BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. PENGERINGAN Pengeringan adalah proses pengurangan kelebihan air yang (kelembaban) sederhana untuk mencapai standar spesifikasi kandungan kelembaban dari suatu bahan. Pengeringan ini penting adalah untuk mengurangi kadar air bahan makanan pada umumnya memiliki kadar air sekitar 25-80%, tetapi untuk hasil pertanian sekitar 70% [12]. Pengeringan untuk hasil pertanian sudah dilakukan sejak zaman dahulu dengan berbagai tujuan, antara lain untuk memperpanjang umur penyimpanan, meningkatkan mutu dan menjamin ketersediaan hasil pertanian yang bersifat musiman. Di negara-negara yang hanya memiliki 2 musim seperti Indonesia, pengawetan hasil pertanian dengan cara pengeringan merupakan metode yang umum dilakukan. Selain prosesnya mudah, cara ini juga lebih murah karena ketersediaan sinar matahari yang melimpah sepanjang tahun [13]. Pengeringan bertujuan untuk mengurangi kadar air produk sampai tingkat tertentu ataupun biasa disebut titik ketimbangan sehingga dapat mencegah tumbuhnya jamur dan mikroorganisme yang dapat menyebabkan terjadinya penurunan mutu. Selain itu juga untuk menurunkan kadar air sehingga mencegah kerusakan pada hasil pertanian [14]. Proses pengeringan berbagai hasil pertanian umumnya menggunakan matahari langsung di bawah langit yang terbuka tanpa menggunakan alat pengering. Metode konvensional ini yang paling banyak digunakan oleh daerah perkotaan dan pedesaan di negara-negara berkembang. Pengeringan dengan matahari langsung ini berlangsung relatif lambat sehingga dapat menyebabkan kerugian bagi para petani. Akibat lainnya adalah hasil pertanian terkontaminasi oleh debu, serangga, tikus, dan hewan lain sehingga menurunkan kualitas makanan dan akhirnya tidak dapat dijual [15]. Adapun teknik pengeringan yang dilakukan petani yaitu teknik pengeringan dengan matahari secara alami dan teknik pengeringan dengan udara panas buatan yang biasa juga disebut dengan oven. Pemilihan teknik pengeringan sangat 6

2 tergantung pada skala produksi dan keterjangkauan dari segi biaya. Saat ini, pengeringan dengan matahari secara alami masih merupakan metode yang paling banyak digunakan terutama oleh petani [16] PENGERINGAN SURYA (SOLAR DRYING SISTEM) Surya atau yang lebih dikenal dengan matahari merupakan sebuah bola besar yang terdiri dari bahan gas panas yang menjadi sumber energi yang sangat besar yang disebut juga dengan energi surya. Diameter yang dimiliki matahari adalah sekitar 1,39 x 10 6 Km dan jaraknya dari bumi adalah sekitar 1,5 x 10 8 Km. Suhu pada permukaan matahari dapat mencapai 5762 K. Besarnya daya yang keluar dari permukaan matahari sekitar 3,7 x KW. Daya rata-rata yang diterima dari matahari persatuan luas dalam arah tegak lurus radiasi datang di luar atmosfer bumi pada pada batas atmosfer bumi adalah 1353 W/m 2. Daya matahari inilah yang dikonversi menjadi energi surya [17]. Energi surya merupakan salah satu sumber energi yang tidak akan pernah habis. Energi surya dipancarkan ke bumi secara radiasi, yaitu perpindahan panas dalam bentuk gelombang elektromaknetik tanpa medium perantara. Energi surya juga merupakan salah satu bentuk energi alternatif yang dimanfaatkan untuk berbagai kepentingan yang dapat menggantikan fungsi dari bahan bakar minyak. Untuk mengubah radiasi matahari menjadi energi panas dibutuhkan kolektor surya. Kolektor tersebut akan dipasangkan pada suatu alat pengering energi surya [18,19]. Pengeringan dengan energi surya merupakan penerapan sistem energi surya yang paling menarik dan menjanjikan di negara-negara tropis dan subtropis seperti Indonesia. Pengembangan teknis pengeringan energi surya ini dapat dilaksanakan dalam dua arah. Pertama, sederhana, memiliki daya rendah, berumur pendek, dan efisiensi pengeringan relatif rendah. Kedua, efisiensi pengeringan tinggi, memiliki daya tinggi, dan berumur panjang [20]. Terdapat tiga jenis pengeringan, yaitu: (i) dengan matahari yang terbuka, (ii) secara langsung dengan energi surya dan (iii) tidak langsung dengan energi surya. Prinsip kerja dari ketiga jenis ini terutama tergantung pada metode pengumpulan 7

