i
PENGARUH GETARAN DAN ENERGI PANAS
PADA ALAT PENGERING SURYA GHE TIPE KABINET
LA ODE MOHAMMAD FIRMAN
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
ii
DAN SUMBER INFORMASI
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Disertasi dengan judul “PENGARUH GETARAN DAN ENERGI PANAS PADA ALAT PENGERING SURYA GHE TIPE KABINET” yang dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Doktor pada program studi Ilmu Keteknikan Pertanian sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor, sejauh yang Saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari disertasi yang sudah dipublikasikan dan atau pernah di pakai untuk mendapatkan gelar Doktor dilingkungan Institut Pertanian Bogor maupun di perguruan tinggi atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya dicantumkan sebagaimana mestinya.
Bogor, Januari 2012
iii LA ODE MOHAMMAD FIRMAN: The Effects of Vibration and Heat Energy on Cabinet Type GHE Solar Dryer
Under the supervision of KAMARUDDIN ABDULLAH, LEOPOLD OSCAR NELWAN, AND DYAH WULANDANI
Increasing heat and vapor transfer between air and product to be dried is an important issue in drying of agricultural products. Generally, manual mixing is used in order to increase the contact area between air and product to be dried. However in most types of dryer including GHE solar dryer this method will result in significant heat loss and inconvenient operation. In order to overcome the problem, a GHE solar dryer prototype equipped with vibrating method on drying cabinet was designed in this study. The objective of this study is to perform analysis and simulation about vibration and heat transfer process in cashew nut drying by using cabinet type GHE solar dryer.
The designed prototype had dimensions namely length, width, and height respectively of 1 m, and drying capacity of 30 kg of cashew nuts. The heat source was solar energy and coal fuels. The vibration components were placed just below the drying rack serves to smooth the flow of hot air into the cashews which was put on the drying trays. The vibration component consist of motor, shaft and unbalance mass mounted to the shaft.
Based on the experimental result, the effective motion of the samples being dried occured at rotational speed near its natural frequency for total mass of 20 kg as well as of 40 kg. The final moisture content of vibrated samples was lower (i.e. 3.5%) than the samples without vibration (i.e. 4.2%).
The results of testing of cabinet type GHE solar dryer is obtained that the utilization of solar energy just as energy sources drying will result dryer air temperature below 60 ° C. Therefore, additional heat energy required from coal-burning fuels that can raise the temperature of air in the drying chamber. Increased air temperature in the drying chamber requires heat energy and heat exchanger out of qAPK = 23.3 kJ / s, and the results obtained through experiments showed that the average air temperature in the drying chamber can be reached, Trg = 59.6 °C. This heat exchanger has a length of 40 cm, width 60 cm, 30 cm high and made of aluminum material with a thickness of each plate of 1 mm. Furnace fuel placed under the heat exchanger and is equipped with manual equipment that can raise and lower positions of fuel so that the temperature varies in the drying chamber during the experiment can be minimized.
iv LA ODE MOHAMMAD FIRMAN: Pengaruh Getaran Dan Energi Panas Pada Alat Pengering Surya GHE Tipe Kabinet.
Dibimbing oleh: KAMARUDDIN ABDULLAH, LEOPOLD OSCAR NELWAN, DAN DYAH WULANDANI
Penelitian ini merupakan menjelaskan tentang getaran maupun proses perpindahan panas serta percobaan pada pengering surya GHE tipe kabinet. Pada umumnya petani di Indonesia menggunakan cara tradisional dalam mengeringkan komoditi pertanian karena cara ini mudah, murah, sederhana dan tidak memerlukan keahlian khusus selama proses pengeringan berlangsung, namun cara tradisional membutuhkan lahan yang relatif besar, mudah terserang hewan, panas dan temperatur dalam ruang pengering tidak tercapai dan tidak bisa dikonstankan, tergantung kondisi cuaca, kualitas rendah dan lain-lain. Alat pengering surya GHE tipe kabinet mampu meminimalkan permasalahan pada pengeringan tradisional dan secara eknomi menguntungkan Tujuan umum penelitian ini adalah merancang bangun pengering surya GHE tipe kabinet dengan rak bergetar guna mengetahui besarnya penurunan kadar air komoditi kacang mete yang berasal dari Kabupaten Buton, Propinsi Sulawesi Tenggara. Selain itu, penelitian ini dilakukan sebagai upaya dalam pemilihan parameter putaran motor listrik, mesin torak dan masa eksentrik terbaik untuk pengeringan serta sebagai strategi dalam pemilihan jenis alat penukar kalor dan tungku pembakaran guna meningkatkan dan meng-konstankan tempetatur ruang pengering yang diteruskan dengan analisis dan simulasi.
Prototype alat pengering ini dibuat dengan dimensi ruang pengering yakni panjang, lebar, dan tinggi masing-masing sebesar 1 m, dengan kapasitas 30 kg komoditi kacang mete dan menggunakan energi surya, bahan bakar padat batubara dan komponen penggetar. Penggunaan getaran dalam mengeringkan kacang mete dalam ruang pengering ini berfungsi untuk meratakan aliran udara panas ke bahan yang berada di atas rak pengering.
Hasil percobaan memperlihatkan bahwa motor listrik yang diletakkan diluar ruang pengering memiliki daya sebesar 0.5 HP, putaran sebesar 438 rpm dan satu unit mesin torak serta massa eksentrik yang diletakkan tepat dibawah rak pengering memiliki massa sebesar m = 0.48 kg. Hasil ini menyebabkan besarnya amplitudo getaran yang dibutuhkan agar kacang mete dapat bergerak saat besarnya beban yang diterima oleh pegas, M = 40 kg, adalah X = 2.88 mm.
Hasil percobaan tentang penurunan kadar air memperlihatkan bahwa kacang mete yang hanya mempunyai kulit ari dengan tanpa menggunakan getaran (NV) saat pengeringan selama 10 jam mencapai 4.2 %, sedangkan pengeringan dengan menggunakan getaran (UV) bisa mencapai kadar air 5 % dalam waktu 7 jam atau 3.5 % dalam waktu 10 jam, demikian pula penurunan kadar air kacang mete gelondongan tanpa menggunakan getaran (NV) saat pengeringan selama 10 jam mencapai 9.9 %, sedangkan pengeringan dengan menggunakan getaran (UV) bisa mencapai kadar air 8.6 %.
v membutuhkan energi panas yang keluar alat penukar kalor plat datar sebesar qAPK = 23.3 kJ/s dan hasilnya yang diperoleh melalui percobaan memperlihatkan bahwa temperatur udara rata-rata dalam ruang pengering sebesar Trg = 59.6 oC. Sedangkan jenis alat penukar kalor yang digunakan adalah alat penukar kalor plat datar yang memiliki panjang 40 cm, lebar 60 cm, tinggi 30 cm yang terbuat dari material aluminium dengan ketebalan plat masing-masing sebesar 1 mm. Tungku bahan bakar diletakkan dibawah alat penukar kalor dan dilengkapi dengan peralatan manual yang dapat menaikkan dan menurunkan letak bahan bakar sehingga temperatur yang bervariasi dalam ruang pengering selama percobaan berlangsung dapat diperkecil.
vi Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2012
Hak cipta dilindungi Undang-undang
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebut sumber
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah. b. Penulisan tidak merugikan kepentingan IPB yang wajar
vii
PENGARUH GETARAN DAN ENERGI PANAS
PADA ALAT PENGERING SURYA GHE TIPE KABINET
LA ODE MOHAMMAD FIRMAN
F16 10 400 11Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
viii Penguji pada Ujian Tertutup: Dr. Ir. Radite P.A.S
Dr. Ir. Y. Aris Purwanto, M. Agr Penguji pada Ujian Terbuka: Dr. Ir. Ahmad Indra
ix Nama : La Ode Mohammad Firman
NIM : F16 10 400 11
Program Studi : Ilmu Keteknikan Pertanian (TEP)
Disetujui:
Komisi Pembimbing,
Prof. Dr. H. Kamaruddin Abdullah, M.SA Ketua
Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan, M.Si Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si Anggota Anggota
Diketahui:
Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana S-3 Ilmu Keteknikan Pertanian
Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S. Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr
x serta kekuatan dalam menyelesaikan disetarsi ini demi keberhasilan Saya dan keluarga di bidang pendidikan, karena kami sekeluarga sangat yakin bahwa tidak ada satupun keberhasilan mahluk di alam semesta ini tanpa kehendak-Nya dan tidak ada satupun perbuatan yang kita lakukan ataupun kejadian yang kita alami tanpa sepengatahuan-Nya.
Salam dan salawat bagi junjungan kami Nabi besar Muhammad Rasulullah saw beserta keluarganya yang telah menempatkan pendidikan sebagai salah satu agenda prioritas yang harus ditempuh oleh seluruh umat manusia guna mencapai keselamatan di dunia dan di akhirat.
