PENGUJIAN PERFORMANSI MESIN PENGERING TENAGA
SURYA DENGAN PRODUK YANG DIKERINGKAN ADALAH
UBI KAYU DENGAN BENTUK PRODUK BUJUR SANGKAR
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
APRIZAL NASUTION NIM. 110421034
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir ini yang berjudul :
“PENGUJIAN PERFORMANSI MESIN PENGERING TENAGA SUR YA DENGAN PRODUK YANG DIKERINGKAN ADALAH UBI KAYU
DENGAN BENTUK PRODUK BUJUR SANGKAR”
Dalam penyusunan tugas akhir ini bukan semata karena kemampuan
penyusun, tapi juga karena adanya campur tangan berbagai pihak yang mau
meluangkan waktu, tenaga, dan pikiran dalam penyelesaian tugas akhir ini. Oleh
karena itu, dalam kesempatan ini penulis juga mengucapkan banyak terima kasih
kepada:
1. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc selaku Dosen pembimbing dan dosen wali penulis, yang telah membantu dalam bimbingan, saran, serta dukungan dalam penulisan
laporan tugas akhir ini.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Kedua orang tua penulis, yang tidak pernah putus-putusnya memberikan
dukungan, do’a serta kasih sayangnya yang tidak terhingga kepada penulis. 5. Abang dan adik penulis, yang selalu memberikan semangat dan dukungan kepada
penulis.
6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin.
7. Rekan-rekan satu tim skripsi yaitu Andri M Sijabat dan Muhardityah yang telah bersama-sama berjuang untuk menyelesaikan skripsi dan saling bertukar pikiran selama proses penyusunan skripsi.
8. Ibu S. Farah Dina yang juga telah membantu penulis selama proses penyusunan skripsi ini mulai dari awal sampai akhir.
Magister Teknik Mesin, semua yang telah mendukung dan memberi semangat
kepada penulis.
10. Kepada pihak-pihak lain yang turut membantu penulis yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Dalam menyelesaikan tulisan ini penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya skripsi ini. Penulis sadar bahwa skripsi ini masih kurang sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang dapat membangun den mendukung penulis demi tercapainya isi tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih.
Medan, Juni 2014
Aprizal Nasution
ABSTRAK
Telah dirancang sebuah alat pengering hasil pertanian berukuran 2m x 1m x 1m yang menggunakan kolektor surya plat datar menggunakan plat seng sebagai
absorber yang berukuran 2m x 1,761m serta menggunakan panas matahari sebagai sumber energinya. Pada kolektor surya, radiasi matahari yang jatuh di permukaan kolektor akan diserap oleh plat absorber yang diteruskan oleh kaca sehingga panas yang dihasilkan oleh absorber akan mengalir ke dalam box
pengering secara konveksi natural. Di dalam ruang box pengering panas mengalir melewati produk yang diletakkan di atas tray dan membawa kadar air produk dengan mengalami proses penguapan dan membawa uap air keluar melewati
chimney. Salah satu produk hasil pertanian yang dikeringkan alat pengering ini adalah Ubi Kayu. Pengujian dilakukan pada pukul 09:00 – 17:00 WIB pada saat kondisi cuaca cerah. Efisiensi rata-rata kolektor surya alat pengering adalah 69,70%.
DAFTAR ISI
KATA PENGAN TAR ...i
ABSTRAK...iii
DAFTAR ISI ...iv
DAFTAR TABEL...vi
DAFTAR GAMBAR ...viii
DAFTAR GRAFIK ...x
DAFTAR SIMBOL ...xi
BAB I PENDAHULUAN 1.1Latar Belakang ...1
1.2Batasan Masalah...3
1.3Tujuan Pengujian...3
1.4Manfaat Pengujian...4
1.5Sistematika Penulisan...4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1Pengeringan Hasil Pertanian dan Perkebunan...6
2.2Jenis - Jenis Pengeringan...6
2.2.1Konsep Dasar Pengeringan ...8
2.3 Matahari (Surya) ...9
2.3.1 Karakteristik Matahari...9
2.3.2 Teori Dasar Radiasi Surya ...11
2.3.3 Rumusan Radiasi Surya...13
2.4 Kolektor Surya...20
2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi ...25
2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi ...26
2.5.3 Perpindahan Panas Radiasi ...28
