BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Kakao ( Theobroma cacao) Kakao merupakan tumbuhan berwujud pohon yang berasal dari Amerika Selatan. Dari biji tumbuhan ini dihasilkan produk olahan yang dikenal sebagai cokelat. Tumbuhan tahunan (perennial) ini bisa tumbuh mencapai ketinggian 10m. Namun demikian dalam pembudidayaan tingginya dibuat tidak lebih dari 5m tetapi dengan tajuk menyamping yang meluas. Hal ini dilakukan untuk memperbanyak cabang produktif. Kakao secara umum adalah tumbuhan menyerbuk silang dan memiliki sistem inkompabilitas sendiri. Walaupun demikian, beberapa varietas kakao mampu melakukan penyerbukan sendiri dan menghasilkan jenis komoditi dengan nilai jual yang lebih tinggi. Gambar 2.1 Theobroma cacao Berikut beberapa varietas kakao : a. Criolo (fine cocoa atau kakao mulia) Jenis varietas Criolo mendominasi pasar kakao hingga pertengahan abad 18, akan tetapi saat ini hanya beberapa saja pohon Criolo yang masih ada.
b. Forastero Verietas ini merupakan kelompok varietas terbesar yang diolah dan ditanami. c. Trinitario / Hibrida Merupakan hasil persilangan antara jenis Forastero dan Criolo. Merupakan hasil persilangan antara jenis Forastero dan Criolo. Dan Kategori Kakao berikut : Dalam komoditas perdagangan kakao dunia dibagi menjadi dua kategori besar biji kakao : a. kakao mulia ( fine cocoa ) Secara umum, Kakao mulia diproduksi dari varietas Criolo. b. kakao curah ( bulk or ordinary cocoa ) Kakao curah berasal dari jenis Forastero. Habitat alam tanaman kakao berada di hutan beriklim tropis. Kakao merupakan tanaman tropis yang suka akan naungan (Shade Loving Plant) dengan potensi hasil bervariasi 50-120 buah/pohon/tahun. Varietas yang umum terdiri atas : Criolo,Forastero, dan Trinitario (hibrida) yang merupakan hasil persilangan Criolo dan Forastero. Forastero lebih sesuai di dataran rendah, sedangkan Criolo dapat ditanam sampai dengan dataran agak tinggi. Criolo terdiri atas kultivar South American Criolos dan Central American Criolos, sedangkan Forastero terdiri atas kultivar Lower Amazone Hybrid (LAH) dan Upper Amazone Hybrid (UAH). UAH mempunyai karakter produksi tinggi, cepat mengalami fase generatif/berbuah setelah umur 2 tahun, tahan penyakit VSD (Vascular Streak Dieback), masa panen sepanjang tahun dan fermentasinya hanya 6 hari. Sebagai salah satu komoditas andalan Indonesia, kakao mempunyai peran strategis dalam perekonomian Indonesia, yaitu sebagai penyumbang devisa negara peringkat ketiga disektor perkebunan. Pada tahun 2012, komoditas kakao telah menyumbang devisa sebesar USD1,053,446,947 dari ekspor biji kakao dan produk kakao olahan. Beberapa kebijakan yang dikeluarkan pemerintah dalam memajukan industri hilir di dalam negeri terbukti membawa hasil dalam pengembangan industri kakao indonesia. Salah
satunya dengan penerapan standar nasional indonesia (SNI) demi menjaga mutu bubuk kakao yang beredar di dalam negeri. Program industri hilir yang dicanangkan oleh Kementrian Perindustrian juga mampu mengangkat industri kakao nasional sehingga dapat bersaing, baik di pasar domestik maupun global, serta memberikan sumbangan dalam mendukung pertumbuhan ekonomi negara kita. Saat ini pertumbuhan permintaan kakao dunia sekitar empat juta ton per tahun. data international Cocoa organization (ICCO) menyatakan bahwa dalam lima tahun