Disertasi yang berjudul “Pengaruh Getaran Dan Energi Panas Pada Alat Pengering Surya GHE Tipe Kabinet” ini, dibuat untuk memenuhi salah satu syarat dalam menyelesaikan studi pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor, Bogor. Artikel dengan judul Analisis Termal dan Getaran pada Pengering Surya GHE Tipe Kabinet yang merupakan bagian dari Disertasi ini telah diterbitkan pada Jurnal Teknologi Volume 1, Edisi Nomor 1, Juni 2011 (ISSN 1643-0266, Fakultas Teknologi Industri Universitas Jayabaya). Demikian juga artikel dengan judul Simulasi Getaran pada Rak Pengering Kacang Mete sudah diterbitkan pula pada Jurnal Teknologi Volume 1, Edisi Nomor 2, Desember 2011 (ISSN 1643-0266, Fakultas Teknologi Industri Universitas Jayabaya).
Dengan selesainya disertasi ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Kedua orang tua, yang senantiasa mendukung dalam mencapai keberhasilan. 2. Prof. Dr. H. Kamaruddin Abdullal, MSA, selaku ketua komisi pembimbing. 3. Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan, M.Si, selaku anggota pembimbing
4. Dr. Ir. Dyah Wulandani, M.Si., selaku anggota pembimbing
5. Staf dosen dan seluruh karyawan program studi Ilmu Keteknikan Pertanian, Institut Pertanian Bogor
6. Pimpinan dan staf pengelola beasiswa BPPS maupun hibah penelitian 7. Kakak dan Adik, serta Istri dan anak penulis
xi harapkan. Semoga penelitian ini berguna bagi perkembangan Ilmu di bidang alat-alat pertanian dan bermanfaat bagi peningkatan kesejahteraan petani.
xii Penulis dilahirkan di kabupaten Buton pada tanggal 24 Juni 1965 sebagai anak ke-empat dari delapan bersaudara dari ayah La Ode Salisu dan ibu Ruhamaa. Penulis menikah dengan Evy Kusumawati, S.Pi dan dikaruniai tiga orang anak yaitu La Ode M. Raldi, Wa Ode Nurul Sabdani, dan La Ode Falan Salsabilan.
Penulis memulai pendidikan dasar sejak tahun 1972 dan menyelesaikan SD, SMP dan SMA di kota madya Bau-Bau, Kab. Buton, Prop. Sulawesi Tenggara. Selanjutnya pendidikan D-3 dan S-1 ditempuh di kota Ujung Pandang, Prop. Sulawesi Selatan pada Universitas Hasanuddin pada jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik dan lulus pada tahun 1993.
xiii Halaman
DAFTAR TABEL xvi DAFTAR GAMBAR xvii
DAFTAR LAMPIRAN xxi
DAFTAR SIMBOL xxii
BAB 1 PENDAHULUAN ………. 1
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 4
Tujuan Penelitian 5
Manfaat Penelitian 6
Batasan Masalah 6
Metode Penelitian 6
Kebaruan Penelitian 9
Keterkaitan Antar Bab 10
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ………. 11
Gambaran Umum Komoditi Kacang Mete 11
Perkembangan Penelitian Pengeringan 15
Sistim Penggetaran 17
BAB 3 PENGEMBANGAN SISTEM PENGGETAR RAK PENGERING… 20
Pendahuluan 20
Tujuan Penelitian 21
Manfaat Penelitian 21
Pendekatan Teori 22
Sistim Dan Gerakan Getaran 22
Getaran Rak 23
Percobaan 25
Waktu dan Tempat 25
Alat dan Bahan 25
Parameter Pengukuran 25
Prosedur Percobaan Getaran 26
Hasil dan Pembahasan 28
Massa Eksentrik, Beban Rak dan Resonansi 28 Pemanfaatan Massa Eksentrik Untuk Pengeringan 30
xiv BAB 4 ANALISIS KESEIMBANGAN ENERGI PANAS
PADA RUANG PENGERING ...…… 35
Pendahuluan 36
Tujuan Penelitian 36
Manfaat Penelitian 36
Pendekatan Teori 36
Perpindahan Energi Panas dalam Ruang Pengering 37 Energi Panas yang Hilang Selama Pengeringan 39
Beban Panas pada Dinding Ruang Pengering 40
Beban Panas pada Ventilasi 40
Keseimbangan Energi 41
Metode Penelitian 43
Waktu dan Tempat 43
Alat dan Bahan 43
Percobaan tanpa menggunakan Kacang Mete 45
Percobaan dengan menggunakan Kacang Mete 45
Parameter Pengukuran 46
Hasil Dan Pembahasan 47
Simpulan 52
BAB 5 RANCANG BANGUN ALAT PENUKAR KALOR ... 53
Pendahuluan 53
Tujuan Penelitian 54
Manfaat Penelitian 54
Pendekatan Teori 54
Alat Penukar Kalor Aliran Silang 54
Bahan Bakar Dan Tungku Pembakaran 56
Perpindahan Panas Pada Alat Penukar Kalor 57
Metode Penelitian 62
Waktu dan Tempat Percobaan 62
Alat Ukur dan Bahan 63
Percobaan 63
Hasil dan Pembahasan 64
Energi Panas dan Dimensi Alat Penukar Kalor 64
Simpulan 65
BAB 6 PERCOBAAN PENGERINGAN SERTA
xv
Pendahuluan 66
Tujuan Penelitian 66
Manfaat Penelitian 67
Pendekatan Teori 67
Pengeringan Alami 67
Pengeringan Buatan 68
Penggunaan Program CFD 69
Metode Penelitian 69
Waktu dan Tempat Percobaan 69
Alat Ukur dan Bahan 69
Percobaan 70
Parameter Pengukuran 72
Hasil dan Pembahasan 72
Pengeringan dengan Menggunakan Energi Surya dan
Bahan Bakar Batubara 72
Pemodelan 76
Simulasi Aliran Udara dalam Ruang Pengering 77
Ruang Model 78
Formulasi Kecepatan 78
Waktu 78
Energi 79
Material Dan Sifat-Sifat Fluida 79
Kondisi Operasi 79
Kondisi Batas 79
Simpulan 90
BAB 7 PEMBAHASAN UMUM ... 90
Kajian Penggetaran 90
Pengeringan dengan Energi Surya 91
Pengeringan dengan Energi Tambahan dari Bahan Bakar Batubara 92
Kadar Air Komoditi Kacang Mete 95
Analisa Biaya 98
BAB 8 SIMPULAN DAN SARAN ... 99
Simpulan Umum 99
Saran 100
xvi Halaman
Tabel 1 Percobaan getaran dengan hanya menggunakan
massa eksentrik 28 Tabel 2 Perubahan besarnya amplitudo (X)
terhadap perubahan beban yang diterima olah pegas (M)
pada putaran motor listrik (n) yang konstan 91 Tabel 3 Hasil pengukuran temperatur maksimal udara pengering dan
xvii Gambar 1 Luas lahan dari pengahasil kacang mete di Indonesia 1
Gambar 2 Diagram alir penelitian 7
Gambar 3 Bunga, buah semu dan buah sejati 11
Gambar 4 Kacang mete berkulit (Gelondongan) 12
Gambar 5 Kacang mete tanpa kulit 15
Gambar 6 Sistem getaran dengan gerak arah vertikal 23
Gambar 7 Letak komponen penggetar dan komoditi 26
Gambar 8 Perubahan MX/me dengan beban pegas 20 kg 29 Gambar 9 Perubahan MX/me dengan beban pegas 30 kg 30 Gambar 10 Perubahan MX/me dengan beban pegas 40 kg 31 Gambar 11 Perubahan besarnya amplitudo, X (mm) terhadap perubahan
beban yang diterima pegas, M (kg) serta perubahan beban
eksentrik, m (kg) pada putaran konstan sebesar n = 438 rpm 32 Gambar 12 Letak komoditi dan bentuk ruang pengering 37 Gambar 13 Perpindahan energi panas pada ruang pengering 41
Gambar 14 Ruang pengering surya GHE tipe kabinet 44
Gambar 15 Kacang mete dalam ruang pengering. 46
Gambar 16 Variasi temperatur dalam ruang pengering dengan tidak
menggunakan komoditi yang sedang dikeringkan 47 Gambar 17 Variasi temperatur dalam ruang pengering dengan menggunakan
kacang mete sebagai komoditi yang sedang dikeringkan 48 Gambar 18 Perbandingan temperatur ruang pengering kacang mete
dengan menggunakan analisis model matematik (Trg MM) dan menggunakan eksperimen (Trg EXP.) dimana kacang mete sebagai komoditi yang sedang dikeringkan dan
xviii
Halaman
Gambar 19 Perbandingan temperatur permukaan kacang mete dengan menggunakan analisis model matematik (Trg MM) dan menggunakan eksperimen (Trg EXP.) dimana kacang mete sebagai komoditi yang sedang dikeringkan dan
hanya menggunakan sumber panas dari sinar marahari. 49 Gambar 20 Perbandingan temperatur permukaan plat penyerap
dengan menggunakan analisis model matematik (Trg MM) dan menggunakan eksperimen (Trg EXP.) dimana kacang mete sebagai komoditi yang sedang dikeringkan dan hanya
menggunakan sumber panas dari sinar marahari. 49 Gambar 21 Temperatur ruang pengering kacang mete dengan analisis
model matematik (Trg MM), bila menggunakan sumber panas dari sinar marahari dan bahan bakar batubara
