PENGUJIAN PERFORMANSI MESIN PENGERING PRODUK PERTANIAN SISTEM TENAGA SURYA TIPE KOLEKTOR BERSIRIP

Transkripsi

1 PENGUJIAN PERFORMANSI MESIN PENGERING PRODUK PERTANIAN SISTEM TENAGA SURYA TIPE KOLEKTOR BERSIRIP Muhardityah 1, Mulfi Hazwi 2 1,2 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Jl. Almamater, Kampus USU Medan muhardityah90@yahoo.com ABSTRAK Kolektor surya plat datar merupakan suatu peralatan dapat digunakan untuk mengeringkan produk hasil pertanian, perkebunan, dan lain-lain. Salah satu produk hasil pertanian dikeringkan mesin pengering ini adalah Cabai Merah. Tujuan pengujian ini adalah mengetahui kadar air dan kandungan vit.c terdapat dalam cabai merah sebelum dan sesudah pengeringan. Pada kolektor surya, radiasi matahari jatuh di permukaan kolektor akan diserap oleh plat absorber diteruskan oleh kaca sehingga panas dihasilkan oleh absorber akan mengalir ke dalam box pengering secara konveksi natural. Di dalam ruang box pengering panas mengalir melewati produk diletakkan di atas tray dan membawa kadar air produk dengan mengalami proses penguapan dan membawa uap air keluar melewati chimney. Pengujian dilakukan pada pukul 09:00 17:00 WIB pada saat kondisi cuaca cerah. Efisiensi rata-rata kolekor surya alat pengering selama proses pengujian sampel pertama dan kedua adalah 69,70%. Alat dirancang adalah kolektor surya tipe plat bersirip dengan ukuran 2m x 2m x 0,17m. Kolektor surya terdiri dari lapisan kayu, steyrofoam dan rockwoll sebagai isolator. Selain kolektor, dirancang juga ruang pengering sebagai tempat pengeringa hasil pertanian dengan ukuran 2m x 1m x 1m. Sampel digunakan dalam pengujian alat ini adalah cabai merah. Kata kunci : kolektor surya, pengeringan, Cabai merah, plat absorber, konveksi natural 1. PENDAHULUAN Penggunaan energi fosil saat ini diperkirakan akan terus meningkat disebabkan karena tetap meningkatnya jumlah penduduk dunia, memerlukan pangan dan kesejahteraan serta kualitas hidup lebih baik, hanya dapat dipenuhi dengan pemacuan proses industrialisasi. Sebagai konsekuensi energi merupakan motor penggerak industrialisasi tersebut. Sejauh mana pengurangan konsumsi bahan bakar fosil untuk kedepannya tergantung kepada kesadaran kita terhadap masalah serta dampak pencemaran lingkungan disebabkan oleh pemakaian bahan bakar fosil tersebut, dan perkembangan hasil teknologi energi alternatif. Sinar matahari adalah salah satu gelombang elektromagnetik memancarkan energi disebut dengan energi surya ke permukaan bumi secara terus menerus. Energi ini mempunyai sifat antara lain tidak bersifat polutan, tidak dapat habis (terbarukan) dan juga gratis. Tetapi, potensi energi sangat besar ini belum dimanfatkan secara optimal dan masih terbuang begitu saja. Untuk mengurangi pemakaian energi berbasis fosil akan menyebabkan pemanasan global, salah satunya adalah pemanfaatan energi sinar matahari. Pemanfaatan energi sinar matahari dapat digunakan pada mesin pengering, seperti mesin pengering hasil pertanian dan perkebunan. Pengolahan pasca panen hasil pertanian atau perkebunan mempunyai peranan penting dalam kehidupan masyarakat Indonesia, sekaligus juga merupakan sumber pemasukan devisa negara cukup besar. Dengan penerapan sistem energi sinar matahari pada teknologi ini, diharapkan akan mempercepat proses pengeringan hasil pertanian dan perkebunan. Selain untuk mempercepat pengeringan, juga dapat 67

