapatan penyimpan energi (kj/m 3 ), ekonomis dan murah serta memperhitungkan efisiensi termal. Persamaan umum penyimpan energi sesuai dengan jumlah panas yang diserap adalah : ms. i = 4400 sampai 6600kJ A m c i = C pl ( T T ) + i = C ( T T ) o m sl pl 2 m min (2.10) Batu adalah penyimpan panas sensibel yang hanya mengalami kenaikan temperatur seiring bertambahnya jumlah panas yang disimpan. Penggunaan batu sebagai penyimpan panas sensibel lebih praktis dan murah dibandingkan dengan media penyimpan panas yang berubah fasa (penyimpan panas laten). Besarnya panas sensibel yang diperlukan untuk menaikkan temperatur batu tiap satuan massa sebesar satu derajat disebut kapasitas panas batu yaitu : dq C = (2.11) m. dt Untuk penyimpan panas laten yaitu penyimpanan yang terjadi pada bahan/zat yang saat berlangsungnya perubahan fasa zat, yaitu dari padat ke cair atau dari cair ke padat. Persamaan untuk panas laten adalah :he equation for latent heat is: Q = ml (2.12) Q adalah jumlah energi yang dilepaskan atau diserap selama terjadinya perubahan fasa zat (joules), massa zat (m), dan L merupakan panas laten spesifik dari partikel za tersebut (J kg -1 ). 10

19 BAB III METODE PENELITIAN (BAHAN DAN METODE) Pemanfaatan energi surya memakai teknologi kolektor adalah usaha yang paling banyak dilakukan. Kolektor berfungsi sebagai pengkonversi energi surya untuk menaikan temperatur fluida kerja yang nantinya dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan. Prinsip kerja kolektor pemanas udara yaitu : pelat absorber menyerap energi radiasi matahari yang jatuh kepermukaannya dan mengkonversikannya menjadi energi panas, sehingga temperatur pelat tersebut menjadi naik. Energi panas ini dipindahkan ke fluida udara yang mengalir didalam kolektor diatas pelat absorber. Perpindahan panas pada kolektor udara akan terjadi secara konduksi, konveksi dan radiasi. Perancangan kolektor meliputi perencanaan dan perhitungan desain termal serta desain konstruksi dari bagian-bagian utama kolektor : 1. Pelat absorber, yaitu berupa pelat yang beralur V yang terbuat dari pelat aluminium. 2. Penutup transparan (cover), dalam hal ini menggunakan kaca. 3. Isolasi panas, yaitu penyekat panas yang diletakkan disamping, belakang dan bagian bawah kolektor. 4. Saluran fluida kerja, yaitu saluran fluida terletak antara pelat absorber dengan kaca penutup transparan. 5. Rangka dan dudukan kolektor. 3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Perawatan dan Perbaikan, Teknik Mesin, 11

20 Fakultas Teknik, Universitas Riau. Di Laboratorium Perawatan dan Perbaikan ini dilakukan pembuatan perangkat pengering surya (solar dryer) jenis pemanasan tidak langsung dengan rak bertingkat. Penelitian dilaksanakan dari bulan Februari 2009 sampai dengan bulan September Metode Metode yang dilakukan dalam penelitian ini adalah 1. Tahap Persiapan Penelitian Pada tahapan ini dilakukan studi literatur dan pendalaman pemahaman sebagai dasar perencanaan terhadap konsep pengering surya dengan rak bertingkat memanfaatkan penyimpan panas berubah fasa, dengan mempelajari buku-buku, internet dan jurnal-jurnal penelitian terbaru yang relefan. 2. Tahap Pembuatan Alat Uji Pada tahapan ini dilakukan pembuatan perangkat pengering surya dengan rak bertingkat hasil perencanaan sebelumnya pada tahap 1. Perangkat pengering surya ini nantinya dapat melayani berbagai pengujian yang dibutuhkan untuk pengambilan data yang diperlukan untuk mengetahui unjuk kerja alat. 3. Tahap Pengumpulan Data Pada tahapan ini dilakukan pengambilan data-data yang diperlukan dengan menggunakan beberapa macam alat ukur antara lain: termometer, temperatur bola kering dan bola basah, timbangan digital, multimeter, stopwatch. Data-data yang diambil meliputi temperatur bola basah, temperatur bola kering masuk perangkat pengering dan temperatur bola 12