dimana panas keluar apk sebesar qoAPK = 23,3 kJ/s 52 Gambar 22 Penukar panas aliran lintang yang melukiskan aliran lintang dengan
Ke dua fluida tak ber campur 55
Gambar 23 Penukar panas aliran lintang yang melukiskan aliran lintang dengan satu fluidanya ber campur dan fluida lainnya tak ber campur 56
Gambar 24 APK Plat datar 58
Gambar 25 Temperatur sebelum dan setelah alat penukar kalor 58 Gambar 26 Alat Penukar Kalor Dan Tungku pembakaran 63
Gambar 27 Percobaan Pengeringan 71
Gambar 28 Perubahan temperatur lingkungan T6, Tl (oC), temperatur ruang pengering T7, Trg (oC), dan temperatur udara yang keluar alat penukar kalor T2, Tdout (oC) selama proses pengeringan
berlangsung dari jam 07.30 sampai 17.30 73 Gambar 29 Penurunan kadar air kacang mete yang hanya memiliki kulit ari tanpa
menggunakan getaran, NV (%) dan menggunakan getaran,
xix Gambar 30 Penurunan kadar air kacang mete gelondongan tanpa menggunakan
getaran (NV) dan menggunakan getaran (UV) selama pengeringan 76 Gambar 31 Model Dimensional dan Meshing Pengering 77 Gambar 32 Vektor kecepatan aliran pada bagian input 80 Gambar 33 Vektor kecepatan aliran pada bagian input hingga bagian tengah 81 Gambar 34 Vektor kecepatan aliran pada bagian tengah 81 Gambar 35 Vektor kecepatan aliran pada bagian Atas 82 Gambar 36 Vektor kecepatan dan iso surface bidang tengah 82
Gambar 37 Distribusi tekanan statis 83
Gambar 38 Dsitribusi temperatur pada kondisi 1 dengan arah tiga dimensi 84 Gambar 39 Dsitribusi temperatur pada kondisi 1 dengan arah dua dimensi 84 Gambar 40 Dsitribusi temperatur pada kondisi 2 dengan arah tiga dimensi 85 Gambar 41 Dsitribusi temperatur pada kondisi 2 dengan arah dua dimensi 85 Gambar 42 Dsitribusi temperatur pada kondisi 3 dengan arah tiga dimensi 86 Gambar 43 Dsitribusi temperatur pada kondisi 3 dengan arah dua dimensi 87 Gambar 44 Keadaan temperatur: ruang pengering (Trg), gas buang (Tc),
udara keluar alat penukar kalor plat datar (Td out), dan temperatur udara lingkungan (Tl) pada saat temperatur ruang
pengering tepat 60 oC 93
Gambar 45 Keadaan temperatur: gas buang (Tc), udara keluar
alat penukar kalor (Td out), plat penyerap (Tabs), kacang mete (Tkm), lingkungan (Tl), Rg. Pengering (Trg) pada saat temperatur udara
xx Halaman
Lampiran 1 Percobaan bulan Juni 2005 tentang variasi temperatur 105 Lampiran 2 Percobaan bulan Januari 2009 tentang variasi temperatur 106 Lampiran 3 Percobaan dgn pemanf. Batubara den energi surya 107
Lampiran 4 Percobaan Getaran 108
Lampiran 5-1 Percobaan penurunan kadar air dgn pemanf. Energi surya
Dan bahan bakar batubara 109
Lampiran 5-2 Percobaan laju pengeringan dgn pemanf. Energi surya
Dan bahan bakar batubara 109
Lampiran 6 Data-data percobaan untuk pemodelan 110
Lampiran 7 Analisis Getaran 111
Lampiran 8 Analisis perpindahan Panas 114 Lampiran 9 Analisis efektivitas alat penukar kalor 118 Lampiran 10 Analisis alat penukar kalor 120
Lampiran 11 Alat-alat ukur dan bahan 129
Lampiran 12 Hasil analisis getaran 132
Lampiran 13 Perubahan perbandingan amplitudo terhadap putaran 134
Lampiran 14 Input data CFD 135
Lampiran 15 Data proses pengeringan kacang mete 136
Lampiran 16 Biaya tetap 136
Lampiran 17 Biaya tidak tetap 137
Lampiran 18 Titik impas 137
Lampiran 19 Biaya pokok dan hasil penjualan 137
Lampiran 20 Skenario 1 138
Lampiran 21 Skenario 2 138
xxi Simbol Keterangan Satuan
A Luas permukaan m2
Atot Luas permukaan total m2
Ad Luas penampang saluran udara dingin m2
Ap Luas penampang saluran udara panas m2 Ad Luas penampang total saluran udara m2
Bd Lebar tiap laluan udara dingin m Bp Lebar tiap laluan udara panas m
C Kapasitas panas kJ/kg oC
cpk Panas specifik komoditi kJ/kg oC cpw Panas specifik air kJ/kg
o C cd Panas specifik udara dingin J / kg K cp Panas spesifik udara panas J / kg K
D Diameter m
DHd Diameter hidr. Saluran udara dingin m DHp Diameter hidr. Saluran udara panas m
e Panjang lengan massa eksentrik m
f Frekwensi Hz fn Frekwensi natural Hz Fo Gaya pengganggu N FT Gaya yang diteruskan kepenopang N g Gaya gravitasi m/s2
Gr Bil. Grashof -
h Entalphy kJ/kg hd Koefisien konveksi udara dingin W/m2oC
hp Koefisien konveksi udara panas W/m2oC
xxii Simbol Keterangan Satuan
I Radiasi Matahari kW h/m2 K Keliling m K Konstanta pegas N/m k Kondiktifitas thermal W/m oC L, l Jarak yang di tempuh aliran udara m L apk Lebar APK m
Ld Jarak laluan udara dingin m Lp Jarak laluan udara panas m M, Mt Massa rak dan komoditi kg m Massa eksentrik kg mp Lalu aliran udara panas kg/s md Laju aliran udara dingin kg/s n Putaran rpm Nu Bil. Nusselt - nd Jumlah laluan udara dingin - np Jumlah laluan udara panas - N-tu Number themal of unit -
NV Tanpa getaran -
xxiii Simbol Keterangan Satuan
qi APK Laju perp. panas yang masuk ke APK kJ/s qin En. panas total yang masuk kedalam r. pengering kJ/s qk Laju perp. panas secara konveksi kJ/s qls Daya listrik kW qn Laju perp. panas radiasi kJ/s qp Energi panas yang digunakan untuk pengeringan k.mete kJ/s qs Energi panas yang di suplai kJ/s qu Energi panas yg digunakan / dimanfaatkan kJ/s q APK Laju perp. panas yang keluar dari APK kJ/s qout Jumlah energi panas total yang hilang kJ/s qv Energi panas yang hilang melalui ventilasi kJ/s Ra Bil Rayleigh - Re Bilangan Reynolds - r Rasio frekwensi, Nilai korelasi - t Tahun - T Temperatur oC
Trg Temparatur ruang pengering oC
Td in Temp. yang masuk ke APK oC Td out Temp. udara yang meninggalkan APK oC Td Temperatur udara dingin yg akan ke APK oC Tl Temperatur lingkungan oC Tp in Temp. udara panas yang masuk APK oC Tp out Temp. udara panas yang ke luar APK
o C Tpl Temperatur plat
xxiv Simbol Keterangan Satuan
UV Gunakan getaran - V Volume m3 V Kecepatan aliran udara m/s v Volume specifik m3/kg
Vd Kec. Aliran udara dingin m/s Vp Kec. Aliran udara panas m/s
Huruf Yunani
Kec. Sudut putar rad/s
n
Frekwensi sirkuler rad/s β Koefisien muai -
v Viskositas kinematik m2/s X Amplitudo m x Perubahan posisi m μ Viskositas dinamik kg/m-s €pl Emisivitas plat - €ps Emisivitas plastik - € Efektifitas alat penukar kalor % σ Konstanta Boltzman - ρ Massa jenis kg / m3
Subskrit
a Analisis
abs Absorber
xxv
d udara dingin
in masuk
km, b komoditi kacang mete
l lingkungan
max Maksimum
min Minimum
out keluar
p udara panas, produk/bahan, percobaan
pl Plat
ps Plastik
BAB 1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Luas lahan perkebunan kacang mete di Indonesia seluas 560 813 ha, dimana Propinsi Sulawesi Tenggara merupakan daerah penghasil kacang mete terbesar yakni hampir 1/3 dari lahan tanaman kacang mete di Indonesia, sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 1 (Nurhira 1996):
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000
Sultra NTT Sulsel Jatim NTB Bali D.Lain Propinsi penghasil kacang mete
L
u
as
L
ah
a
n
(
h
a
)
East West North
Gambar 1 Luas lahan dari penghasil kacang mete di Indonesia
Pada tahun 2005 pemerintah kabupaten Buton, yang merupakan bagian dari wilayah propinsi Sulawesi Tenggara mampu memproduksi komoditi kacang mete sebesar 6 856 ton. Potensi kacang mete yang baik ini perlu dibarengi dengan proses pengolahan yang baik, sehingga dapat meningkatkan nilai tambah bagi kacang mete tersebut dan akhirnya akan meningkatkan kesejahteraan petani. Namun demikian, peningkatan nilai tambah bagi kacang mete masih menemui kendala yang seharusnya dapat diselesaikan.