2.5.4 Perpindahan Massa ...29
BAB III METODOLOGI PENGUJIAN 3.1 Waktu dan Tempat Pengujian...31
3.2 Alat dan Bahan yang Digunakan ...31
3.2.1 Alat ...31
3.2.2 Bahan ...38
3.3 Experimental Set Up ...41
3.4 Prosedur Pengujian ...43
3.5 Diagram Alir Pengujian ...44
BAB IV DATA DAN ANALISIS DATA 4.1 Analisa Radiasi Surya (Solar Radiation)...45
4.1.1 Analisa Radiasi Surya (Solar Radiation) Untuk Sampel 1 Pada Tanggal 14 April 2014 ...45
4.1.2 Analisa Radiasi Surya (Solar Radiation) Untuk Sampel 1 Pada Tanggal 15 April 2014 ...52
4.1.3 Analisa Radiasi Surya (Solar Radiation) Untuk Sampel 2 Pada Tanggal 16 April 2014 ...54
4.2 Hasil Pengukuran Temperatur Ruang Pengering dan Inti Ubi kayu ...59
4.2.1 Hasil Pengukuran Temperatur Pengeringan Sampel 1 ...59
4.2.2 Hasil Pengukuran Temperatur Pengeringan Sampel 2 ...60
4.3 Analisa Model Persamaan Pengeringan Ubi kayu ...61
4.3.1 Analisa Moisture Ratio (MR) Pada Pengeringan Ubi kayu...61
4.4 Efisiensi Alat Pengering ...67
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ...72
5.2 Saran ...72
DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Urutan Hari Berdasarkan Bulan ... 14
Tabel 2.2 Faktor Koreksi Iklim ... 18
Tabel 3.1 Spesifikasi Pyranometer ... 34
Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor... 35
Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus... 36
Tabel 3.4 Spesifikasi T and RH Smart Sensor ... 36
Tabel 3.5 Spesifikasi Load Cell ... 38
Tabel 4.1 Data Radiasi Pengukuran 14 April 2014 ... 45
Tabel 4.2 Perhitungan Urutan Hari Berdasarkan Bulan... 46
Tabel 4.3 Data Radiasi Pada Kondisi Langit Cerah 14 April 2014 ... 50
Tabel 4.4 Perbandingan Radiasi Pengukuran dan Radiasi Pada Kondisi Langit Cerah 14 April 2014 ... 51
Tabel 4.5 Data Radiasi Pengukuran 15 April 2014... 52
Tabel 4.6 Data Radiasi Pada Kondisi Langit Cerah 15 April 2014 ... 53
Tabel 4.7 Perbandingan Radiasi Pengukuran dan Radiasi Pada Kondisi Langit Cerah 15 April 2014 ... 53
Tabel 4.8 Data Radiasi Pengukuran 16 April 2014 ... 54
Tabel 4.9 Data Radiasi Pada Kondisi Langit Cerah 16 April 2014 ... 55
Tabel 4.10 Perbandingan Radiasi Pengukuran dan Radiasi Pada Kondisi Langit Cerah 16 April 2014 ... 56
Tabel 4.11 Data Radiasi Pengukuran 17 April 2014... 57
Tabel 4.12 Data Radiasi Pada Kondisi Langit Cerah 17 April 2014 ... 57
Tabel 4.14 Moisture ratio ubi kayu sampel pertama ... 62
Tabel 4.15 Moisture ratio ubi kayu sampel kedua... 64
Tabel 4.16 Perbandingan massa ubi kayu yang dikeringkan menggunakan
alat pengering dan yang dikeringkan langsung dibawah
sinar matahari ... 66
Tabel 4.17 Data Perhitungan Panas dan Efisiensi Kolektor
Tanggal 25 Maret 2014 ... 68
Tabel 4.18 Data Perhitungan Panas dan Efisiensi Kolektor
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1 Perbandingan radiasi pengukuran dengan radiasi pada kondisi langit
cerah pada 14 april 2014 ... 51
Grafik 4.2 Perbandingan radiasi pengukuran dengan radiasi pada kondisi langit cerah pada 15 april 2014 ... 54
Grafik 4.3 Perbandingan radiasi pengukuran dengan radiasi pada kondisi langit cerah pada 16 april 2014 ... 56
Grafik 4.4 Perbandingan radiasi pengukuran dengan radiasi pada kondisi langit cerah pada 17 april 2014 ... 59
Grafik 4.5 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 1 hari 1 ... 59
Grafik 4.6 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 1 hari 2 ... 60
Grafik 4.7 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 2 hari 1 ... 60
Grafik 4.8 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 2 hari 2 ... 61
Grafik 4.9 Moisture ratio ubi kayu sampel pertama ... 63
Grafik 4.10 Moisture ratio ubi kayu sampel kedua ... 69
Grafik 4.11 Waktu vs Temperatur tanggal 25 Maret 2014 ... 69
Grafik 4.12 Waktu vs Intensitas Radiasi Matahari dan Efisiensi tanggal 25 Maret 2014... 74
Grafik 4.13 Waktu vs Temperatur tanggal 10 April 2014 ... 70
