BAB III. OPTIMISASI BIAYA KONSTRUKSI DAN OPERASI PENGERING EFEK RUMAH KACA

Transkripsi

1 BAB III. OPTIMISASI BIAYA KONSTRUKSI DAN OPERASI PENGERING EFEK RUMAH KACA 3.1. PENDAHULUAN Latar Belakang Rancang bangun pengering diperlukan untuk mendapatkan performansi pengeringan yang sesuai dengan kapasitas yang diinginkan pengguna dan biaya yang sekecil mungkin. Tahap awal rancang bangun ini dapat dilakukan melalui perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering. Kamaruddin (1993), dan Kamaruddin et al. (1994) telah menggunakan teknik optimisasi untuk menentukan biaya konstruksi pengering tipe bak berenergi surya dengan kolektor datar. Berdasarkan hasil tersebut biaya kolektor merupakan komponen terbesar yang berpengaruh terhadap biaya konstruksi secara keseluruhan. Selanjutnya disain pengering diubah dengan menyatukan plat absorber di dalam bangunan pengering berdinding transparan, sehingga biaya konstruksi pengering secara keseluruhan dapat lebih dihemat. Pengering berdinding transparan dengan rak atau bak serta plat absorber di dalamnya kemudian disebut sebagai pengering Efek Rumah Kaca (ERK). Pengering efek rumah kaca menggunakan energi surya dan biomassa sebagai alternatif pengeringan buatan yang sederhana, saat ini telah diperkenalkan ke berbagai daerah, baik di tingkat petani, industri rumah tangga hingga industri menengah (Kamaruddin et al, 2000). Keuntungan pengering ERK antara lain berupa; disain tidak rumit, pengoperasian sederhana, bahan konstruksi mudah diperoleh, dan performansi cukup baik. Perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK tipe bak untuk pengeringan kopi telah dilakukan oleh Dyah dan Kamaruddin (2001). Pengeringan cengkeh membutuhkan alat pengering ERK tipe rak. Untuk mendapatkan biaya konstruksi yang optimal maka pada penelitian ini dilakukan perhitungan optimisasi dengan tujuan minimasasi biaya konstruksi pengering ERK tipe rak berdasarkan komponen-komponen penyusunnya, yang terdiri dari bangunan (dinding, rangka dan rak), kipas, penukar panas dan tungku untuk pemanas tambahan serta plat absorber. Dengan optimisasi, penggunaan komponen penyusun alat pengering dapat diperkirakan secara tepat sesuai dengan kebutuhan pengguna dan performansi pengeringan yang diharapkan. Melalui optimisasi, pekerjaan trial and error dalam pembuatan alat dapat dihindarkan, sehingga kerugian dapat diperkecil Tujuan dan Manfaat Tujuan penelitian adalah untuk mendapatkan biaya konstruksi dan operasi pengering ERK yang optimal. Melalui teknik optimisasi diharapkan dapat ditentukan biaya alat yang dapat dijangkau oleh pengusaha kecil atau menengah maupun petani pengguna. Hasil optimisasi dapat

2 dimanfaatkan oleh para petani maupun pedagang pengumpul atau bahkan industri pengolahan cengkeh baik tingkat kecil, menengah atau besar serta oleh pembuat atau penjual mesin pengering cengkeh TINJAUAN PUSTAKA Sifat Termofisik Cengkeh Sifat termofisik adalah sifat khusus yang dimiliki oleh setiap produk pertanian. Pengetahuan sifat termofisik produk merupakan suatu hal yang penting sebagai data dalam perancangan suatu pengering, karena dengan memberikan perlakuan yang tepat terhadap produk yang dikeringkan dapat menghasilkan mutu produk kering yang berkualitas tinggi. Selanjutnya mutu produk kering akan sangat terkait dengan penerimaan konsumen dan nilai jual serta tuntutan pasar/ekspor. Beberapa sifat termofisik cengkeh yang berhubungan dengan proses rancang bangun pengering adalah kadar air keseimbangan dan konstanta pengeringan, panas jenis, konduktivitas, koefisien pindah panas konveksi selama pengeringan, panas laten penguapan bunga cengkeh, porositas, massa jenis, luas permukaan spesifik dan volume total. Secara rinci sifat-sifat termofisik cengkeh tersebut, dibahas di bawah ini. a. Kadar air keseimbangan cengkeh dan konstanta pengeringan Anwar (1987) menentukan persamaan kadar air keseimbangan cengkeh terfermentasi dan non terfermentasi, yaitu masing-masing adalah: Persamaan kadar air keseimbangan cengkeh terfermentasi: Me = exp ( dt) (III-1) 10.8 o C <= dt <= 23.5 o C Persamaan kadar air keseimbangan cengkeh non terfermentasi: Me = exp ( dt) (III-2) 11.4 o C <= dt <= 23.5 o C Dimana Me dalam % bk dan dt adalah selisih suhu bola kering terhadap suhu bola basah dalam o C. Wahyudi (1984) mendapatkan persamaan konstanta pengeringan untuk cengkeh, yaitu k = exp( /T) (III-3) Anwar (1987) mendapatkan persamaan konstanta pengeringan untuk cengkeh terfermentasi: k = exp( /T) (III-4)

