BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengeringan Pengeringan adalah proses mengurangi kadar air dari suatu bahan [1]. Dasar dari proses pengeringan adalah terjadinya penguapan air ke udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara dan bahan yang dikeringkan. Laju pemindahan kandungan air dari bahan akan mengakibatkan berkurangnya kadar air dalam 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 [1 halaman 6 ]. 6
2.2 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kecepatan Pengeringan. Proses pengeringan suatu bahan tergantung pada 2 faktor, yaitu faktor eksternal dan faktor internal. Penghilangan air sebagai uap dari permukaan material tergantung pada kondisi eksternal, yaitu temperatur (Temperature) yang tinggi, laju udara (Air Flow) yang tinggi, kelembaban udara (air Humidity) yang rendah, luas permukaan terbuka dan tekanan (Pressure). Pergerakan kelembaban internal pada material (Kondisi Internal) yang dikeringkan adalah fungsi dari sifat fisik zat padat (luas permukaan), suhu dan kadar air. Pada proses pengeringan salah satu dari kondisi ini memungkinkan menjadi faktor pembatas yang mengatur laju pengeringan, meskipun keduanya dapat berproses secara berkesinambungan. Laju pengeringan biasanya meningkat di awal pengeringan kemudian konstan dan selanjutnya semakin menurun seiring berjalannya waktu dan berkurangnya kandungan air pada bahan yang dikeringkan. Laju Pengeringan merupakan jumlah kandungan air bahan yang diuapkan tiap satuan berat kering bahan dan tiap satuan waktu [6]. 2.3 Jenis Jenis Pengeringan Jenis-jenis pengeringan berdasarkan karakteristik umum dari beberapa pengering konvensional dibagi atas 8 bagian, yaitu : (Arun S. Mujumdar, Chung Lim Law. 2009). 1. Baki atau wadah Pengeringan jenis baki atau wadah adalah dengan meletakkan material yang akan dikeringkan pada baki yang lansung berhubungan dengan media pengering. Cara perpindahan panas yang umum digunakan adalah konveksi dan perpindahan panas secara konduksi juga dimungkinkan dengan memanaskan baki tersebut. 7
2. Rotari Pada jenis ini ruang pengering berbentuk silinder berputar sementara material yang dikeringkan jatuh di dalam ruang pengering. Medium pengering, umumnya udara panas, dimasukkan ke ruang pengering dan bersentuhan dengan material yang dikeringkan dengan arah menyilang. Alat penukar kalor yang dipasang di dalam ruang pengering untuk memungkinkan terjadinya konduksi. 3. Flash Pengering dengan flash (flash dryer) digunakan untuk mengeringkan kandungan air yang ada di permukaan produk yang akan dikeringkan. Materi yang dikeringkan dimasukkan dan mengalir bersama medium pengering dan proses pengeringan terjadi saat aliran medium pengering ikut membawa produk yang dikeringkan. Setelah proses pengeringan selesai, produk yang dikeringkan akan dipisahkan dengan menggunakan hydrocyclone. 4. Spray Teknik pengeringan spray umumnya digunakan untuk mengeringkan produk yang berbentuk cair atau larutan suspensi menjadi produk padat. Contohnya, proses pengeringan susu cair menjadi susu bubuk dan pengeringan produk-produk farmasi. Cara kerjanya adalah cairan yang akan dikeringkan dibuat dalam bentuk tetesan oleh atomizer dan dijatuhkan dari bagian atas. Medium pengering (umumnya udara panas) dialirkan dengan arah berlawanan atau searah dengan jatuhnya tetesan. Produk yang dikeringkan akan berbentuk padatan dan terbawa bersama medium pengering dan selanjutnya dipisahkan dengan hydrocyclone. 5. Fluidized bed Pengeringan dengan menggunakan kecepatan aliran udara yang relatif tinggi menjamin medium yang dikeringkan terjangkau oleh udara. Jika 8
