SIMULASI RANCANGAN MESIN PENGERING EFEK RUMAH KACA TIPE TEROWONGAN UNTUK PENGERINGAN KOMODITI HASIL PERTANIAN

Transkripsi

1 SIMULASI RANCANGAN MESIN PENGERING EFEK RUMAH KACA TIPE TEROWONGAN UNTUK PENGERINGAN KOMODITI HASIL PERTANIAN Sholahuddin 1), Leopold O Nelwan 2), Abdul Roni Angkat 3) 1) Staf Pengajar pada Fakultas Pertanian, Universitas Tanjungpura, Pontianak 2) Staf Pengajar pada Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor 3) Staf Badan Pengembangan SDM Pertanian, Balai Pelatihan Pertanian Jambi korespondensi : sholahuddin.tep@gmail.com Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan model matematik dalam menduga efektivitas perpindahan panas dan massa mesin pengering efek rumah kaca (ERK) tipe terowongan, serta menduga performansi mesin untuk mengeringkan komoditi hasil pertanian. Metode yang digunakan adalah menentukan spesifikasi dimensi mesin pengering dan kecepatan aliran udara yang menjadi masukkan dalam persamaan matematik yang disusun berdasarkan kesetimbangan panas dan massa. Hasil simulasi menunjukkan perubahan ketinggian bangunan pengering ERK menentukan panas radiasi yang diterima bahan yang dikeringkan. Suhu rata-rata bahan yang dicapai adalah 43,0 C pada ketinggian bangunan pengering 1,2 m, sedangkan pada ketinggian 1,6 m dan 2,1 m masing-masing sebesar 44.8 C dan 46,7 C. Sementara perubahan kecepatan aliran udara berpengaruh pada suhu udara pengering serta efisiensi termal mesin pengering ERK. Pada kecepatan aliran udara 0,04 m/dt menghasilkan suhu udara pengering 44,3-45,4 C dan mampu menguapkan air bahan sebanyak 20,9 kg air/10 jam dengan efisiensi rata-rata sebesar 33,2%, sedangkan pada kecepatan aliran udara 0,25 m/dt menghasilkan suhu udara pengering sekitar 34,9 C dan air yang diuapkan sebanyak 31.6 kg air/10 jam dengan efisiensi ratarata 47.3%. Berdasarkan hasil ini disimpulkan bahwa kecepatan aliran udara mempengaruhi efektivitas proses pengeringan dan rancangan pengering ketinggian rendah lebih direkomendasikan agar diperoleh kecepatan aliran udara tinggi dengan kebutuhan kapasitas blower yang kecil. Kata kunci: pengering ERK, tipe terowongan, model matematik, kecepatan aliran udara I. PENDAHULUAN Proses pengeringan merupakan bagian penting dalam penanganan komoditi hasil pertanian. Pengeringan selain bertujuan untuk mengawetkan bahan, juga menjadikannnya lebih ringkas, lebih mudah diangkut dan lebih luwes untuk diolah (Haryadi, 2011). Proses ini harus dilakukan secara benar karena akan mempengaruhi kualitas komponen gizi yang terkandung dalam bahan pangan tersebut. Selain itu, proses pengeringan akan sangat menentukan mutu visual dari produk yang dihasilkan. Pengembangan teknologi pengeringan energi surya oleh Kamaruddin (1998) merupakan terobosan dalam mengatasi mahalnya biaya proses pengeringan (Prasojo, 2009). Pemanfaatan energi surya berupa alat pengering efek rumah kaca (ERK) juga merupakan alternatif untuk mengatasi kendala pengeringan dengan sinar matahari langsung yang umum berlaku di masyarakat seperti kapasitas yang rendah dan membutuhkan waktu yang lama, serta resiko kontaminasi dan gangguan dari binatang selama proses penjemuran yang menyebabkan hasil pengeringan kurang higienis. Khususnya Provinsi Kalimantan Barat, secara geografis mempunyai potensi energi surya yang cukup besar disepanjang tahunnya. Sebagaimana yang dilaporkan oleh Siagian (2013), intensitas radiasi surya di Kalimantan Barat rata-rata sekitar 4.8 kwh/m 2 per hari. Jumlah energi ini jika dimasukkan ke dalam perhitungan (Irfan, 2008) setara dengan energi untuk menguapkan air sebanyak 1,7 kg/jam/m 2. Oleh karena itu, pemanfaatannya sebagai sumber energi untuk pengering produk pertanian diharapkan menjadi solusi alternatif terhadap permasalahan biaya serta terbatasnya ketersediaan energi untuk proses pengeringan terutama bagi usaha kecil-menengah yang ada di pedesaan. 61