3 dan untuk cengkeh non terfermentasi: k = exp( /T) (III-5) Dimana k dalam 1/jam dan T adalah suhu dalam K b. Panas laten penguapan bunga cengkeh Panas laten penguapan bunga cengkeh diperoleh berdasarkan data kadar air keseimbangan untuk cengkeh terfermentasi (Anwar, 1987), sehingga didapatkan persamaan: Hfg = Hfg w ( exp( Me) (III-6) Dimana Hfg w adalah panas laten penguapan air bebas (kj/kg) yang nilainya tergantung dari suhunya (K), Hfg w = ( T) 1000 (III-7) c. Panas jenis dan porositas cengkeh Sukiman (1987) mengukur panas jenis cengkeh sebesar J/kg o C menggunakan metode campuran. Rasio ruang kosong (porositas) pada tumpukan cengkeh oleh Hartani (1991) diperoleh nilai sebesar Berat jenis tumpukan cengkeh dapat dihitung menggunakan persamaan: ñ t = ñ ac (1-å) (III-10) d. Koefisien pindah panas konveksi pengeringan untuk cengkeh diperoleh persamaan (Brooker et al., 1974): h = ( Ga) 0.49 untuk Ga < kg/m 2 dt (III-11) h = ( Ga) 0.59 untuk Ga > kg/m 2 dt (III-12) e. Model semiteoritis pengeringan lapisan tipis menurut Henderson dan Perry (1976) adalah: MR = A k exp(-kè) (III-13) Dimana, A merupakan koefisien yang bergantung dari bentuk benda, yaitu: Slab = 8/ð 2 (III-14) Silinder = (8/ð 2 ) 3 Bola = 6/ð 2 (III-15) Sedang konstanta pengeringan k = D v ð 2 / 4 A

4 Dimana D v adalah difusivitas massa (m 2 /jam) Optimisasi Pengeringan Optimisasi merupakan proses untuk mendapatkan kondisi maksimum atau minimum dari suatu fungsi. Pada sistem yang sangat komplek, teknik optimisasi sulit dilakukan, oleh karena itu dibuat optimisasi dari subsistem-subsistem,kemudian dipilih kombinasi yang optimum dari keseluruhannya. Namun cara demikian belum menjamin bahwa kondisi optimal telah tercapai. Adakalanya untuk proyek skala kecil, optimisasi yang dilakukan tidak layak dilihat dari segi waktu dan biaya yang dikeluarkan untuk itu. (Stoecker, 1971). Teknik optimisasi ada berbagai cara, tergantung pada kondisi masalah yang ingin dipecahkan. Biasanya oleh beberapa peubah tak bebas yang dipengaruhi oleh beberapa peubah bebas. Hal penting yang harus dicari adalah mencari hubungan-hubungan dari fungsi yang dioptimisasikan dengan fungsi-fungsi kendala. Beberapa teknik optimisasi diantaranya adalah metoda jelajah, dynamic programming, geometric programming, linear programming dan pengganda Lagrange (Stoecker, 1971). Kamaruddin. et al, (1994) melakukan perhitungan optimisasi menggunakan metoda kalkulus dan pengganda Lagrange pada pengering berenergi surya dengan bantuan kolektor datar. Dari hasil perhitungannya diketahui bahwa kebutuhan akan luasan kolektor datar berbanding lurus dengan koefisien kehilangan panas overall (U L ). Makin besar U L makin besar pula luasan kolektor surya yang diperlukan. Selain itu pula diketahui bahwa harga kolektor untuk kasus pengeringan lada hitam meliputi 87 % dari total harga pembuatan alat kemudian diikuti oleh harga kipas yang meliputi 9.8 % dari harga total alat. Dyah (2001) menghitung biaya konstruksi optimal pada pengering efek rumah kaca tipe bak untuk produk kopi menggunakan metode pengganda Lagrange. Biaya optimal didasarkan pada 5 komponen penyusun bangunan pengering yang terdiri dari daya kipas, luas bak pengering, volume tangki air sebagai pemanas tambahan, luas pindah panas penukuar panas dan kecepatan pembakaran tungku. Hasil optimisasi menunjukkan bahwa daya kipas mempunyai pengaruh yang sangat berarti dibandingkan keempat komponen lainnya. Biaya pengeringan optimal untuk mengeringkan 2414,75 kg kopi selama 62,5 jam pada suhu pengering 50 o C dan kecepatan angin di atas tumpukan kopi 0,05 m/dt adalah Rp ,-. Kebutuhan kipas yaitu sebesar 7130 Watt. Berdasarkan perhitungan optimisasi ini terlihat adanya kecenderungan bahwa biaya konstruksi pengering optimal akan meningkat dengan peningkatan suhu, tetapi waktu yang dibutuhkan untuk pengeringan pada kondisi yang relatif sama menjadi lebih singkat PENDEKATAN TEORI Metoda Pengganda Lagrange