dibandingkan dengan jenis wadah, jenis ini mempunyai luas kontak yang lebih besar. 6. Vacum Pengeringan dengan memanfaatkan ruangan bertekanan udara rendah. Dimana pada ruangan tersebut tidak terjadi perpindahan panas, tetapi yang terjadi adalah perpindahan massa pada suhu rendah. 7. Membekukan Pengeringan dengan menggunakan suhu yang sangat rendah. Biasanya digunakan pada produk-produk yang bernilai sangat tinggi, seperti produk farmasi dan zat-zat kimia lainnya. 8. Batch dryer Pengeringan jenis ini hanya baik digunakan pada jumlah material yang sangat sedikit, seperti penggunaan pompa panas termasuk pompa panas kimia. Pada bagian tugas sarjana ini akan dilakukan simulasi pada pengeringan tipe Baki (wadah) dengan menggunakan udara panas yang berasal dari kondensor air conditioner (AC) sebagai sumber energi pemanas yang akan di alirkan ke dalam ruang pengering. 2.4 Pompa Kalor (Heat Pump) Pompa kalor (heat pump) adalah suatu perangkat yang mendistribusikan panas dari media suhu rendah ke suhu tinggi. Pompa kalor merupakan perangkat yang sama dengan mesin pendingin (refrigerator), perbedaannya hanya pada tujuan akhir. 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 diilustrasikan seperti pada gambar 2.1. 9
WARM environment WARM house R QH Wnet,in (required input) HP QH (desired output) Wnet,in (required input) QL (desired output) QL COLD Refrigerated space COLD environment a. Refrigerator b. Heat pump Gambar 2.1 Refrigerator dan Pompa Kalor (Heat Pump) [7] Pompa kalor memanfaatkan sifat fisik dari penguapan dan pengembunan dari suatu fluida yang disebut dengan refrigerant. 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 mengambil panas udara tidak bekerja dengan baik setelah temperatur jatuh di bawah -5 0 C (23 0 F) [1]. 2.4.1 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, berfungsi untuk memindahkan uap refrigeran dari evaporator dan menaikkan tekanan dan temperatur uap refrigeran ke suatu titik di mana uap tersebut dapat berkondensasi dengan normal sesuai dengan media pendinginnya. 10
2. Kondensor, berfungsi melakukan perpindahan kalor melalui permukaannya dari uap refrigeran ke media pendingin kondensor. 3. Katup Ekspansi, berfungsi untuk mengatur jumlah refrigeran yang mengalir ke evaporator dan menurunkan tekanan dan temperatur refrigeran cair yang masuk ke evaporator, sehingga refrigeran cair akan menguap dalam evaporator pada tekanan rendah. 4. Evaporator, berfungsi melakukan perpindahan kalor dari ruangan yang didinginkan ke refrigerant yang mengalir di dalamnya melalui permukaan dindingnya. Siklus refrigerasi kompresi uap ini dapat digambarkan seperti gambar berikut: WARM environment Q H Condenser 3 2 Expansion valve Compressor W in 4 1 Evaporator Q L COLD Refrigerated space Gambar 2.2 Skema Siklus Refrigerasi Kompresi Uap 11
a. Diagram T-s b. Diagram P-h Gambar 2.3. Diagram T-s dan diagram P-h dari Siklus Refrigrasi Kompresi Uap [7] Dari gambar di atas, 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. 2-3 : Proses Kondensasi (Pelepasan Panas) 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. 12
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 (Penyerapan Panas) Proses terjadi di dalam evaporator dan berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan dan temperatur konstan). Refrigeran (fasa campuran uap-cair) mengalir melalui evaporator. Panas dari lingkungan diserap refrigeran melalui evaporator. 2.4.2 Pengering Pompa Kalor Prinsip kerja pengering bahan pertanian sistem pompa kalor diilustrasikan seperti gambar 2.4 pompa kalor memberikan panas dengan mengekstraksi energi dari udara sekitar. Panas kering udara diproses memasuki ruang pengering dan berinteraksi dengan bahan pertanian. Udara lembab yang hangat dari ruang pengering digunakan kembali untuk menaikkan temperatur udara yang keluar dari evaporator di dalam alat penukar kalor yang nantinya akan dialirkan ke kondensor dan kembali ke ruang pengering. Gambar 2.4 Diagram Pengering Bahan Pertanian Pompa Kalor 13