DAFTAR SIMBOL
SIMBOL KETER ANGAN SATUAN
A Luas Penampang m2
A Altitude ( ketinggian dari permukaan laut ) km
B Konstanta Yang Bergantung Pada n
Panas Jenis kJ/kg K
Gsc Daya radiasi rata-rata yang diterima
atmosfer bumi (1367) W/m2
� Radiasi Total W/m2
GrL Bilangan Grashof
hm Koefisien perpindahan massa m/s
I Tanggal
I Intensitas radiasi W/m2
k slope (drying constant) 1/menit
k Konduktivitas Bahan Termal W/mK
L Panjang kolektor m
L Setengah dari ketebalan slab (ukuran ubi kayu) m
Le Bilangan Lewis
Lloc Posisi Bujur o
Lst Standart Meridian untuk waktu lokal o
m Air mass
� Moisture Ratio
M Massa spesimen pada saat pengeringan gr
Me Massa kering specimen gr
Mi Massa awal specimen gr
Laju Aliran Massa Udara kg/s
Nu Bilangan nusselt
Re Bilangan Reynold
ST Solar Time (Jam Matahari)
STD Waktu Lokal
Ti Temperatur udara lingkungan K
s
T Temperatur dinding K
T∞ Temperatur udara lingkungan K
Temperatur Rata-Rata Keluar Dari Kolektor K
t Waktu pengeringan menit
u Kecepatan udara ruang pengering m/s
Qc Laju perpindahan panas konduksi Watt
Qh Laju perpindahan panas konveksi Watt
Qin Panas yang diterima kolektor W/m2
Qu Panas yang dimanfaatkan kolektor W/m2
Sc Bilangan schmidt
V Kecepaatan rata-rata dari fluida m/s
( ) Kecepatan karakteristik yang merupakan
fungsi jarak searah panjang plat (sumbu-y) m/s
Profil kecepatan dalam lapisan batas
∆ Perbedaan temperatur awal dan akhir oC
Δt Selang waktu perhitungan s
θz Sudut zenith o
Sudut posisi lintang o
Sudut deklinasi o
Tebal lapisan batas m
� Fraksi radiasi yang Dditeruskan untuk masuk
ke atmosphere bumi
� Efisiensi %
µ Viskositas dinamik .
� Massa Jenis kg/m3
Emisivitas panas permukaan
Kontanta Stefan Boltzomann (5,67 x 10-8) W/m2 K4
ABSTRAK
Telah dirancang sebuah alat pengering hasil pertanian berukuran 2m x 1m x 1m yang menggunakan kolektor surya plat datar menggunakan plat seng sebagai
absorber yang berukuran 2m x 1,761m serta menggunakan panas matahari sebagai sumber energinya. Pada kolektor surya, radiasi matahari yang jatuh di permukaan kolektor akan diserap oleh plat absorber yang diteruskan oleh kaca sehingga panas yang dihasilkan oleh absorber akan mengalir ke dalam box
pengering secara konveksi natural. Di dalam ruang box pengering panas mengalir melewati produk yang diletakkan di atas tray dan membawa kadar air produk dengan mengalami proses penguapan dan membawa uap air keluar melewati
chimney. Salah satu produk hasil pertanian yang dikeringkan alat pengering ini adalah Ubi Kayu. Pengujian dilakukan pada pukul 09:00 – 17:00 WIB pada saat kondisi cuaca cerah. Efisiensi rata-rata kolektor surya alat pengering adalah 69,70%.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada tahun 1996 Gustav Grob menekankan lagi prediksi Club of Rome di
awal tahun 1970an bahwa bahan bakar fosil, yang sifatnya mencemarkan
lingkungan, kian berkurang jumlahnya dan dalam waktu dekat akan diganti oleh
sumber energi terbarukan yang lebih bersahabat dengan lingkungan yang meliputi
sumber-sumber energi surya, biomassa, angin, hidro, dan lain- lain.
Ketergantungan kita atas bahan bakar fosil mungkin akan berlanjut sampai
beberapa dekade lagi tetapi dalam jumlah yang jauh lebih kecil dari apa yang di
konsumsikan sebelum tahun 2000.
Penggunaan energi fosil saat ini diperkirakan akan terus meningkat
disebabkan karena tetap meningkatnya jumlah penduduk dunia, yang memerlukan
pangan dan kesejahteraan serta kualitas hidup yang lebih baik, yang hanya dapat
dipenuhi dengan pemacuan proses industrialisasi. Sebagai konsekuensi energi
yang merupakan motor penggerak industrialisasi tersebut. Sejauh mana
pengurangan konsumsi bahan bakar fosil untuk kedepannya tergantung kepada
kesadaran kita terhadap masalah serta dampak pencemaran lingkungan yang
disebabkan oleh pemakaian bahan bakar fosil tersebut, dan perkembangan hasil
teknologi energi alternatif.