5 Dasar optimisasi ini adalah kalkulus, yaitu dengan menurunkan fungsi-fungsinya untuk menghasilkan kondisi optimum. Jika fungsi obyektif (y) dan kendala (φ) adalah fungsi dari "n" peubah, maka: y = f (x 1, x 2,, x n ) (III-16) φ 1 (x 1, x 2,, x n ) = 0 (III-17) φ m (x 1, x 2,, x n ) = 0 maka nilai optimum akan terjadi, bilamana: y - λ 1 φ λ m φ m = 0 (III-18) dimana λ 1,., λ m disebut sebagai pengganda Lagrange dan adalah operator yang disebut del atau gradian. Persamaan (III-18) merupakan persamaan vektor berdimensi, sesuai dengan jumlah peubahnya, "n". Gradien dari sebuah skalar adalah : y = dy + dy +. + dy (III-19) dx i 1 1 dx i 2 2 dx i n n dimana i 1, i 2,., i n disebut unit vektor yang besarannya sama dengan satu. Operasi gradien adalah operasi yang merubah besaran skalar ke besaran vektor (Stoecker, 1971). Karena persamaan (III-18) merupakan persamaan vektor maka berarti ada "n" persamaan unit vektor dimana koefisien-koefisien dari seluruh unit vektor jumlahnya harus sama dengan nol. Ditambah "m" persamaan kendala, maka "n+m" persamaan, yaitu : i n : f 1 (x 1, x 2,, x n, λ 1,., λ m ) = 0 φ 1 : f n +1 (x 1,.., x n, λ 1,., λ m ) = 0 φ m : f n +m (x 1,.., x n, λ 1,., λ m ) = 0 (III-20) dipecahkan secara simultan untuk mencari "n+m" yang tidak diketahui, yakni x 1, x 2,., x n,λ 1,., λ m. Pemecahan ini dilakukan dengan metode Newton Raphson dan matriks Gauss-Jordan sampai pada ketelitian yang diinginkan PERCOBAAN Kriteria Rancangan Disain Pengering Pengering yang digunakan berupa bangunan berbentuk persegi empat dengan dinding transparan merupakan rancangan Kamarudin et al.(1994). Wadah tempat produk yang akan dikeringkan terdiri dari beberapa susun rak yang diletakkan di dalam bangunan. Lantai pengering dicat hitam dan di bawah rak diberi plat besi bercat hitam pekat yang berfungsi sebagai penyerap

6 dan pengumpul panas, sehingga suhu di dalam ruangan dapat ditingkatkan. Untuk pengeringan malam hari atau mengatasi saat tidak ada matahari (misal, hujan/ mendung) digunakan pemanas tambahan dari pembakaran bahan bakar biomassa dengan tungku sederhana. Untuk menjaga agar aroma cengkeh tetap terjaga keasliannya, maka energi panas dari bahan bakar biomassa digunakan secara tidak langsung dengan cara memanaskan udara yang kemudian dialirkan ke dalam penukar panas yang diletakkan di dalam bangunan pengering. Kipas aksial dengan daya tertentu diletakkan di depan penukar panas untuk meniupkan udara panas dari penukar panas ke dalam ruang pengering. Proses pindah panas yang terjadi di dalam sistem pengering terjadi secara konduksi, konveksi dan radiasi. Radiasi surya diterima permukaan penutup bangunan transparan dalam bentuk gelombang pendek, kemudian menembus penutup transparan dan masuk ke dalam bangunan pengering mengenai seluruh komponen. Energi yang dipancarkan dari seluruh komponen ini berupa gelombang panjang. Pada saat mencapai dinding bangunan, energi dengan gelombang panjang ini tidak dapat menembus, tetapi dipantulkan kembali ke dalam bangunan, pantulan-pantulan energi ini akhirnya mengakibatkan peningkatan suhu udara di dalam ruang pengeringan. Peningkatan suhu udara di dalam bangunan dapat ditingkatkan lagi dengan penambahan plat besi hitam (legam/tidak mengkilat), yang berfungsi sebagai pengumpul panas. Radiasi matahari yang masuk melalui dinding bangunan dan panas yang berasal dari penukar panas dapat diserap dengan baik oleh plat besi hitam, selanjutnya akan diemisikan ke udara di dalam bangunan. Plat besi hitam dipilih karena memiliki daya serap (absorbsivitas) dan daya pancar (emisivitas) yang tinggi. Akhirnya udara panas ini digunakan untuk memanaskan produk di dalam rak dan untuk menguapkan air dari dalam produk Pengambilan Data Data masukan untuk perhitungan optimisasi adalah data sekunder, yang terdiri dari data sifat termofisik produk cengkeh, data sifat-sifat udara, dan data harga komponen peralatan penyusun pengering ERK diperoleh dari lapang berdasarkan survei pasar tahun Data penting untuk berbagai parameter (koefisien & konstanta) dalam perhitungan optimisasi disajikan pada Lampiran III Pemodelan Matematika Pengering ERK Kamaruddin et al (1994) mengembangkan model matematis berdasarkan konsep keseimbangan energi pada setiap komponen penyusun pengering efek rumah kaca pada kondisi steady. Persamaan keseimbangan energi pada produk: I τα c A c - Hfg. m w h c A c (t c - t r ) = 0 (III-21)