2 menjaga mutu dan kwalitas hasil pertanian dan perkebunan tersebut. Hal-hal inilah melatarbelakangi tugas akhir ini. 2. TINJAUAN PUSTAKA Pengeringan hasil pertanian dan perkebunan merupakan salah satu unit operasi energi paling intensif dalam pengolahan pasca panen. Unit operasi ini diterapkan untuk mengurangi kadar air produk seperti berbagai buahbuahan, sayuran, dan produk pertanian atau perkebunan lainnya setelah panen. Pengeringan adalah proses pemindahan panas dan uap air secara simultan memerlukan panas untuk menguapkan air dari permukaan bahan tanpa mengubah sifat kimia dari bahan tersebut. Dasar dari proses pengeringan adalah terjadinya penguapan air ke udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara dan bahan dikeringkan. Laju pemindahan kandungan air dari bahan akan mengakibatkan berkurangnya kadar air dalam bahan. Pada prinsipnya, pengeringan hasil pertanian dan perkebunan bertujuan untuk mengurangi kadar air terkandung pada bahan sampai pada kadar air diinginkan. Tujuan mengurangi kadar air adalah untuk memperpanjang kehidupan rak-produk bio-asal dengan mengurangi kadar air ke tingkat cukup rendah sehingga menghambat pertumbuhan mikroorganisme, reaksi enzimatik, dan reaksi lainnya memperburuk produk pertanian dan perkebunan tersebut. Faktor-faktor berpengaruh dalam proses pengeringan adalah suhu, kelembaban udara, laju aliran udara, kadar air awal bahan dan kadar air akhir bahan. 2.1 Konsep Dasar Pengeringan Pengeringan adalah proses pengeluaran air dari suatu bahan pertanian menuju kadar air kesetimbangan dengan udara sekeliling atau pada tingkat kadar air dimana mutu bahan pertanian dapat dicegah dari serangan jamur, enzim aktifitas serangga [1]. Sedangkan proses pengeringan adalah proses pengambilan atau penurunan kadar air sampai batas tertentu sehingga dapat memperlambat laju kerusakan bahan pertanian akibat aktivitas biologis dan kimia sebelum bahan diolah atau dimanfaatkan [2]. Perpindahan massa dapat dianalogikan dengan perpindahan panas. Massa berpindah (berdifusi) dapat dianggap sebagai panas dan tempat massa berdifusi disebut medium. Perpindahan massa hanya dibagi atas perpindahan massa konduksi dan perpindahan massa konveksi, dengan kata lain tidak ada perpindahan massa radiasi. Pengeringan meruapakan salah satu cara dalam teknologi pangan dilalakukan dengan tujuan pengawetan. Manfaat lain dari pengeringa adalah memperkecil volume dan berat bahan disbanding kondisi awal sebelum pengeringan. Sehingga, akan menghemat ruang [3]. Kelembaban udara (RH) juga mempengaruhi proses pengeringan. Kelembaban udara berbanding lurus dengan waktu pengeringan. Semakin tinggi kelembaban udara maka proses pengeringan (waktu pengeringan) akan berlangsung lebih lama. Apabila bahan pangan dikeringkan dengan menggunakan udara sebagai medium pengering, maka semakin panas udara tersebut semakin cepat perngeringan. Berbeda dengan RH, kecepatan aliran udara berbanding tebalik dengan waktu pengeringa. Semakin tinggi kecepatan aliran udara, proses pengeringan akan berjalan lebih cepat. Faktor lain yaitu kadar air bahan dikeringkan bahwa pengeringan bertujuan untuk mengurangi kadar air bahan untuk menghambat perkembangan organism pembusuk. Kadar air suatu bahan berpengaruh terhadap banyaknya air diuapkan dan lamanya proses pengeringan. Kadar air bahan pangan dapat dinyatakan sebagai kadar air basi kering dan kadar air basis basah. Kadar air basis kering adalah perbandingan berat air dalam bahan dengan berat 68