Sinar matahari adalah salah satu gelombang elektromagnetik yang
memancarkan energi yang disebut dengan energi surya ke permukaan bumi secara
terus menerus. Energi ini mempunyai sifat antara lain tidak bersifat polutan, tidak
dapat habis (terbarukan) dan juga gratis. Tetapi, potensi energi yang sangat besar
ini belum dimanfatkan secara optimal dan masih terbuang begitu saja.
Sebagai negara yang terletak di daerah katulistiwa, yaitu pada 60LU –110LS
dan 950BT – 1410BT, dan dengan memperhatikan peredaran matahari dalam
setahun yang berada pada daerah 23,50LU dan 23,50LS akan mengakibatkan suhu
di Indonesia cukup tinggi (antara 26º C - 35º C) dan bila saat cuaca cerah akan
disinari matahari selama 11-12 jam dalam sehari. Sifat radiasi matahari yang
rata-rata tiap tahunnya. Dilain pihak, pancaran radiasi ini sifatnya periodik setiap hari
dan setiap tahunnya secara terus menerus.
Ada dua cara memanfaatkan energi surya yang berlimpah ini, yaitu dengan
sel surya dan surya termal. Teknologi dengan sel surya tergolong efisien dan
bersih, tetapi memerlukan peralatan yang cukup mahal. Sementara, teknologi
surya termal adalah mengumpulkan radiasi surya dalam bentuk panas. Cara ini
umumnya tidak membutuhkan peralatan yang rumit dan relatif lebih mudah untuk
dilakukan. Secara global pemanfaatan energi surya termal masih jauh lebih
banyak dibanding sel surya. Fakta ini menunjukkan bahwa tersedia energi surya
yang cukup besar dan dapat dimanfaatkan dalam bentuk energi termal.
Industri pengering, termasuk pengeringan produk pertanian adalah termasuk
salah satu proses produksi yang banyak menggunakan energi. Studi di beberapa
negara menunjukkan bahwa persentasi konsumsi energi nasional untuk
pengeringan relatif cukup besar. Menurut studi negara-negara seperti USA,
Kanada, Perancis, Inggris mengkonsumsi sekitar 10-15% dari energi nasionalnya
untuk pengeringan. Jerman dan Denmark bahkan lebih besar yaitu sekitar
20-25%. Meskipun belum ada studi yang melaporkannya, diperkirakan Indonesia
dan negara- negara lainnya, menggunakan konsumsi energi nasionalnya untuk
pengeringan pada kisaran 5-25%. Secara global, data tahun 2007 menyatakan
86,4% konsumsi energi dunia dipasok oleh sumber energi berbasis fosil seperti
mendatang seiring dengan meningkatnya kebutuhan energi dunia. Gas inilah salah
satu yang akan menyebabkan pemanasan global, dan jika lajunya tidak dikurangi
akan membahayakan kelangsungan hidup bumi sebagai planet yang bisa dihuni
umat manusia dan mahluk hidup lainnya. Fakta- fakta ini menunjukkan bahwa
proses pengeringan termasuk salah satu penyumbang pelepasan karbon dioksida
Untuk mengurangi pemakaian energi berbasis fosil yang akan menyebabkan
pemanasan global, salah satunya adalah pemanfaatan energi sinar matahari.
Pemanfaatan energi sinar matahari dapat digunakan pada mesin pengering, seperti
mesin pengering hasil pertanian dan perkebunan. Pengolahan pasca panen hasil
pertanian atau perkebunan mempunyai peranan penting dalam kehidupan
masyarakat Indonesia, yang sekaligus juga merupakan sumber pemasukan devisa
negara yang cukup besar. Dengan penerapan sistem energi sinar matahari pada
teknologi ini, diharapkan akan mempercepat proses pengeringan hasil pertanian
dan perkebunan. Selain untuk mempercepat pengeringan, juga dapat menjaga
mutu dan kwalitas hasil pertanian dan perkebunan tersebut. Hal- hal inilah yang
melatar belakangi tugas akhir ini.
1.2 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam pengujian ini adalah :
1. Lokasi pengujian di kota Medan yang terletak pada posisi 3,43 oLU sampai
98,44 oBT dan ketinggian 37,5 meter dari permukaan laut.
2. Kemiringan sudut solar collector adalah 45o.
3. Pengujian dilakukan dengan sifat intermitten.
4. Pengujian dilakukan antara pukul 08.00 Wib sampai 17.00 Wib.
5. Pengujian dilakukan pada saat kondisi cuaca cerah.
6. Produk hasil pertanian dan perkebunan yang dipakai adalah ubi kayu.
1.3 Tujuan Pengujian
Adapun tujuan dari pengujian ini adalah:
1. Untuk memperoleh nilai dan kurva pengurangan kadar air (MR = moisture
ratio) suatu produk hasil pertanian dan perkebunan terhadap waktu dengan
alat pengering tenaga surya.