21 basah, temperatur bola kering keluar perangkat pengering, temperatur ruang pengering, distribusi temperatur dalam ruang pengering, lama pengeringan dan massa produk yang dikeringkan. Pengambilan data dilakukan baik tanpa produk yang akan dikeringkan maupun dengan produk yang akan dikeringkan. Pengambilan data pengeringan produk yang dikeringkan dengan penjemuran langsung dilakukan bersamaan dengan pengambilan data produk yang dikeringkan dalam perangkat pengering surya. Hal ini dilakukan untuk mengetahui unjuk kerja perangkat pengering surya. 4. Tahap Analisis Data dan kesimpulan Data yang diperoleh ditabulasikan dan dilakukan perhitungan sesuai prinsipprinsip termodinamika yang berlaku, selanjutnya akan diplot dalam berbagai grafik yang dapat memberikan berbagai informasi. Informasi mengenai pengaruh temperatur bola basah, temperatur bola kering masuk dan keluar perangkat pengering surya, distribusi temperatur dalam ruang pengering, lamanya pengeringan terhadap perubahan jarak antar rak pengering dari bahan yang dikeringkan untuk jumlah massa yang sama, perubahan beban pengeringan terhadap kapasitas pengeringan rencana, serta pengaruh pemanfaatan penyimpan panas berubah fasa. Dari hasil analisis ini disimpulkan hasil penelitian yang dilakukan, dan saran untuk perbaikan pada penelitian lanjutan. 3.3 Dasar Idealisasi Perencanaan dan Bahan Sebagai dasar perencanaan untuk mengetahui luas kolektor yang akan dirancang, energi yang dibutuhkan dan perhitungan-perhitungan lainnya, maka data 13

22 perencanaan yang dibutuhkan adalah [4] : Temperatur udara masuk ke kolektor, temperatur udara keluar kolektor, laju aliran fluida kerja, dan intensitas radiasi surya. Besarnya kehilangan panas pada kolektor, terutama secara konveksi dari kolektor ke lingkungan sangat dipengaruhi oleh kecepatan angin disekeliling kolektor, (kecepatan angin diasumsikan sekitar 1,5 m/s). Perencanaan kolektor dilakukan dengan menghitung parameter-parameter berikut ini : 1. Desain Thermal meliputi : a) Keseimbangan energi pada kolektor b) Panas yang berguna pada kolektor c) Luas kolektor yang dibutuhkan d) Kolektor dengan sirip dan tanpa sirip e) Panas yang diserap kolektor f) Kerugian panas dari kolektor ke lingkungan g) Efisiensi Kolektor 2. Desain konstruksi meliputi : a) Perencanaan komponen-komponen dar sar kolektor dan dudukan kolektor b) Pemilihan bahan pembuatan kolektor c) Dimensi kolektor Perencanaan Bagian Utama Kolektor 1. Perencanaan Pelat Absorber (Penyerap) Bahan yang dipakai untuk pelat absorber (penyerap) antara lain: tembaga, kuningan, dan aluminium. Absorbsivitas bahan yang tinggi dapat dicapai dengan melapisi cat hitam pudar/buram yang refleksivitas kecil, maka dipilihlah pelat seng dengan tebal 0,4 mm dengan nilai konduktivitas (k) 14

