UNJUK KERJA MESIN PENGERING SURYA HYBRID ICDC TIPE RESIRKULASI 1) Kamaruddin A, Yendi E, Yefri C. dan Aep Saepul Uyun Departemen Teknik Mesin/Laboratorium Teknik Konversi Energi Surya Fakultas Teknik, /Program Studi Energi Terbarukan Universitas Darma Persada Email:<kamaruddin@pasca.unsada.ac.id> Abstrak Protoype mesin pengering surya hybrid ICDC tipe resirkulasi dengan ukuran panjang 3m, lebar 3 m dan tinggi 3 m telah berhasil dirancang dan di fabrikasikan. Mesin ini terdiri atas beberapa komponen utama yaitu, ruang pengering yang juga berfungsi sebagai pengumpul panas tenaga surya, konveyor pneumatic, distributor, vortex, hopper dan pemanas tambahan. Konveyor pneumatik selain berfungsi sebagai alat angkut dengan menggunakan kipas sentrifugal juga berfungsi sebagai tempat proses pengeringan yang berlangsung secara turbulen. Keunggulan dari sistem pengering yang sedang diteliti ini terletak pada bentuk dan konfigurasi rancangan yang memungkinkan terjadinya, proses pengeringan serentak pada tiga komponen mesin yaitu selain dalam konveyor, juga terjadi pada ruang pengering utama, dan pada ruang di atas hopper dan terjadinya proses tempering pada setiap siklus pengeringan. Hasil unjuk kerja untuk mengeringkan gabah menghasilkan kesimpulan dimana dengan beban 200 kg dengan kadar air awal 26%bb menjadi 14% bb memerlukan lama pengeringan 10.22 jam, dengan laju rata-rata pengeringan sebesar 1.17%/jam pada suhu pengeringan di konveyor antara 40-60 o C dan suhu ruang pengering antara 30.3-41.8 o C. Hasil pengeringan menunjukkan kualitas hasil yang cukup baik dimana butir gabah yang retak hanya 2%. Daya kipas konveyor penumatik selama pengeringan relatip konstan pada 500 W dengan konsumsi listrik 5.11 kwh, dimana energy spesifik proses pengeringan terhitung 0.172 kwh/kg air yang diuapkan atau setara dengan 0,695 MJ/kg air yang diuapkan. Mesin pengering ini dapat di terapkan di daerah penghasil beras, seperti Jawa, Sumatera Barat, Sulawesi Selatan, dan di DME (Desa Mandiri Energi)/E 3i yang mempunyai PLTMH atau di pembangkit energy panas bumi, dan untuk meningkatkan keuntungan ekonominya perlu digabung dengan mesin penampi (winnower) dan penggiling padi dalam bentuk Unit Pengolahan Skala Kecil (UPSK) Kata kunci: pengering surya hibrid, tipe resirkulasi, konveyor pneumatik, unjuk kerja, UPSK, DME/Desa E 3i. 1) Makalah disampaikan pada KIPNAS X,LIPI, Jakarta, 8-10 November 201, Merupakan bagian dari hasil penelitian Hibah Kompetensi DIKTI,tahun 2011, No.
I. Pendahuluan Dalam Buku Putih Kementrian Negara Riset dan Teknologi tahun 2006 telah dirumuskan peta jalan (road map) energi surya termal, dimana mulai pada tahun 2011 sudah dapat dihasilkan produk seperti alat pengering dengan energi surya yang mempunyai kapasitas yang sesuai untuk kegiatan produksi masyarakat pengguna sehingga mampu menghasilkan keuntungan penggunanya. Salah satu penerapan dari hasil penelitian surya termal ini nanatinya adalah pemanfaatannya pada UPSK di berbagai DME, apalagi saat ini beberapa PLTMH (Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro) dengan kapasitas 20-100 kw yang dibangun diberbagai DME hanya digunakan untuk penerangan malam hari sedangkan siangnya dibiarkan mubazir. Pada masingmasing DME umumnhya sudah tersedia pengelola unit pembangkit energi ditingkat desa. Hal ini akan sangat menguntungkan apabila hasil penelitian ini dapat diintegrasikan dengan sistem pemanfaatan listrik dari PLTMH karena telah tersedia tenaga penuh waktu (full timer ) untuk mengelola penerapan hasil penelitian ini di lokasi DME. Program DME ini sebenarnya sejalan dengan konsep desa E 3i (Energy, Economy, Environment) yang diajukan oleh penulis tahun 2007 dalam seminar nasional dan pelatihan pemanfaatan sumber energy terbarukan setempat. Mesin pengering dengan tenaga surya yang di sampaikan dalam makalah ini menggunakan konveyor pneumatic karena dari hasil penelitian sebelumnya berhasil mengangkut bahan granular seperti