Pengering buatan dapat menjaga kestabilan produksi kacang mete, karena dapat dioperasikan sepanjang hari. Pada prinsipnya untuk menyeragamkan kadar air sekaligus mempercepat proses pengeringan adalah dengan cara membuat seluruh permukaan komoditi terekspos udara pengeringan. Untuk itu biasanya digunakan cara manual untuk mengaduk kacang mete yang sedang dikeringkan. Cara pengadukan seperti ini membutuhkan waktu yang relatif lama karena tidak semua bagian kacang mete memperoleh aliran udara panas, sehingga pada saat tertentu kacang mete tersebut harus dikeluarkan dari ruang pengering untuk di aduk atau digerakkan. Hal ini selain membutuhkan tambahan waktu dan tenaga, juga menimbulkan kehilangan panas akibat pintu ruang pengering tersebut sering di buka.
(Sturgeon 1987). Selain itu dapat pula menggunakan getaran, sebagaimana penelitian getaran yang telah dikembangkan oleh beberapa peneliti antara lain penelitian yang dilakukan oleh Das et al. (2003), dimana motor listrik yang digunakan ditempatkan di bawah alas yang merupakan tumpuan pegas. Selanjutnya penelitian getaran pada buah dan sayuran yang telah dilakukan oleh Hinsch et al. (1993) bahwa percepatan horizontal adalah lebih kecil dari percepatan vertikal. Sedangkan beberapa cara yang telah dikembangkan pada pengering buatan dengan menggunakan energi surya, antara lain: Pengering efek rumah kaca yakni merupakan pengering berupa bangunan segi empat yang menggunakan dinding transparan untuk menangkap radiasi surya. Pengering dilengkapi dengan plat penyerap terbuat dari bahan aluminium yang dicat hitam, ditempatkan sebagai alas ruang pengering. Alat pengering berenergi surya tipe kabinet ini telah diperkenalkan dan telah dirancang bangun oleh Abdullah et al. (1994). Pengeringan kakao, kopi dan komoditi pertanian lainnya dengan menggunakan energi surya telah dilakukan oleh Sarmidi et al. (1994). Sistim pengeringan kayu yang menggunakan energi surya dan energi tambahan berupa bahan bakar padat dari potongan-potongan kayu telah dilakukan oleh Silaban et al. (1994). Kajian eksperimental dan simulasi numerik ruang pengeringan kayu tipe conventional kiln dryer telah dilakukan oleh La Ode et al. (1999).
distribusi suhu udara pengering sepanjang waktu pengeringan dan di seluruh bagian ruang pengering pada saat tertentu. Sebelum alat pengering ini dapat diterapkan di daerah Buton maka dilakukan pula analisis ekonomi pengeringan untuk melihat sejauh mana kelayakan usaha pengeringan ini. Dengan konstruksi yang sederhana menggunakan material yang tersedia di daerah, maka diharapkan pengering ini dapat dibuat oleh petani setempat dan menguntungkan, sehingga dapat meningkatkan kesejahteraan petani kacang mete di daerah Buton.
Perumusan Masalah
Beberapa masalah yang akan ditemui pada saat menerapkan pengering buatan khususnys pengeringan kacang mete yakni:
1. Tidak meratanya aliran udara panas pada produk sehingga mengakibatkan kadar air akhir yang tidak seragam. Salah satu upaya adalah dengan cara melakukan pengadukan selama proses pengeringan berlangsung. Namun masalah baru yang kemudian timbul adalah kehilangan panas yang relatif besar akibat ruang pengering sering dibuka guna mengaduk kacang mete yang dikeringkan. Sebagai solusi permasalahan di atas, maka dalam penelitian ini di kaji sistim rak bergetar, pemilihan jenis penggetar, pemilihan material penggetar dan komponen-komponen yang diperlukan dalam penggetaran. 2. Selama proses pengeringan komoditi kacang mete berlangsung, temperatur
udara dalam ruang pengering buatan ini tidak memadai dan tidak stabil, hal ini disebabkan energi panas yang masuk ke dalam ruang pengering dipengaruhi oleh cuaca, waktu, lokasi dan musim. Oleh sebab itu sistim ini membutuhkan analisis keseimbangan energi yang bertujuan agar besarnya energi panas yang di peroleh dari hasil pembakaran bahan bakar sesuai dengan kebutuhan pengeringan produk komoditi kacang mete di dalam ruang pengering.
penukar kalor, oleh karena itu diperlukan suatu analisis perpindahan panas pada alat penukar kalor dengan menggunakan metode efektivitas, sehingga jenis material, jumlah laluan dan dimensi alat penukar kalor maupun temperatur udara yang akan masuk ke dalam ruang pengering dapat diketahui dan sesuai dengan temperatur yang dibutuhkan oleh komoditi kacang mete dalam ruang pengering.
4. Tidak terdapat data-data yang memadai guna menentukan jenis dan letak komponen penggetar maupun besarnya penurunan kadar air komoditi kacang mete selama pengeringan. Demikian pula, tidak terdapat data-data pendukung guna menentukan jenis, dimensi dan jumlah laluan lintasan pada alat penukar kalor, maupun bentuk tungku pembakaran dan bahan bakar yang digunakan.
Tujuan Penelitian
Secara umum tujuan penelitian ini adalah: merancang bangun komponen-komponen yang dibutuhkan pada pengering surya GHE tipe kabinet dengan rak bergetar. Selain itu, penelitian ini dilakukan sebagai upaya dalam pemilihan parameter daya dan putaran motor listrik, serta massa eksentrik terbaik untuk getaran serta sebagai upaya dalam pemilihan jenis alat penukar kalor guna meningkatkan dan meng-konstankan tempetatur ruang pengering yang diteruskan dengan analisis dan simulasi.
Untuk mencapai tujuan tersebut maka penelitian ini dibagi dalam beberapa tujuan khusus, yaitu :
1. Menghasilkan rancangan alat penggetar serta komponen-komponen yang berhubungan dengan sumber getaran pada rak pengering.
2. Menganalisis keseimbangan energi panas dalam ruang pengering serta menganalisis model matematika guna memastikan besarnya energi panas yang harus di suplai ke dalam ruang pengering.
3. Merancang bangun alat penukar kalor yang akan digunakan. 4. Mengetahui kehandalan pengering melalu percobaan pengeringan.
Manfaat Penelitian
Pengering surya dengan penggetaran rak dan pemanas tambahan batu bara ini diharapkan dapat diterapkan di daerah Buton, dan konstruksinya dapat dibuat oleh petani menggunakan material yang ada serta dapat dioperasikan secara menguntungkan.
Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini, adalah:
1. Rancangan pengering surya GHE tipe kabinet yang dibatasi pada kapasitas pengeringan 30 kg kacang mete.
2. Analisis penggetaran dibatasi pada analisis gerakan vertikal.
3. Analisis pindah panas pada sistem pengering yang digunakan adalah dalam kondisi steady.
4. Analisis biaya dibatasi pada tahapan proses pengeringan, dari mulai kacang mete dengan kulit ari basah hingga kacang mete kupas kering tanpa kulit ari.
Metode Penelitian
Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah: 1. Pengamatan secara langsung.
2. Studi literatur sesuai dengan bidang penelitian. 3. Analisis dan simulasi
4. Rancang bangun alat pengering dan percobaan
Gambar 2 Diagram alir penelitian
Untuk itu penelitian ini dilakukan dalam 4 tahap.
Tahap Pertama
Tahap pertama adalah melakukan studi literatur pada beberapa alat pengering, antara lain: pengering surya GHE tipe kabinet yang telah tersedia di Leuwi kopo, IPB Bogor. Dinding bangunan pengering ini terbuat dari bahan plastik dan plat penyerap terbuat dari bahan aluminium yang telah di cat hitam ditempatkan sebagai alas dalam ruang pengering. Inlet diletakkan pada bagian bawah dinding ruang pengering sedangkan outlet diletakkan pada bagian atas
Mulai
Analisis distribusi suhu udara pengering
Pemilihan tipe getaran dan parameter penentu untuk system
penggetar
Studi literatur dan survei alat pengering yang telah digunakan masyarakat
Rancang bangun penukar kalor
Pembuatan pengering GHE
Percobaan system penggetaran dan pengeringan
Analisis ekonomi
ruang pengering. Selanjutnya dilakukan pengukuran temperatur bola basah dan bola kering pada beberapa bagian dalam ruang pengering maupun temperatur lingkungan serta kecepatan aliran udara pada inlet ruang pengering. Selanjutnya dilakukan pengamatan pada alat pengering yang lain di mana dinding ruang pengering sebelah kiri dan kanan terbuat dari bahan plastik sedangkan dinding ruang pengering bagian depan dan bagian belakang terbuat dari bahan aluminium yang telah di cat hitam. Plat penyerap yang telah di cat hitam ditempatkan sebagai alas dalam ruang pengering. Inlet dan outlet diletakkan pada bagian bawah dinding ruang pengering dan bagian atas alat pengering. Temperatur bola kering dan bola basah serta kecepatan aliran udara di ukur. Ruang pengering dengan dinding aluminium yang telah di cat hitam akan digunakan untuk penelitian “Alat Pengering Surya Dengan menggunakan Rak Bergetar”. Selain itu, pengamatan dilakukan pula pada kondisi daerah dan kondisi masyarakat di daerah Kabupaten Buton, bila petani komoditi kacang mete di wilayah tersebut menggunakan pengering buatan.
