I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pengembangan peralatan pengering berlangsung seiring dengan tuntutan tingkat performansi alat yang tinggi dengan berbagai faktor pembatas seperti ketersediaan sumber energi, material, dan teknologi yang dibutuhkan. Oleh karena itu jenis pengering akan sangat bervariasi dan sifatnya khusus terutama dalam kaitannya dengan jenis komoditas atau produk yang akan dikeringkan. Lebih dari 400 jenis pengering telah dilaporkan pada literatur dan lebih dari 100 jenis telah tersedia di pasaran umum (Mujumdar dan Devhastin, 2001) Pengeringan adalah suatu proses yang memerlukan energi yang besar. Berbagai sektor industri mengkonsumsi jumlah energi berbeda dalam proses produksinya. Sebagai contoh, pangan dan pertanian membutuhkan energi sekitar 12%, kertas 33%, kayu 11%, bahan keramik dan bangunan 11% dan tekstil 5%, (Kowalski dan Pawloski, 2011). Kemp (2012) juga melaporkan bahwa pada sebagian besar negara maju, 10-20% total penggunaan energi digunakan untuk proses pengeringan. Pengering buatan yang ada kebanyakan menggunakan sumber panas dari energi fosil sebagai sumber energinya. Cadangan energi fosil ini dari tahun ke tahun menipis jumlahnya, selain itu harga energi fosil juga meningkat tajam menjadi masalah tersendiri dalam proses pengeringan yang menggunakan energi fosil sebagai sumber pemanas. 1
Pengembangan alat pengering dengan menggunakan energi alternatif selain fosil dengan menggunakan sumber energi yang melimpah dan terbarukan seperti energi surya sangat diharapkan untuk mengatasi masalah di atas (Banerjee, 2005). Di Indonesia pada Tahun 2010, penggunaan energi baru terbarukan (EBT) hanya mencapai 4,4 persen (Gambar 1.1), masih jauh di bawah minyak bumi, batubara, dan gas bumi (Sumiarso, 2011). EBT, 4.4% Gas Bumi, 21.0% Minyak Bumi, 43.9% Batu Bara, 30.7% Gambar 1.1. Penggunaan Sumber Enegi di Indonesia Tahun 2010 Peluang pemanfaatan energi baru dan terbarukan untuk proses pengeringan masih terbuka luas dan perlu lebih ditingkatkan lagi. Salah satu sumber energi yang bisa dikembangkan adalah penggunaan energi surya. Jenis alat pengering yang banyak dikembangkan adalah pengering efek rumah kaca (ERK) yang memadukan kolektor panas surya sebagai pembangkit panas udara dengan ruang pengering untuk mengurangi biaya konstruksi (Abdullah, 2007). ERK dapat dibangun dalam berbagai konfigurasi tergantung pada jenis komoditas yang dikeringkan, luas lahan tersedia, intensitas dan lama penyinaran surya. 2
Pengering ERK telah diuji coba untuk mengeringkan berbagai produk pertanian, seperti, kakao (Nelwan, 1997; 2005), kopi (Wulandani, 1997; Janjai et al., 2011), panili (Mursalim,1995), cengkeh (Wulandani, 2005), jagung (Nelwan et al.,2007); cabai dan pisang (Janjai et al., 2011), dll. Berdasarkan penelitianpenelitian tersebut, pengering ERK mampu memberikan performasi pengeringan yang cukup bagus. Namun demikian masih ada beberapa kendala yang dijumpai dalam penerapan ERK tersebut. Di antara pengering tersebut, pengering tipe rak (tray dryer) adalah yang paling banyak digunakan karena desain yang sederhana dan kemampuan mengeringkan produk dengan kapasitas yang besar. Namun, kelemahan terbesar dari pengering tipe rak (tray dryer) adalah pengeringan tidak merata karena distribusi aliran udara yang kurang baik di ruang pengering (Misha et al., 2013). Pada sistem rak ini bahan yang akah dikeringkan diletakkan di atas rak kemudian rak-rak tersebut disusun di dalam ruang pengering. Udara panas dilewatkan di atas rak tersebut. Menurut Misha et al. (2013), kunci keberhasilan operasi dari pengering tipe rak adalah distribusi aliran udara yang seragam di atas rak. Distribusi aliran udara yang baik akan memastikan keseragaman kadar air akhir dari produk untuk masing-masing rak. Menerapkan desain yang tepat dari sistem pengering tipe rak dapat menghilangkan atau mengurangi ketidak seragaman pengeringan dan meningkatkan efisiensi pengering. Hasil penelitian sebelumnya (Mursalim, 1995) mendapatkan perbedaan suhu sekitar 10 o C antara rak bagian tengah dan bawah pada pengeringan panili. Pada pengeringan cengkeh dengan pengering ERK tipe rak statis didapatkan suhu 3