2. Untuk mengetahui perbandingan persentase kadar kering ubi kayu yang
dikeringkan menggunakan alat dan yang dijemur secara langsung.
3. Untuk mendapatkan efisiensi dari alat pengering
4. Untuk mempercepat proses pengeringan produk hasil pertanian dan
1.4 Manfaat Pengujian
Adapun manfaat dari pengujian ini adalah sebagai berikut :
1. Untuk mengurangi penggunaan listrik dan bahan bakar yang tidak dapat
diperbaharui lainnya.
2. Untuk mengurangi pemanasan global dengan menggunakan energi bersih.
3. Untuk memberi model alat pengering untuk pengeringan hasil pertanian dan
perkebunan yang dapat dikembangkan di masyarakat luas.
4. Untuk memberi sumbangsih yang nyata dari departemen Teknik Mesin
dalam perkembangan teknologi pengolahan produk hasil pertanian.
1.5 Sistematika Penulisan
Agar penulisan skripsi ini tersusun secara sistematis dan mudah untuk
dipahami, maka skripsi ini disusun kedalam beberapa bagian, yaitu:
BAB I : PENDAHULUAN
Pada bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan
masalah yang berisi antara lain : Latar belakang, batasan masalah, tujuan
pengujian, manfaat pengujian , dan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini dibahas mengenai teori-teori dan topik yang berhubungan
dengan penulisan skripsi. Dasar teori diperoleh dari berbagai sumber dan literatur,
diantaranya: buku-buku literatur, jurnal, e-book, dan website.
BAB III : METODOLOGI PENGUJIAN
Pada bab ini akan dibahas mengenai metode yang akan digunakan untuk
menyelesaikan penulisan skripsi. Pada bab ini juga akan dibahas mengenai waktu
dan tempat pengujian, alat dan bahan pengujian, experimental set up, dan
BAB IV : DATA D AN ANALISA DATA
Pada bab ini akan dianalisa dan dibahas mengenai data-data yang telah
diperoleh dari hasil pengujian yang telah dilakukan.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Di dalam bab ini berisi kesimpulan dari penulisan tugas akhir dan
saran-saran yang dapat digunakan sebagai tindak lanjut dari pengujian yang telah
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengeringan Hasil Pertanian dan Perkebunan
Pengeringan hasil pertanian dan perkebunan merupakan salah satu unit
operasi energi paling intensif dalam pengolahan pasca panen. Unit operasi ini
diterapkan untuk mengurangi kadar air produk seperti berbagai buah-buahan,
sayuran, dan produk pertanian atau perkebunan lainnya setelah panen.
Pengeringan adalah proses pemindahan panas dan uap air secara simultan yang
memerlukan panas untuk menguapkan air dari permukaan bahan tanpa mengubah
sifat kimia dari bahan tersebut. Dasar dari proses pengeringan adalah terjadinya
penguapan air ke udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara dan
bahan yang dikeringkan. Laju pemindahan kandungan air dari bahan akan
mengakibatkan berkurangnya kadar air dalam bahan tersebut.
Pada prinsipnya, pengeringan hasil pertanian dan perkebunan bertujuan
untuk mengurangi kadar air yang terkandung pada bahan sampai pada kadar air
yang diinginkan. Tujuan mengurangi kadar air adalah untuk memperpanjang
kehidupan rak-produk bio-asal dengan mengurangi kadar air ke tingkat yang
cukup rendah sehingga menghambat pertumbuhan mikroorganisme, reaksi
enzimatik, dan reaksi lainnya yang memperburuk produk pertanian dan
perkebunan tersebut.
Faktor-faktor yang berpengaruh dalam proses pengeringan adalah suhu,
kelembaban udara, laju aliran udara, kadar air awal bahan dan kadar air akhir
bahan.
2.2 Jenis - Jenis Pengeringan
Jenis-jenis pengeringan berdasarkan karakteristik umum dari beberapa
pengering konvensional dibagi atas 8 bagian, yaitu : (Arun S. Mujumdar, Chung
Lim Law. 2009)
a) Baki atau wadah
Pengeringan jenis baki atau wadah adalah dengan meletakkan material
yang akan dikeringkan pada baki yang lansung berhubungan dengan media
konveksi dan perpindahan panas secara konduksi juga dimungkinkan
dengan memanaskan baki tersebut.
b) Rotary
Pada jenis ini ruang pengering berbentuk silinder berputar sementara
material yang dikeringkan jauh 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.
c) 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.
d) 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.
e) 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
f) 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.
g) 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.
h) Batch dryer
Pengeringan jenis ini hanya baik digunakan pada jumlah material yang
sangat sedikit, seperti penggunaan pompa panas termasuk pompa panas
kimia.