3 Jurnal e-dinamis, Volume.9, No..1 Juni 2014 ISSN bahan keringnya. Kadar air basis basah adalah perbandingan berat air dalam bahan dengan berat bahan total. Bila bahan akan dikeringkann dipotong- proses potong atau dibelah makaa pengeringan akan berlangsung lebih cepat. Hal ini dikarenakan pembelahan atau pemotongan akan memperluas permukaan bahan sehingga akan lebih banyak permukaan bahan berhubungan dengan udara panas dan mengurangi jarak gerak panas untuk samapi ke bahan dikeringkan [4]. 2.2 Kadar Air Salah satu faktor mempengaruhi proses pengeringan adalah kadar air, pengeringan bertujuan untuk mengurangi kadar air bahan untuk menghambat perkembangan organisme pembusuk. Kadar air suatu bahan berpengaruh terhadap banyaknya air diuapakan dan lamanya proses pengeringan [5]. Kadar air suatu bahan merupakan banyaknya kandungan air persatuan bobot bahan dinyatakan dalam persen basis basah (wet basis) atau dalam persen basis kering (dry basis). Kadar air basis basah mempunyai batas maksimum teoritis sebesar 100%, sedangkan kadar air basis kering lebih rendah dari 100%. Kadar air basis basah (b,b) adalah perbandingan antaraa berat air ada dalam bahan dengan berat total bahan. Kadar air basis basah dapat ditentukan dengan persamaan berikut: Wt Wd Wm M = x100% = x100% Wt Wt...(1) Dimana: M = Kadar air basis basah (%bb) Wm = Berat air dalam bahan (g) Wd = Berat bahan kering (g) Wt = Berat total (g) Kadar air basis kering (b,k) adalah perbandingan antara berat air ada dalam bahan dengan berat padatan ada dalam bahan. Kadar air berat kering dapat ditentukan dengan persamaan berikut: Wm Wd M = x100% Wm..(2) Dimana: M = Kadar air basis kering (%bk) Wm = Berat akhir sampel + air (g) Wd = Berat bahan kering (g) Wt = Berat total (g) Kadar air basis kering adalah berat bahan setelah mengalami pengeringan dalam waktu tertentu sehingga beratnya konstan. Pada proses pengeringan, air terkandung dalam bahan tidak seluruhnya diuapkan meskipun demikian hasil diperoleh disebut juga sebagai berat bahan kering [6]. 2.3 Rumusan Radiasi Surya Matahari mempunyai diameter 1, m. Bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk ellipse dan matahari berada pada salah satu pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1, m. Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi dan matahari adalah tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47x10 11 m terjadi padaa tanggal 3 Januari 2011,dan jarak terjauh pada tanggal 3 juli dengan jarak 1,52x10 11 m. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi diterima atmosfer bumi juga akan berbeda. Gambar 1 Pergerakan Bumi Matahari Terhadap Persamaan radiasi padaa atmosfer adalah sebagai berikut[7]: G on = G sc (1, , cos B + 0,00128 sin B + 0, cos 2B + 0, sin 2B)..(3) dengan nilai B (konstanta hari) sebagai berikut : B =.(4) 69

4 G sc =Daya radiasi rata-rata diterima atmosfer bumi (1367 W/m 2 ) B =konstanta bergantung pada nilai n G on =radiasi diterima atmosfer bumi (W/m 2 ) Nilai n bergantung pada urutan hari (i) ST =STD ±4(L st -L loc )+E..(5) STD = waktu lokal Lst =standart meridian untuk waktu lokal ( o ) Lloc =derajat bujur untuk daerah dihitung ( o ) ; untuk bujur Timur digunakan -4, untuk bujur barat digunakan +4 E =faktor persamaan waktu Pada persamaan ini L st standard meridian untuk waktu lokal. L loc adalah derajat bujur daerah sedang dihitung, jika daerah dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur barat adalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh Spencer pada tahun E = 229,2(0, , cos B - 0, sin B - 0, cos2b- 0,04089 sin 2B)..(6) B = konstanta bergantung pada nilai n E = faktor persamaan waktu Perhitungan persamaan untuk menghitung sudut deklinasi : δ = C 1 + C 2 CosB + C 3 sinb + C 4 cos2b + C 5 sin2b + C 6 cos3b + C 7 sin3b (7) Dimana δ = sudut deklinasi (rad) C1 = C5 = C2 = C6 = C3 = C7 = C4 = Sudut zenith (θ z ) adalah sudut dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut: cos θ z = cos φ cos δ cos ω + sin φ sin δ.(8) Dimana θ z = Sudut zenith φ = Sudut posisi lintang δ = Sudut deklinasi ω = Sudut jam matahari Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Definisi sudut jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siangnya. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 15 o, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15 o. ω = 15(STD 12) + (ST-STD) x (9) STD = waktu lokal ST = solar time = sudut jam matahari ( o ) Dengan estimasi langit cerah, fraksi radiasi matahari diteruskan dari atmosphere ke permukaan bumi adalah: τ b = a o + a 1 exp..(10) θ Radiasi beam adalah radiasi langsung di transmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi. Adapun persamaan digunakan untuk mencari radiasi beam : G beam = G on τ b cos θ z..(11) Dimana: G on = radiasi diterima atmosphere (W/m 2 ) τ b = faksi radiasi diteruskan ke bumi cos θ z = cosinus sudut zenith G beam = radiasi ditransmisikan dari atmosphere kepermukaan bumi (W/m 2 ) Radiasi diffuse adalah radiasi di pantulkan ke segala arah, dan kemudian dimanfaatan. Adapun persamaan digunakan untuk mencari radiasi diffuse adalah : G difuse = G on cos θ z (0,271 0,294 τ b) (12) 70