gabah (Hosokawa, dkk, 1980, Bala,1997, Hanafi,2006). Makalah ini bertujuan untuk mengenalkan teknologi pengering energy surya hybrid yang diharapkan mampu memanfaatkan listrik PLTMH yang nantinya dapat diintegarsikan dengan mesin pengolahan lain dalam bentuk Unit Pengolahan Skala Kecil (UPSK, Kamaruddin 2007) untuk memacu terjadinya proses industrialisasi di DME /Desa E 3i II. Cara kerja pengering surya ICDC hibrid tipe resirkulasi Cara kerja sistem pengering surya ICDC hibrida tipe resirkulasi secara lengkap dapat diterangkan dengan menggunakan Gbr. 5. Mesin pengering ini mempunyai ukuran panjang 3 m, lebar 3 m dan tinggi total 3 m juga. Komponen utama terdiri atas kolektor yang juga berfungis sebagai ruang pengering (3), hopper (5), konveyor pneumatic (8), distributor (2), vortex (1) dan tungku biomassa (7). Bahan granular seperti gabah, jagung pipil, lada, kopi, kedele, dll. pertama-tama dimasukkan kedalam hopper (5) melalui pintu transparan (4).Pintu dibuat transpan dimaksudkan agar tenaga matahari dapat masuk kedalam hopper (5) sehingga akan terjadi
pemanasan/pengeringan pendahuluan dari gabah. Bagian bawah hopper (5) mengerucut dengan sudut dengan bidang datar >30 derajat dan bersambung dengan pipa konveyor pneumatik (8) dengan pipa (9), sehingga gabah dalam hopper akan jatuh secara gravitasi kedalam pipa konveyor (8).Udara panas dari tungku pemanas (7) disalurkan melalui pipa pemanas (6) masuk ke pipa konveyor (8) melalui pipa pemasok (10). Gabah akan terdorong dan terangkut melalui pipa konveyor (8) akibat dorongan kipas sentrifugal (11), Gabah akan terdistribusi dalam distributor (2) dan disebarkan secara merata kedalam kolektor surya-ruang pengering (KSP) (3). Gabah yang tersebar kedalam KSP ini akan jatuh secara gravitasi kedalam hopper (5) dan untuk seterusnya secara garavitasi masuh ke pipa konveyor melalui pipa (9) mengulangi siklus resirkulasi. Gambar 1. Diagram skematis pengering surya hibrida ICDC tipe resirkulasi Dalam KSP ini terjadi proses pengeringan dimana udara pengering masuk dari pintu (12) berbentuk segi empat yang akibat pemanasan oleh kolektor surya akan bergerak keatas disebabkan karena kerapatannya menjadi ringan disamping daya hisap dari vortex (1) yang terletak diatas distributor (2).Udara panas dari pipa pemanas (6) juga memasok udara panas kotak penukar panas yang terletak di bagian bawah KSP (3) untuk memasok panas saat cuaca buruk atau saat matahari tidak ada. Udara panas ini akan terbuang keluar dari cerobong dekat dibagian atas KSP (3)dibawah distributor. Sumber panas dapat dipasok dari tungku pemanas (7) dengan bahan bakar arang, limbah biomassa, batu bara, uap dari pembangkit panas bumi ataupun kompor minyak BBN ataupun LPG. Pada saat jatuh secara gravitasi pada ruang pengering ICDC (3) bahan akan menggelinding secara turbulen yang menyebabkan proses pengeringan menjadi merata. Uap air hasil pengeringan akan terbuang melalui bukaan sepanjang ruang pengering yang diberi kawat kasa (lihat Gbr 4) untuk menghindari jatuhnya bahan ke luar ruang. Setelah keluar dari ruang pengering bahan akan jatuh ke hopper untuk mengulangi siklus pengeringan. Begitu seterusnya sampai bahan menjadi kering sempurna. Sistem pengering surya seperti pada Gbr.3 ini merupakan desain baru dan letak keistimewaannya adalah bahwa sistem pengering ini mengintegrasikan fungsi kolektor surya sebagai pembangkit udara panas dengan ruang pengering