23 112,2 W/m 0 (tabel). 2. Pemilihan Kaca Penutup Kaca transparan yang digunakan diperoleh dari toko kaca, dengan nilai transmisivitas (τ) sebesar 0,85 dengan tebal 5 mm. 3. Pemilihan Isolasi Berdasarkan sifat-sifat bahan isolasi yang digunakan ialah papan gabus dengan konduktivitas termal (k) 0,043 W/m 2 0 C dan tebal isolasi 1,5 cm. 4. Perencanaan Saluran Udara Saluran udara pada kolektor berfungsi untuk memperlama terjadinya kontak udara dengan absorber didalam kolektor dan udara dapat menyentuh seluruh bagian dalam kolektor, sehingga perpindahan panas konveksi terjadi secara maksimal. 5. Perencanaan Rangka Dan Kedudukan Kolektor Bahan rangka dipilih material baja pelat siku dengan ukuran 2,5 cm x 2,5 cm digunakan untuk rangka dan kedudukan kolektor. 3.4 Pembuatan Solar Dryer Langkah pembuatan Solar Dryer : 1. Alat dan Bahan Adapun perlengkapan yang dibutuhkan antara lain: a. Pelat siku untuk rangka dan Pelat seng untuk pelat absorber b. Kaca, papan gabus, rigid foam, triplek, amplas dan lain-lain. c. Perlengkapan untuk pengelasan. d. Perlengkapan untuk pengecatan. 2. Pembuatan Kontruksi/Rangka Solar Dryer 15

24 Rangka kolektor terbuat dari bahan besi siku dimana ukuran bagian dalam kolektor berbentuk empat persegi panjang.. Pada dudukan bagian bawah dilapisi dengan triplek dengan sedangkan pada bagian sisi samping akan dilapisi dengan kayu agar lebih kaku dan tahan lama. Pelat siku tersebut dipotong dengan menggunakan gergaji besi sesuai dengan ukuran yang telah ditentukan sesuai dengan perancangan, kemudian pelat siku dilas sesuai dengan bentuk gambar perancangan (Desain), dalam pembuatan kontruksi/rangka solar dryer yang harus diperhatikan adalah rangka/kontruksi tersebut harus mampu menahan beban yang yang cukup berat. 3. Pembuatan Plat Absorber Gambar 3.1 Refleksi Radiasi Matahari pada Permukaan Absorber Dengan Sudut Kemiringan Pembuatan pelat absorber merupakan modifikasi dari bentuk pelat rata. Modifikasi ini dilakukan untuk mempertinggi penyerapan dan memperkecil pantulan radiasi matahari. Bentuk corrugated (beralur) yang berbentuk V yang semula dari pelat rata, bentuk alur V dengan sudut Pembuatan Kedudukan Kolektor Kedudukan kolektor dibuat untuk meletakan kolektor pada bagian dalam kontruksi/rangka. Kedudukan kolektor dibuat secara bertingkat sebanyak 4 tingkat sesuai dengan jumlah pelat absorber. Tempat kedudukan kolektor tersebut dibuat dengan menggunakan bahan pelat siku. 5. Pemasangan Kaca Penutup (Cover) Pada Rangka Konstruksi 16

25 Kaca penutup merupakan lapisan transparan yang berfungsi untuk meneruskan radiasi matahari ke kolektor. Kaca penutup dipasang diatas kolektor, dengan kedudukan khusu untuk meletakan kaca penutup(cover) tersebut, sehingga kaca penutup bisa dibuka tutup dengan mudah untuk keperluan penelitian. 6. Pemasangan Isolasi Pemasangan isolasi dilakukan pada bagian sisi bawah, samping kiri-kanan dan pada sisi belakang. Bahan isolasi yang digunakan adalah papan gabus, rigid foam dan triplek. 7. Pemasangan Seluruh Bagian-Bagian Solar Dryer Setelah seluruh bagian-bagian dari kolektor selesai, kemudian digabungkan sehingga diperoleh kolektor yang diinginkan. Adapun proses pemasangannya ialah: 1. Letakkan triplek pada bagian bawah (dasar) kolektor. 2. Pada sisi terluar bagian samping dari rangka dudukan kolektor dipasang pelat seng, 3. Kemudian dipasang isolasi pada bagian samping dengan bagian terluar pelat seng kemudian kayu, setelah kayu baru dilapisi dengan rigid foam. 4. Untuk bagian permukaan datar setelah triplek dipasang stereo foam kemudian rigid foam. 5. Setelah isolasi terpasang kolektor dilapisi dengan pelat seng. 6. Setelah itu pelat aluminium yang telah ditekuk diletakkan diatas rigid foam pada pemukaan datar. 7. Kanal dipasang pada pelat aluminium sebanyak tujuh lembar pelat dari seng. 8. Kolektor kemudian dicat dengan cat warna hitam kabur. 17