terakhir, permintaan kakao tumbuh rata rata 5% per tahun. Di masa depan, komoditas kakao memiliki daya yang besar untuk dikembangkan. diperkirakan, konsumsi kakao di Indonesia, India, dan Cina akan mencapai 1 kg / kapita / tahun sehingga akan ada permintaan tambahan sekitar 2,2 juta ton biji kakao per tahun. Tabel 2.1 Negara Penghasil Kakao Terbesar (Data Tahun Panen 2005) No Negara Jumlah Kakao untuk Dunia (%) 1 Pantai Gading 38 2 Ghana 19 3 Indonesia 13 4 Nigeria 5 5 Brasil 5 6 Kamerun 5 7 Ekuador 4 8 Malaysia 1 9 Negara lain 9 2.2. Pengeringan Teknologi pemrosesan bahan pangan terus berkembang dari waktu ke waktu.perkembangan teknologi ini didorong oleh kebutuhan pangan manusia yang terus meningkat yang diakibatkan oleh semakin meningkatnya jumlah penduduk dunia. Pada saat yang sama, luas lahan pertanian dan perkebunan makin menyempit. Hal tersebut menyebabkan
dibutuhkannya teknologi-teknologi pemrosesan produk pertanian dan perkebunan yang mampu meningkatkan kualitas dan kuantitas produk tersebut, salah satunya adalah teknologi pengeringan bahan pangan. Pengeringan adalah suatu peristiwa perpindahan massa dan energi yang terjadi dalam pemisahan cairan atau kelembaban dari suatu bahan sampai batas kandungan air yang ditentukan dengan menggunakan gas sebagai fluida sumber panas dan penerima uap cairan Pengeringan merupakan proses pemindahan panas dan uap air secara simultan, yang memerlukan energi panas untuk menguapkan kandungan air yang dipindahkan dari permukaan bahan, yang dikeringkan oleh media pengering yang biasanya berupa panas. Tujuan pengeringan itu sendiri adalah untuk mengurangi kadar air bahan sampai batas dimana perkembangan mikroorganisme dan kegiatan enzim yang dapat menyebabkan pembusukan terhambat atau terhenti. Dengan demikian bahan yang dikeringkan dapat mempunyai waktu simpan yang lebih lama. Metode pengeringan secara umum terbagi menjadi dua, pengeringan alami dan pengeringan buatan. Pengeringan alami membutuhkan lahan yang luas, sangat tergantung pada cuaca, dan sanitasi hygiene sulit dikendalikan sedangkan pada pengeringan buatankendala tersebut dapat diatasi. Kelemahan Pengeringan buatan adalah memerlukan keterampilan dan peralatan khusus, serta biaya lebih tinggi dibanding pengeringan alami. Mekanisme Pengeringan ketika benda basah dikeringkan secara termal dan berlangsung secara simultan ada dua. Mekanisme pertama perpindahan energi dari lingkungan untuk menguapkan air yang terdapat di permukaan benda padat.perpindahan energi dari lingkungan ini dapat berlangsung secara konduksi, konveksi, radiasi, atau kombinasi dari ketiganya. Proses ini dipengaruhi oleh temperatur, kelembapan, laju dan arah aliran udara, bentuk fisik padatan, luas permukaan kontak dengan udara dan tekanan. Proses ini merupakan proses penting selama tahap awal pengeringan ketika air tidak terikat dihilangkan. Penguapan yang terjadi pada permukaan padatan dikendalikan oleh peristiwa difusi uap dari permukaan padatan ke lingkungan melalui lapisan film tipis udara. Mekanisme yang kedua perpindahanmassa air yang terdapat di dalam benda ke permukaan. Ketika terjadi penguapan pada permukaan padatan, terjadi perbedaan temperatur sehingga air mengalir dari bagian dalam benda padat menuju ke permukaan benda padat. Struktur benda padat tersebut akan menentukan mekanisme aliran internal air. Oleh karenanya di dalam memilih