2.2.1 Konsep Dasar Penge ringan
Pengeringan adalah proses pengeluaran air dari suatu bahan pertanian
menuju kadar air kesetimbangan dengan udara sekeliling atau pada tingkat kadar
air dimana mutu bahan pertanian dapat dicegah dari serangan jamur, enzim
aktifitas serangga (Hederson and Perry, 1976). Sedangkan, menurut Hall (1957)
and Brooker et. al. (1981), proses pengeringan adalah proses pengambilan atau
penurunan kadar air sampai batas tertentu sehingga dapat memperlambat laju
kerusakan bahan pertanian akibat aktivitas biologis dan kimia sebelum bahan
diolah atau dimanfaatkan.
Pengeringan merupakan salah satu cara dalam teknologi pangan yang
dilalakukan dengan tujuan pengawetan. Manfaat lain dari pengeringa adalah
memperkecil volume dan berat bahan dibanding kondisi awal sebelum
pengeringan. Sehingga, akan menghemat ruang (Rahman dan Yuyun, 2005).
Pengeringan produk atau hasil pertanian dipengaruhi oleh beberapa faktor,
air. Ukuran bahan juga mempengaruhi cepat lambatnya pengeringan. Selain itu
jenis alat pengering juga mempengaruhi proses pengeringan (Taib, dkk, 1988).
Kelembaban udara (RH) juga mempengaruhi proses pengeringan.
Kelembaban udara berbanding lurus dengan waktu pengeringan. Semakin tinggi
kelembaban udara maka proses pengeringan (waktu pengeringan) akan
berlangsung lebih lama. Apabila bahan pangan dikeringkan dengan menggunakan
udara sebagai medium pengering, maka semakin panas udara tersebut semakin
cepat perngeringan. Berbeda dengan RH, kecepatan aliran udara berbanding
tebalik dengan waktu pengeringa. Semakin tinggi kecepatan aliran udara, proses
pengeringan akan berjalan lebih cepat (Brooker, dkk., 1981).
Faktor lain yaitu kadar air bahan yang dikeringkan bahwa pengeringan
bertujuan untuk mengurangi kadar air bahan untuk menghambat perkembangan
organisme pembusuk. Kadar air suatu bahan berpengaruh terhadap banyaknya air
yang diuapkan dan lamanya proses pengeringan. Kadar air bahan pangan dapat
dinyatakan sebagai kadar air basi kering dan kadar air basis basah. Kadar air basis
kering adalah perbandingan berat air dalam bahan dengan berat bahan keringnya.
Kadar air basis basah adalah perbandingan berat air dalam bahan dengan berat
bahan total (Heldman and Signh, 1981).
Pada bagian tugas akhir ini akan dilakukan simulasi pada pengeringan tipe
wadah dengan menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi pemanas udara
pengering.
2.3 Matahari (Surya) 2.3.1 Karakteristik Matahari
Matahari adalah bintang terdekat dari bumi. Seperti halnya bintang yang
lain, matahari memancarkan cahayanya sendiri. Cahaya yang terpancar dari
matahari disebabkan oleh adanya reaksi fusi nuklir yang terjadi di inti matahari.
Selain memancarkan cahaya, matahari juga menghasilkan energy yang sangat
besar dalam bentuk panas. Energi dari proses reaksi di inti hingga terhantar ke
reaksi nuklir di inti dan proses penghantarannya di bagian dalam matahari
menyebabkan matahari selalu beraktivitas secara dinamis sepanjang waktu.
Gambar 2.1 Matahari
a) Inti matahari
Matahari bukanlah satu benda padat yang homogen, tetapi seperti bola gas raksasa yang terdiri atas lapisan- lapisan yang berbeda. Pada
bagian inti, reaksi fusi nuklir berlangsung pada suhu sekitar 15 juta derajat
Celcius. Inti matahari mengsisi sepertiga jari-jari terdalam dari matahari.
Di sini, bergabung empat inti hydrogen membentuk satu buah inti helium.
Reaksi ini menghasilkan energy yang sangat besar dalam bentuk
gelombang electromagnet dan partikel. Energi yang besar ini kemudian
merambat ke bagian yang lebih luar melalui cara radiasi atau pancaran.
b) Daerah radiasi
Bagian dalam matahari yang menghantarkan energy secara radiasi disebut sebagai daerah radiasi (radiation zone). Daerah radiasi ada pada
bagian terluar inti matahari hingga jarak sekitar 0.8 jari-jari matahari.
Daerah radiasi memiliki kerapatan yang sangat tinggi sehingga gelombang
elektromagnetik dari inti matahari membutuhkan waktu hingga ratusan
ribu tahun untuk sampai di bagian terluarnya. Pada bagian dasar daerah
radiasi, suhunya mencapai 7 juta derajat Celcius, sedangkan bagian
luarnya memiliki suhu 2 juta derajat Celcius.