rak 1 sebesar 46,9 o C, rak 2 sebesar 39,6 o C dan rak 3 sebesar 38,5 o C atau perbedaan suhu antara rak 1 dengan rak 3 sebesar 8,4 o C (Ratnawati, 2003). Hal tersebut juga sesuai dengan penelitian oleh Prasad dan Vijay (2006) yang melakukan penelitian pengeringan jahe dan temulawak dengan menggunakan pengering energi matahari tipe kabinet, dimana suhu pada rak bagian atas mencapai 49,8 o C, rak bagian tengah 42,2 o C dan rak bagian bawah sebesar 39,9 o C. Wulandani (2005), melaporkan pada pengering ERK dengan bangunan segiempat menunjukkan bahwa perbedaan suhu yang terjadi pada arah vertikal lebih besar dibandingkan dengan suhu pada arah horisontal. Hasil penelitian Janjai et al. (2011) pada pengeringan kopi, pisang dan cabai dengan pengering efek rumah kaca (solar greenhouse) menunjukkan bahwa tidak ada perbedaan suhu pada arah horizontal untuk setiap titik pengamatan. Oleh karena itu pengering efek rumah kaca harus dimodifikasi dengan tempat pengeringan yang memungkinkan produk mencapai suhu dan kadar air akhir yang seragam, yaitu dengan cara memutar produk dengan sistem pemutaran produk atau tempat/wadah dari produk tersebut, seperti yang pernah dilakukan oleh Nelwan (2005), yaitu dengan menggunakan rak berputar secara horisontal dan Nelwan et al. (2007) dengan wadah silinder yang diputar secara vertikal. Akan tetapi tidak semua jenis produk pertanian dapat dilakukan proses pengadukan selama pengeringan berlangsung. Untuk itu diperlukan bentuk modifikasi lain, antara lain dengan rancangan rak pengering yang dapat diputar kearah vertikal. Triwahyudi (2009), melakukan kajian pengeringan kapulaga dengan pengering ERK Hybrid tipe rak berputar secara vertikal, yang merupakan disain dari Wulandani et al. (2008) dan diperoleh hasil 4
pada pergeseran 45 o memberikan hasil terbaik dengan nilai ragam untuk sebaran suhu sebesar 1,2 o C, nilai ragam untuk kadar air sebesar 1,1%. Kendala yang lain adalah suhu udara di dalam ruang pengering ERK berfluktuatif karena sangat dipengaruhi oleh keberadaan surya. Iradiasi surya sifatnya selalu berubah dan besar iradiasinya sangat dipengaruhi oleh waktu, lokasi dan musim. Kesulitan ini dapat diatasi, selain menggunakan perangkat penyimpanan panas (heat storage), juga dengan menggunakan tambahan sumber energi hasil pembakaran biomassa atau pemanas tambahan lainnya sehingga disebut dengan pengering ERK-Hybrid. Untuk mengoptimalkan penggunaan energi, maka penambahan sistem pengendalian suhu sangat diperlukan. Dengan penambahan sistem pengendalian, maka suhu pada ruang pengering dapat diatur pada batas yang aman sehingga dapat menghindari kerusakan pada bahan yang dikeringkan. Pemecahan permasalahan tersebut di atas akan diupayakan dalam penelitian ini dengan membuat suatu pengering energi surya efek rumah kaca (ERK) terintegrasi dengan sistem penyimpan panas menggunakan rak berputar secara vertikal serta mengembangkan model matematik terutama pada sistem rak pengering berputar dan keseluruhan sistem untuk simulasi pengoperasian dan scaling up. 1.2. Perumusan Masalah Memperhatikan uraian pada latar belakang masalah sebagaimana diuraikan di atas, permasalahan dalam penelitian ini dirumuskan, sebagai berikut: 5
1. Faktor-faktor dominan apakah yang mempengaruhi proses pengeringan terutama untuk kapulaga lokal 2. Apakah variasi kecepatan pemutaran rak berpengaruh terhadap keseragaman suhu bahan dan penurunan kadar air 3. Bagaimanakah pengaruh penambahan sistem penyimpan panas (pemanas tambahan) terhadap unjuk kerja sistem pengering, terutama mengenai analisis konsumsi energinya. 4. Upaya apakah yang perlu dilaksanakan untuk memperkirakan perubahan suhu, RH dan penurunan kadar air selama proses pengeringan pada berbagai variasi kecepatan putar rak. 1.3. Batasan Masalah Pada penelitian ini sistem pengeringan yang dirancang hanya diperuntukkan untuk bahan-bahan pertanian berkadar air awal tinggi dan mempunyai nilai ekonomis tinggi serta tidak tahan terhadap proses pengadukan selama proses pengeringan. 1.4. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian secara umum adalah mengembangkan sistem pengering energi surya efek rumah kaca (ERK) terintegrasi dengan sistem penyimpan panas 6
menggunakan rak yang dapat diputar secara vertikal, untuk mendapatkan hasil pengeringan dengan laju pengeringan seragam. Untuk mencapai tujuan tersebut, penelitian ini dibagi dalam beberapa tujuan khusus yaitu : 1. Mendapatkan karakteristik pengeringan lapisan tipis, kadar air kesetimbangan, model pengeringan lapisan tipis serta konstanta laju pengeringan pada percobaan pengeringan lapisan tipis dengan variasi suhu dan kelembaban. 2. Mengevaluasi kinerja pengering surya efek rumah kaca (ERK) tanpa pemanas tambahan dan dengan pemanas tambahan, serta mengetahui pengaruh variasi kecepatan putar rak terhadap keragaman suhu bahan maupun penurunan kadar air. 3. Mengetahui pengaruh sistem pengeringan tanpa pemanas tambahan dan dengan pemanas tambahan terhadap konsumsi energi pada pengering surya efek rumah kaca (ERK). 4. Merumuskan model matematik untuk memprediksi perubahan suhu, RH, dan penurunan kadar air bahan selama proses pengeringan pada berbagai variasi kecepatan putar rak, melakukan validasi dari model tersebut, serta melakukan simulasi untuk beberapa kondisi. 7