suatu unit pengering yang tepat dan juga parameter pengeringan seperti waktu dan suhu, adalah penting memahami perilaku pengeringan dari bahan yang dikeringkan. 2.2.1. Prinsip Pengeringan Pengeringan produk hasil pertanian seperti kakao merupakan proses pengeluaran air dari kadar air sekitar 65% hingga mencapai 7 7,5% (basis kering) dengan cara mensirkulasikan udara panas yang melewatinya. Udara panas diperlukan untuk menguapkan air yang dikandung oleh padatan, dan aliran udara diperlukan untuk menghilangkan uap air. Terdapat dua tingkat pada suatu pengeringan yang khas yaitu tingkat pertama adalah penghilangan dari air di permukaan dan tingkat kedua adalah penghilangan dari air di dalam bahan. Untuk itu, proses pengeringan dibagi menjadi periode laju konstan (constant rate period) dan periode laju menurun (falling rate period).selama periode laju konstan, permukaan bahan masih basah dan laju pengeringan ditentukan oleh penguapan dari air bebas dari permukaan bahan atau daerah yang dekat permukaan. Laju pengeringan tergantung pada perbedaan tekanan uap antara permukaan dan udara. Suhu udara pengeringan, kecepatan udara dan bentuk serta ukuran partikel dapat secara nyata mempengaruhi laju pengeringan. Ketika pengeringan berjalan, permukaan bahan adalah tidak lebih lama dibasahkan, tetapi bagian padatan yang luar menjadi kering. Laju pengeringan menurun dan air harus bergerak dari bagian dalam ke permukaan, sebelum air dapat menguap. Ini disbut perioda laju penurunan pengeringan dan pada perioda ini biasanya bahan mencapaikadar air yang aman untuk penyimpanan. Pada periode ini pengeringan sangat tergantung pada suhu udara pengeringan. 2.2.2. 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. Jenis-jenis pengeringan berdasarkan karakteristik umum dari beberapa pengering konvensional dibagi atas 8 bagian, yaitu : 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. 2. Rotary Pada jenis ini ruang pengering berbentuk silinder berputar sementara material yang dikeringkan jaruh 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 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 akhir ini akan dilakukan simulasi pada pengeringan tipe wadah dengan menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi pemanas udara pengering. 2.3. Heat Pump (Pompa Kalor) Heat pump adalah alat yang bekerja dengan cara memindahkan kalor (heat) dari ruangan dengan temperatur rendah ke ruangan dengan temperatur lebih tinggi. Heat pump bekerja dengan siklus yang sama seperti refrigerator (kulkas, AC), hanya saja prinsip kerjanya dibalik. Siklus ini merupakan siklus termodinamika. Ada beberapa siklus termodinamika yang dapat digunakan sebagai siklus heat pump (pompa kalor),antara lain : siklus kompresi uap, siklus gas, siklus absorpsi, dan siklus adsorbsi. Heat pump berfungsi untuk menjaga temperatur suatu ruangan agar tetap tinggi. Dengan cara menyerap kalor dari lingkungan bertemperatur rendah ke lingkungan