sehingga biaya konstruksi menjadi lebih murah. Selain itu proses pengeringan dapat berlangsung di tiga tempat dalam mesin pengeringan secara berurutan dimulai pada hopper, dilajutkan pada konveyor pneumatik, dan berakhir pada ruang pengering ICDC. Proses pengeringan berlangsung secara kontinyu serta mengalir secara turbulen dan teraduk merata sehingga akan mempercepat proses pengeringan dan menghasilkan kadar air akhir yang relatip homogen. Gambar 2. Potret dari mesin pengering hybrid ICDC tipe re-sirkulasi III. Percobaan 3.1. Besaran yang diukur dan instrumentasi Mesin pengering yang digunakan untuk penelitian ini dapat dilihat pada Gbr. 2 dan telah diterangkan sebelumnya mengenai cara kerjanya. Pada saat akan memulai percobaan semua sensor untuk mengukur suhu, RH,daya kipas, iradiasi surya,penurunan tekanan dipasang pada masing-masing lokasi yang tepat untuk menentukan: a) Energi pengeringan pada konveyor dan ruang pengering dengan memasang termokopel cc, pada masing-masing pintu masuk udara pengering pintu masuk dan pintu keluar pipa konveyor ruang pengering, yang kemudian masing-masing dihubungkan dengan termometer dijital merek Lutron tipe TM-903A dengan skala 0,1 0 C. b) Penurunan tekanan dua-fase, dengan memasang sensor berupa pipa kecil dikedua ujung pipa konveyor pneumatic, dan diantara belokan untuk kemudian di sambung dengan pipa plastic transparan dan dihubungkan dengan manometer pipa U alkohol. c) Pasokan energi dari radiasi surya menggunakan piranometer digital merek Tenmarr tipe TM-206 skala 1 W/m 2 d) RH udara luar (lingkungan) dan RH diatas hopper dengan mengukur bola basah dan bola kering dengan alat ukur merek Lutron tipe BG-UT-02P skala 1 %
e) Daya kipas dengan menggunakan Volt dan amper meter dengan merek Lutron tipe DW-6060 dengan skala 0,1 volt dan 0,1 ampere f) Perubahan kadar air dengan menggunakan moisture tester merek Crown tipe TA-5 dan perubahan massa gabah sebelum dan sesudah proses pengeringan dengan timbangan analog merek Henherr Tipe H5-K dengan skala 0,5 kg 3.2. Prosedur percobaan Gabah yang baru dipanen dengan kadar air awal 26%bb, didapatkan dari petani sejumlah 200 kg. Gabah kemudian sekaligus dimasukkan kedalam hopper melalui jendela transparen (4) yang diberi louver (celah udara masuk) yang juga berfungsi jalkan masuk sinar matahari dan udara luar agar diatas hopper dapat terjadi pemanasan dan pengeringan awal gabah. Jendela ini terletak pada kiri kanan, bagian samping mesin pengering (4) pada Gbr 2. Tungku kemudian dioperasikan sampai tercapai suhu udara yang dalam pipa tungku berada meningkat mencapai suhu dan RH yang sesuai untuk proses pengeringan pada kondisi gabah mengalir dalam kondisi mengalir. Suhu dan RH dipertahankan pada kondisi mantap (steady state). Setelah itu klep pipa penghubung hopper dan pipa konveyor pneumatik dibuka. Gabah akan jatuh secara gravitasi kedalam konveyor penumatik yang kemudian dihembuskan oleh kipas sentrifugal menuju distributor. Pada saat jatuh dan masuk kedalam pipa konveyor pneumatik gabah akan bercampur dengan udara panas dengan RH rendah yang dihembuskan dari tungku biomassa. Udara panas ini selain bertindak sebagai pengangkut (carrier) gabah juga memanaskan seluruh permukaan gabah yang mengalir secara turbulen sehingga terjadi perpindahan massa dan kalor yang intens. Akibatnya air yang terdapat dalam gabah akan ditingkatkan energinya sehingga dapat keluar dari dalam gabah dan terjadilah proses pengeringan tahap kedua. Uap yang terjadi dihembuskan kepintu keluar pipa konveyor pneumatic untuk dibuang keluar mesin pengering melalui vorteks (1) yang berada diatas distributor. Dari distributor gabah akan disebarkan secara merata ke seluruh permukaan ruang pengering-kolektor surya (KSP) dan jatuh secara gravitasi kembali kedalam hopper. Pada saat jatuh, gabah juga mengalir secara turbulen seperti yang terjadi dalam pipa konveyor pneumatic. Kondisi ini akan menyebabkan proses perpindahan massa dan kalor terjadi secara intens dan merata. Uap yang terjadi kemudian akan terhisap keatas melalui distributar dan vorteks sehingga akhirnya terbuang keluar mesin. Proses semacam ini berlangsung dalam beberapa siklus sampai kadar air gabah mencapai 14%bb. Percobaan tahap awal dilakukan dengan beban 200 kg gabah dilakukan dua tahap karena dimulai pada sore hari. Tahap pertama proses pengeringan berlangsung menurunkan kadar air dari 26% bb menjadi 19.6% bb.selama 4 jam 22 menit, kemudian diteruskan untuk mencapai kadar air akhir 14%bb selama 6 jam.