2 Agar dihasilkan alat pengering ERK yang efisien dan efektif untuk proses pengeringan maka dalam perancangannya perlu dilakukan perhitungan dan simulasi. Simulasi berarti membuat sistem buatan dengan meniru performasi suatu sistem nyata (Stocker, 1971). Hal ini dilakukan dengan beberapa alasan, misalnya karena faktor biaya yang terlalu besar untuk meneliti sistem nyata, atau belum tersedianya sistem nyata karena masih dalam tahap perancangan. Dengan simulasi, pengaruh parameter-parameter sistem mesin pengering dapat dilakukan pendugaan secara ekstensif. Sehingga akan memberikan keuntungan dipandang dari segi biaya dan waktu, dan hasilnya dapat digunakan sebagai dasar untuk merancang alat pengering dan menghindari operasi pengeringan yang tidak tepat, seperti kekurangan laju aliran udara, suhu yang tidak memadai, dan efisiensi sistem pengeringan yang rendah. II. METODOLOGI Rancangan mesin pengering ERK Rancangan pengering ERK terdiri atas lantai beton, rangka, plat absorber, dan plastik transparan (Gambar 1). Lantai cor beton berfungsi untuk mencegah kehilangan panas dan untuk meletakkan bahan yang dikeringkan. Rangka bangunan terbuat dari pipa galvanis yang dibentuk menjadi setengah lingkaran/elips berfungsi untuk menahan plastik transparan dan plat absorber. Plat absorber berupa plat seng bergelombang yang dicat hitam kusam di bagian permukaan atasnya. Setiap meter persegi plat bergelombang ini eqivalen dengan 1.2 m 2 plat datar. Plastik transparan yang digunakan adalah plastik UV dengan spesifikasi tebal 0.02 mm, transmisi cahaya 85% dan absorbansi 15%. Pengering ERK dilengkapi dengan 2 unit blower yang berfungsi untuk mengalirkan udara pengering. Gambar 1. Rancangan mesin pengering ERK tipe terowongan Metoda Perhitungan dan Pengembangan Model Matematik Penentuan spesifikasi dimensi mesin pengering ERK dilakukan dengan menggunakan program SketchUp 2015 (free license). Perhitungan pindah panas dan massa sistem mesin pengering ERK menggunakan persamaan-persamaan yang dikembangkan dari Manalu dan Kamaruddin (2001). Data masukkan (input) yang diperlukan dalam perhitungan adalah ukuran (geometri) mesin pengering ERK, suhu udara lingkungan dan intensitas rata-rata iradiasi surya. Langkah penyelesaian secara skematik diagram alir proses perhitungan diilustrasikan pada Gambar 2. Mulai Pindah panas plat absorber Menggambar geometri pengering ERK Struktur dimensi pengering, suhu & RH lingkungan, iradiasi surya Simulasi pindah panas massa Pindah panas selubung transparan Pindah panas udara pengering Pindah panas bahan Selesai Suhu plat, suhu selubung, suhu udara, suhu bahan, laju penguapan air, 62