yang lain (suatu ruangan). Siklus kompresi uap sederhana bekerja dengan siklus yang sama pada heat pump namun yang dimanfaatkan atau yang digunakan adalah udara panas dan kering dari keluaran kondensor. Siklus pada heat pump untuk pengering udara ditunjukkan pada gambar dibawah. Gambar 2.2 Skema heat pump sebagai pengering Pada gambar diatas, ada 4 komponen utama dalam siklus yang memiliki prinsip kerja yang berbeda. Komponen-komponennya adalah : 1. Kompresor Tugas kompresor adalah mengangkat refrigeran dari evaporator, menaikkan tekanan refrigeran agar dapat mengalir dan dikirim ke kondensor. Kompresor harus menjaga tekanan evaporator tetap rendah agar refrigerant bisa menguap dan tekanan kondesor tetap. Kompressor bekerja menggunakan energi listrik yang akan diubah menjadi mekanik untuk melakukan kompresi. Kompresor adalah bagian utama dari suatu sistem kompresi uap. Berdasarkan prinsip kerjanya secara umum kompressor dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu : i. Tipe perpindahan positif (positive displacement)
ii. Uap refrigerant dari evaporator dihisap dan dijebak pada suatu ruangan tertentu,kemudian ditekan hingga tekanannya melebihi tekanan kondensor dan kemudian dilepaskan ke kondensor. Setelah langkah ini selesai maka proses akan diulang lagi. Jika melihat proses ini, aliran fluida pada kompressor tidaklah kontinu tetapi terputus-putus. Karena frekuensi terputusnya sangat tinggi, aliran akan terlihat tidak terputus-putus. Tipe roto-dynamic Tekanan regfrigeran dihasilkan dengan mengubah energy kinetic dengan menggunakan elemen yang berotasi. Oleh karena itu, aliran fluida pada compressor tipe ini termasuk kontinu. Refrigeran yang dikompresi harus dalam fase gas. Gambar 2.3 Kompressor pada AC LG SU12LPBX - R 2. Kondensor Kondensor adalah alat penukar kalor yang berfungsi mengubah fasa refrigeran dari kondisi superheat menjadi cair, bahkan kadang sampai subcooled. Pada diagram Ph, kondensor bertugas mengantar refrigerant setelah melalui compressor (dari titik 2) ke sebelum masuk ke katup ekspansi (titik 3). Proses ini adalah proses membuang panas pada temperature kondensasi, Tc yang diasumsikan konstan. Medium pendingin yang biasa digunakan adalah udara lingkungan,air, atau gabungan keduanya. Masing-masing medium mempunyai kelebihan dan kekurangan. Pembagian kondensor berdasarkan medium yang digunakan dapat dibagi atas 3 bagian, yaitu: i. Kondensor berpendingin udara
ii. iii. Tidak diperlukan pipa untuk mengalirkannya dan tidak perlu usaha untuk membuangnya karena setelah menyerap panas bisa langsung dilepaskan ke udara lingkunga. Kondensor berpendingin air Air mempunyai sifat membawa dan memindahkan panas yang jauh lebih baik daripada air. Oleh karena itu tidak di butuhkan peralatan yang besar untuk perpindahan panas. Tetapi air ini tidak bisa dibuang langsung ke sungai atau danau karena bisa mengancam sistem mata rantai sungai. Kondensor ini dilengkapi dengan cooling tower yang berfungsi mendinginkan air panas yang berasal dari kondensor dengan menjatuhkannya dari suatu ketinggian agar dapat didinginkan oleh udara. Biaya awal kondensor dengan sistem ini besar namun biaya operasionalnya kecil. Sistem ini digunakan pada sistem kompresi uap dengan kapasitas besar. Kondensor berpendingin gabungan (evaporative condenser) Air dan udara digunakan untuk mendinginkan kondensor. Air disiramkan ke pipa-pipa kondensor dan udara juga ditiupkan. Hal ini akan mengakibatkan terjadinya penguapan dipermukaan kondensor. Karena panas penguapan air sangat tinggi dan ini diambil dari refrigerant melalui dinding pipa maka jenis ini akan mempunyai koefisien perpindahan panas yang sangat baik.