5 G difuse = Radiasi dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat dimanfaatkan G on = radiasi diterima atmosphere (W/m 2 ) τ b = faksi radiasi diteruskan ke bumi cos θ z = cosinus sudut zenith Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse seperti pada persamaan berikut : G total = G beam + G difuse.(13) 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Alat Ukur Alat ukur digunakan untuk mengukur variabel - variabel penelitian, antara lain : a. Agilent b. Load Cell c. RH Meter d. Hobo Microstasion Data Logger 3.2 Alat dan Bahan Peralatan digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut: a. Alat Pengering (Lemari Pengering dan Kolektor) b. RockWoll c. Kaca d. Sterefoam e. Kayu/Triplek f. Seperangkat Komputer Adapun bahan digunakan dalam pengujian ini adalah cabai merah mempunyai kadar air sekitar 70-90% akan dikeringkan hingga mencapai kadar air 15-10% merupaka standart kering cabai merah. 3.3 Persiapan Pengujian Adapun prosedur pengujian dilakukan adalah : 1. Komponen alat pengering (kolektor, bak pengering, dan kaki bak pengering) dipersiapkan. 2. Alat pengering dipasang dalam posisi baik dan benar. 3. Kabel-kabel termo couple dari agilient dipasang pada plat absorber, ruang pengering dan inti cabai. 4. Load cell dihidupkan, sebelum merekam data load cell ditare kan terlebih dahulu agar di layar laptop massa berada pada posis 0 gr. 5. Parameter-parameter akan diukur dihubungkan ke data logger dan laptop. 6. Cabai ditimbang dan dimasukkan kedalam ruang pengering. 7. Proses perekaman data dimulai. 8. Pengeringan dilakukan sampai massa cabai merah mencapai titik equilibrium. 9. Hasil dari pengujian dianalisis. 10. Selesai. 3.4 Prosedur Pengujian Pengujian dimulai dengan menghubungkan kabel-kabel termokopel antara agilient dan parameter-parameter akan diukur temperaturnya. Flashdisk dimasukkan ke agilient untuk pencatatan/penyimpanan data selama pengukuran. Setelah agilient membaca temperatur selama waktu telah diatur, flashdisk dicabut dan dibaca dalam bentuk Microsoft Excel pada komputer. Gambar 2 Rangkaian Pengujian 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Analisa Radiasi Sampel 1 Grafik perbandingan radiasi pengukuran dan radiasi pada kondisi 71

6 langit cerah pada tanggal 25 April 2014 ditunjukan pada grafik 4.1 dibawah ini: Gambar 3 Perbandingan Radiasi Pengukuran dan Teoritis Pada Sampel1 Hari ke-1 Grafik diatas menunjukan perbandingan radiasi teoritis (garis biru) dengan radiasi hasil pengukuran (garis merah) Gambar 5 Perbandingan Radiasi Pengukuran dan Teoritis Pada Sampel2 Hari ke-1 Grafik perbandingan radiasi pengukuran dan radiasi pada kondisi langit cerah pada tanggal 6 Mei 2014 ditunjukan pada grafik 4.4 dibawah ini: Grafik perbandingan radiasi pengukuran dan radiasi pada kondisi langit cerah pada tanggal 26 April 2014 ditunjukan pada grafik 4.2 dibawah ini: Gambar 4 Perbandingan Radiasi Pengukuran dan Teoritis Pada Sampel1 Hari ke Analisa Radiasi Sampel 2 Dari hasil pengukuran dan perhitungan pada tanggal 5 Mei 2014 diperoleh data sebagai berikut: Grafik perbandingan radiasi pengukuran dan radiasi pada kondisi langit cerah pada tanggal 5 Mei 2014 ditunjukan pada grafik 4.3 dibawah ini: Gambar 6 Perbandingan Radiasi Pengukuran dan Teoritis Pada Sampel2 Hari ke Analisa Model Sampel Pengeringan Sampel 1 Perhitungan nilai Moisture Ratio hasil pengujian pengeringan sampel telah dilakukan, dapat dilihat pada data dibawah ini: Massa awal = 250 gr Massa akhir = 54 gr Kadar air akhir massa =10 % Massa cabe kering = 48.6 gr Maka nilai MR pada awal pengujian yaitu pada pukul WIB adalah: MR = MR = 1 Nilai MR pengujian pada pukul WIB adalah: 72