7 Persamaan keseimbangan energi dalam ruang: I A d τα d + h c A c (t c t r ) + (ha) HE (t HE - t r ) + h p A p (t p t r ) + h f A f (t f t r ) + P + Hfg. m w - h d A d (t a t r ) Cp a m a (t r - t a ) = 0 (III-22) Persamaan keseimbangan energi pada penukar panas adalah: I τα HE A HE + η t H m bb h HE A HE (t HE - t r ) = 0 (III-23) Persamaan keseimbangan energi pada plat absorber: I τα c A c - h p A p (t p - t r ) = 0 (III-24) Massa cengkeh dinyatakan sebagai fungsi dari luas rak yang dituliskan dalam persamaan: m c = V ρ t = n A r l ρ t (III-25) Laju penguapan uap air hasil pengeringan dinyatakan dalam persamaan: mc v = θ m ( M i M fi ) ( 100 M ) fi (III-26) Daya kipas dinyatakan dalam persamaan: P = Q p/η k (III-27) Q = P η k / p (III-28) m a ρap k = ρ aq = (III-29) p η Penurunan tekanan pada lantai yang dihampari produk (Brooker et al, 1974) : p = n ñ t (Q/A) / (0.1) 1.92 (III-30) Persamaan kehilangan tekanan pada saluran di dalam bangunan pengering: Dimana γ = ñ g p = c f (L/D) (v 2 /2g) γ (III-31) Pindah panas konveksi pada dinding tegak dinyatakan dalam (Chapman, 1974): h = Nu k / D Nu = Ra (1/4) [1 + (0.492/Pr) (9/16) ] (-4/9) untuk 0 < Ra < 10 9 (III-32) Nu = { Ra (1/6) [1 + (0.492/Pr) (9/16) ] (-8/27) } 2 untuk 10 9 < Ra (III-33)

8 Dimana Ra = Gr Pr dan 0 < Pr < Gr = L 3 g β t / v 2 (III-34) Pr dinyatakan dalam kondisi sifat-sifat udara pada suhu t m, dimana t m = t r + t b β = 1/t, dimana suhu t dihitung pada t m untuk cairan dan t fluida untuk gas. Luas dinding dan luas rak merupakan fungsi dari luas lantai : Af = A (III-35) Ad = A + 8 A 0.5 (III-36) Ac = A 1.6 A (III-37) Dimana, tinggi bangunan dianggap 2 m dan panjang bangunan = lebar bangunan Pemodelan Optimisasi Biaya Konstruksi Pengering ERK Pemodelan optimisasi dilakukan dengan melibatkan persamaan-persamaan pengeringan khususnya untuk produk cengkeh dan model persamaan pindah panas pada beberapa komponen penting dalam bangunan pengering. Pemecahan model optimisasi dilakukan dengan metode pengganda Lagrange dengan bantuan software Microsoft Excell. Dalam penelitian ini biaya konstruksi pengering optimal diperoleh berdasarkan ukuran komponen-komponen penyusun pengering ERK melalui pemodelan menggunakan persamaan III-21 hingga persamaan III-37. Perhitungan optimisasi tidak mencakup pemilihan jenis bahan. Bahan penyusun komponen pengering ERK telah dientukan terlebih dahulu dengan mempertimbangkan umur ekonomis alat. Langkah awal optimisasi adalah menentukan bentuk fungsi tujuan, yaitu meminimumkan biaya konstruksi pengering (y), yang terdiri dari komponen biaya (x), yaitu; biaya rangka, rak pengering, dinding transparan, dan lantai/fondasi bangunan dinyatakan dalam x 1, biaya kipas dinyatakan dalam x 2, biaya penukar panas dinyatakan dalam x 3, dan biaya tungku dinyatakan dalam x 4, serta biaya plat absorber dinyatakan dalam x 5. Biaya disain dan upah pekerja tidak dimodelkan dalam optimisasi ini. Biaya disain diasumsikan konstan dan upah pekerja sangat tergantung pada lokasi alat dibuat dan kapasitas alat. Pemodelan fungsi tujuan didasarkan pada data harga komponen pada tahun Fungsi tujuan dituliskan seperti di bawah ini : y = x 1 + x 2 + x 3 + x 4 + x 5 (III-38) Dimana x 1 = a 1 A a2 r (III-39) x 2 = a 3 P a4 (III-40) x 3 = a 4 A a5 HE (III-41) x 4 = a 6 m a7 bb (III-42) x 5 = a 8 A p (III-43)