3 Gambar 2. Diagram alir perhitungan dan simulasi mesin pengering ERK tipe terowongan III. HASIL DAN PEMBAHASAN Simulasi pendugaan parameter mesin pengering ERK yang meliputi suhu dan kelembaban udara pengering adalah dengan memberikan nilai spesifikasi dimensi bangunan pengering sebagaimana Tabel 1. Perpindahan Panas Dan Massa Sistem Pengering ERK Dalam pengering ERK tipe terowongan ini, perhitungan dan simulasi perpindahan panas dan massa meliputi; perpindahan di plat absorber; perpindahan di selubung transparan, dinding dan lantai; perpindahan di udara pengering; dan perpindahan pada bahan yang dikeringkan. Pengembangan model matematik yang telah dilakukan sebagai berikut; Tabel 1. Spesifikasi mesin pengering ERK berdasarkan perubahan nilai ketinggian (m Cp) r (T r -T l ) Ketinggian bangunan Spesifikasi dimensi pengering ERK (m) Kehilangan panas yang terjadi di 1,2 1,6 2,1 selubung transparan terjadi secara perpindahan konveksi bebas dan radiasi. Lebar (m) Persamaan kesetimbangan panas di Panjang (m) selubung transparan diturunkan sebagai Luas penampang (m 2 ) 2,90 3,87 5,26 berikut; Volume bangunan (m 3 ) 14,54 19,35 26,29 Luas selubung transparan (m 2 ) 21,4 26,15 33,52 (m Cp) dt st st = h dt pla A pl (T pl -T st ) Luas plat absorber + ( A) pl F (T pl T st ) eqivalen (m 2 13,39 16,43 20,75 ) Iradiasi surya (I) masuk ke bangunan pengering melalui selubung transparan. Jumlah iradiasi surya yang masuk ke mesin pengering ERK dipengaruhi oleh hasil perkalian koefisien tembus cahaya selubung transparan dan koefisien penyerap panas oleh plat absorber ( ) (Kamaruddin et al., 1998). Energi iradiasi ini selanjutnya dipindahkan baik secara radiasi maupun secara konveksi ke selubung transparan dan ke ruang pengering, dan selebihnya diserap oleh plat absorber. Kesetimbangan panas di plat absorber diturunkan dalam persamaan berikut; (m Cp) pl dt pl dt = (ι )A pl I h pla A pl (T pl -T st ) h plb A pl (T pl -T r ) ( A) pl F (T 4 pl -T 4 st ) ( A) pl F(T 4 pl -T 4 d ) ( A) pl F(T 4 pl -T 4 b ) Perpindahan panas yang terjadi dari plat absorber ke aliran udara ruang pengering karena adanya blower akan meningkatkan suhu udara. Aliran udara ini berperan sebagai media penghantar panas untuk menaikkan suhu bahan dan menguapkan air bahan, serta menyerap uap air tersebut. Persamaan kesetimbangan panas udara pengering adalah sebagai berikut; (m Cp) r dt r dt = h pla A pl (T pl -T st ) + h plb A pl (T pl -T r ) h pb A b (T r -T b ) U d A d (T r -T l ) ( A) st F (T 4 st (T l 5) 4 ) h st A st (T st -T l ) Bahan yang dikeringkan di dalam ruang pengering akan menerima panas yang berasal dari plat absorber secara radiasi serta dari udara pengering secara konveksi. Selama proses pengeringan berlangsung, secara simultan terjadi peningkatan suhu bahan dan perubahan fase air uap pada bahan. Persamaan kesetimbangan panas dan massa bahan diturunkan sebagai berikut; 63

4 (m Cp) b dt b dt = h pb A b (T r -T b ) + ( A) pl F (T 4 pl -T 4 b ) U lt A l (T b -T l ) h pb a b (T b -T bw ) Penentuan Koefisien Pindah Panas Koefisien pindah panas untuk plat absorber permukaan bawah dan permukaan bahan didekati dengan persamaan di bawah (Holman, 1986), dan koefisien pindah panas konveksi antar plat absorber terhadap permukaan selubung transparan ditentukan mengikuti kaidah konveksi bebas pada ruang sempit yang secara detil dijelaskan oleh (Holman, 1986). Nu = h L L Re1 2Pr 1 3 k Koefisien pindah panas radiasi yang terjadi antara plat absorber terhadap selubung transparan, dan selubung transparan terhadap angkasa mengikuti kaidah-kaidah yang diterangkan oleh Kamaruddin et al. (1998). Sementara penentuan efektivitas perpindahan