BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Proses Pengeringan Pengeringan adalah proses perpindahan panas dan uap air secara simultan yang memerlukan energi panas uantuk menguapkan kandungan air yang dipindahkan dari permukaan bahan yang dikeringkan oleh media pengering yang biasanya berupa panas. Proses pengeringan berlaku apabila bahan yang dikeringankan kehilangan sebahagian atau keseluruhan air yang dikandungnya. Proses utama yang terjadi pada proses pengeringan adalah penguapan. Penguapan terjadi apabila air yang dikandung oleh suatu bahan teruap, yaitu apabila panas diberikan kepada bahan tersebut. Prinsip pengeringan biasanya akan melibatkan dua kejadian yaitu panas yang diberikan pada bahan dan air harus dikeluarkan dari bahan. Dua fenomena ini menyangkut pindah panas ke dalam dan pindah massa ke luar. Yang dimaksud dengan pindah panas adalah peristiwa perpindahan energi dari udara ke dalam bahan yang dapat menyebabkan berpindahnya sejumlah massa (kandungan air) karena gaya dorong untuk keluar dari bahan (pindah massa). Dalam pengeringan umumnya diinginkan kecepatan pengeringan yang maksimum, oleh karena itu diusahakan untuk mempercepat pindah panas dan pindah massa. Perpindahan panas dalam proses pengeringan dapat terjadi melalui dua cara yaitu pengeringan langsung dan pengeringan tidak langsung. Pengeringan langsung yaitu sumber panas berhubungan dengan bahan yang dikeringkan, sedangkan pengeringan tidak langsung yaitu panas dari sumber panas dilewatkan melalui permukaan benda padat (conventer) dan conventer tersebut yang berhubungan dengan bahan. Setelah panas sampai ke bahan maka air dari sel-sel bahan akan bergerak ke permukaan bahan kemudian keluar. 2.2 Pengeringan Buatan Pengeringan dengan menggunakan alat pengering dimana, suhu, kelembapan udara, kecepatan udara dan waktu dapat diatur dan di awasi. Keuntungan Pengering Buatan: Tidak tergantung cuaca Kapasitas pengeringa dapat dipilih sesuai dengan yang diperlukan
Tidak memerlukan tempat yang luas Kondisi pengeringan dapat dikontrol Pekerjaan lebih mudah. 2.2.1 Jenis Jenis Pengeringan Buatan Berdasarkan media panasnya, Pengeringan adiabatis ; pengeringan dimana panas dibawa ke alat pengering oleh udara panas, fungsin udara memberi panas dan membawa air. Pengeringan isotermik; bahan yang dikeringkan berhubungan langsung dengan alat/ plat logam yang panas. 2.2.2 Proses pengeringnan: Proses pengeringan diperoleh dengan cara penguapan air Dengan cara menurunkan RH dengan mengalirkan udara panas disekeliling bahan Proses perpindahan panas; proses pemanasan dan terjadi panas sensible dari medium pemanas ke bahan, dari permukaan bahan kepusat bahan. Proses perpindahan massa ; proses pengeringan (penguapan), terjadi panas laten, dari permukaan bahan ke udara Panas sensible ; panas yang dibutuhkan/ dilepaskan untuk menaikkan /menurunkan suhu suatu benda Panas laten ; panas yang diperlukan untuk mengubah wujud zat dari padat kecair, cair ke gas, dst, tanpa mengubah suhu benda tersebut. 2.2.3 Faktor faktor yang mempengaruhi pengeringan. Pada pengeringan selalu diinginan kecepatan pengeringan yang maksimal. Oleh karena itu perlu dilakukan usah- usah untuk memercepat pindah panas dan pindah massa ( pindah massa dalam hal ini adalah perpindahan air keluar dari bahan yang dikeringksan dalam proses pengeringan tersebut. Ada beberapa faktor yang perlu diperhatikan untuk memperoleh kecepatan pengeringan maksimum, yaitu : (a) Luas permukaan (b) Suhu
(c) Kecepatan udara (d) Kelembapan udara (e) Tekanan atm dan vakum (f) Waktu. Dalam rancang mesin ini faktor yang perlu diperhatikan untuk memperoleh kecepatan pengeringan maksimum adalah : Suhu Semakin besar perbedaan suhu ( antara medium pemanas dengan bahan bahan) maka akan semakin cepat proses pindah panas berlangsung sehingga mengakibatkan proses penguapan semaki cepat pula. Atau semkain tinggi suhu udara pengeringan maka aka semakin besar anergi panas yang dibawa ke udara yang akan menyebabkan proses pindahan panas semakin cepat sengingga pindah massa akan berlangsung juga dengan cepat. Kecepatan udara Umumnya udara yang bergerak akan lebih banyak mengambil uap air dari permukaan bahan yang dikeringkan. Udara yang bergerak adalah udara yang mempunyai kecepatan gerak yang tinggi yang berguna untuk mengambil uap air dan menghilangkan uapa air dari permukaan bahan yang dikeringkan, sehingga dapat mencegah terjadinya udara jenuh yang dapat memperlambat penghilangan air. Kelembaban Udara (RH) Semakin lembab udara di dalam ruang pengering dan sekitarnya maka akan semakin lama proses pengerngan berkangsung kering, begitu juga sebaliknya. Karena udara kering dapat mengabsobsi dan menahan uap air. Setiap bahan mempunyai keseimbangan kelembaban nisbi ( RH keseimbangan) masing- maasin, yaitu kelembaban pada suhu tertentu dimana bahan tidak akan kehilangan air ( pindah) ke atmosfir atau tidak akan mengambil uap air dari atmosfir.