IWaktu 1 1001 IV. Hasil dan pembahasan 4.1. Data percobaan Gambar 3, 4, 5 dan 6 menunjukkan hasil percobaan pertama dengan beban 200 kg dan kadar air awal 26%, dengan kebutuha daya rata-rata 500W dan laju gabah 583.5kg/jam. Gbr 3 adalah perubahan iradisi surya, pada 4 jam 22 menit pertama dari percobaan pengeringan untuk mencapai kadar air akhir 19.6%. Pada kondisi tsb.iradiasi surya berfluktuasi anatara 50 W/m 2-700 W/m 2, dengan persentasi iradiasi dibawah 500 W/m 2 sangat tinggi yaitu mencapai 78.3 %. Gbr. 4 ditunjukkan perubahan suhu udara yang keluar dari tungku pemanas T stove, dan perubahan suhu ruang diatas hopper selama proses pengeringan. Suhu keluar tungku yang paling tinggi mencapai suhu 80 o C, tetapi kemudian menurun selama pengeringan pada tingkat suhu antara 50 o C 60 o C. Pada beberapa grafik berikut data percobaan sengaja disambung untuk dapat dengan mudah mengikuti kecenderungan perubahan dan bukan hasil pengukuran yang kontinyu. 80 60 40 20 0 Irad/10 (W/m2) (WIB) Gambar 3. Perubahan iradiasi surya selama percobaan pengeringan 4 jam dan 22 menit pertama dengan kadar air awal 26%bb. Terlihat pada Gbr. 3 kondisi cuaca saat percobaan pengeringan berada dalm kondisi mendung dan berfluktuasi sehingga masukan energi matahari berkurang. Walaupun demikian suhu udara pengeringan dapat dipertahankan tetap tinggi dengan dioperasikannya tungku biomassa. Hal ini terlihat lebih jelas lagi pada Gbr. 5, dimana suhu udara pengeringan pada pintu masuk dan keluar pipa konveyor dapat dipertahankan stabil pada suhu sekitar 40 o C-50 o C, walaupun pada awalnya mengalami fluktuasi. Perbedaan suhu pada pintu masuk keluar bervariasi antara 4.9 13.4 derajat Celcius.
1TWaktu (WIB) 1KWaktu-WIB 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 Suhu udara keluar tungku- Tstove-oC Suhu ruang-tc (oc) Gambar 4. Perubahan suhu ruang dan suhu udara dari tungku pada 4 jam 22 menit percobaan pengeringan dengan kadar air awal 26%bb. 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Suhu Pipa masuk,tpi (oc) 1SWaktu (WIB) Gambar 5. Hasil percobaan 4 jam 22 menit pertama perubahan suhu udara masuk dan keluar dari pipa konveyor pneumatik. 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Kadar air (%bb) Gambar 6. Hasil percobaan penurunan kadar air setelah berjalan 4 jam dan 22 menit.
WIBI Gambar 6, menunjukkan perubahan kadar air dari 26%bb menjadi 19.6% bb, yang berlangsung antara jam 11:10 16:10 WIB dengan waktu istirahat jam 30 menit antara jam 13:00-13:30. Karena itu total waktu pengeringan efektip tahap pertama adalah 4 jam 22 menit. Gbr. 7 dan 8, adalah hasil percobaan ke dua dengan kadar air awal 19.5%bb dan beban 192 kg. Pada Gbr.7, ditunjukkan perubahan iradiasi surya selama percobaan dan seperti pada percobaan sebelumnya berada pada kondisi mendung. Iradiasi surya pada saat percobaan tahap kedua ini berkisar diantara 50 W/m 2-700 W/m 2, dimana iradisasi >500 W/m 2 mendominasi dengan nisbah sebesar 78.9%. Gbr 7 dan 8, adalah hasil percobaan ke dua dengan kadar air awal 19.5%bb dan beban 192 kg. Pada Gbr.7, ditunjukkan perubahan iradiasi surya selama percobaan dan seperti pada percobaan sebelumnya berada pada kondisi mendung. Iradiasi surya pada saat percobaan tahap kedua ini berkisar diantara 50 W/m 2-700 W/m 2, dimana iradisasi >500 W/m 2 mendominasi dengan nisbah sebesar 78.9%. Dengan mengoperasikan tungku biomassa suhu udara dalam pipa keluar tungku biomassa sudah dapat menunjukkan kondisi yang lebih stabil pada suhu sekitar 65 o C, walaupun masih berfluktuasi, bervariasi, begitu juga dengan suhu ruang