radiasi antara dua permukaan dipengaruhi oleh suatu faktor yang disebut faktor bentuk (shape factor). Pada mesin pengering ERK rancangan ini, perhitungan faktor bentuk didekati dengan persamaan berikut (Lienhard, 2006); F = 1 + ( h w ) 2 ( h w ) Suhu Dan Kelembaban Relatif Udara Pengering Pendugaan suhu udara ruang pengering dilakukan dengan menggunakan input data iradiasi surya Kota Pontianak yang dilaporkan oleh (Siagian, 2013) yaitu iradiasi maksimum 867 W/m 2. Suhu dan RH lingkungan masing-masing diasumsikan 32 C dan 65%. Suhu udara pengering dari beberapa variasi ketinggian bangunan pengering ERK disajikan pada Gambar 3. Gambar 3. Pendugaan suhu udara pengering berdasarkan ketinggian pengering ERK (t) dan kecepatan aliran udara. Simulasi pada kecepatan aliran udara konstan menghasilkan suhu udara pengering yang relatif sama di masingmasing ketinggian pengering. Sementara simulasi kecepatan aliran udara meningkat menghasilkan suhu udara yang menurun. Terlihat pada gambar terjadi penurunan suhu udara yang cukup besar pada rentang kecepatan aliran udara 0, m/s. Suhu udara pengering hasil simulasi ini relatif sebanding dengan yang dicapai oleh Wulandani (2005). Penggunaan kecepatan aliran udara sampai dengan 0,1 m/dt menyebabkan menurunnya suhu udara ruang pengering sampai dengan 37,9 C. Suhu udara ini masih cukup layak untuk proses pengeringan sebagaimana yang dilakukan Endri dan Suryadi (2013) untuk pengeringan biji kopi. Kecepatan aliran udara di atas 0.1 m/dt menyebabkan suhu udara pengering turun hingga 34,8 C.. Kualitas dan kapasitas udara pengeringan dipengaruhi oleh kelembaban relatif (RH) udara serta kecepatan udara yang digunakan. RH udara pengering ini akan mempengaruhi proses pengambilan uap air dari bahan. Semakin rendah RH udara pengering maka semakin besar kemampuannya dalam menyerap uap air dari permukaan bahan, sehingga laju pengeringannya akan semakin cepat. Sedangkan kecepatan aliran udara akan berpengaruh kepada jumlah udara kering yang melewati bahan per satuan waktu. 64

5 Sebagaimana ditunjukkan di Gambar 4, walaupun RH udara pada kecepatan aliran udara 0,25 m/dt relatif lebih tinggi dibandingkan kecepatan 0,04 m/dt, kapasitas uap air per jam yang dapat diserap meningkat 2,5 kali. permukaan bahan. Wulandani (1997) melaporkan bahwa terjadi variasi suhu sekitar 6 C antara udara di bagian bawah plat absorber dengan udara sekitar lantai. Hendrawan (1999) melaporkan bahwa terjadi penurunan suhu 4 C antara udara di posisi 10 cm dari sumber pemanas dengan udara di posisi 60 cm ketika perpindahan panas berlangsung secara konveksi bebas. Dari hasil simulasi diperoleh bahwa selisih suhu antara plat absorber dengan suhu udara menjadi menjadi lebih kecil seiring direndahkannya ketinggian pengering ERK, sehingga diduga variasi suhu udara di ruang pengering menjadi kecil. Gambar 4. Pengaruh kecepatan aliran udara terhadap RH udara dan kapasitas jenuh uap air udara pada ketinggian pengering ERK 1,2 m. Suhu dan laju penguapan uap air bahan Pendugaan suhu bahan berdasarkan perubahan ketinggian bangunan pengering dan kecepatan aliran udara disajikan pada Gambar 5. Terlihat bahwa suhu bahan selalu lebih tinggi dibandingkan dengan suhu udara pengering. Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh bahwa panas yang diterima oleh bahan didominasi dari pancaran energi radiasi plat absorber. Bentuk plat absorber yang hampir menyelimuti permukaan bahan menghasilkan nilai koefisien pindah panas radiasi cukup besar. Meningkatnya kecepatan aliran udara berpengaruh kepada proses pengambilan uap air dari bahan. Hal ini menyebabkan lambatnya akumulasi panas di bahan yang ditunjukkan dengan semakin rendahnya suhu bahan pada kecepatan udara yang semakin tinggi. Beberapa rancangan pengering ERK menunjukkan variasi suhu yang cukup besar antara udara di dekat sumber panas (dalam hal ini adalah plat absorber) dengan udara di Gambar 5. Pendugaan suhu bahan (Tb) berdasarkan ketinggian pengering (t) dan kecepatan aliran udara. Tabel 2. Pengaruh ketinggian pengering ERK terhadap selisih suhu plat absorber dan bahan Ketinggian pengering (m) Rerata suhu plat ( C) Rerata suhu bahan ( C) Selisih suhu plat-bahan ( C) 1,2 78,3 43,0 35,4 1,6 84,7 44,8 39,9 2,1 91,6 46,7 45,0 Tabel 3. Performansi mesin pengering ERK berdasarkan ketinggian bangunan pengering dan kecepatan aliran 65

6 Kecepatan udara (m/s) udara (hasil simulasi pengeringan 300 kg bahan * hasil pertanian selama 10 jam) Penguapan air bahan (kg) Ketinggian Pengering ERK 1,2 m 1,6 m 2,1 m Efisiensi termal (%) Penguapan air bahan (kg) Efisiensi termal (%) Penguapan air bahan (kg) Efisiensi termal (%) 0,04 20,9 33,81 20,9 33,08 20,7 32,55 0,08 24,1 38,63 24,1 37,64 24,0 36,84 0,10 25,4 40,39 25,4 39,32 25,2 38,42 0,15 27,9 43,85 28,0 42,62 27,8 41,56 0,20 29,9 46,50 30,0 45,17 29,9 43,99 0,25 31,6 48,66 31,7 47,25 31,5 45,99 *Asumsi perhitungan, panas jenis bahan 1860 J/kg C, a b (luas permukaan bahan eqivalen) 283,5 m 2 /m 3 berdasarkan perhitungan Geankoplis (1989) Efisiensi Termal Pengering ERK Efisiensi termal yaitu perbandingan panas untuk menaikkan suhu udara dan bahan serta untuk menguapkan sejumlah air bahan terhadap energi iradiasi surya yang masuk ke pengering ERK. Hasil simulasi menunjukkan bahwa efisiensi termal berkisar 32,5 48,6%. Pada Tabel 3 terlihat bahwa efisiensi termal lebih dipengaruhi oleh kecepatan aliran udara dalam ruangan pengering. Sementara perubahan ketinggian pengering tidak menghasilkan perubahan nilai efisiensi termal yang signifikan. Tingginya suhu udara pengering maupun suhu bahan tidak sekaligus meningkatkan nilai efisiensi termal. Hal yang menjadi pembatas adalah kemampuan udara membawa uap air dari permukaan bahan yang besarnya sebanding dengan koefisien perpindahan panas udara pengering terhadap permukaan bahan. Selain itu, suhu udara pengering akan mempengaruhi besaran panas yang berpindah melalui selubung transparan maupun dinding bangunan. Hubungan ini terlihat pada Gambar 3 dan Tabel 2, yaitu dicapainya suhu udara sebesar 45,4 C (t = 2,1 m) pada kecepatan aliran udara 0,04 m/dt menghasilkan nilai efisiensi terendah yaitu 32.5%. Kinerja suatu mesin pengering tidak hanya dinilai dari capaian efisiensi termalnya saja. Penilaian selanjutnya adalah efisiensi total sistem pengering ERK yaitu menambahkan energi masukkan lainnya seperti energi penggerak blower serta energi untuk pengadukan agar pengeringan berlangsung merata. Pada Tabel 4 diperlihatkan kebutuhan kapasitas blower berdasarkan kecepatan aliran udara pada masing-masing ketinggian pengering. Semakin tinggi nilai efisiensi termalnya, semakin besar kapasitas blower yang dibutuhkan. Tabel 4. Spesifikasi kebutuhan kapasitas blower berdasarkan kecepatan aliran udara dan ketinggian mesin pengering ERK Kecepatan. aliran udara (m/dt) Kapasitas blower (m 3 /menit) pengering ERK pada ketinggian 1,2 m 1,6 m 2,1 m 0,04 6,96 9,29 12,62 0,08 13,92 18,58 25,25 0,10 17,40 23,22 31,56 0,15 26,10 34,83 47,34 0,20 34,80 46,44 63,12 0,25 43,50 58,05 78,90 IV. KESIMPULAN 1) Mesin pengering ERK tipe terowongan dengan plat absorber yang hampir menyelimuti seluruh 66