Jika RH udara < RH keseimbangan maka bahan masih dapat dikeringkan Jika RH udara > RH keseimbangan maka bahan malahan akan menarik uap air dari udara. Waktu Semakin lama waktu (batas tertentu) pengeringan maka akan semakin cepat proses pengeringan selesai. Dalam pengeringan diterapkan konsep HTST ( High Temperature Short Time), short time dapat menekan biaya pengeringan. 2.3 Pompa Kalor (Heat Pump) Pompa kalor (heat pump) adalah suatu perangkat yang mentransfer panas dari media suhu rendah ke suhu tinggi. Pompa kalor merupakan perangkat yang sama dengan mesin pendingin (Refrigerator), perbedaannya hanya pada tujuan akhirnya. Mesin pendingin bertujuan menjaga ruangan pada suhu rendah (dingin) dengan membuang panas dari ruangan. Sedangkan pompa kalor bertujuan menjaga ruangan berada pada suhu yang tinggi (panas). Hal ini di ilustrasikan seperti pada gambar 2.1. Ruang Panas Ruang Panas (ruang yang dimanfaatkan) R QH Wnet, in (required input) HP QH (desired output) Wnet, in (required input) QL (desired output) QL Ruang dingin (ruang yang dimanfaatkan) Ruang Dingin
(b) Refrigerator (a) Heat pump Gambar 2.1 Refrigerator dan pompa kalor (heat pump) Sumber: (Cengel and Boles 2006) Pompa kalor memanfaatkan sifat fisik dari penguapan dan pengembunan dari suatu fluida yang disebut dengan refrigeran. Pada aplikasi sistem pemanas, ventilasi dan pendingin ruangan, pompa kalor merujuk pada alat pendinginan kompresi-uap yang mencakup saluran pembalik dan penukar panas sehingga arah aliran panas dapat dibalik. Secara umum, pompa kalor mengambil panas dari udara atau dari permukaan. Beberapa jenis pompa kalor dengan sumber panas udara tidak bekerja dengan baik setelah temperatur jatuh di bawah -5 o C (23 o F) (http://id.wikipedia.org/wiki/pompa_kalor n.d.). 2.3.1 Siklus Refrigerasi kompresi uap Siklus refrigerasi kompresi uap merupakan silkus yang paling umum digunakan untuk mesin pendingin dan pompa kalor. Komponen utama dari sebuah siklus kompresi uap adalah : 1. Kompresor Pada sistem mesin refrigerasi, kompresor berfungsi seperti jantung. Kompresor berfungsi untuk mensirkulasikan refrigeran dan menaikan tekanan refrigerant agar dapat mengembun di kondensor pada temperatur di atas temperatur udara sekeliling.(www:google/komponen Utama Siklus Kompresi Uap). Berdasarkan cara kerjanya, kompresor yang biasa dipakai pada sistem refrigerasi dapat dibagi menjadi:
KOMPRESOR ROTARY RECIPROCATING EJEKTOR TURBO VANE SCROLL ROLLING PISTON SCREW CENTRIFUGAL AXIAL Gambar 2. 2 Pembagian Kompresor (Teknik Pendingin & Pengkondisian Udara,Dr. Eng. Himsar Ambarita, 2012, hal : 46) Kompresor yang memerangkap refrigeran dalam suatu ruangan yang terpisah dari saluran masuk dan keluarnya, kemudian dimampatkan. Kompresor ini dapat dibagi lagi menjadi: a. Kompresor torak (reciprocating) b. Kompresor putar (rotary) c. Kompresor sudu luncur (rotary vane atau sliding vane) d. Kompresor ulir (screw) e. Kompresor gulung (Scroll) 2. Kondensor, Kondensor berfungsi sebagai untuk membuang kalor ke lingkungan, sehingga uap refrigeran akan mengembun dan berubah fasa dari uap ke cair. Sebelum masuk ke kondenser refrigeran berupa uap yang bertemperatur dan bertekanan tinggi, sedangkan setelah keluar dari kondenser refrigeran berupa cairan jenuh yang bertemperatur lebih rendah dan bertekanan sama (tinggi) seperti sebelum masuk ke kondenser. 3. Katup Ekspansi, Komponen utama yang lain untuk mesin refrigerasi adalah katup ekspansi. Katup ekspansi ini dipergunakan untuk menurunkan tekanan dan untuk mengekspansikan secara adiabatik cairan yang bertekan dan bertemperatur tinggi sampai mencapai tingkat tekanan dan temperatur rendah, atau mengekspansikan