9 dimana, a 1..8 adalah koefisien yang diperoleh dari analisis persamaan-persamaan penyusun fungsi kendala. Tahap kedua adalah mencari hubungan dari berbagai persamaan yang berkaitan dalam teknik pengeringan sebagai fungsi kendala. Persamaan-persamaan penyusun fungsi kendala terdiri dari persamaan keseimbangan panas, persamaan aliran udara dan kehilangan tekanan, persamaan sifat-sifat termofisik dan karakteristik pengeringan produk yang dikeringkan. Untuk penyederhanaan model, diasumsikan aliran udara dan distribusi suhu seragam di seluruh ruang pengering. Terdapat dua fungsi kendala yang didasarkan pada; pertama, suhu udara pengering, pada tingkat tertentu, yaitu 45 o C, 48 o C, 50 o C dan 60 o C dan kedua, laju aliran udara di atas produk cengkeh, yaitu pada kecepatan 0.04 m/dt, 0.05 m/dt dan 0.06 m/dt. Penyelesaian optimisasi dilakukan dengan metoda Pengganda Langrange dengan iterasi Newton Raphson dan solusi matriks Gauss-Jordan Validasi Model Optimisasi Validasi model optimisasi dilakukan dengan menguji performansi pengering yang sesuai dengan dimensi optimum hasil perhitungan. Parameter yang diuji adalah suhu, kecepatan udara di atas produk, waktu pengeringan, dan kadar air bahan serta biaya konstruksi pengering. Kriteria hasil validasi dianalisis dengan metoda curve-fitting HASIL DAN PEMBAHASAN Validasi Perhitungan Optimisasi Biaya Konstruksi Pengering ERK Model optimisasi diuji menggunakan data masukan dari percobaan lapang. Output model dan hasil percobaan lapang dinyatakan dalam Tabel III-1. Pada tabel output di dalam Tabel III-1, terjadi beberapa perbedaan antara pengukuran lapang dengan hasil perhitungan optimisasi. Daya kipas yang digunakan dalam percobaan adalah mengacu pada daya kipas hasil optimisasi. Di lapang, tidak mudah mencari kipas dengan daya 244 W, untuk itu digunakan daya kipas dengan nilai daya di atas daya hasil simulasi. Kipas yang digunakan dalam percobaan ada dua buah, yaitu kipas dengan diameter 1 m terletak di atas rak pengering dengan daya 200 W (disebut sebagai kipas tengah) dan kipas di depan inlet berdiameter 20 cm dengan daya 60 W (disebut sebagai kipas bawah). Pada percobaan lapang perbedaan waktu pengeringan terjadi pada setiap rak, namun perbedaan ini tidak terlalu besar. Dalam optimisasi suhu diasumsikan konstan, sedangkan dalam percobaan di lapang, suhu tidak selalu konstan. Dalam perhitungan optimisasi, kondisi dianggap seragam, sehingga didapatkan satu nilai waktu. Pada ketiga percobaan waktu pengeringan hasil perhitungan optimisasi hampir mendekati waktu rata-rata percobaan, terutama pada percobaan 3.

10 Perbedaan yang terjadi karena suhu dan RH yang diberikan dalam input adalah hasil rata-rata dari seluruh udara pengeringan di atas rak-rak dalam alat pengering ERK. Kenyataan yang terjadi di lapang, bahwa suhu pengeringan tidak selalu konstan, terutama pada siang hari, akibat radiasi surya yang tidak konstan. Pengering ERK dimodifikasi berdasarkan perhitungan optimisasi dengan menggunakan suhu 45 o C dan kecepatan udara di atas rak pengering 0.04 m/dt pada tingkat radiasi surya 500 W/m 2. Pengeringan berlangsung selama 50 jam dari kadar air awal 72.8 % hingga 12 % bb. Berdasarkan perhitungan optimisasi tersebut diperoleh harga alat sebesar Rp ,- dengan luas bangunan pengering 13 m 2, luas plat absorber 5.12 m 2, luas rak 7.84 m 2 dan daya kipas 247 W. Luas pipa penukar panas 1.2 m 2 dan laju bahan bakar 1.1 kg arang kayu per jam (Lampiran III-2). Nilainya masih cukup dekat dengan biaya konstruksi yang dihasilkan dari perhitungan optimisasi pada ketiga percobaan. Tabel III-1. Performansi pengering ERK berdasar hasil perhitungan optimisasi dan pengujian lapang. No. Parameter Percobaan 1 Percobaan 2 Percobaan 3 Pengukuran lapang Optimisasi Pengukuran lapang Optimisasi Pengukuran lapang Optimisasi 1 Suhu ( o C) Radiasi surya (W/m 2 ) 3 Kecepatan udara di atas tumpukan rak (m/dt) 4 RH (%) Kadar air awal (% bb) 6 Kadar air akhir (% bb) 7 Daya Kipas (W) 8 Waktu pengeringan rata-rata (jam) 9 Biaya Konstruksi (Rp) Pada percobaan 2, biaya konstruksi hasil optimisasi paling rendah, disebabkan oleh kebutuhan akan luas pipa penukar panas dan laju bahan bakar rendah untuk mendapatkan suhu 39.6 o C dengan tingkat radiasi cukup besar, yaitu 483 W/m 2. Pada percobaan 3, biaya konstruksi optimum lebih besar dibandingkan percobaan 1 dan 2, karena dibutuhkan bahan bakar yang lebih