3 energi surya pengumpulan dan konversinya menjadi energi panas yang berguna [3] PENJEMURAN LANGSUNG (OPEN SUN DRYING) Hasil pertanian umumnya disebar di lahan yang luas, tikar, atau lantai semen di mana mereka dapat menerima energi matahari panjang gelombang yang pendek selama sehari dan juga sirkulasi udara yang alami. Sebagian dari energi akan dipantulkan kembali dan sisanya akan diserap oleh permukaan hasil pertanian yang dikeringkan dan hasilnya tergantung pada warna tanaman tersebut. Radiasi yang diserap akan diubah menjadi energi panas dan temperatur bahan mulai meningkat. Namun, akan terjadi beberapa kerugian salah satunya adalah terjadi kehilangan panas secara konveksi melalui angin yang bertiup di atas permukaan hasil pertanian [21]. Gambar 2.1 Prinsip Kerja Penjemuran Langsung [3] PENGERINGAN SECARA LANGSUNG (DIRECT SOLAR DRYING) Pengering ini disebut juga dengan pengering kabinet. Sebagian dari radiasi matahari pada kaca penutup akan dipantulkan kembali ke atmosfer dan sisanya akan ditransmisikan dalam pengering kabin. Selanjutnya, bagian radiasi yang 8

4 ditransmisikan tersebut akan dipantulkan kembali ke permukaan tanaman. Bagian itulah yang akan diserap oleh permukaan tanaman. Karena radiasi matahari yang serap, maka temperatur tanaman akan meningkat dan radiasi tidak lagi kembali ke atmosfir karena adanya kaca penutup tidak seperti pengeringan dengan matahari terbuka. Dengan demikian temperatur tanaman dalam ruang pengering akan meningkat. Namun, kerugian terjadi secara konvektif dalam ruang pengering dari hasil pertanian yang dikeringkan. Kelembaban akan diambil oleh udara yang masuk ke dalam ruangan dari bawah dan keluar juga melalui lubang lain yang berada di atas [3]. Gambar 2.2 Prinsip Kerja Pengeringan secara Langsung [21] PENGERINGAN SECARA TIDAK LANGSUNG (INDIRECT SOLAR DRYING) Hasil pertanian pada pengering tidak langsung ini akan ditempatkan pada nampan atau rak pada lemari pengeringan dan sebuah unit pemanas terpisah yang disebut dengan kolektor surya yang akan digunakan untuk memanaskan udara yang masuk ke dalam kabinet. Udara yang dipanaskan akan mengalir melewati yang basah sehingga terjadi perpindahan panas secara konveksi antara udara panas dengan tanaman yang basah. Pengeringan terjadi karena adanya perbedaan konsentrasi uap air antara pengeringan udara dan udara di sekitar permukaan tanaman. 9