26 9. Pasang pegangan rangka kaca penutup dan engsel diantara rangka kaca penutup dengan rangka kolektor. Kolektor yang telah dibuat diatas kemudian diletakkan pada dudukan kolektor yang terbuat dari baja siku berukuran 3 cm x 3 cm dengan sudut kemiringan (β) 10 o. 18

27 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Spesifikasi Alat Pengering Surya Berdasarkan hasil perhitungan yang dilakukan pada perancangan dan pembuatan alat pengering surya (solar dryer) adalah : Desain Termal 1. Temperatur udara masuk kolektor (T in ). T in = 30 O C. 2. Temperatur udara keluar kolektor (T out ). T out = 70 O C. 3. Laju aliran fluida kerja (V). V = 0,01 m/s. 4. Intensitas radiasi matahari (E glob ). E glob = 800 W/m Panas aktual yang digunakan untuk kenaikan fluida kerja 30 O C (Qu) yaitu Qu = 441, W. 6. Luas kolektor (Ak). Ak = 1,6 m Panas yang diserap oleh kolektor (Q a ). Q a = 1033,6 W. 8. Panas harian yang diterima oleh kolektor (Q in ). Q in = 1280 W. 9. Panas teoritis yang digunakan dengan memasukkan faktor transport panas (Fr). Q S = 765,365 Watt. 10. Kerugian panas dari kolektor ke lingkungan: Q L = 268,235 Watt. Dimana: Kerugian Panas pada sisi bawah kolektor: Q b = 53,47 Watt. 18

28 Kerugian Panas pada sisi samping kolektor: Q s = 34,255 Watt. Kerugian Panas pada sisi atas kolektor Q a = 180,504 Watt. 11. Efisiensi kolektor. Efisiensi aktual dari kenaikan temperatur kerja: η = 34,5 %. Efisiensi menurut ASHRAE: η = 62,9 %. Desain Konstruksi Pelat absorber Bahan Perlakuan permukaan Ukuran Sebelum ditekuk Ukuran setelah ditekuk : Pelat aluminium 0.35 mm. : Cat Q-Lack Black Dop. : 200 x 100 cm (2 lembar). : 180 x 89 cm. Kaca Penutup Bahan Ukuran Bingkai kaca Ukuran bingkai kaca : Kaca Transparan 5 mm. : 64 cm x 98 cm dan 110 cm x 98 cm. : Aluminium : 2 x 2 cm. Isolasi Termal Bahan 1 : Rigid Foam 2 cm. Konduktifitas termal : 0,166 W/m 2 0 C. 19

29 Bahan 2 : Stiro Foam 1,5 cm. Konduktifitas termal : 0,043 W/m 2 0 C. Rangka Kolektor Bahan Ukuran : Pelat baja profil L 96 x 45 cm. : (96 cm x 45 cm) x 4 bagian. Rangka Ruang Pengering Bahan : Pelat baja profil L. Kemiringan Kolektor : Prosedur pengujian Adapun prosedur pengujian yang dilakukan terhadap sampel antara lain: Pembersihan sampel. Melakukan penimbangan berat dari sampel yang akan diuji. Dalam pengujian yang dilakukan pada 5 rak dimana masing-masing rak berat pengujian sebesar 450 gram, salah satu rak dilakukan pengujian di luar alat penguji. Proses pengambilan data berat dari sampel dilakukan setiap 1 jam sekali. Lama pengambilan data selama 7 jam. Proses pengambilan data temperatur dari alat juga dilakukan pada setiap 1 jam sekali, data temperatur alat diambil pada 8 titik pengujian diantaranya 4 titik pada rak, 2 titik pada kolektor, dan 2 titik pada saluran masuk dan keluar. Data temperatur diambil dengan menggunakan alat ukur termokopel. 4.3 Pengambilan Data Pengujian Proses pengambilan data pada alat pengering ini tergantung dari kondisi cuaca pada saat pengujian karena alat ini bekerja dengan memanfaatkan sinar radiasi yang 20

