Rancang Bangun Oven Untuk Proses Pengeringan Kulit Ikan

Transkripsi

1 Rancang Bangun Oven Untuk Proses Pengeringan Kulit Ikan Denny M. E. Soedjono, Joko Sarsetiyanto 2, Dedy Zulhidayat Noor 3, Eddy Widiyono 4 Program Studi D3 Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dsoedjono@gmail.com / dmes@me.its.ac.id ABSTRAK Distribusi temperatur dan sirkulasi udara panas adalah dua faktor yang dominan di dalam proses pengeringan dengan mode perpindahan panas konveksi bebas. Rancangan oven dilengkapi dengan bak penampung lemak cair untuk mencegah lemak cair produk di bagian atas menetes ke deretan produk di bawahnya. Bak penampung dibuat sedemikian sehingga sekaligus berfungsi sebagai pengarah aliran. Oven juga dilengkapi cerobong asap yang berfungsi untuk menghasilkan tarikan alam agar terjadi sirkulasi udara untuk membuang uap jenuh dan meratakan penyebaran gas panas. Rancangan tersebut merupakan perbaikkan terhadap oven lama yang dimiliki oleh Kelompok Usaha Bersama Bina Usaha Mandiri dan UKM Suyono Pantoro yang digunakan untuk proses pengeringan tokek dan ular. Dalam uji coba hasil rancang bangun model yang telah dilakukan untuk mengeringkan kulit ikan menunjukkan, bahwa pada bukaan pintu oven 0 mm yang menghasilkan kalor penguapan (evap) 40,0 Watt, total kalor yang hilang (loss) 24,8 Watt, dan memerlukan waktu pengeringan paling singkat yaitu 74 menit dengan prosentase pengurangan bobot kulit ikan sebesar 55 %. Kata kunci : perpindahan panas dan massa, konveksi bebas, pengarah aliran dan cerobong. Pendahuluan atar Belakang Industri pengeringan kulit ikan skala rumah tangga menghasilkan kulit ikan kering. Proses pengeringan menggunakan pengering (oven) sederhana bersumber panas kompor minyak tanah. Desain oven yang ada memiliki banyak kelemahan misalnya: mudah terbakar, lemak cair dari produk yang dikeringkan di bagian atas menetes ke produk dibawahnya, waktu pengeringan lama, dan produk berbau minyak tanah sebagai akibat pemanasan langsung dengan gas hasil pembakaran. Untuk itu perlu dirancang suatu oven yang lebih baik. Rancangan oven yang dihasilkan harus dapat menghilangkan kelemahan-kelemahan yang ada. Perumusan Masalah. Proses pengeringan memerlukan waktu lama karena lemak cair dari produk yang dikeringkan di bagian atas menetes ke produk dibawahnya. Sirkulasi udara panas juga kurang memadai sehingga distribusi udara panas tidak merata. Solusinya pengering harus dilengkapi dengan bak penampung lemak cair untuk mencegah lemak cair produk di bagian atas menetes ke deretan produk di bawahnya dan juga dilengkapi cerobong asap yang berfungsi untuk menghasilkan tarikan alam agar terjadi sirkulasi udara untuk membuang uap jenuh dan meratakan penyebaran gas panas. SENATEK 205 Malang, 7 Januari