Gambar 2.4 Kondensor Berpendingin Udara 3. Evaporator Evaporator mempunyai tugas yang sama dengan kondensor sebagai alat penukar kalor. Namun evaporator bekerja dengan prinsip yang berlawanan dengan kondensor. Evaporator berfungsi sebagai medium untuk terjadinya penyerapan kalor dari udara oleh refrigeran. Ketika refrigeran melewati evaporator mengalami perubahan fase menjadi gas karena menyerap kalor. Udara yang melewati pipa-pipa evaporator akan mengalami penurunan temperatur. Berdasarkan model perpindahan panasnya evaporator dapat dibagi atas natural convection dan forced convection. i. Natural convection Fluida pendingin dibiarkan mengalir sendiri karena adanya perbedaan massa jenis. Evaporator ditempatkan ditempat yang lebih tinggi. Fluida yang bersentuhan dengan evaporator akan turun suhunya dan massa jenisnya akan naik,sebagai akibatnya,fluida ini akan turun dan mendesak fluida dibawahnya untuk bersirkulasi. Sistem ini hanya mampu pada refrigerasi dengan kapasitas kecil seperti kulkas. ii. Forced convection Menggunakan blower untuk memaksa terjadinya aliran udara sehingga terjadi konveksi dengan laju perpindahan panas yang lebih baik. Pada model ini ada refrigerant mengalir dalam pipa dan mengalir diluar pipa. 4. Katup Ekspansi Gambar 2.5 Evaporator Natural Convection
Katup ekspansi memiliki dua fungsi, yaitu menurunkan refrigeran dari tekanan kondensor sampai pada tekanan evaporator. Dan mengatur jumlah aliran refrigeran yang mengalir masuk evaporator. Pada kondisi pengaturan yang ideal, cairan refrigerant tidak diboleh sampai masuk ke kompressor. Hal ini bisa saja terjadi salah satunya karena beban pendingin berkurang,refrigeran yang menguap di evaporator akan berkurang. Jika pasokan refrigerant cair dari kondensor tetap mengalir maka hal ini akan memaksa cairan refrigerant masuk ke compressor. Inilah katup ekspansi difungsikan. Jika beban berkurang maka pasokan refrigerant akan berkurang sehingga menjamin hanya uap refrigerant yang masuk ke kompressor. Jenis katup ekspansi dapat dibagi menjadi 7 jenis,yaitu : a) Katup ekspansi manual b) Tabung kapiler c) Orifice d) Katup ekspansi automatic e) Katup ekspansi thermostatic f) Katup ekspansi mengapung g) Katup ekspansi elektronik Gambar 2.6 Katup Ekspansi pada AC LG SU12LPBX - R Pada siklus kompresi uap, di evaporator refrigerant menghisap panas dari udara masuk evaporator sehingga panas akan menguapkan refrigerant. Lalu uap refrigeran akan dikompres oleh kompressor hingga mencapai tekanan kondensor,dalam kondensor uap refrigerant
dikondensasikan dengan cara membuang panas dari uap refrigerant ke lingkungan (di ambil untuk mengeringkan,sistem heat pump). Kemudian refrigerant akan kembali diteruskan ke dalam evaporator. Dalam diagram T-s dan P-h siklus kompresi ideal dapat dilihat dalam gambar berikut ini. T Saturated liquid 2 3 Q H W in 4' 4 Q L 1 Saturated vapor s Gambar 2.7 T-s Diagram P 3 QH 2 Win QL 4 1 h Gambar 2.8 P-h Diagram Gambar diatas menunjukkan hubungan temperatur-entropi dan tekanan-entalpi dari siklus heat pump, proses yang terjadi adalah sebagai berikut : Proses kompresi (1-2) Proses ini dilakukan oleh kompressor dan berlangsung secara isentropik. Kondisi awal refrigerant pada saat masuk ke dalam kompressor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah mengalami kompresi refrigerant akan menjadi uap bertekanan tinggi. Karena
proses ini berlangsung secara isentropic maka temperature ke luar kompressor pun meningkat. Proses kondensasi (2-3) Proses ini berlangsung didalam kondensor. Refrigerant yang bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi yang berasal dari kompressor akan membuang kalor sehingga fasanya berubah menjadi cair. Hal ini berarti bahwa didalam kondensor terjadi pertukaran kalor antara refrigerant dengan lingkungannya (udara) sehingga panas berpindah dari refrigerant ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigerant mengembun menjadi cair. Proses ekspansi (3-4) Proses ekspansi ini berlangsung secara isoentalpi. Hal ini berarti tidak terjadi perubahan entalpi tetapi terjadi drop tekanan dan penurunan temperatur Proses evaporasi (4-1) Proses ini berlangsung secara isobar isothermal (tekanan konstan, temperature konstan) di dalam evaporator. Panas dari dalam ruangan akan diserap oleh cairan refrigerant yang bertekanan rendah sehingga refrigerant berubah fasa menjadi uap bertekanan rendah. Kondisi refrigerant saat masuk evaporator sebenarnya adalah campuran cair dan uap. Selanjutnya refrigeran kembali masuk ke dalam kompressor dan bersirkulasi. Seluruh siklus berulang dengan sendirinya selama kompresor dinyalakan. 2.4. Pengering Pompa Kalor Prinsip kerja pengering dengan pompa kalor dan solar collector. Pompa kalor menghasilkan udara panas dan kering dengan mngekstraksi energi dari udara sekitar. Lalu panas kering udara masuk ke ruang solar collector dan mendapatkan perlakuan panas dari sinar matahari yang terkumpul di solar collector sehingga panas kering udara meningkat suhunya.