30 dipancarkan oleh matahari. Jenis sampel pengujian yang digunakan adalah pisang. Proses pengujian (pengeringan) merupakan proses perpindahan panas/kalor dan uap air secara simultan (perpindahan massa), yang memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air yang ada pada sampel (pisang). Laju penguapan air pada sampel (pisang) dalam pengeringan sangat ditentukan oleh kenaikan temperatur ruang pengering. 4.4 Analisa Data Adapun proses analisa data dilakukan setelah alat pengering surya tersebut selesai dibuat. Proses pengujian dilakukan pada salah satu produk rumah tangga yaitu pisang sale. Proses pengujian dilakukan dengan membandingkan antara hasil pengeringan yang dilakukan didalam alat pengering surya dengan proses pengeringan secara alami (diluar) yang dijemur di alam terbuka. Intensitas radiasi matahari bervariasi menurut cuaca saat pengujian berlangsung. Intensitas radiasi matahari tidak diukur, karena tidak tersedianya alat ukur radiasi matahari (solarimeter). Variasi intensitas radiasi matahari sebanding dengan variasi temperatur pelat absorber, sehingga variasi intensitas radiasi matahari saat pengujian dapat diwakili oleh variasi temperatur pelat absorber (Hanif, 1996) Dari hasil pengujian yang dilakukan pada pisang diketahui bahwa kadar air yang yang terjadi pada setiap rak berkurang (tabel 4.1). Setelah 14 jam proses pengeringan diperoleh data pada tabel 4.1 Tabel 4.1 menunjukkan hasil pengeringan pada solar dryer dengan penyimpan panas berubah fasa. Terlihat bahwa massa air bahan yang menguap pada setiap rak pada solar dryer dengan penyimpan panas berubah fasa tidak terlalu jauh berbeda, 21

31 ini disebabkan penyebaran temperatur pada solar dryer dengan penyimpan panas cenderung merata, perbedaan temperatur tidak terlalu bervariasi jauh. Tabel 4.1 Hasil Pengujian Massa Bahan (Pisang) Pada Kolektor dengan Penyimpan Panas Berubah Fasa Lama MASSA BAHAN YANG DIKERINGKAN (gr) Jam (Wib) (jam) Rak 1 Rak 2 Rak 3 Rak 4 Di Luar Dari tabel 4.2 dapat diketahui bahwa proses pengeringan yang dilakukan dengan alat pengering ini lebih cepat bila dibandingkan dengan proses pengeringan di alam terbuka. Pengeringan di dalam kolektor lebih cepat dari pengeringan di alam terbuka, karena perbedaan temperatur pengeringan. Temperatur pengeringan di dalam kolektor lebih tinggi dari temperatur pengeringan di alam terbuka (sama dengan temperatur lingkungan). Kualitas hasil pengeringan bahan yang dikeringkan dengan alat pengering lebih baik dan lebih bersih dibandingkan yang dikeringkan langsung di alam terbuka. Bahan yang dikeringkan dalam kolektor lebih bersih karena terhindar dari debu, kotoran dan gangguan binatang atau serangga, sehingga harga jual produk di pasaran lebih tinggi. 22