diatas hopper berada pada tingkat suhu yang relatip konstan pada kisaran 40 o C -50 o C. 1000 800 600 400 200 0 W/m2 Gambar 7. Perubahan iradiasi surya pada 4 jam pertama dari percobaan kedua dengan kadar air awal 19.5%bb, dan beban 192 kg. Gbr. 8, menunjukkan perubahan suhu pada pintu masuk dan keluar dari pipa konveyor yang bervariasi sekitar antara 51.1 53.8 o C pada pintu masuk dan antara 41.1-45.3 o C pada pintu keluar dengan perbedaan keduanya berkisar antara 6.2 10.3 derajat Celcius. Gbr 9 menunjukkan perubahan kebutuhan daya angkut konveyor pneumatik selama percobaan ke-2 hari pertama. Besarnya daya relatip konstan sebesar 500 W dan total konsumsi energi listrik selama 2 hari percobaan adalah 5.75 Wh.1
WIBT 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 pipe in pipe out Gambar 8. Perubahan suhu udara masuk dan keluar dari pipa konveyor pneumatik.. Gbr. 9 berikut menunjukkan perubahan kadar air dari kondisi awal 19.5% bb menjadi 14% basis basah serta perbandingannya dengan hasil perhitungan, dengan total lama pengeringan 7 jam. Dari jumlah siklus resirkulasi sebesar 20 siklus dapat dihitung lama pengeringan yaitu 20 (siklus) x 0.347 (jam/siklus) = 6.94 jam, sesuai dengan pengamatan. Dengan demikian total lama pengeringan untuk 200 kg dan 26%bb menjadi 11 jam 22 menit. Umumnya para petani memerlukan lebih dari satu hari untuk mendapatkan kadar air 14% bb. Selain itu petani biasanya menjemur gabah diatas hamparan yang relatip luas untuk beban yang sama dengan beban yang digunakan pada penelitian ini. 0,3 0,2 0,1 KJumlah 0 0 2 4 6 8 10 siklus 12 14 16 18 20 Data(%wb) Gambar 9. Perubahan kadar air pada pengeringan tahap kedua. 4.2. Energi spesifik Energi spesifik adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk proses penguapan air dari bahan yang dikeringkan. Dari hasil percobaan dapat dihitung nilai energi spesifik berdasarkan energi listrik yang dipakai atau energi biomassa yang digunakan yang merupakan energi komersial. 1
Untuk nilai energi spesifik berdasarkan energi listrik dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut. Es Pw t D ( X i X f / (1 W f ) W } ) (1) Dari data percobaan diketahui jumlah air yang diuapkan adalah 29.79 kg sedangkan jumlah energi listrik yang dikonsumsi adalah 5.75 kwh sehingga nilai energi spesifik menjadi Es = 0.193 kwh/kg air yang diuapkan (setara dengan 0.695 MJ/kg air yang diuapkan) dan bila diperhitungkan konsumsi energi tungku maka energi spesifik mesin pengering menjadi 5.806 kj/kg air yang diuapkan. 4.3. Kualitas hasil pengeringan Dari 100 sampel gabah hasil pengeringan telah terdeteksi hanya dua gabah yang retak atau masing-masing satu dari dua kumpulan 10 sampel atau setara dengan 2% retak. Pada sisa 80 sampel gabah lainnya ternyata tidak terdeteksi adanya beras retak. 5. Kesimpulan 1) Sebuah prototype mesin pengering hybrid bertenaga surya sudah berhasil diuji untuk mendapatkan unjuk kerjanya. 2) Pengeringan dengan beban 200 kg gabah, 26% bb. Memerlukan waktu 11,22 jam untuk mencapai kadar aiar akhir 14%bb dengan kebutuhan daya 500W untuk menggerakkan konveyor pneumatik (setara dengan energy 5,75 kwh). 3) Energi spesifik pengeringan adalah 0.193 kwh (0.695 MJ)/kg air yang diuapkan. Kepustakaan Akira Hosokawa, et.al,. 1980. Nosan Kikai Gaku.(Agricultural Process Engineering and Machinery) BunkoDo.Japan. Bala,B.K, 1997. Drying and storage of cereals, Oxford and IBH, Publishing Co.PVT, LTD. Hanafi, 2006. Skripsi, Jurusan Teknik Pertanian, Fateta, IPB Kamaruddin, 2007.Teknologi berbasis sumber energy terbarukan untuk pertanian.creata-ipb.