11 banyak dan peningkatan luas pipa penukar panas untuk mempertahankan suhu 48.4 o C dengan kondisi radiasi yang rendah yaitu 310 W. Data dan hasil perhitungan optimisasi dengan menggunakan data percobaan 1, 2 dan 3 disajikan pada Lampiran III-3, Lampiran III-4 dan Lampiran III Pengaruh Kapasitas terhadap Biaya Konstruksi Pengering ERK Perhitungan optimisasi menghasilkan data performansi pengeringan ERK dan biaya konstruksi optimum. Dalam penelitian ini hasil perhitungan optimisasi dibuat dalam delapan skenario hasil yang dinyatakan dalam Lampiran III-6 sampai Lampiran III-12. Ke delapan skenario hasil perhitungan optimisasi tersebut merupakan contoh hasil perhitungan keluaran dari model untuk beberapa kasus dengan perlakuan perubahan massa, suhu dan kecepatan. Model optimisasi ini dapat digunakan untuk mendapatkan biaya konstruksi pada berbagai masukan data yang berbeda sesuai dengan kondisi lokasi, cuaca, iklim atau sifat termofisik komponen penyusun sesuai dengan yang diinginkan pengguna. Tabel III-2 merupakan hasil yang dihitung pada kondisi suhu 50 o C, diberikan 3 skenario hasil pada kondisi massa yang berbeda. Pada hasil tersebut biaya konstruksi pengering ERK untuk cengkeh meningkat dengan bertambahnya kapasitas cengkeh yang dikeringkan. Pada skenario 1 (Lampiran III-6), untuk mengeringkan cengkeh sebanyak 141 kg (± 0.1 ton) dibutuhkan biaya konstruksi pengering ERK sebesar Rp ,- terdiri dari biaya komponen dinding, rangka dan rak sebesar Rp ,- untuk luas bangunan 2.5 m x 2.5 m (= 6.25 m 2 ) dan luas masing-masing rak 2.89 m 2, ada 8 tingkat rak dengan jarak antar rak sebesar 20 cm. Biaya kipas dengan daya 90 W sebesar Rp ,- Untuk mempertahankan suhu udara pengering sebesar 50 o C pada siang hari, maka dibutuhkan luas plat absorber 3.36 m 2 dengan biaya sebesar Rp ,- dan penukar panas (heat exchanger) seluas 1.4 m 2 dengan biaya Rp ,- serta laju pembakaran arang 1.2 kg jam dengan biaya tungku sebesar Rp ,-. Pada skenario 2 (Lampiran III-7), untuk kapasitas cengkeh 386 (± 0.4 ton) biaya konstruksi optimum adalah Rp ,-. Biaya ikonstruksi ini terdiri dari biaya untuk bahan dinding, rangka dan rak sebesar Rp ,- dengan luas bangunan 3.6 m x 3.6 m (= 13 m 2 ) dan luas rak 7.84 m 2 dan biaya kipas dengan daya 243 W sebesar Rp ,-. Biaya plat absorber seluas 5.12 m 2 adalah Rp ,-. Energi dari pembakaran arang digunakan rata-rata 4.8 kg/jam Untuk keperluan tersebut digunakan penukar panas seluas 5.4 m 2. Biaya tungku dan penukar panas masing-masing adalah sebesar Rp ,- dan Rp ,-. Pada skenario 3 (Lampiran III-8), untuk kapasitas cengkeh 1042 kg (± 1 ton) biaya konstruksi optimum adalah Rp ,-. Biaya konstruksi ini terdiri dari biaya untuk bahan dinding, rangka dan rak sebesar Rp ,- dengan luas bangunan 5.4 m x 5.4 m (= 29.2 m 2 ) dan luas rak m 2 dan biaya kipas dengan daya 656 W sebesar Rp ,-. Biaya plat absorber seluas 8 m 2 adalah Rp ,-. Plat absorber sedikit lebih luas dibandingkan dengan luas lantai bangunan, sehingga plat absorber sebagian dipasang pada bagian sisi tegak dinding.