Tahap ke dua
pengering serta besarnya energi panas tambahan yang dibutuhkan selama proses pengeringan kacang mete berlangsung. Hasil analisis ini akan menjadi acuan pada saat membuat ruang pengering bertemperatur 60 oC, alat penukar kalor maupun tungku pembakar harus mampu menyuplai energi panas sesuai dengan temperatur yang diharapakan dalam ruang pengering, selanjutnya melakukan analisis getaran, menentukan dimensi dan bahan alat penukar kalor serta bentuk tungku pembakar. Bila hasil analisis telah sesuai dengan kebutuhan kacang mete yang akan dikeringkan dalam ruang pengering sebesar 60 oC maka pembuatan rak pengering dan komponen penggetar, ruang pengering, alat penukar kalor plat datar maupun tungku pembakar dapat dilaksanakan.
Tahap Ke tiga
Tahap ke tiga adalah melakukan percobaan pada alat pengering surya dengan rak bergetar. Pengambilan data dilaksanakan pada siang hari dengan menggunakan energi panas tambahan dari bahan bakar yang terdapat dalam tungku pembakar. Fluida gas dari hasil pembakaran dialirkan ke alat penukar kalor. Percobaan dilakukan, baik pada saat tanpa ada kacang mete maupun ada kacang mete dalam ruang pengering surya GHE tipe kabinet, selanjutnya dilakukan pengukuran guna memperoleh data-data selama proses pengeringan berlangsung antara lain: kadar air akhir selama pengeringan komoditi kacang mete dengan temperatur ruang pengering 60 oC, komponen penggetar dapat menggetarkan rak pengering sesuai yang diharapkan serta ruang pengering tidak pernah di buka selama proses pengeringan berlangsung. Selanjutnya menampilkan distribusi kecepatan aliran udara dan distribusi temperatur dalam ruang pengering surya dengan menggunakan program Computational Fluid Dynamics (CFD) serta melakukan pengamatan maupun analisis keuangan pada Tahap Ke empat.
.
Kebaruan Penelitian
Keterkaitan Antar Bab
Penjelasan masing-masing bab pada penelitian ini berkaitan dengan sumber getaran, rancang bangun, analisis keseimbangan energi, analisis keuangan, melakukan pembuatan alat pengering surya GHE tipe kabinet serta melakukan percobaan dan simulasi. Diawali dengan pendahuluan dan latar belakang pada bab 1, dan gambaran umum serta pengeringan komoditi kacang mete maupun perkembangan penelitian tentang alat pengering buatan sebagaimana yang di bahas pada bab 2.
Bab 3 membahas tentang percobaan getaran yang menggunakan satu buah massa eksentrik yang dihubungkan secara langsung pada poros motor listrik dan sumber penggetar tersebut diletakkan tepat dibawah rak pengering. Pemanfaatan getaran ini akan digunakan pada saat melakukan percobaan pengeringan sebagaimana yang dijelaskan pada bab 6.
Bab 4 membahas tentang keseimbangan energi guna mengetahui besarnya perpindahan panas pada alat pengering maupun besarnya energi panas tambahan yang harus disuplai ke dalam ruang pengering sesuai dengan besarnya energi panas yang diharapkan serta analisis dengan model matematika. Hasil yang diperoleh pada bab 4 ini, terutama menyangkut besarnya panas tambahan yang harus di suplai ke dalam ruang pengering akan merupakan sebagian data-data pada saat merancang bangun alat penukar kalor sebagaimana yang akan dijelaskan pada bab 5.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
Gambaran Umum Komoditi Kacang Mete
Tanaman kacang mete termasuk dalam famili Anacardium yang terdiri dari bagian–bagian vegetatif dan generatif. Bagian vegetatif tanaman kacang mete terdiri dari akar, batang dan daun. Sedangkan bagian generatif terdiri dari bunga, buah dan biji. Tanaman jambu mete mulai berbunga pada umur antara 3-5 tahun. Bunga jambu mete berukuran kecil, beraroma harum dan berjumlah sangat banyak, Sedangkan buah jambu mete terdiri dari dua bagian, yaitu buah semu dan buah sejati yang berbentuk ginjal, sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 3.
Buah Semu Buah Sejati
Bunga
Gambar 3 Bunga, buah semu dan buah sejati
Gambar 4 Kacang mete berkulit (gelondongan)
Untuk menghasilkan gelondongan kacang mete dengan kualitas yang baik tidaklah memerlukan biaya besar asalkan ditangani dengan baik dan benar, Namun banyak gelondongan kacang mete yang dihasilkan petani masih bermutu rendah. Tidak jarang dijumpai gelondongan kacang mete yang masih berupa campuran antara biji mete tua dan muda, cacat serta penuh kotoran. Akibatnya harga gelondongan kacang mete menjadi murah. Hal ini disebabkan beberapa kendala dalam melakukan pengolahan gelondong mete untuk menjadi kacang mete, antara lain:
1. Ukuran yang bervariasi dan tingkat kematangan mempengaruhi pengolahannya dan tingkat kerapuhannya.
2. Terdapatnya minyak laka pada kulit gelondong yang bersifat toksik, iritan dan korosif. Apabila senyawa tersebut mencemari biji mete maka akan menimbulkan noda-noda hitam. Selain itu, minyak laka juga dapat menyebabkan radang, bengkak dan gatal-gatal pada kulit manusia.
Secara umum pengolahan mete panen dan penanganan pasca panen di Indonesia pada prinsipnya hampir sama (Hepi 2004), yang meliputi penjemuran, pengukusan, pendinginan, pengupasan (pengacipan), pengeringan, pengupasan kulit ari dan pengemasan. Secara teknis proses pengolahan mete terdiri dari beberapa tahapan yaitu:
a. Penjemuran
dilakukan selama 3-4 hari di atas lantai semen dengan rata-rata setiap hari dijemur selama 7 jam, pada tingkat kekeringan ini disebut sebagai bahan kering simpan.
b. Pengukusan
Pengukusan merupakan proses panas dimana sebelum dikupas, gelondong mete diberi perlakuan panas di atas suhu lingkungan. Pengukusan dilakukan pada dandang besar di atas kompor minyak tanah selama 20-40 menit. Tujuan dari pengukusan adalah untuk melenturkan gelondong sehingga mudah dalam pengupasannya dan kernel yang dihasilkan juga lebih baik.
c. Pendinginan
Proses pendinginan dilakukan dengan menghampar gelondong mete di lantai dengan ketebalan 10 cm. Selain itu, juga dapat dilakukan dengan cara gelondong mete dihampar dalam sebuah mesin yang dipasangi blower untuk menghembuskan angin selama 1 – 3 jam. Gelondong mete yang masih dalam keadaan panas tidak langsung dimasukkan ke dalam karung, karena akan menyebabkan air meresap ke dalam kernel serta kematangan yang berlebihan pada gelondong mete dan apabila dikacip akan mengakibatkan gelondong lunak dan kernel melengket pada kulit sehingga hasilnya banyak yang pecah-pecah. Pendinginan ini bertujuan untuk memudahkan proses pengacipan (Mulyono 2002).
d. Pengupasan (Pengacipan)
Pengupasan kulit gelondong mete telah menjadi masalah besar dalam pengolahan biji mete. Tujuan dari proses pengacipan adalah menghasilkan kernel yang utuh, bebas dari retak/pecah dan bersih.
e. Pengeringan
bahan pertanian akibat aktivitas biologi dan kimia sebelum bahan diolah atau dimanfaatkan.