32 No. Tabel 4.2 Persentase Massa Bahan Yang Menguap Rak Pengeringan Massa Awal Massa Akhir Massa yang menguap Persentase Massa yang menguap 1 Rak Rak Rak Rak Rak di luar Massa Bahan (gram) Massa bahan terhadap lama pengeringan 0 Rak 1 Rak 2 Rak 3 Rak 4 Di Luar Lama Pengeringan (jam) Gambar 4.1 Pengurangan Massa bahan yang dikeringkan terhadap waktu pengeringan Temperatur pengujian maksimum terjadi pada pelat absorber yang berwarna hitam kabur dengan temperatur antara 102,43 0 C yang terjadi pada pukul WIB sampai WIB. Kerugian panas yang terjadi ke lingkungan terjadi karena adanya pengaruh dari konduktifitas termal bahan pembentuk kolektor, kecepatan angin di sekitar ruang kolektor serta adanya perbedaan temperatur antara kolektor dengan lingkungan. Kerugian panas pada sisi samping terjadi karena akibat dari konduksi dan konveksi ke lingkungan yang berbeda temperaturnya. Sedangkan Kerugian panas yang terbesar terjadi pada sisi atas kolektor hal ini terjadi karena kerugian akibat dari 23

33 konduksi ke kaca penutup serta radiasi dan konveksi secara bersamaan ke lingkungan. Tabel 4.2 Hasil Pengujian Temperatur TEMPERATUR C No Jam (Wib) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 Cuaca C C C C C C C C Rata-rata Keterangan : Kondisi Cuaca : C : cerah, CB : cerah berawan, MG : mendung T1 : Temperatur udara masuk kolektor (Tin) T2 dan T3 : Temperatur plat absorber T4 : Temperatur udara keluar kolektor/ masuk rak pengering (Tout) T5, T6, T7, T8 : Temperatur rak pada ruang pengering T9 : Temperatur keluar rak pengering (Tout rak) T10 : Temperatur lingkungan Temperatur (C) Temperatur Kolektor dengan penyimpan panas Lama Pengeringan (jam) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 Gambar 4.2 Variasi temperatur kolektor terhadap waktu pengeringan 24

34 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Kesimpulan dari hasil pengembangan kolektor pengering tenaga surya (solar dryer compact) jenis pemanasan langsung menggunakan bahan penyimpan panas berubah fasa adalah : 1. Rata-rata hasil pengeringan dengan kolektor 71,44 % dan hasil pengeringan dijemur langsung %. Proses pengeringan dengan menggunakan kolektor lebih cepat bila dibandingkan dengan cara tradisional serta kualitas dari bahan yang dikeringkan lebih baik. 2. Proses pengeringan dengan Solar Dryer menggunakan penyimpan panas berubah fasa temperatur kolektor lebih merata dan lebih cepat kering. Proses pengeringan masih tetap berlangsung beberapa jam, saat cahaya matahari tertutup atau saat sore hari dengan sumber panas dari penyimpan panas. 5.2 Saran-saran Adapun saran yang perlu diperhatikan untuk pengembangan dan pemakaian kolektor pengering tenaga surya (solar dryer) : 1. Gunakan isolasi yang memiliki harga konduktivitas termal yang rendah. 2. Pada waktu melakukan pengujian saat penimbangan sebaiknya dilakukan dengan cepat untuk menghindari terjadinya rugi-rugi panas. 3. Pada saat pembingkaian kaca, sebaiknya kaca tersebut diberi sedikit jarak (clearance) untuk menghindari terjadinya pemuaian terhadap kaca yang dapat mengakibatkan kaca tersebutreta dan pecah. 4. Agar hasil pengeringan merata pada setiap rak perlu dilakukan rotasi posisi rak. 5. Perlu penelitian lebih lanjut dari alat ini dengan penyimpan panas yang bebeda, dan menutup alat pengering dengan penutup khusus sehingga penurunan temperatur yang drastis saat cuaca mendung atau sore hari dapat dihindari. 25