refrigeran cair dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi, refrigeran cair diinjeksikan keluar melalui oriffice, refrigeran segera berubah menjadi kabut yang tekanan dan temperaturnya rendah. Selain itu, katup ekspansi juga sebagai alat kontrol refrigerasi yang berfungsi : 1. Mengatur jumlah refrigeran yang mengalir dari pipa cair menuju evaporator sesuai dengan laju penguapan pada evaporator. 2. Mempertahankan perbedaan tekanan antara kondensor dan evaporator agar penguapan pada evaporator berlangsung pada tekanan kerjanya. 4. Evaporator, berfungsi melakukan perpindahan kalor dari ruangan yang didinginkan ke refrigeran yang mengalir di dalamnya melalui permukaan dindingnya. Siklus refrigerasi kompresi uap ini dapat digambarkan seperti gambar berikut: Ruang panas Q H Condenser Katup ekspansi Compressor Win Evaporator Dingin Proses refrigerasi (a) Skema
(c) Diagram T-s (b) Diagram P-h Gambar 2.3 Skema, diagram T-s dan diagram P-h dari siklus refrigrasi kompresi uap (Cengel and Boles 2006) Dari gambar diatas, Siklus ini terdiri dari 4 proses, yaitu: 1-2 : Proses kompresi Proses berlangsung dalam kompresor dan berlangsung secara isentropik adiabatik. Refrigeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh dengan temperatur dan tekanan rendah, kemudian masuk dalam kompresor, selanjutnya oleh kompresor uap dinaikkan tekanannya menjadi uap bertekanan dan temperaturnya meningkat. Dalam pengujian besarnya daya kompresor untuk melakukan kerja dapat juga ditentukan dengan rumus:...(handbook of industrial drying, third edition) (2.1) Dimana : = daya listrik kompresor (Watt) = tegangan listrik (Volt) = kuat arus listrik (Ampere)
= sudut antara daya nyata dan daya aktif (0,6 0,8) 2-3 : Proses kondensasi (pengembunan) Proses berlangsung dalam kondensor. Refrigeran yang berasal dari kompresor dengan tekanan tinggi dan temperatur tinggi masuk kedalam kondensor untuk mengubah wujudnya menjadi cair. Terjadi pertukaran kalor antara refrigeran dengan lingkungan (udara) sehingga panas berpindah dari refrigeran ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran mengembun menjadi cair. Besarnya kalor per satuan waktu yang di lepaskan di kondensor dinyatakan sebagai:...(2.2) (Teknik Pendingin & Pengkondisian Udara,Dr. Eng. Himsar Ambarita, 2012, hal :5) Dimana : = besarnya kalor dilepas di kondensor (kj/kg) = entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kj/kg) = entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kj/kg) = laju aliran refrigeran pada sistem (kg/s) 3-4 : Proses ekspansi Refrigeran (dalam wujud cair jenuh) mengalir melalui katup ekspansi. Refrigeran mengalami ekspansi pada entalpi konstan dan berlangsung secara irreversibel. Terjadi penurunan tekanan dan temperatur. 4-1 : Proses evaporasi (penguapan)