Di Indonesia pengeringan kacang mete ose (kacang mete yang masih memiliki kulit ari) dilakukan dengan memanaskan di atas wajan (Mulyono 2002). Untuk pabrik yang telah maju pengeringan dilakukan dengan menggunakan alat pengering/oven yang dialiri udara panas (± 75 oC) selama 4 – 6 jam. Tujuan dari pengeringan mete ini adalah menurunkan kadar air mete dari 8 – 9 % menjadi 4 – 5 % untuk mencegah kerusakan pada gelondong dan merapuhkan kulit ari mete sehingga mempermudah dalam pengupasannya (Hepi 2004).
f. Pengupasan kulit gelondong mete
Pengupasan kulit ari kacang mete dilakukan segera setelah pengeringan. Pengupasan kulit ari kacang mete yang dilakukan secara manual dapat dikerjakan dengan penggesekan menggunakan jari tangan secara hati-hati atau menggunakan pisau jika sulit dilakukan dengan tangan. Pengupasan kulit ari dengan pisau harus dilakukan sangat hati-hati agar tidak melukai kacang mete karena dapat menurunkan mutu (Cahyono 2011).
g. Grading
Kacang mete yang sudah bersih disortasi dan digrading terlebih dahulu sebelum dijual kepada konsumen atau pasar. Sortasi dan grading bertujuan untuk menyeragamkan kacang mete menurut kualitasnya.
Di Indonesia telah ditetapkan standar hasil olah biji mete kupas (cashew kernels) oleh Dewan Standarisasi Nasional (DSN) yaitu Standar Nasional Indonesia (SNI) 01-2906-1992. Berdasarkan standar tersebut biji mete digolongkan atas lima jenis yaitu:
1. Biji Utuh (Wholle)
Biji mete dalam keadaan utuh dimana kedua belah kepingnya secara alami mesih menempel satu sama lain.
2. Biji Putus (Butts)
berukuran maksimal 50 % dari panjang biji, dengan sudut potong kurang lebih tegak lurus arah kepingnya.
3. Biji Belah Dua (Splits)
Biji mete yang terbelah dua menurut bentuk kepingnya
4. Biji Pecah (Pieces)
Biji mete yang pecah dan tidak lolos ayakan ukuran 6 mesh (3.36 mm).
5. Biji Hancur (Baby bits)
Biji mete yang pecah dan tidak lolos ayakan ukuran 10 mesh.
Gambar 5 Kacang mete tanpa kulit (biji mete)
h. Pengemasan
Merupakan kegiatan pascapanen yang besar peranannya dalam mempertahankan mutu produksi setelah di panen. Tanpa pengemasan yang baik, produk akan mudah rusak akibat pengaruh lingkungan, misalnya sinar matahari dan kelembaban udara, serta kerusakan mekanis seperli luka, pecah atau patah dan akibatnya terjadi susut berat yang merugikan produsen.
Perkembangan Penelitian Pengeringan
panas konveksi yang bersumber baik dari energi konvensional maupun energi terbarukan telah dilakukan sejak lama antara lain:
1. Abdullah et al. (2004) merancang bagun alat pengering berenergi surya tipe kabinet (disebut pengeringan efek rumah maca) menggunakan dinding transparan untuk memerangkap radiasi surya dan pemanans tambahan dengan sumber energi panas dari pembakaran biomassa.
2. Penggunaan energi matahari pada pengeringan buatan dapat mempersingkat waktu pengeringan biji kakao bila dibandingkan dengan cara penjemuran telah dilakukan oleh Silaban (1994). Hal ini dapat dilakukan dengan bantuan kolektor panas matahari yang dapat membangkitkan udara panas untuk kebutuhan pengeringan hingga temperatur 60 oC. Dari hasil pendekatan perhitungan desain, untuk kapasitas pengeringan 6 ton kakao dengan waktu pengeringan 30 jam, luas kolektor yang dibutuhkan 547 m2 untuk sistim terbuka, dan 417 m2 untuk sistim tertutup.
3. Suatu model pabrik pengeringan kayu tenaga panas surya telah dirancang dengan memasukkan serat karbon sebagai bahan absorber kolektor telah dilakukan oleh Sumarsono (1994). Kapasitas pengeringan ditetapkan sebesar 1 200 m3 yang terbagi atas 12 unit kamar pengering. Hasil simulasi kinerja bisnis menunjukkan bahwa, dibandingkan dengan pabrik pengeringan kayu konvensional yang berbahan bakar kayu, prospek bisnis pabrik pengeringan kayu tenaga panas surya makin kompetitif bila harga bahan bakar kayu makin tinggi.
4. Percobaan pengeringan kopi berkapasitas 1.1 ton, dalam bangunan berdinding transparan UV stabilized plastics tipe bak, telah dilakukan oleh Dyah (1997). Percobaan pengeringan ini menghasilkan efisiensi pengeringan sebesar 57.7 % dan efisiensi energi sebesar 6 MJ/kg uap air. Dengan suhu pengeringan 37 o
C, untuk menurunkan kadar air kopi dari 68 % bb sampai 13 % bb diperlukan waktu 72 jam, efektif pada siang hari.
pembakaran tinggi, dalam hal yang mampu mendidihkan air lebih banyak dalam waktu yang relative singkat dan juga yang mempunyai emisi rendah (ramah lingumgan), karena emisi CO, SOx, dan NOx yang tinggi merusak lingkungan dan juga menggangu mengganggu kesehatan bagi makhluk hidup. Ukuran tungku yang digunakan: diameter bagian atas 14 cm, diameter bagian bawah 18 cm, Tinggi ruang bakar = 15 cm. Tungku ini terdiri dari 3 lapisan/ sekat, yakni: bagian dalam besi plat berlubang- lubang kecil, bagian tengah tanah liat berlubang dan bagian luar adalah besi plat. Hasil penelitian menjelaskan bahwa emisi CO rata-rata pada tungku pembakar ini adalah 1284 ppm. Setelah 30 menit dari waktu penyalaan temperatur nyala apinya sudah mencapai kurang lebih 300 oC.
6. Disain pengering yang menggunakan energi surya telah dilakukan pula di Universitas Indonesia, seperti pengeringan pisang yang penelitiannya dilakukan oleh Muhammad (1999). Solar kolektor diletakkan diatas bangunan pengering dan dengan menggunakan blower maka ruang pengering dapat memperoleh udara panas. Selain menganalisis, Muhamad melakukan simulasi dengan bantuan program cfd dan hasilnya menunjukkan temperatur udara, kecepatan aliran udara dan kelembaban udara dapat terdistribusi dengan baik dalam ruang pengering.
7. Kinerja pengering efek rumah kaca bentuk kerucut untuk pengeringan rumput laut dilakukan oleh Suherman (2005). Jumlah beban pengeringan pada percobaan tersebut adalah 108 kg, lama pengeringan 30.4 jam (3 hari) dengan temperatur ruang pengering rata-rata 43.8 oC dan RH ruang pengering rata-rata 54.5 %.
Sistem Penggetaran
Penelitian mengenai sistem penggetaran pada pengering masih jarang dilakukan. Beberapa kajian tentang system penggetaran dan parameter yang mempengaruhinya diantaranya adalah sebagai berikut:
resonansi dapat dibatasi dengan sistim tumpuan dengan rasio redaman yang besar dan sebaliknya pada daerah frekwensi yang lebih besar dari frekwensi resonansi dan efek redaman terbesar (TR < 1) dapat di capai bila sistem tumpuan redaman memiliki rasio redaman yang kecil.
2. Unjuk kerja pengeringan dengan menggunakan getaran yang dibantu oleh pengering infra merah telah dilakukan oleh Das et al. (2003). Getaran dengan bantuan pengering infra merah dikembangkan dan dipelajari untuk karakteristik pengeringan dari tiga varitas padi dengan kelembaban tinggi. Pada penelitian tersebut diperoleh bahwa penngeringan padi yang berkelembaban tinggi dengan menggunakan tingkat intensitas radiasi pada 3100 W/m2 dan 4290 W/m2 memperlihatkan penurunan kadar air hingga 40% selama 33 menit dan 29 menit. Sedangkan besarnya amplitudo optimum pada pengeringan padi tersebut yang juga menggunakan getaran, yakni diperoleh amplitudo optimum sebesar, X = 8 mm hingga 9 mm.
3. Disain dan Uji kinerja pengering rotari tumpukan untuk pengeringan jagung pipilan telah dilakukan oleh Nelwan et al. (2008). Pada penelitian tersebut, pengering rotari untuk tumpukan biji-bijian didisain untuk memudahkan pengadukan selama proses pengeringan. Hasilnya memperlihatkan, antara lain bahwa dengan pengadukan selama 5 menit setiap 15 menit, pengering tersebut mampu mengeringkan biji jagung dengan variasi kadar air arah radial kurang dari 1.1 % b.b. Energi yang dibutuhkan untuk pemutaran drum hanya 7 % dari total kebutuhan energi.
4. Penelitian guna menghasilkan amplitudo getaran pada rak bergetar telah dilakukan pula oleh Brod et al. (2004). Perhitungan tersebut menggunakan vibration frequency, f = 60 Hz, angular frequency, ω = 377 rad/det, gravitational acceleration, g = 9.81 m/s. Pada penelitian tersebut menghasilkan vibration amplitude sebesar, X = (0.15 hingga 1.55) 10-3m sedangkan angular accleration diperoleh sebesar 20.7 hingga 213.9 m2/det 5. Penelitian yang dilakukan oleh Budi et al. (1997) tentang dinamika getaran
berpegas dengan harga koefisien redaman lebih besar daripada harga kritisnya dapat dipakai sebagai syarat untuk pembuatan seismometer satu komponen. Pada harga syarat awal dan redaman tertentu di dalam simulasi numerik menunjukkan bahwa simpangan ayunan menjadikan osilasi pada pegas 6. Penelitian tentang peredam kejut dan getaran telah dilakukan oleh Robertus
(2008). Penelitian tersebut membahas perancangan dan pengujian sistem peredam kejut bagi payload RX-250. Kesimpulan antara lain menjelaskan bahwa Sistem payload-damper mengalami resonansi pada frekwensi 18 Hz. Selanjutnya diharapkan test yang lebih lengkap (beban kejut yang lebih bervariasi; beban pada axis lateral payload) dapat dilakukan untuk lebih jauh melihat karakteristik dari damper.