7 permukaan bahan mampu memanaskan bahan pada kisaran 43,0-46,7 C, suhu yang memadai dan aman untuk komoditi pertanian secara umum. 2) Efektivitas pengambilan uap air dari bahan dipengaruhi oleh capaian suhu dan kecepatan aliran udara pengering. Namun semakin tinggi kecepatan aliran udara, suhu udara yang dicapai semakin menurun. 3) Perancangan mesin pengering dengan ketinggian yang rendah menghasilkan efisiensi termal yang besar serta kebutuhan kapasitas blower yang kecil. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kemenristekdikti yang bersedia mendanai penelitian ini melalui Hibah Riset Insentif Riset Sistem Inovasi Nasional (INSINAS) tahun anggaran DAFTAR PUSTAKA Endri, Y dan Suryadi, F Karakteristik Pengeringan Biji KopiBerdasarkan Variasi Kecepatan Aliran Udara Pada Solar Dryer. Jurnal TeknikA, Vol. 20 (1): Geankoplis CJ Transport processes and unit operations. Allyn & Bacon Inc. USA. Haryadi Teknologi Modifikasi Tepung Kasava. AGRITECH, Vol. 31 (2): Hendrawan I Analisis Suhu Ruang Plenum pada Alat Pengering Tipe Konveksi Bebas. Tesis. Program Pascasarjana. IPB. Bogor. Holman JP Heat Transfer 6 th ed. McGraw-Hill Book Campany. Singapore. Kamaruddin A Penerapan Energi Surya Dalam Proses Termal Pengolahan Hasil Pertanian. Jurnal Keteknikan Pertanian, Vol 12 (1): Kamaruddin A, Irwanto AK, Siregar N, Agustina E, Tambunan AH, Yamin M, Hartulistiyoso E, Purwanto YA, Wulandani D, Nelwan LO Energi dan Listri Pertanian. IPB. Bogor. Lienhard IV JH dan Lienhard V JH A Heat Transfer Textbook. Phlogiston Press. Cambridge, USA. Manalu LP dan dan Kamaruddin A Model Simulasi Proses Pengeringan Kakao Memakai Pengering Surya Tipe Efek Rumah Kaca. Buletin KETEKNIKAN PERTANIAN. Vol. 15 (3): Prasojo D Efisiensi Proses Pengeringan Tapioka di PT. Umas Jaya Agrotama, Terbanggi Besar, Lampung Tengah. Skripsi Fateta IPB. Bogor. Siagian SEG Rancang Bangun Perangkat Lunak Analisis Penyerapan Radiasi Matahari Pada Selubung Bangunan. Jurnal ELKHA Vol.5, No 1, Maret 2013 Stocker, W.F Design of Thermal System. Mc Graw Hill. Kogakusha, Ltd. Tokyo. Wulandani, D Kajian Distribusi Suhu, RH dan Aliran Udara Pengering untuk Optimasi Disain Pengering Efek Rumah Kaca. Disertasi. Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Wulandani, D Analisis Pengeringan pada Alat Pengering Kopi Efek Rumah Kaca Berenergi Surya. Tesis. Sekolah pascasarjana IPB. Bogor DAFTAR SIMBOL m = massa (kg) Cp = panas jenis (J/kg C) h = koefisien konveksi (W/m 2 C) A = luas (m 2 ) dt = perubahan suhu ( C) dt = perubahan waktu (dt) U = koefisien pindah panas (W/m 2 C) = emisivitas ( ) 67

8 σ = konstanta Stefan Boltzman (W/m 2 K 4 ) F = shape factor Nu = bilangan Nusselt ( ) L = panjang bidang aliran udara k = konduktivitas udara (W/m C) Re = bilangan Reynold ( ) Pr = bilangan prantl ( ) h tanpa subscript = jarak antar benda (m) w = lebar benda penerima radiasi (m) subscript b = bahan d = dinding l = lingkungan pb = permukaan bahan pl = plat absorber pla = plat permukaan atas plb = plat permukaan bawah r = ruang st = selubung transparan 68