7 MR = MR= Grafik Moisture Ratio sampel pertama terhadap waktu diuji dapat dilihat pada gambar dibawah ini:. Gambar 9 Pengukuran RH dan Temperatur Ruangan Pengering Pada Sampel 1 Hari ke-1 Gambar 7 MR(Moisture Ratio) Pada Sampel Analisa Model Sampel Pengeringan Sampel 2 Perhitungan nilai Moisture Ratio dari hasil pengujian pengeringan sampel kedua telah dilakukan, didapat data seperti dibawah ini: Massa awal : 250 gr Massa akhir : 62 gr Kadar air massa akhir : 25% Massa kering : 55.8 gr Gambar 10 Pengukuran RH dan Temperatur Ruangan Pengering Pada Sampel 1 Hari ke-2 Gambar 8 MR(Moisture Ratio) Pada Sampel RH dan Temperatur Grafik perbandingan RH dan temperature pada ruang pengering pada sampel pertama dapat dilihat pada gambar dibawah ini: Gambar 11 Pengukuran RH dan Temperatur Ruangan Pengering Pada Sampel2 Hari ke-1 73

8 DAFTAR PUSTAKA [1] Henderson, S. M. And R. L. Perry Agricultural Process Engineering. 3 rd ed. The AVI Publ. Co., Inc, Wesport, Connecticut, USA. Gambar 12 Pengukuran RH dan Temperatur Ruangan Pengering Pada Sampel2 Hari ke-2 5 KESIMPULAN Adapun kesimpulan diperoleh dari pengujian ini adalah sebagai berikut : 1. Dari data diperoleh dari hasil pengujian dapat dilihat bahwa kurva MR pada sampel 1 menunjukan penurunan kadar air cukup lama ± 3-4 hari pengeringan, sedangkan untuk sampel 2 penurunan kurva MR atau kadar air dalam cabai lebih cepat dikarenakan pada sampel 2 diperlakukan pembelahan pada bagian cabai sehingga proses pengeringan lebih cepat yaitu ± 1-2 hari. 2. Hasil pengujian dilaboratorium menunjukan bahwa untuk sampel 1 dan 2 kadar air awal cabai segar sekitar 77% dan setelah dikeringkan kadar airnya sekitar 8%, kandungan vit. C cabai merah segar mg/kg dan setelah dikeringkan untuk sampel mg/kg dan sampel mg/kg. 3. Untuk RH dan Temperatur ruangan pengering, dimana semakin tinggi suhu ruangan pengering maka akan semakin rendah kelembaban udara ada didalam ruangan pengering tersebut karena kelembaban udara dalam ruangan akan memepengaruhi proses pengeringan berlangsung. [2] Brooker, D. B. F. W Bakkerarkema, and C. W. Hall Drying Cereal Grains. Avi Publishing Company Inc. West Port, Connecticut. [3] Rahman dan Yuyun Penanganan Pascapanen Cabai Merah. Kanisius: Yogyakarta. [4] Muchtadi Tien R Petunjuk Laboratorium Teknologi Proses Pangan. Depdikbud PAU IPB, Bogor. [5] Taib, G., Gumbira Said, dan S. Wiraatmadja Operasi Pengeringan pada Pengolahan Hasil Pertanian. PT Mediyatama Sarana Perkasa, Jakarta. [6] Anonim c Pengeringan, Pendinginan dan Pengendalian Mutu. pertanian/pengendalianmutu/pengeringan pendinginan-danpengemasan-komoditaspertanian.pdf. (Maret 2011). [7] Holman, J.P Perpindahan Kalor, Edisi Keenam. Erlangga : Jakarta 74