7. Analisis dan pengujian tentang variasi pembebanan pada getaran yang menyebabkan kerusakan bantalan telah dilakukan oleh Yusran (2010). Pada pengujian dan analisis tersebut menunjukkan amplitudo kecepatan getaran yang paling besar terjadi pada cacat lintasan luar (105 mm/det). Hal ini dapat terjadi karena untuk cacat pada lintasan dalam berputar seiring dengan putaran poros dan lintasan luar terpasang dengan tetap atau tidak berputar sehingga jumlah impuls yang terjadi pada cacat luar dan cacat dalam untuk satu putaran cukup banyak.
8. Perancangan sistem peredam getaran telah dilakukan oleh Djatmiko (2010). Hasil perancangan menjelaskan antara lain perbandingan dua amplitdo berurutan X1/X2 = 1/0.2, kekakuan pegas k = 12 000 N/m dan massa GPS = 0.3 kg dan amplitudo resonansi X = 9.2. Selanjutnya dijelaskan pula bahwa meningkatnya nilai konstanta pegas dapat menyebabkan turunnya nilai amplitudo resonansi.
eksperimental dan berhasil menurunkan draft tanah secara signifikan. Mekanisme turunnya draft tanah didasarkan pada passive soil falure theori. Penurunan energi baru tercatat pada kecepatan membajak 0.265 m/s.
BAB 3
PENGEMBANGAN SISTEM PENGGETAR RAK PENGERING
Pendahuluan
Pada umumnya, getaran akan menghasilkan situasi-situasi yang tidak diinginkan, misalnya: ketidakseimbangan, tegangan dalam yang terjadi lebih besar dari tegangan yang diizinkan dan dapat merusak sistim keseluruhan bahkan kegagalan fatique dapat terjadi bila tegangan telah mencapai batas tertentu. Dalam kasus lain, meskipun kondisi kritis tidak terjadi, getaran dapat menjadi masalah, misalnya karena bunyi bising yang dihasilkannya. Di sisi lain, getaran dimanfaatkan untuk tujuan tertentu, misalnya memberikan getaran pada rak pengering, di mana getarannya diperoleh akibat gerakan rotasi pada mesin-mesin penggerak. Untuk suatu bentuk mesin atau struktur yang bergerak dibutuhkan penyederhanaan karena adanya kompleksitas pemasangan bagian-bagian mesin. Penyederhanaan yang mungkin adalah dengan mengambil elemen-elemen yang penting seperti massa dan pegas serta sangat diperlukan adanya konsep dari masalah pada tingkat analisis getaran dan membutuhkan penyelesaian yang sempurna yaitu amplitudo, kecepatan putar dan sumber-sumber eksitasi harmonik yang merupakan ketidakseimbangan pada mesin-mesin berputar yang diletakkan pada rak kacang mete yang ada dalam ruang pengering. Eksitasi ini tidak diinginkan oleh mesin, karena dapat mengganggu beroperasinya mesin atau dapat merusak bagian-bagian mesin bila terjadi amplitudo getaran yang besar, namun bermanfaat dalam menggerakkan kacang mete yang sedang dikeringkan sehingga proses pengeringan ataupun proses penguapan dapat berlangsung dengan baik dan lebih cepat, serta seluruh bagian biji kacang mete dapat terkena aliran udara panas.
Pengoperasian motor listrik akan menimbulkan gerakan dan getaran pada rak pengeringan dan pada keadaan getaran tertentu kacang mete yang berada di atas rak pengeringan diharapkan bergerak sesuai dengan getaran yang dihasilkan. Selanjutnya semua bagian-bagian kacang mete yang sedang dikeringkan dapat menerima aliran udara panas secara merata dan tidak akan terjadi kehilangan panas melalui pintu ruang pengering walaupun selama proses pengeringan berlangsung pintu ruang pengering tidak dibuka. Jadi percobaan pada bab ini dilakukan sebagai upaya dalam pemilihan parameter daya dan putaran motor listrik serta masa eksentrik terbaik untuk pengeringan dengan rak bergetar yang diteruskan dengan analisis dan simulasi. Selain itu, sebagai upaya dalam menentukan kondisi resonansi, besarnya amplitudo getaran, massa total kacang mete, maupun massa total yang diperoleh pegas tanpa terjadi kerusakan pada komponen peralatan maupun komoditi yang sedang dikeringkan.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian pada bab ini, adalah :
1. Percobaan getaran dengan menggunakan massa eksentrik dan beban rak yang bervariasi guna memperoleh kondisi resonansi serta percobaan tentang kemampuan komponen peralatan maupun komoditi kacang mete selama memperoleh getaran.
2. Percobaan dan analisis serta simulasi tentang besarnya massa eksentrik, amplitudo getaran serta daya dan putaran motor listrik yang digunakan sehingga nampak bahwa seluruh permukaan komoditi kacang mete yang berada di atas rak memperoleh aliran udara panas selama proses pengeringan berlangsung.
Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian pada bab ini adalah :
Pendekatan Teori
Sistim Dan Gerakan Getaran
Getaran merupakan respon dari sebuah sistim mekanik terhadap gaya yang diberikan. Supaya getaran mekanis terjadi, dibutuhkan minimal dua elemen pengumpul energi. Pertama adalah massa yang menyimpan energi kinetik dan yang ke dua adalah alat elastik seperti pegas yang menyimpan energi potensial. Alat elastik pegas pada bandul berpegas menunjukkan simpangan ayunan yang dapat diatasi dengan memperbesar redaman ayunan pegas. Dengan menganggap tidak ada pergerakan dalam arah horizontal, dan jika massa M di tarik kesuatu posisi tertentu dari arah vertikal dan dari posisi stabilnya, maka suatu gerakan akan terjadi dalam arah vertikal. Gerakan tadi diulangi dalam suatu waktu interval yang sama sehingga gerakan tadi dianggap sebagai gerakan periodik. Bila harga gaya pegas sebanding dengan perpindahannya maka kurva gerakan perpindahan massa M terhadap waktu akan berbentuk sinusiodal. Gerakan ini lebih dikenal sebagai gerakan harmonis. Perpindahan maksimum umumnya disebut amplitudo.
Kadang-kadang dalam kondisi tertentu, dihasilkan suatu gerakan periodik yang bersifat tidak harmonis. Satu gerakan penuh dari gerak berulang disebut satu siklus. Waktu yang dibutuhkan untuk satu siklus gerakan disebut perioda. Suatu elemen massa M yang ditopang suatu pegas dengan kekakuan linear sebesar k sebagaimana alat pengering surya GHE tipe kabinet, akan di dapat persamaan 1 sebagaimana berikut (Holowenko 1992):
. M
k
n
(1)
Getaran Rak
Sumber yang umum pada getaran rak diantaranya adalah akibat berotasinya suatu massa eksentrik, Kondisi ini dihasilkan diantaranya dari poros yang berotasi dan hal-hal lain. Ketidakseimbangan rotasi adalah hal yang sering terjadi pada bagian-bagian yang berputar dan gaya sentrifugal yang diakibatkan ketidakseimbangan rotasi mesin adalah meω2 dengan cara menghubungkan poros motor listrik dengan massa eksentrik.
Getaran dari putaran takseimbang (rotating unbalance) sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 6.
Gambar 6 Sistem getaran dengan gerak ke arah vertikal
Sistem getaran di atas dimana M adalah massa keseluruh sistem rak termasuk poros, motor listrik, m adalah massa unbalance dan e lengan dari unbalance. Motor listrik berputar dengan kecepatan sudut ω, dan masing-masing parameter didefinisikan sbb.
m
e
Mx
0
.
Getaran terjadi karena adanya eksitasi dimana ketidakseimbangan pada mesin-mesin yang berputar merupakan sumber eksitasi getaran yang biasa dijumpai. Sistim pegas massa pada alat pengering yang dibatasi untuk bergerak dalam arah vertikal dan dirangsang oleh rotor yang berputar yang tidak seimbang sebagaimana persamaan amplitudo, X serta gaya maksimum yang ditransmisi (Thomson 1986).
Untuk sistim getaran paksa, gaya di topang oleh sistim pegas. Gaya yang ditransmisikan pada kasus massa eksentrik berputar di analisis sebagaimana berikut:
r
Dari persamaan 1 dan 2 maka diperoleh bahwa:
2
Contoh perhitungan pada Persamaan 1 hingga Persamaan 9 dijelaskan pada Lampiran 7
Alat dan bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah: 1. Satu buah ruang pengering surya GHE tipe kabinet.