12 Energi dari pembakaran arang rata-rata dengan laju pembakaran arang 15 kg/jam Untuk keperluan tersebut digunakan penukar panas seluas 17 m 2. Biaya tungku dan penukar panas masing-masing adalah sebesar Rp ,- dan Rp ,-. Pada Tabel III-2 nampak kecenderungan bahwa semakin besar kapasitas cengkeh yang dikeringkan, luasan lantai dan daya kipas yang dibutuhkan semakin besar pula. Tabel III-2. Hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK pada kondisi suhu 50 o C, kecepatan udara di atas produk 0.04 m/dt dan waktu pengeringan 35.7 jam Simbol Skenario 1 Skenario 2 Skenario 3 Massa cengkeh (kg) m Luas absorber (m 2 ) Ap Luas bangunan (m 2 ) Af Luas rak (m 2 ) Ac Daya kipas (W) P Luas penukar panas (m 2 ) A-he Laju pembakaran arang (kg/jam) mbb Biaya kostruksi (Rp) Harga Daya kipas ini diperlukan untuk meniupkan uap air dari permukaan produk karena kecepatan udara pengering di atas tumpukan produk harus dipertahankan tetap sebesar 0.04 m/dt, dengan semakin bertambahnya luasan produk (luas rak) maka daya kipas yang dibutuhkan juga semakin besar. Pada kondisi demikian cengkeh dapat dikeringkan selama 35.7 jam atau 2 hari jika jam kerja perhari 24 jam. Untuk mempertahankan suhu tetap pada 50 o C maka laju pembakaran bahan bakar juga semakin meningkat dan sejalan dengan peningkatan tersebut dibutuhkan luasan penukar panas yang semakin meningkat pula. Gambar III-1 memperlihatkan hubungan antara kapasitas pengeringan dan biaya konstrusi pengering ERK serta ukuran komponen-komponen penyusun pengering ERK.

13 Ap (m ) Ac (m ) P (x 100 W) A-he (m ) mbb (kg/jam) Cost (x 1 jt Rp) Massa cengkeh (kg) Gambar III-1. Hubungan antara kapasitas cengkeh dan biaya konstruksi pengering ERK serta ukuran komponen-komponen penyusun pengering ERK pada suhu udara pengering 50 o C, kecepatan udara di atas rak 0.04 m/dt Pengaruh Perubahan Suhu terhadap Biaya Konstruksi Pengering ERK Optimum Hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK pada berbagai suhu pengeringan, yaitu 45 o C, 48 o C, 50 o C dan 60 o C, masing-masing sebagai skenario 4 (Lampiran III- 2), skenario 5 (Lampiran III-9), skenario 2 (Lampiran III-7) dan skenario 6 (Lampiran III-10), ditunjukkan pada Tabel III-3. Peningkatan suhu menghasilkan peningkatan biaya konstruksi pengering ERK. Peningkatan suhu menyebabkan kebutuhan plat absorber yang semakin besar, penukar panas dan laju pembakaran arang juga semakin besar. Pengaruh perubahan suhu terhadap perubahan komponen pengering ERK dinyatakan dalam Gambar III-2. Tabel III-3. Hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK pada berbagai kondisi suhu udara pengering (kecepatan udara di atas produk 0.04 m/dt dan massa cengkeh 386 kg) Simbol Skenario 4 Skenario 5 Skenario 2 Skenario 6 Suhu ( o C) T Waktu pengeringan (jam) dt Daya kipas (W) P Luas penukar panas (m 2 ) A-he Laju pembakaran arang mbb

14 (kg/jam) Biaya kostruksi (Rp) Harga dt (jam) P (x 100 W) A-he (m ) mbb (kg/jam) Cost (x 1jt Rp) Suhu udara pengering ( C) Gambar III-2. Hubungan antara suhu pengeringan dan biaya konstruksi pengering ERK serta ukuran komponen-komponen penyusun pengering ERK pada kecepatan udara di atas rak 0.04 m/dt dan kapasitas alat 386 kg cengkeh. Komponen yang berpengaruh terhadap peningkatan biaya adalah penukar panas dan laju pembakaran arang. Daya kipas hanya sedikit berubah, luas bangunan tetap, karena kapasitas yang diinginkan adalah sama yaitu (386 kg) ± 0.4 ton. Perubahan suhu tidak memberikan pengaruh yang signifikan terhadap perubahan biaya konstruksi pengering, peningkatan suhu lebih berpengaruh terhadap waktu pengeringan yang semakin singkat. Dimana hal ini akan nampak pengaruhnya pada biaya operasional (biaya tak tetap) pengeringan pada analisis biaya yang akan dibahas pada Bab VI disertasi ini Pengaruh Perubahan Kecepatan terhadap Biaya Konstruksi Pengering ERK Optimum Kecepatan yang digunakan adalah 0.04 m/dt (skenario 2), 0.05 m/dt (skenario 7) dan 0.06 m/dt (skenario 8). Hasil perhitungan optimisasi ketiga skenario kecepatan tersebut disajikan pada Lampiran III-7 (skenario 2), Lampiran III-11 (skenario 7), Lampiran III-12 (skenario 8). Peningkatan kecepatan udara di atas produk (rak pengering) menyebabkan naiknya biaya konstruksi pengeringan ERK. Pengaruh yang sangat besar terletak pada biaya kipas akibat besarnya daya kipas yang dibutuhkan untuk mendapatkan aliran udara yang diinginkan. Akibat dari peningkatan kecepatan tersebut, maka laju pembakaran arang semakin besar dan pipa penukar panas yang lebih luas untuk mempertahankan suhu pada 50 o C. Peningkatan kecepatan