Udara keluar hasil solar collector di alirkan ke ruangan pengering dan berinteraksi dengan bahan yang dikeringkan. Udara lembab yang hangat dari ruang pengering diproses melalui evaporator dimana sebagian besar kelembaban akan dihilangkan sebelum mengalir melalui kondensor masuk ke solar collector dan masuk kembali ke ruang pengering. Gambar 2.9 Diagram Pengering dengan Pompa Kalor dan Kolektor Surya Melalui skema siklus refrigerasi kompresi uap, panas yang dikeluarkan oleh kondensor di panaskan kembali oleh solar collector lalu dimanfaatkan untuk mengeringkan bahan makanan. Udara panas dari solar collector dialirkan ke ruang pengering, setelahnya udara hasil pengeringan menjadi lembab (basah). Udara dari ruang pengering kemudian di alirkan ke evaporator untuk didinginkan dan dikeringkan, udara tersebut selanjutnya akan menuju kondensor untuk dipanaskan dan menghasilkan udara kering lalu di alirkan ke solar collector untuk mendapatkan panas yang di inginkan. Demikian seterusnya siklus dari udara pengering tersebut bersikulasi. 2.4.1. Kelebihan Dan Kelemahan Heat Pump Ada beberapa keuntungan dalam pemanfaatan Heat Pump sebagai pengeringan : 1. Efisiensi energi yang tinggi dan temperature yang bisa dikontrol. Sangat membantu dalam mengkondisikan bahan yang akan dikeringkan.
2. Kualitas produk yang dihasilkan juga memiliki nilai yang tinggi. Ini dikarenakan bahan yang dikeringkan tidak cepat rusak atau pun terlambat pengeringannya. 3. Dengan berbagai kondisi temperature lingkungan pengeringan bisa dihasilkan untuk suhu bahan - 20ºC dan hasil suhu pengeringan 100ºC (dengan pemanas tambahan). 4. Hasil produk yang dikeringkan memiliki nilai yang konstan. 5. Sangat berguna dalam mengeringkan bahan bernilai tinggi maupun rendah. 6. Studi yang terdahulu menemukan bahwa kualitas warna dan aroma produk pertanian yang dikeringkan dengan pompa kalor lebih baik dari pada cara konvensional(dijemur di bawah matahari). Beberapa kekurangan Heat Pump sebagai pengering sebagai berikut : 1. Biaya modal awal yang tinggi karena banyak komponen pendingin. Sistem membutuhkan waktu steady state untuk mencapai kondisi pengeringan yang diinginkan. 2. Diperlukan perawatan secara berkala untuk komponennya. 3. Kebocoran refrigerant ke lingkungan dapat terjadi jika ada keretakan pada pipa karena sistem nya yang cenderung memiliki tekanan tinggi. 2.4.2. Aplikasi Heat Pump dan Pemanfaatannya. Heat pump dengan bantuan solar collector ternyata telah diteliti sejak lama dan banyak dimanfaatkan tidak untuk pengeringan saja. Pemanfaatan heat pump dengan bantuan solar kolektor sudah dilakukan dan diterapkan dibeberapa Negara yaitu : 1. Solar Assisted Chemical Heat Pump Dryer (SACHPD) Systems For Agricultural And Marine Products. Diteliti di Malaysia dengan memanfaatkan reaksi kimia pada sistem nya. Diharapkan dengan adanya reactor yang berisi reaksi Amonia (NH3) relative humidity nya rendah dimana COP yang didapat 0,06 dan 0,13 pada rentang suhu 0-30ºC