1.5. Keaslian dan Kebaharuan Penelitian Sebagaimana telah diuraikan dimuka, bahwa kelemahan proses pengeringan dengan menggunakan pengering efek rumah kaca (ERK) tipe rak statis adalah masalah keseragaman kadar air. Diperlukan penelitian untuk mengatasi permasalahan tersebut dengan melakukan penelitian sistem rak yang dapat diputar. Pemodelan matematik proses pengeringan pada pengering energi surya telah dilakukan oleh beberapa peneliti baik pada pengeringan dengan menggunakan rak statis maupun rak yang dapat digerakkan. Jain (2005) mengembangkan model matematik proses pengeringan pada pengering rumah kaca (greenhouse) dengan penyimpan panas sitem rak statis. Model pengeringan dikembangkan berdasarkan pindah panas dan masa. Model yang dikembangkan dapat untuk memprediksi suhu pada masing-masing rak. Janjai et al. (2009) juga melakukan simulasi pada pengering efek rumah kaca sistem rak statis. sebuah sistem persamaan diferensial parsial yang menggambarkan perpindahan panas dan masa selama pengeringan lengkeng kupas dan pisang pada pengering surya efek rumah kaca dikembangkan dan sistem persamaan non-linear diferensial parsial yang dibuat diselesaikan secara numerik dengan metode beda hingga. Solusi numerik diprogram pada Compaq FORTRAN Visual versi 6.5. Hasil simulasi cukup sesuai dengan data eksperimental untuk pengeringan lengkeng kupas dan pisang. Metode yang sama juga dikembangkan oleh Janjai et al, (2011) untuk simulasi pengeringan cabai dan kopi dan juga oleh Janjai (2012) untuk pengeringan tomat. 8
Pemodelan matematik proses pengeringan dengan pengering rumah kaca menggunakan rak statis juga dikembangkan oleh Gamea dan Taha (2012) untuk pengeringan anggur. Model dikembangkan berdasarkan neraca panas dan masa yang menggabungkan pengaturan bentuk kolektor surya dan model pengeringan lapisan tipis. Model yang dikembangkan mampu untuk menilai kinerja pengering surya dan memprediksi intensitas radiasi matahari, suhu, kelembaban relatif dan rasio kadar air produk. Model matematik untuk pengering surya dengan rak yang dapat digerakkan (moving trays) dikembangkan oleh Nelwan (2005) dengan rak berputar secara horisontal. Pengembangan model didasarkan pada pendekatan spasial dan lump. Pada pendekatan lump, model dikembangkan berdasarkan pindah panas dan masa. Dengan menggunakan pendekatan lump, perubahan suhu, RH dan kadar air selama proses pengeringan telah berhasil diprediksi. Nelwan et al. (2007) juga mengembangkan model matematik pengeringan jagung pipilan pada pengering surya efek rumah kaca (ERK) Hybrid dengan silinder berputar. Model juga dikembangkan berdasarkan pindah panas dan masa. Hasil penelitian menunjukkan model yang dikembangkan sudah mendekati dengan data hasil pengujian. Simulasi pemutaran terhadap silinder pengering menunjukkan bahwa pada pemutaran silinder secara terus menerus menghasilkan perbedaan suhu dan kadar air antara lapisan dalam dan luar. Dari paparan tersebut di atas, menurut sepengetahuan penulis proses pengeringan dan pemodelan matematik pada pengering efek rumah kaca (ERK) 9
menggunakan rak berputar secara vertikal dengan variasi kecepatan putar rak belum dilakukan. Disertasi ini memiliki muatan dan menemukan suatu konsepsi bahwa dengan melakukan pemutaran rak pengering akan menghasilkan keseragaman suhu bahan maupun penurunan kadar air pada masing-masing rak. Disamping itu dalam disertasi ini memuat langkah-langkah untuk memperkirakan perubahan suhu, RH maupun penurunan kadar air dengan varaiasi kecepatan putar rak. Keaslian dan kebaharuan penelitian ini terletak pada konsep perlakuan pemutaran rak pengering secara kontinyu dan pengaruhnya terhadap keseragaman suhu bahan maupun penurunan kadar air pada pengering efek rumah kaca (RRK) hybrid, serta pemodelan matematik dari proses pengeringan tersebut. Sumbangan baru yang diharapkan adalah menambah khasanah ilmu dan teknologi pengeringan untuk mengatasi permasalahan ketidakseragaman kadar air akhir hasil pengeringan dan juga optimalisasi dalam penggunaan energi. 10