35 DAFTAR PUSTAKA 1. Anderson, Edward E., 1982, Fundamental of Solar Energy Conversion, Addison-Wesley, California. 2. Aziz, Azridjal, 1996, Kolektor Udara Surya (Perancangan dan Pembuatan), Skripsi, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Andalas, Padang. 3. Aziz, Azridjal, 2003, Perancangan Kolektor Surya Tipe Pelat Datar dengan Flluida Kerja Udara, Jurnal Momentum, Institut Teknologi Padang, Padang. 4. Aziz, Azridjal, 2004, Teknologi Rekayasa Surya sebagai Pemanas Udara untuk Proses Pengeringan (Solar Dyer), Jurnal Momentum, Institut Teknologi Padang, Padang. 5. Fachrizal, N etal, 1994, Efisiensi Pengering Tipe Kotak Kombinasi Energi Matahari dan Biomassa, Makalah Ilmiah UPT-LSDE, BPPT, PUSPITEK Serpong. 6. Hewitt, G.F., 1994, Process Heat Transfer, CRC Press Inc., Boca Raton, USA. 7. Suwono, Aryadi, 1980, Pemanfaatan Energi Matahari untuk Pedesaan, Proceedings, Bandung. 8. Zainuddin, Dahnil., 1990, Solar Teknik 1 & 2, Universitas Andalas, Padang. 9. Zainuddin, Dahnil,1995, Makalah Teknologi Energi Surya, Padang. 26

36 LAMPIRAN Tabel. Sifat-Sifat Udara Pada Tekanan Atmosfer. Nilai μ, k, c D, dan Pr tidak terlalu bergantung pada tekanan dan dapat digunakan untuk tekanan yang cukup luas. T, K ρ kg/m c p kj/kg. 0 C μ kg/m.s x v m 2 /s x k W/m. 0 C α m 2 /s x Pr Dari Natl Bur stand (U.S) Circ

37 Tabel. Sifat-sifat bukan logam. Bahan Aspal Bata: Bata bangunan Biasa Muka Bata karborundum Bata krom Tanah diatomea Dicetak dan Dibakar Bata tahan api Dibakar F Dibakar F Missouri Magnesit Semen, portland Moster Beton, sinder Batu, campur Gelas, jendela Korosilikat Plaster, gips La logam Lat kayu Batu: Granit Batu kapur Marmer Batu pasir Kayu (melintas serat) Balsa, 8,8 lb/ft 3 Sipres Fir Mapel atau oak Pinus kuning Pinus putih Temperatur C k, W/m/. 0 C ρ kg/m 3 Bahan-bahan bangunan dan penahan kalor (avg) c kj/kg. 0 C α m 2 /s x

38 Tabel ABSORBER TEST MATERIAL Code* Absorber Material Optical Popertiest Coating Substrate Absorptance Emittance A Black nickel Steel C Flat black paint Copper D Black chrome Steel (nickelflashed) E F Flat balck paint Copper G Copper oxide Copper H Black porcelain Steel I Flat black paint Aluminum J Black chrome Stainlees steel L Black chrome Aluminum M Laed oxide Copper N Oxide anodized Aluminum Oxide conversion Aluminum P Coating Black chrome Copper Code letters A through H indicate material coupon specimens cut from solar collector A through H. codes 1 through P test at the materials level only. These properties are dependent on the formulation and manufacturing processes used, other product within a generic class of materials may have significantly different properties. Everage values based on s minimum of 10 test specimens from NBS TN 1136,1981. NBS Solar collector durability and reliability test program plan by D. Wakman, E. street, and T. seiler 29

39 \ (a) (b) Gambar Hasil pengeringan menggunakan kolektor (a) dan hasil pengeringan dijemur langsung (b) Gambar Alat Pengering Surya jenis Pemanasan tidak langsung 30

40 Gambar Rak Ruang Pengering Temperatur (C) Temperatur Kolektor dengan penyimpan panas Lama Pengeringan (jam) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 Gambar 2. Distribusi temperatur pengeringan hari 1 Temperatur (C) Temperatur Kolektor dengan penyimpan panas Lama Pengeringan (jam) T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 Gambar 3. Distribusi temperatur pengeringan hari 2 31