Keterangan gambar: 1. Alat pengering pompa kalor 2. Udara panas dari kondensor 3. Udara panas memenuhi ruang pengering 4. Udara lingkungan diserap evaporator 5. Udara dari ruang pengering dan evaporator di kondisikan dalam alat penukar kalor Melalui skema siklus refrigerasi kompresi uap, panas yang dikeluarkan oleh kondensor dimanfaatkan untuk mengeringkan bahan pertanian. Udara panas dari kondensor dialirkan ke ruang pengering, selanjutnya udara hasil pengeringan menjadi lembab (basah). Udara dari ruang pengeringan kemudian dialirkan ke alat penukar kalor untuk menaikkan udara dingin yang keluar dari evaporator, udara tersebut selanjutnya akan menuju kondensor. Demikian seterusnya siklus udara pengering tersebut bersirkulasi. Skema dari pengering bahan pertanian ini terlihat pada gambar 2.5. Gambar 2.5. Skema Pengeringan 14
Kinerja alat pengering salah satunya dapat ditentukan dari efisiensi pengeringan. Efisiensi pengeringan merupakan perbandingan antara energi yang digunakan untuk menguapkan kandungan air bahan dengan energi untuk memanaskan udara pengering. Efisiensi pengeringan biasanya dinyatakan dalam persen. Semakin tinggi nilai efisiensi pengeringan maka alat pengering tersebut semakin baik. 2.5 Perhitungan Performansi Teknis Perhitungan efisiensi pengeringan dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan:. (2.1) Dimana: Q p adalah energi yang digunakan untuk pengeringan (kj) Q adalah energi untuk memanaskan udara pengering (kj) 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 [8]. Dinyatakan dalam kg/kwh. Perhitungan SMER menggunakan persamaan:. (2.2) Dimana : adalah jumlah air yang diuapkan (kg/h) adalah energi yang digunakan untuk proses pengeringan (kw) Energi yang dikonsumsi spesifik atau specific energy consumption (SEC) adalah perbandingan energi yang dikonsumsi dengan kandungan air 15
yang hilang, dinyatakan dalam kwh/kg dan dihitung dengan menggunakan persamaan:. (2.3) Dimana: adalah specific energy consumption (kwh/kg) Laju pengeringan (drying rate; kg/jam), dihitung dengan menggunakan persamaan [9]: (2.4) Dimana : adalah berat bahan pertanian sebelum pengeringan (kg) adalah bahan pertanian setelah pengeringan (kg) adalah waktu pengeringan (jam) Kinerja dari pompa kalor dinyatakan dalam coefficient of performance (COP), yang didefenisikan sebagai perbandingan antara kalor yang dilepaskan oleh kondensor dengan kerja (energi) yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor [10] : (2.5) Dimana : adalah kalor yang dilepaskan oleh kondensor (kw) adalah kerja (energi) yang masuk dalam kompresor (kw) Kalor yang dilepaskan oleh kondensor dihitung dengan persamaan:. (2.6) 16
Dimana: adalah laju aliran massa udara (kg/s) adalah panas spesifik udara ( ) adalah suhu rata-rata udara keluar kondensor (K) adalah suhu rata-rata udara masuk kondensor (K) persamaan: Kerja yang masuk ke dalam sistem (kerja kompresor) di hitung dengan.. (2.7) Dimana: adalah laju aliran massa refrigeran (kg/s) h 1 diperoleh dari tekanan pada saluran keluar evaporator h 2 diperoleh dari tekanan pada saluran keluar kompresor Sebuah Sistem kompresi uap dengan memanfaatkan evaporator dan kondensor sekaligus disebut dengan sistem kompresi uap hibrid. Kinerja dari sebuah sistem kompresi uap hibrid dinyatakan dengan Total Performance (TP) yang menyatakan jumlah beban maksimum pada ruang pendinginan dan ruang pengeringan dibandingkan dengan daya kompresi, yang dirumuskan dengan:... (2.8) Dimana: adalah kalor yang diserap oleh evaporator (kw) adalah kalor yang dilepaskan oleh kondensor (kw) adalah kerja Kompresor (kw) 17
Kalor yang diserap oleh evaporator dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: (2.9) 18