2 2. Produk yang dihasilkan berbau minyak tanah, karena pemanasan langsung dengan gas pembakaran dan mudah terbakar. Solusinya pemanasan langsung diubah menjadi tidak langsung yaitu gas hasil pembakaran digunakan untuk memanaskan udara bersih secara terpisah sehingga tidak tercemar bau minyak dan bak penampung dirancang sedemikian rupa sehingga juga berfungsi sebagai pengarah aliran pada bagian dalam pengering sehingga sirkulasi udara panas menjadi lebih baik. Untuk mengeleminir kehilangan kalor seluruh badan pengering dibalut isolator. Maksud dan Tujuan Merancang ulang pengering (oven) bersumber panas kompor PG yang aman dari kebakaran dan efektif dengan konsep dasar desain yang sederhana tetapi dapat meningkatkan kualitas produk. Batasan Masalah Mengingat konsep desain sederhana yang diterapkan pembahasan dibatasi pada hal-hal berikut:. Dalam perhitungan diasumsikan : Konduksi steady state Perpindahan panas satu dimensi dan radiasi diabaikan Hamparan produk dianggap sebagai plat datar Sifat udara diambil berdasarkan temperatur film Temperatur produk dianggap merata 2. Produk yang dikeringkan adalah kulit ikan dengan bobot basah antara gr yang memiliki panjang 6,5 cm dan lebar 3 cm 3. Tidak dilakukan penelitian difusi air dari dalam bahan ke permukaan bahan. Kajian Teori Dasar Kesetimbangan Kalor Pada Oven Kesetimbangan kalor yang terjadi pada oven adalah sebagai berikut (kondisi tunak): in evap loss loss_rb Gambar. Kesetimbangan Energi Pada Oven Dimana: in : Kalor masuk evap : Kalor untuk menguapkan air loss : Kalor yang hilang loss_rb: Kalor yang hilang di ruang bakar loss (Watt) () loss_ dinding gas_ keluar Kalor Masuk (in) Kalor masuk adalah kalor yang berasal dari proses pembakaran bahan bakar. in m bbxhv (Watt) (2) m : laju konsumsi bahan bakar (kg/sc) bb SENATEK 205 Malang, 7 Januari

3 HV : nilai kalor bawah bahan bakar (kj/kg) Kalor Penguapan (evap) Kalor penguapan adalah bagian dari kalor masuk (in)yang berguna untuk menguapkan kandungan air pada produk yang dikeringkan. (Watt) (3) evap m xh u fg m : laju massa uap air yang terjadi (kg/sc) u h fg : Kalor penguapan air (kj/kg) Kalor Yang Hilang (loss) Kalor Hilang Dibawa Gas Keluar Kehilangan kalor adalah kalor yang hilang lewat perpindahan panas melalui dinding dan juga panas yang terbawa oleh aliran udara keluar melalui cerobong. Kalor hilang terbawa aliran udara: gas_ keluar (4) m c * p( Tgas_ keluar Tudara _ luar ) Kehilangan kalor melalui dinding: Susunan dinding oven adalah sebagai berikut: (tahanan panas galvalum diabaikan) Plat galvalum h T Glass wool Plat galvalum h 2 T 2 h A l k A l h A k A h A R tot 2 h 2 A Gambar 2. Perpindahan Panas Melalui Dinding loss dinding T R _ (watt) (5) tot T : perbedaan temperatur di dalam dan di luaroven (T - T2) Rtot : hambatan perpindahan panas total (W/K) A : luas permukaan dinding oven (m 2 ) : tebal dinding (m) K : konduktifitas panas bahan dinding (W/mK) h : koefisien konveksi (W/m 2 K) SENATEK 205 Malang, 7 Januari 205 6

4 Kalor Hilang di Ruang Bakar Kalor yang hilang di ruang bakar adalah total yang hilang melalui dinding ruang bakar dan kalor udara pembakaran yang masuk ke ruang bakar. loss_ RB (6) in ( evap loss _ dinding gas_ keluar ) Perpindahan Panas Konveksi Bilangan Nusselt rata rata untuk konveksi bebas tergantung pada permukaan plat panas menghadap ke atas (hot surface facing up) atau menghadap ke bawah (hot surface facing down) dan permukaan plat lebih panas atau lebih dingin daripada fluida di sekitarnya. Untuk plat horizontal dengan permukaan panas menghadap ke atas (hot surface facing up). u 0,54Ra 4 N, (0 4 Ra 2. u 0,5Ra 3 N, (0 7 Ra 0 7 ) (7) 0 ) (8) Untuk plat horizontal dengan permukaan panas menghadap ke bawah (hot surface facing down) u 0,27Ra 4 N, (0 5 Ra h Nuk h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m 2o K) Nu = Nusselt Number k = kondukvitas termal, (W/m o K) = panjang karakteristik, (m) A w P 2 : panjang karakteristik, (m) A : luas permukaan plat, (m 2 ) P : keliling plat (perimeter ), (m) w : lebar dinding, (m) 0 0 ) (9) () Ra adalah bilangan tak berdimensi yang disebut bilangan bilangan Rayleigh dihitung dengan rumus: Ra Gr Pr g Ts T v 3 (2) Pr : bilangan prandtl g : percepatan gravitasi, (m/s 2 ) : panjang karakteristik, (m) : viskositas kinematik, (m 2 /s) : koefisien ekspansi volume ( /T f ), (K - ) : difusivitas termal, (m 2 /s) (0) SENATEK 205 Malang, 7 Januari