5 Pengeringan tidak langsung memberikan kontrol pengeringan yang lebih baik dan kualitas produk yang dikeringkan lebih baik daripada pengeringan dengan matahari terbuka. Pengeringan tidak langsung ini juga memiliki efisiensi yang lebih besar daripada pengeringan langsung. Namun, struktur pengeringa yang relatif rumit membutuhkan investasi modal yang lebih besar dalam peralatannya dan dikenakan biaya pemeliharaan lebih besar dari unit pengeringan langsung [21]. Gambar 2.3 Prinsip Kerja Pengeringan secara Tidak Langsung [3] 2.3. JENIS-JENIS PENGERING SURYA Pengering surya secara umum dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori luas, yaitu aktif dan pasif. Pengering pasif hanya menggunakan gerakan alami udara panas. Pengering dapat dibuat dengan mudah dan murah. Pengering ini sesuai untuk pertanian kecil di mana bahan bangunan untuk membuat pengering seperti kayu sudah tersedia. Pengering pasif langsung adalah suatu pengering di mana produk langsung terkena sinar matahari. Pengering pasif langsung adalah yang terbaik untuk pengeringan kecil secara batch untuk buah-buahan dan sayuran seperti pisang, nanas, mangga, kentang, wortel dan kacang Perancis. Pengering ini terdiri dari ruang pengering yang ditutupi oleh penutup transparan yang terbuat dari kaca atau plastik. Ruang pengering biasanya kotak yang terisolasi dengan lubang udara di 10

6 dalamnya untuk memungkinkan udara masuk dan keluar kotak. Sampel produk ditempatkan pada baki berlubang yang memungkinkan udara mengalir melalui produk [3]. Gambar 2.4 Pengering Surya Pasif [21] Pengering surya aktif dirancang menggabungkan cara eksternal, seperti kipas atau pompa, untuk memindahkan energi surya dalam bentuk udara panas dari kolektor ke tempat pengeringan. Kolektor tersebut harus diposisikan pada sudut yang tepat untuk mengoptimalkan pengumpulan energi surya. Dalam sebuah pengering aktif, udara yang dipanaskan mengalir melalui ruang pengering surya sedemikian rupa untuk mengeringkan sebanyak mungkin luas permukaan produk. Produk yang dikeringkan ditempatkan pada rak pengeringan atau nampan dan udara panas memungkinkan mengalir ke semua sisi makanan. Udara panas akan mengalir melalui nampan makanan ditumpuk [3]. 11

7 Gambar 2.5 Pengering Surya Aktif [21] 2.4 HASIL PERKEBUNAN DAN PERTANIAN Indonesia dikenal sebagai negara agraris karena sebagian besar penduduknya mempunyai pencaharian di bidang pertanian atau bercocok tanam. Hal ini didasarkan pada kenyataan bahwa negara ini memiliki lahan seluas lebih dari 31 juta Ha yang telah siap tanam. Pertanian di Indonesia menghasilkan berbagai macam tumbuhan komoditi ekspor, antara lain padi, jagung, kedelai, sayur-sayuran, cabai, ubi, dan singkong. Khususnya hasil perkebunan dan pertanian di Sumatera Utara. Hingga kini, perkebunan tetap menjadi primadona perekonomian provinsi. Perkebunan tersebut dikelola oleh perusahaan swasta maupun negara. Sumatera Utara menghasilkan karet, coklat, teh, kelapa sawit, kopi, cengkeh, kelapa, kayu manis, dan tembakau. Komoditas tersebut telah diekspor ke berbagai negara dan memberikan sumbangan devisa yang sangat besar bagi Indonesia. Selain komoditas perkebunan, Sumatera Utara juga dikenal sebagai penghasil komoditas holtikultura (sayur-mayur dan buah-buahan) [22] KOLEKTOR SURYA Pengering surya adalah suatu sistem pengering yang memanfaatkan energi surya. Sistem pengering surya terdiri dari dua bagian utama yaitu kolektor surya 12