15 menyebabkan penurunan waktu pengeringan. Secara grafik, pengaruh perubahan kecepatan terhadap perubahan masing-masing komponen pengering ERK dinyatakan dalam Gambar III-3. Tabel III-4. Hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK pada berbagai kondisi kecepatan udara pengering (suhu udara pengering 50 o C, massa cengkeh 386 kg) Skenario 2 Skenario 7 Skenario 8 Kecepatan udara (m/dt) Waktu pengeringan (jam) Daya kipas (W) Luas penukar panas (m 2 ) Laju pembakaran arang (kg/jam) Biaya kostruksi (Rp) dt (jam) P (x 100 W) A-he (m ) mbb (kg/jam) cost (x 1jt Rp) Kecepatan udara pengering (m/dt) Gambar III-3. Hubungan antara kecepatan udara pengering dan biaya konstruksi pengering ERK serta ukuran komponen-komponen penyusun pengering ERK pada suhu udara pengering 50 o C KESIMPULAN Model optimisasi pengeringan ERK dapat digunakan untuk menentukan biaya konstruksi dan operasi sistem pengering ERK yang optimal. Pengering ERK yang telah dimodifikasi didasarkan pada perhitungan optimisasi dengan menggunakan suhu 45 o C dan kecepatan udara di atas rak pengering 0.04 m/dt pada tingkat radiasi surya 500 W/m 2. Pengeringan berlangsung selama 50 jam dari kadar air awal 72.8 % hingga 12 % bb. Berdasarkan perhitungan optimisasi tersebut diperoleh harga alat sebesar Rp ,- dengan luas bangunan pengering 13 m 2, luas plat absorber 5.12 m 2, luas rak 7.84 m 2 dan daya kipas 247 W. Luas pipa penukar panas 1.2 m 2 dan laju bahan bakar 1.1 kg arang kayu per jam.

16 Berdasarkan berbagai hasil perhitungan optimisasi, dapat disimpulkan bahwa, biaya konstruksi optimal pengering ERK yang dihasilkan dalam model sangat dipengaruhi oleh perubahan kapasitas. Komponen biaya terbesar adalah biaya bahan dinding, rangka dan rak. Perubahan suhu udara pengering pada kapasitas yang yang sama memberikan pengaruh yang tidak terlalu besar terhadap perubahan biaya konstruksi, tetapi lebih kepada waktu pengeringan. Perubahan kecepatan udara di atas produk (rak) pada kapasitas yang sama memberikan pengaruh yang signifikan terhadap perubahan biaya konstruksi pengering ERK DAFTAR PUSTAKA Anwar, C Model Matematis Pengeringan Lapisan Tipis Cengkeh (Eugenia caryophillus S). Skripsi. FATETA. IPB. Bogor. Brooker, D. B., F. W. Bakker Arkema, and C. W. Hall Drying Cereal Grains., AVI Pub., Co., Inc. Wesport, Connecticut. Chapman, A. J Heat Transfer. Macmillan Pub. Co. New York. Collier Macmillan Publishers. London. Dyah W. dan Kamaruddin A Optimization of construction cost of Greenhouse Effect Solar Dryer for Coffee (Coffea Sp). Asia-Australia Drying Conference Malaysia. Hartani, N. S Model Simulasi Pengeringan Cengkeh Tipe Cross-Flow. Skripsi. FATETA. IPB. Bogor. Henderson, S. M. dan Perry, R. L Agricultural Process Engineering. The AVI Pub. Co. Inc. West-port. Connecticut. Kamaruddin A., Simple Computer Programming to Optimize Solar Drying System of Grain. Seminar Paper, AGPP Seminar, Phuket. Thailand. Kamaruddin, A., Tamrin, Frans W. dan Dyah W Optimisasi dalam Perencanaan Alat Pengering Hasil Pertanian dengan Energi Surya. Laporan Akhir Penelitian Hibah Bersaing I. Ditjen DIKTI, Departemen Pendidikan dan Kebudayaan. IPB. Bogor. Kamaruddin A., et al., Final report - Utilization of environmental friendly natural energy to promote agro-base Industry - A Japanese ODA Grassroots Project. CREATA-IPB, Bogor. Stoecker, W. F Design of Thermal Systems. Int. Student Edition. Mc Graw Hill, Kogakusha. Tokyo. Sukiman, M Rancangan dan Uji Performansi Prototipe Rak Pengeringan Cengkeh pada Alat Pengering Cengkeh Mekanis. Skripsi. FATETA. IPB. Bogor. Wahyudi, A Menentukan Koefisien Pengeringan Faktor Geometris dan Kadar Air Keseimbangan Dinamis Cengkeh (Eugenia caryophyllus SPRENGEL). Skripsi. FATETA IPB. Bogor.