5 rumus: Gr Gr adalah bilangan tak berdimensi yang disebut bilangan Grashof., dihitung dengan 3 g Ts T 2 v Untuk plat Vertikal dengan pendekatan konveksi natural dapat menggunakan korelasi yang dapat dipakai untuk seluruh harga Rayleigh, yang diintrodusir oleh Churcil and Chu: / Ra Nu (4) 27 9 /6 8 / (0.492/ Pr) Sedangkan laju perpindahan panas konveksi dihitung sebagai berikut: q ha( T T ) (5) w Dimana: = laju perpidahan panas konveksi, (W) h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m o K) Tw = temperatur permukaan, ( o C) Perpindahan Massa Konveksi Keanalogisan antara perpindahan panas konveksi dan perpindahan massa konveksi menjadikan parameter untuk menghitung koefisien perpindahan panas serupa dengan parameter untuk menghitung koefisien perpindahan massa konveksi. Bilangan Sherwood didefinisikan sebagai: hm Sh (6) D AB Dimana: Shl : bilangan Sherwood hm : koefisien perpindahan massa konveksi (m/dt) : panjang karakteristik, (m) DAB : diffusivitas massa fluida, (m 2 /dt) Bilangan Sherwood merupakan fungsi dari medan aliran yaitu bilangan Reynold (Re) dan bilangan Schmidt (Sc). o Untuk aliran laminer melintasi plat datar: h / 2 /3 0,664 Re Sc S (7) (3) o Untuk aliran turbulen melintasi plat datar h / 2 /3 0,0296 Re Sc S (8) Desain Pengering ( Oven ) Desain ama Pengering (oven) di industri rumah tangga pengering kulit ikan untuk dijadikan keripik memiliki banyak kelemahan, diantaranya:. Produk yang dihasilkan mudah terbakar (gosong) karena pemanasan tidak dilengkapi dengan sistem sirkulasi udara panas. SENATEK 205 Malang, 7 Januari

6 2. Waktu pengeringan produk sangat lama karena tidak dilengkapi dengan bak penampung lemak cair yang berfungsi mencegah tetesan lemak cair dari bagian atas jatuh ke deretan produk di bawahnya. 3. Pengering (oven) yang digunakan mudah terbakar karena pemanasan langsung dengan gas hasil pembakaran. 4. Selain mudah terbakar pemanasan dengan gas hasil pembakaran juga menyebabkan produk tercemar dengan bau bahan bakar. Tempat produk Plat pemanas Gambar 3. Desain pengering lama Desain Baru Pengering/oven dilengkapi dengan sistem sirkulasi udara panas dan cerobong. Penambahan sisitm sirkulasi ini memengakibatkan terjadi penurunan kalor masuk (in), tetapi membantu mengelurkan uap air hasil proses pemanasan dengan cepat sehingga dapat mempertahankan kelembaban udara di dalam oven. Kelembaban udara di dalam oven sangat berpengaruh terhadap laju penguapan kandungan air produk. Oven juga dilengkapi dengan bak penampung lemak cair sehingga tetesan lemak yang mencair dari produk dibagian atas tidah jatuh ke deretan produk dibawahnya. Dinding oven dibuat dari bahan seng. Seluruh dindingnya dilapisi dengan glass wool yang berfungsi untuk memperkecil kerugian panas (loss) yang keluar menembus dinding. Dengan rancangan perbaikan ini diharapkan dapat mempercepat waktu pengeringan produk. dapat menghasilkan produk yang tidak berbau bahan bakar, serta aman dari kebakaran. Tempat produk Cerobong Data Oven Ekspemimen Dimensi model oven panjang = 00 cm lebar = 50 cm tinggi = 60 cm tinggi cerobong = 00 cm dimensi cerobong = (9x9) cm Ukuran pintu pengatur udara Panjang = 20 cm lebar = 2 cm Gambar 4. Desain oven Plat pemanas Pintu udara SENATEK 205 Malang, 7 Januari