2. Rak komoditi kacang mete yang diletakkan di dalam ruang pengering. 3. Pegas yang merupakan tumpuan dari rak pengering.
4. Komoditi yang merupakan bahan yang akan digetarkan
5. Motor listrik, poros, kopling dan satu buah massa eksentrik yang berotasi serta peralatan lainnya.
6. Alat pengukur percepatan getaran dan alat pengukur putaran motor listrik
9. Stop watch
Parameter Pengukuran
Untuk memperoleh hasil yang diperlukan maka beberapa data yang perlu di catat dalam percobaan getaran ini adalah :
1. Komoditi diharapkan dapat bergerak atau lompat
2. Jumlah pegas yang digunakan untuk menggerakkan kacang mete yang ada pada rak pengeringan
3. Berat beban rak 4. Berat massa eksentrik
5. Daya dan putaran motor listrik yang digunakan 6. Percepatan getaran
7. Perubahan ketinggian posisi pegas
Prosedur Percobaan Getaran
Rak pengering dengan sistim getaran yang digunakan pada percobaan ini memiliki empat buah pegas sebagai tumpuan dan dilengkapi dengan satu buah massa eksentrik, poros dan kopling serta satu buah motor listrik sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 7.
5
1 3 6 2 8
4 7
Keterangan:
1 Rak pengering 4. Pegas rak 7. Tumpuan / Alas 2 Motor listrik 5. Ventilasi 8. Tempat komoditi 3 Massa eksentrik 6. Komoditi 9. Kaki alat pengering
menggerakkan kacang mete di atas rak pengering, percepatan getaran, massa eksentrik dari penggerak rotasi, serta kecepatan putar motor listrik. Kecepatan minimum untuk resonansi adalah kurang dari kecepatan desain ((Suwardi 2008). Data pengukuran dari hasil percobaan getaran ini merupakan komponen-komponen yang besarnya akan digunakan pada percobaan-percobaan berikutnya.
Hasil dan Pembahasan
Massa Eksentrik, Beban Rak dan Resonansi
Percobaan yang menggunakan massa eksentrik ini dilakukan sebanyak empat kali, dimana selama percobaan menggunakan beban rak maupun massa eksentrik yang bervariasi. Setelah dilakukan percobaan diperoleh bahwa perbandingan kecepatan sudut putar dengan kecepatan sudut alamiah akan mengalami penurunan bila beban massa eksentrik ditingkatkan, Hal ini disebabkan bahwa massa eksentrik yang besar menyebabkan putaran motor listrik akan berkurang sehingga kecepatan sudut putar menurun, sebagaimana Tabel 1 berikut:
Selanjutnya diketahui bahwa pada r = 1 akan terjadi resonansi, namun pada percobaan ini diperoleh nilai r hanya mendekati 1 yakni: r = 0.96 sebagaimana yang ditunjukkan pada Tabel 1. Kondisi ini mendekati resonansi dan terjadi pada putaran motor listrik, n = 475 rpm, beban rak, M = 20 kg dan massa eksentrik, m = 0.2 kg serta nilai XM/me = 5. Kondisi ini dapat menyebabkan gerakan komoditi yang berada di atas rak dapat bergerak secara maksimal atau lompat. Pada percobaan diperlihatkan pula bahwa pada putaran motor 395 rpm diperoleh besarnya MX/me = 4. Hasil percobaan ini relatif sama dengan hasil analisis sebagaimana Gambar 8.
Hasil percobaan pada r = 1.08 diperoleh nilai X/Y = 4.6 sedangkan hasil percobaan pada r = 1.16 diperoleh nilai X/Y = 4.5. Hasil percobaan ini relatif sama dengan hasil analisis sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 9 tentang perbandingan kecepatan sudut putar dengan kecepatan sudut alamiah, r terhadap besarnya perbandingan X/Y pada beban rak, M = 30 kg.
0 1 2 3 4 5 6
0 200 400 600 800 1000 1200
Putaran motor listrik (rpm)
Ni
la
i
X
M
/
m
e
0 1 2 3 4 5 6
0 0,5 1 1,5 2
r
X/
Y
Gambar 9 Perbandingan kecepatan sudut putar dengan kecepatan sudut alamiah (r) terhadap besarnya perbandingan X/Y pada beban rak, M = 30 kg
Pemanfaatan Massa Eksentrik Untuk Pengeringan
Pengoperasin motor listrik dalam membantu menggerakkan komoditi kacang mete yang berada di atas rak pengering perlu diatur selama satu jam beroperasi dan satu jam diistrahatkan lalu satu jam berikutnya dioperasikan lagi, demikian seterusnya. Hal ini dilakukan karena pada percobaan getaran ini terlihat bahwa gerakan kacang mete setiap satu jam diprediksi telah cukup menerima aliran udara panas ke seluruh permukaannya dan demi mengurangi penggunaan energi listrik. Data-data penting yang diperoleh dari hasil percobaan getaran tanpa peredam maupun hasil simulasi sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 10.
0 1 2 3 4 5 6 7
0 500 1000 1500 2000 2500
Putaran motor listrik (rpm)
Ni
la
i
X
M
/
m
e
Gambar 10 Perubahan M X/m e terhadap putaran poros motor listrik (rpm) dengan beban pegas yang konstan sebesar 40 (kg)
listrik sebesar, n = 438 rpm yang menghasilkan nilai XM/me = 2.4 telah mampu menyebabkan kacang mete yang berada di atas rak pengering bergerak sebagaimana yang diharapkan. Selanjutnya pada percobaan ini diperoleh pula bahwa pada putaran 413 rpm diperoleh XM/me = 5.33. Hasil lengkap ditunjukkan pada tabel Lampiran 4.
Gambar 11 Perubahan besarnya amplitudo, X (mm) terhadap perubahan beban yang diterima pegas, M (kg) serta perubahan beban eksentrik, m (kg) pada
putaran konstan sebesar n = 438 rpm
di atas rak pengering dapat bergerak sebagaimana yang diharapkan. Hasilnya menjelaskan bahwa hal ini dapat tercapai apabila besarnya beban yang diterima oleh pegas, M = 40 kg, massa eksentrik sebesar, m = 0.48 kg, percepatan getaran, A = 2.3 m/det2 dan besarnya amplitudo adalah, X = 2.88 mm. Hasil ini berbeda dengan besarnya amplitudo optimum yang telah dilakukan oleh Das at al. (2009) pada pengeringan padi yang juga menggunakan getaran, yakni diperoleh amplitudo optimum sebesar, X = 8 mm hingga 9 mm. Hal ini diprediksi disebabkan oleh dimensi biji padi yang relatif lebih kecil dibanding dengan dimensi biji kacang mete sehingga amplitudo optimum yang dibutuhkan pada pengeringan padi relatif lebih besar dibanding amplitudo optimum untuk pengeringan kacang mete.
Jadi dari beberapa hasil analisis, simulasi dan percobaan tersebut diperlihatkan bahwa perubahan amplitudo, X (mm) hingga kondisi resonansi dapat diperoleh dengan cara mengatur besarnya beban yang diterima oleh pegas, M (kg), kecepatan sudut putar, ω (rad/det), beban massa eksentrik, m (kg) maupun besarnya kecepatan sudut alamiah, ωn (rad/det) yang terjadi pada rak pengering.
sesuai dengan besarnya gerakan kacang mete yang berada diatas rak pengering sebagaimana yang diharapkan. Selanjutnya nampak bahwa gaya pengganggu, Fo akibat adanya massa eksentrik sebesar 101 63 N sebagaimana yang ditunjukkan pada Lampiran 12, lebih besar dibanding berat kacang mete dan juga kecepatan motor listrik yang relatif besar dibanding gerakan kacang mete. Jadi dengan memanfaatkan gerakan rotasi yang bersumber dari putaran motor listrik, maka pada percobaan ini terlihat adanya gerakan ayunan pada rak pengering sehingga komoditi kacang mete yang sedang dikeringkan turut bergeser atau bergerak di atas rak pengering tersebut.
Simpulan
Hasil penelitian pada bab ini dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Percobaan dengan beban rak M = 20 kg diperoleh bahwa kondisi komoditi yang berada di atas rak sudah dapat lompat pada saat getaran mendekati resonansi yakni terjadi pada putaran, n = 475 rpm dan massa eksentrik sebesar, m = 0.2 kg serta nilai MX/me = 0.96.
2. Percobaan dengan beban rak, M = 40 kg diperoleh bahwa besarnya getaran yang diprediksi telah mampu menyebabkan aliran udara panas mengenai seluruh permukaan kacang mete terjadi pada putaran, n = 438 rpm dan massa eksentrik sebesar, m = 0.48 kg. Sedangkan percepatan getaran diperoleh sebesar, A = 2.3 m/det2 dan amplitudo getaran sebesar, X = 2.88 mm.
BAB 4
ANALISIS KESEIMBANGAN ENERGI PADA RUANG PENGERING
Pendahuluan