8 dan ruang pengering. Kolektor surya adalah suatu alat yang dapat mengumpulkan atau menyerap radiasi surya dan mengkonversikan menjadi panas [23]. Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu: [23, 24] 1. Penutup berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan. Biasanya berupa bahan transparan. 2. Absorber berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari. Biasanya menggunakan bahan yang berwarna hitam. 3. Isolator berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan. 4. Rangka berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor. Merupakan rangka yang kokoh, mudah dibentuk dan tahan lama. Prinsip kerja kolektor surya adalah radiasi akan diserap oleh plat absorber kemudian dikonversi menjadi panas sehingga temperatur plat akan bertambah. Lalu panas akan mengalir melalui plat absorber. Perpindahan panas akan terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi [23] PERPINDAHAN PANAS PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI Konduksi adalah proses perpindahan panas yang mengalir dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah melalui benda penghubung yang diam (tidak dalam mengalir). Besar kecil perpindahan panas ditentukan oleh karakteristik zat dan benda yang dilalui panas pada waktu perpindahan dari satu benda ke benda lain. Pada alat ini terjadi pada peristiwa kehilangan panas dari kolektor surya. Laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier. Dimana:. dt Q c = ka (2.1) dx 13

9 Q c = laju perpindahan panas (Watt); k = konduktivitas thermal (W/m.K); A = luas penampang yang terletak pada aliran panas (m 2 dt ); = gradien temperatur dx dalam aliran panas (K/m). Nilai angka konduktifitas termal menunjukan beberapa cepat kalor mengalir dalam bahan tertentu. Peristiwa perpindahan konduksi pada mesin pengering tenaga surya terjadi pada sisi-sisi kolektor yang diisolasi oleh rockwoll, sterofoam dan kayu. Energi panas hilang (Qloss) berpindah dari ruang dalam (kanal) kolektor menuju temperatur yang lebih dingin (temperatur lingkungan) [24,25] PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI Konveksi merupakan proses perpindahan panas dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah melalui media, dimana media tersebut haruslah memiliki sifat fluida (konduktivitas termal, kalor spesifik dan densitas). Syarat utama mekanisme perpindahan panas konveksi adalah adanya aliran fluida. Perpindahan panas konveksi pada pengering terjadi pada fluida kerja yang digunakan (udara). Jika suatu plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada sumber gerakan dari luar, maka udara itu akan bergerak sebagai akibat terjadinya gradien densitas di dekat plat itu, peristiwa ini dinamakan konveksi alamiah (natural convection) atau konveksi bebas (free convection), untuk konveksi paksa (forced convection) terjadi apabila udara itu dihembuskan pada plat dengan fan. Perpindahan panas konveksi pada saluran kolektor sangat dipengaruhi oleh bilangan Reynold, apakah laminar maupun turbulent. Bilangan Reynold pada plat datar dirumuskan sebagai berikut: ρvl R e = (2.2) µ Dimana : Re = bilangan Reynold L = panjang kolektor (m) µ = viskositas dinamik (kg/m.s) ρ = massa jenis (kg/m 3 ) V = kecepatan rata-rata dari fluida (m/s) Dengan pembagian jenis aliran berdasarkan bilangan Reynold sebagai berikut: 14

10 Re < 5x10 5 untuk aliran Laminar Re > 5x10 5 untuk aliran Turbulen Untuk laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut: Qh = ha(ts - T ) (2.3) Dimana : Qh = laju perpindahan panas (Watt); h = koefisien konveksi (W/m 2.K); A = luas permukaan kolektor surya (m 2 ); Ts = temperatur dinding (K); T = temperatur udara lingkungan (K) [24,25] PERPINDAHAN PANAS RADIASI Radiasi adalah proses perpindahan panas dari benda bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur rendah dimana tidak diperlukan zat atau benda penghubung, serta panas memancar dengan cara radiasi gelombang elektromagnetik. Perpindahan panas radiasi pada alat ini terjadi pada absorber kolektor surya. Peristiwa radiasi yang dipancarkan oleh matahari, dan dikonversikan dalam bentuk panas terjadi pada plat absorber serta adanya pengaruh dari emisifitas permukaan benda hitam (plat absorber). Perpindahan panas secara radiasi dirumuskan sebagai berikut: Q r ) = ε. σ. A.( T T (2.4) Dimana: Qr = laju perpindahan panas radiasi (W); A = luas permukaan (m 2 ); ε = emisivitas panas permukaan (0 ε 1); σ = konstanta Stefan Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m 2 K 4 ) [24,25]. 15