Gambar 2.10 Siklus SACHPD 2. A Solar Assisted heat pump drying system for grain in-store drying Diteliti di China untuk pengeringan atau pengaduk biji padi dan juga kayu yang akan diolah. Menggunakan alat pengaduk pada ruangan pengeringannya agar hasil yang dikeringkan merata. Penelitian yang dilakukan mendapatkan COP diantara 5,66 dan 6,25. Gambar 2.11 Sistem Pengering Solar Assited Heat Pump Drier Dengan Bantuan Stirrer Dan Granary
3. Solar assisted heat pump system for heat supply Diteliti di China bagian utara untuk menghasilkan panas. Panas yang dihasilkan dari sistem ini bermanfaat untuk memanaskan air pada penggunaan rumah tangga. Penelitian ini mendapatkan COP sekitar 2,19. Gambar 2.12 Sistem Solar Assisted Heat Pump System For Heat Supply 4. Solar-assited heat-pump dryer and water heater Dikaji di Singapura,yang mana sistem ini bisa memiliki manfaat untuk mengeringkan suatu bahan dan juga memanaskan air. Sistem ini mendapatkan COP sebesar 7.
Gambar 2.13 Sistem Solar-Assited Heat-Pump Dryer And Water Heater Kinerja alat pengering heat pump dan solar collector dapat ditentukan dari efisiensi pengering. Efisiensi pengeringan adalah perbandingan antara energi yang digunakan untuk menguapkan kandungan air dari bahan dengan energi untuk memanaskan udara pengering. Efisiensi pengeringan biasanya dinyatakan dalam persen. Semakin tinggi nilai efisiensi pengering maka alat pengering ini semakin baik. Perhitungan efisiensi pengeringan dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan:... (2.1) Dimana : Q p = energi yang digunakan untuk pengeringan (kj) Q = energi untuk memanaskan udara pengering (kj) Nilai laju ekstrasi 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 :
... (2.2) Dimana : = laju pengeringan Energi yang dikonsumsi spesifik atau specific energy consumption (SEC) adalah perbandingan energi yang dikonsumsi dengan kandungan air yang hilang, dinyatakan dalam kwh/kg dan dihitung dengan menggunakan persamaan :... (2.3) Laju pengeringan (drying rate ; kg/jam), dihitung dengan mneggunakan persamaan : (2.4) Dimana : W 0 : Berat bahan makanan sebelum pengeringan (kg) W f : Berat bahan makan setelah pengeringan (kg) t : 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 [9]:... (2.5) Dimana; = Kalor yang dilepaskan oleh kondensor = Kerja (energi) yang masuk dalam kompresor Kalor yang dilepaskan oleh kondensor dihitung dengan persamaan: ( )... (2.6)
Dimana: = laju aliran massa udara = panas spesifik udara = suhu rata-rata udara keluar kondensor = suhu rata-rata udara masuk kondensor Kerja yang masuk ke dalam sistem (kerja kompresor) di hitung dengan persamaan: ( )... (2.7) h 1 diperoleh dari tekanan pada evaporator, h 2 diperoleh dari tekanan pada kondensor. 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: Q e = Kalor yang diserap oleh evaporator Q c = Kalor yang dilepaskan oleh Kondensor
W c = Kerja Kompresor Kalor yang diserap oleh evaporator dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: ( )... (2.9) 2.5. PSYCROMETRIC CHART Psycrometric chart merupakan diagram untuk memahami dan menganalisa sifat termodinamika dari udara (moist air), kondisi udara dan proses dalam sistem tata udara (air conditioning system). Gambar dibawah ini adalah diagram psycrometric chart yang dikeluarkan oleh American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers. INC (ASHRAE) pada tahun 1992.