7 Data dinding : Bahan dinding. Galvalum tebal () = mm kondukvitas termal (k) = 6 W/mK 2. Glass wool (cellular glass) tebal (2) = 20 mm konduktivitas termal k)=0,058w/mk 3. Galvalum tebal (3) = mm kondukvitas termal (k) = 6 W/mK Data rak dan bak pemanpung lemak cair panjang () = 30,5 cm lebar (w) = 23 cm Data kulit ikan : panjang = 6,5 cm lebar = 3 cm tabal = mm luas permukaan kulit ikan (As) = (6,5x30)cm 2 = 9,5 cm 2 Hasil dan Pembahasan Hasil eksperimen untuk berbagai bukaan pintu udara masuk dapat dilihat pada tabel. Tabel : Hasil eksperimen Catatan : kandungan air kulit ikan segar 76 % kandungan air kulit ikan kering 25 % Posisi pintu pengatur udara masuk in (W) loss (W) evap (W) Waktu pengeringan (menit) Kandungan air yang hilang %) Tertutup rapat Terbuka 5 mm Terbuka 0 mm Terbuka 5 mm Terbuka 20 mm 339,6 9,0 35, % 339,2 2,0 35, % 337, 24,8 40, % 340,9 28,5 38, % 34,4 42,7 36, % Nilai pada tabel tersebut disajikan dalam bentuk grafik sebagai berikut: SENATEK 205 Malang, 7 Januari

8 Kinerja Oven _ in Waktu - _loss - _evap Bukaan Pintu (mm) in (w att) loss (w att) evap (w att) Waktu (menit) Gambar 6. Perbandingan kinerja oven Kehilangan Kalor (loss): Kehilangan kalor adalah kalor yang hilang lewat perpindahan panas melalui dinding dan juga panas yang terbawa oleh aliran udara keluar melalui cerobong. Pada gambar 5 diperlihatkan grafik bukaan pintu Vs loss. Semakin besar bukaan pintu masuk kehilangan kalor total semakin besar, hal tersebut merupakan konsekuensi adanya sistim sirkulasi udara yang ditambahkan dalam rancangan oven tersebut. Ketika pintu masuk udara ditutup praktis tidak ada aliran udara sehingga kehilangan kalor yang terjadi hanya kalor yang berpindah melalui dinding oven. Kalor Penguapan (evap): Kalor penguapan adalah bagian dari kalor masuk (in) yang berguna untuk menguapkan kandungan air pada produk yang dikeringkan. Pada gambar 5 diperlihatkan grafik bukaan pintu Vs evap. Proses pengeluaran kandungan air produk bergantung pada proses perpindahan panas konveksi antara produk (yang dijajar dan dianggap seperti plat datar) dengan aliran udara diatasnya. Perpindahan panas yang terjadi adalah perpindahan panas konveksi bebas, yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran udara, perbedaan temperatur rata-rata antara produk dan udara, luas permukaan produk yang bersinggungan dengan aliran udara dan sifat-sifat udara. Jadi semakin besar aliran udara maka semakin besar pula koefisien konveksi bebas yang dihasilkan dan akhirnya juga semakin memperbesar kalor yang masuk ke dalam produk dan digunakan untuk menguapkan kandungan air di dalamnya. Waktu Pengeringan: Waktu pengeringan adalah waktu yang dibutuhkan untuk melakukan proses pengeringan produk yaitu mulai dari saat produk masuk oven sampai kandungan airnya tersisa 25 %. Pada gambar 5 diperlihatkan grafik bukaan pintu Vs waktu pengeringan. Grafik tersebut berbentuk parabolik yang titik terendahnya berada di waktu proses 74 menit (terlama). Pada grafik terlihat secara umum semakin besar bukaan pintu (setelah lewat titik puncak) ternyata waktu proses pengeringan semakin lama. Hal ini disebabkan oleh adanya sirkulasi udara yang dapat membuang uap air yang dihasilkan proses pengeringan sehingga dapat mempertahankan kelembaban udara di dalam oven. Proses penguapan sangat dipengaruhi oleh kelembaban udara disekitarnya. Semakin lembab udara maka proses penguapan semakin lambat/sulit, dan sebaliknya makin kering udara proses penguapan semakin cepat/mudah. Tetapi bersama dengan pembuangan kandungan uap air hasil pengeringan produk juga ikut dibuang pula kalor yang dimiliki gas panas. Hal ini akan menambah rugi-rugi kalor. Hasil percobaan menunjukkan pada bukaan 5 cm dan 20 cm waktu pengeringan menjadi 83 dan 85 menit. SENATEK 205 Malang, 7 Januari