Proses terjadi didalam evaporator da berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan dan temperatur konstan). Refrigeran (fasa campuran uapcair) mengalir melalui evaporator. Panas dari lingkungan diserap refrigeran melalui evaporator. Proses ini berlangsung di evaporator secara isobar isotermal. Refrigerant dalam wujud cair bertekanan rendah menyerap kalor dari lingkungan / media yang di dinginkan sehingga wujudnya berubah menjadi gas bertekanan rendah. Besarnya kalor yang diserap evaporator adalah :......(2.3) (Teknik Pendingin & Pengkondisian Udara,Dr. Eng. Himsar Ambarita, 2012,hal :5) Dimana : = kalor yang di serap di evaporator ( kw ) = efek pendinginan (efek refrigerasi) (kj/kg) = harga entalpi ke luar evaporator (kj/kg) = harga entalpi masuk ke evaporator (kj/kg) = laju aliran refrigeran pada sistem (kg/s) 2.3.2 Pengering Pompa Kalor Prinsip kerja pengering pakaian pompa kalor diilustrasikan seperti gambar 2.4. Pompa kalor memberikan panas dengan mengekstraksi energi dari udara sekitar. Panas kering udara diproses memasuki belakang drum dan berinteraksi dengan cucian. Udara lembab yang hangat dari drum diproses melalui layar serat dan melalui evaporator dimana sebagian besar kelembaban akan di hilangkan sebelum mengalir melalui kondensor dan kembali ke drum.
Kipas 3 Rh T Evaporator 2 Rh T Load Cell Gelas Ukur air Katup Ekspansi Kondensor 1 Rh T C Kompresor Kipas Anemometer EL-USB (Rh & Temperatur) 1 2 3 Rh T Rh T Rh T Gambar 2.4 Diagram pengering pakaian pompa kalor Komputer (Data Logger) Melalui skema siklus refrigrasi kompresi uap, panas yang dikeluarkan oleh kondensor dimanfaatkan untuk mengeringkan pakaian. Udara panas dari kondensor dialirkan ke ruang pengeringan, selanjutnya udara hasil pengeringan menjadi lembab (basah). Udara dari ruang pengeringan kemudian dialirkan ke evaporator untuk didinginkan dan dikeringkan, udara tersebut selanjutnya akan menuju kondensor untuk dipanaskan. Demikian seteruanya siklus dari udara pengering tersebut bersikulasi. Skema dari pengering pakaian ini terlihat pada gambar 2.5. 2.4 Kinerja Alat Pengering Gambar 2.5 Skema pengeringan Sumber: (Pal U.S 2010)
Kinerja alat pengering salah satunya dapat ditentukan dari efisiensi pengeringan. Efisiensi pengeringan merupakan perbandingan antara energi yang digunakan untuk menguapkan kandungan air abahan dengan energi untuk memanaskan udara pengering. Efisiensi pengeringan biasanya dinyatakan dalam persen. Semakin tinggi nilai efisiensi pengeringan maka alat pengering tersebut semakin baik. 2.4.1 Efisiensi Pengeringan Perhitungan efisiensi pengeringan dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan:... (2.4) (Dipl. Ing (FH) D. Butz, Dipl. Ing (FH) M. Schwarz, Fachhochschule Fulda, Food technology 2004 hal :142) Dimana: Q p adalah energi yang digunakan untuk pengeringan (kj) Q adalah energi untuk memanaskan udara pengering (kj) 2.4.2 Spesific Moisture Extraction Rate (SMER) Nilai laju ekstraksi air spesifik atau specific moisture extraction rate (SMER) merupakan perbandingan jumlah air yang dapat diuapkan dari bahan dengan energi listrik yang digunakan tiap jam atau energi yang dibutuhkan untuk menghilangkan 1 kg air. Dinyatakan dalam kg/kwh. Perhitungan SMER menggunakan persamaan (Mahlia, Hor and Masjuki 2010): SMER = m X x Cp x ( T T ) Wc udara in out +... (2.5) Dimana : M udara = laju aliran massa udara ( kg/s) Cp = Panas Jenis udara (kj/kg) T in = Temperatur udara masuk evaporator ( 0 C) T out = Temperatur udara keluar evaporator ( 0 C) Wc = Daya kompressor (kw) 2.4.3 Specific Energy Consumption (SEC)