Gambar 2.14 Ashrae Psyhrometric Chart
atas : Berikut adalah penjelasan untuk istilah-istilah yang terdapat dalam psycrometric chart di Dry-bulb temperature (⁰C) : Temperatur yang diukur dengan termometer biasa. Wet-bulb temperature (⁰C) : Temperatur dimana dengan menguapkan air ke udara dapat menyebabkan udara menjadi jenuh secara adiabatis pada temperatur yang sama. Dew point temperature (⁰C) : Temperatur dimana udara menjadi jenuh pada perbandingan kelembaban (humidity ratio) yang sama. Humidity Ratio : Rasio yang menunjukkan jumlah uap air per satuan berat udara kering. Satuan yang digunakan : Lb per lb dry air, kg per kg udara kering Grain per lb dry air (1 lb = 7.000 grain) gram per kg udara kering. Relative Humidity (%) : Perbandingan antara kandungan uap air (moisture content) di udara dan kandungan uap air ketika jenuh pada temperatur dan tekanan yang sama. Enthalpy (kj/kg) : Sifat termodinamika yang menunjukkan kandungan energi per satuan berat. Secara lebih mudah untuk dipahami, istilah-istilah diatas dapat dilihat lagi ada penyerderhanaan psycrometric chart di bawah ini (pada tekanan 1 atm) : Gambar Proses-proses di udara (pengkondisian udara) sesuai letak titik pada psycrometric chart, dikelompokkan menjadi : 1. Heating (Pemanasan), dimana temperatur akhir lebih tinggi daripada temperatur awal (T 2 > T 1 ). 2. Cooling (Pendinginan), dimana temperatur akhir lebih rendah daripada temperatur awal (T 2 < T 1 ).
3. Humidifying (Humidifikasi), dimana moisture content akhir lebih tinggi daripada moisture content awal (w 2 > w 1 ). 4. Dehumidifying (Dehumidifikasi), dimana moisture content akhir lebih rendah daripada moisture content awal (w 2 < w 1 ). 5. Kombinasi atau gabungan : Cooling dan dehumidifying, dimana T 2 < T 1 & w 2 < w 1 Heating dan humidifying, dimana T 2 > T 1 & w 2 > w 1 Keadaan proses-proses pengkondisian udara diatas dapat terlihat pada gambar berikut: gambar Heat load dalam pengkondisian udara juga terbagi 2, yaitu : 1. Sensible Heat, ialah kalor yang diperlukan atau dihilangkan dan menyebabkan perubahan temperatur (naik/turun). Q = 1,09 x CFM x (T 2 - T 1 ) Q = Heat Load yang dibutuhkan/dilepas (Btuh/h) CFM = Jumlah aliran udara (ft 3 /min) T 1 = Temperatur awal (⁰F) T 2 = Teemperatur akhir (⁰F) 2. Latent Heat, ialah kalor yang diperlukan atau dihilangkan untuk mengubah fase zat (condensation, evaporation). Di udara, latent heat akan menyebabkan perubahan kelembaban (humidity). Q = 0,68 x CFM x (w 2 -w 1 ) Q = Heat Load yang dibutuhkan/dilepas (Btuh/h) CFM = Jumlah aliran udara (ft 3 /min) w 1 = Moisture content awal (grain/lb) w 2 = Moisture content akhir (grain/lb) 3. Total Heat, ialah gabungan antara sensible heat dan latent heat. Q = H 2 H 1 Q = 4,5 x CFM x (h 2 h 1 ) Q = Heat Load yang dibutuhkan/dilepas (Btuh/h) CFM = Jumlah aliran udara (ft 3 /min)
h 1 = Enthalpy awal (Btu/lb) h 2 = Enthalpy akhir (Btu/lb)