9 Kesimpulan. Semakin besar aliran udara maka semakin besar pula koefisien konveksi bebas yang dihasilkan dan akhirnya juga semakin memperbesar kalor yang masuk ke dalam produk dan digunakan untuk menguapkan kandungan air di dalamnya(evap). 2. Semakin besar bukaan pintu masuk kehilangan kalor total (loss) semakin besar, hal tersebut merupakan konsekuensi adanya sistim sirkulasi udara yang ditambahkan dalam rancangan oven. 3. Semakin besar bukaan pintu masuk kehilangan kalor total semakin besar, hal tersebut merupakan konsekuensi adanya sistim sirkulasi udara yang ditambahkan dalam rancangan oven tersebut. Semakin besar bukaan pintu masuk udara maka massa udara masuk (m*udara) juga semakin banyak, sedangkan udara luar yang masuk tersebut bertemperatur rendah (Tawal). 4. Semakin besar bukaan pintu ternyata waktu proses pengeringan semakin lama dan paling cepat terjadi pada bukaan pintu 0 mm yaitu 74 menit. Hal ini disebabkan oleh adanya sirkulasi udara yang dapat membuang uap air yang dihasilkan proses pengeringan sehingga dapat mempertahankan kelembaban udara di dalam oven. Proses penguapan sangat dipengaruhi oleh kelembaban udara disekitarnya. Semakin lembab udara maka proses penguapan semakin lambat/sulit, dan sebaliknya makin kering udara proses penguapan semakin cepat/mudah. 5. Sistim sirkulasi yang ditambahkan ke dalam oven dapat membantu membuang uap air pada proses pengeringan, sehingga laju proses pengeringan lebih cepat. Daftar Pustaka. Bejan, Adrian, Heat Transfer, John Wiley & Sons Inc. Canada, BPTP Kaltim, Alat Pengering Surya Sederhana, embar Informasi Pertanian, Heru Purnawarman, Pengaruh Jumlah dan Jarak Kaca Terhadap Temperatur Plat Solar Kolektor, Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Mesin, Surabaya, Incropera, Frank P. & Dewitt, David P.: Fundamental of Heat and Mass Transfer, 7ed. John Wiley and Sons, Inc. USA, Kamaruddin Abdullah, Fish Drying Using Solar Energy, ectures and Workshop Exercises on Drying of Agricultural and Marine Products. ASEAN SCNCER, pp , Wijayadi Arninputranto, Desaín Prototipe Mesin Seterika dan Penggulung Kain Dengan Energi Panas Sinar Matahari, Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Mesin, Surabaya 2007 SENATEK 205 Malang, 7 Januari