Di bagian luar daerah radiasi terdapat daerah konveksi. Di bagian ini, energy menjalar ke permukaan matahari melalui proses konveksi atau
aliran. Aliran energy ini terbawa oleh medium plasma yang mengisi
daerah konveksi. Plasma adalah gas yang terionisasi oleh suhu yang sangat
tinggi sehingga electron-elektronnya terpisah dari atom atau molekulnya .
Pada daerah konveksi, aliran plasma begitu kompleks sehingga
menghasilkan medan magnet yang berfluktuasi sepanjang waktu.
Dinamika medan magnet ini sangat aktif sehingga mempengaruhi
munculnya beragam aktivitas di permukaan matahari. Aktivitas matahari
ini kadang teramati dari bumi dan sering mengakibatkan pengaruh yang
besar terhadap kondisi cuaca antariksa secara keseluruhan.
Bagian matahari yang terlihat dari bumi adalah permukaan matahari atau
fotosfer. Fotosfer terletak di atas daerah konveksi. Suhu di fotosfer sekitar 6000
derajat Celcius. Sebagian dari proses konveksi tampak di fotosfer berupa luapan
plasma seperti gelembung yang disebut granula. Di fotosfer juga terjadi beberapa
aktivitas matahari akibat dari dinamika medan magnet di daerah konveksi.
Di atas fotosfer terdapat lapisan atmosfer matahari yang disebut kromosfer.
Kromosfer memiliki suhu antara 4500 hingga 25.000 derajat Celcius. Suhu di atas
kromosfer meningkat dengan tajam hingga mencapai 2 juta derajat Celcius pada
daerah yang dinamakan korona. Meskipun jauh lebih panas dari permukaan
matahari, korona lebih redup darinya sehingga tidak tampak dari bumi kecuali
pada saat gerhana matahari. Pada bagian atmosfer matahari ini terjadi beberapa
aktivitas matahari yang dapat berpengaruh pada cuaca anatraiksa.
2.3.2 Teori Dasar Radiasi Surya
Radiasi adalah proses perpindahan panas tanpa melalui media. Bila energi
radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian akan dipantulkan
(refleksi) , sebagian lagi akan diserap (absorbsi) dan sebagian lagi akan diteruskan
(transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa mentransmisikan radiasi thermal
Gambar 2.2 Radiasi surya
Terdapat dua jenis pantulan radiasi yaitu spekular dan diffuse. Jika sudut
pantulan radiasi sama, maka pantulannya disebut spektular. Jika sudut
pantulannya beragam ke semua arah maka pantulannya adalah diffuse.
Atmosfer bumi terdiri atas empat lapisan dari yang terdekat dari permukaan
bumi yaitu troposfer (0-10 km), stratosfer (10-40 km), mesosfer (40-50 km), dan
thermosfer (50-300 km).
Gambar 2.3 Lapisan atmosfer bumi
Radiasi yang sampai di lapisan thermosfer dilambangkan (Gon). Radiasi
yang diteruskan ke permukaan bumi dilambangkan (Gbeam). Radiasi akibat
2.3.3 Rumusan Radiasi Surya
Matahari mempunyai diameter 1,39×109 m. Bumi mengelilingi matahari
dengan lintasan berbentuk ellipse dan matahari berada pada salah satu
pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49×1011 m.
Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi
dan matahari adalah tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47x1011 m yang terjadi
pada tanggal 3 Januari 2011,dan jarak terjauh pada tanggal 3 juli dengan jarak
1,52x1011 m. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang
diterima atmosfer bumi juga akan berbeda.
Gambar 2.4 Pergerakan bumi terhadap matahari
Untuk menghitung radiasi pada hari ke- n, diperlukan rumusan Duffie dan
Persamaan radiasi pada atmosfer yang diajukan oleh Spencer pada tahun
1971.
Gon = Gsc (1,00011 + 0,034221 cos B + 0,00128 sin B + 0,000719 cos 2B
+ 0,000077 sin 2B) ... .(2.1)
dengan nilai B (konstanta hari) sebagai berikut :
B =
n−1 360365
...
(2.2)Dimana : Gsc = Daya radiasi rata-rata yang diterima atmosfer bumi (1367 W/m2)
B = konstanta yang bergantung pada nilai n
Gon= radiasi yang diterima atmosfer bumi (W/m2)
Nilai n bergantung pada urutan hari (i)
Tabel 2.1 Urutan Hari Berdasarkan Bulan
Bulan N
Januari I
Februari 31+i
Maret 59+i
April 90+i
Mei 120+i
Juni 151+i
Juli 181+i
Agustus 212+i
September 243+i
Oktober 273+i
November 304+i
Beberapa Istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi adalah :
a) Air Mass (m)
Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada
posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari
tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai
m=1 , pada sudut zenith 600, m=2. Pada sudut zenit dari 00-700.
Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan
luas permukaan tersebut Solar irradiance biasanya disimbolkan
dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut
dengan Intensitas radiasi.
f) Irradiation atau Radian Exposure (J/m2)
Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam
interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G
pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa
disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I.
g) Solar Time atau Jam Matahari
Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada
tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan
penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD).
ST =STD ±4(Lst-Lloc)+E ………. (2.4)
Dimana : STD = waktu lokal
Lst = standart meridian untuk waktu lokal (o)
Lloc = derajat bujur untuk daerah yang dihitung (o) ; untuk bujur
timur, digunakan -4, untuk bujur barat digunakan +4
E = faktor persamaan waktu
Pada persamaan ini Lststandard meridian untuk waktu lokal. Lloc adalah
derajat bujur daerah yang sedang dihitung, jika daerah yang dihitung ada
pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur
barat adalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit
dirumuskan oleh Spencer pada tahun 1971.
E = 229,2(0,000075 + 0,001868 cos B - 0,032077 sin B - 0,014615 cos 2B -
0,04089 sin 2B ... .(2.5)
Dimana : B = konstanta yang bergantung pada nilai n
E = faktor persamaan waktu
Dalam menentukan arah radiasi terdapat beberapa sudut yang harus
diketahui. Dapat dilihat pada gambar 2.6. Beberapa sudut untuk mendefenisikan
arah radiasi matahari.
Slope adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan
horizontal. ζilai 0 ≤ ≤ 900. permukaan adalah sudut penyimpangan sinar
pada bidang proyeksi dimana 0o pada selatan dan positif ke barat. Sudut
penyinaran θ (angle accident) adalah sudut yang dibentuk sinar dan garis
normal dari suatu permukaan. Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk
garis sinar terhadap garis zenith. Sudut ketinggian matahari αs (solar altitude
angel) adalah sudut antara sinar dengan permukaan. Sudut azimut matahari s
adalah sudut antara proyeksi matahari terhadap se latan, ke timur adalah negatif
dan ke barat adalah positif.
Sudut lain yang sering digunakan dalam menentukan jumlah radiasi
yang dapat diterima oleh sebuah permukaan di bumi antara lain sudut deklinasi
, yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Kemudian sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari dari dari garis siang.
Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω
berkurang 150 dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 150. Artinya tepat
pukul 1β.00 siang, ω=0 , pukul 11.00 pagi ω= -150 dan pukul 14.00, ω = γ00.
Spencer (1971) mengajukan persamaan untuk menghitung sudut deklinasi :
= C1 + C2CosB + C3sinB + C4cos2B + C5sin2B + C6cos3B + C7sin3B……..(2.6)
zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut.
Dimana z = sudut zenith
= sudut posisi lintang
= sudut deklinasi.
ω = sudut jam matahari.
Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Definisi sudut
jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siangnya.
Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam , ω berkurang
15o, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15o .
Dengan estimasi langit cerah, radiasi matahari yang diteruskan dari
atmosphere ke permukaan bumi (Duffle, 2006) adalah,
b = ao + a1 exp −k
Tabel 2,2 Faktor Koreksi Iklim
Iklim ro r1 rk
Tropical 0,95 0,98 1,02
Midatude summer 0,97 0,99 1,02
Subarctic Summer 0.99 0,99 1,01
Radiasi beam adalah radiasi yang langsung di transmisikan dari atmosphere
ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi
beam :
Gbeam = Gon b cos θz ... (2.10)
Dimana : Gon = radiasi yang diterima atmosphere (W/m2)
b = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi
cos θz = cosinus sudut zenith
Gbeam = radiasi yang ditransmisikan dari atmosphere ke
permukaan bumi (W/m2)
Radiasi diffuse adalah radiasi yang di pantulkan ke segala arah, dan
kemudian dimanfaatan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi
diffuse adalah :
Gdifuse = Gon cos θz (0,271 –0,β94 b) ... (2.11)
dimana : Gdifuse = Radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian
dapat dimanfaatkan.
Gon = radiasi yang diterima atmosphere (W/m2)
b = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi
cos θz = cosinus sudut zenith
Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse seperti
pada persamaan berikut :
Gtotal = Gbeam + Gdifuse ... (2.12)
Radiasi yang dapat ditangkap oleh luasan kolektor dengan asumsi effisiensi
kaca 90%, intensitas radiasi diperoleh dari alat ukur, dan dihitung permenit,
sehingga energi radiasi dapat di hitung mengunakan rumus :
Dimana: Q = Energi Radiasi (J)
I = Intensitas radiasi (W/m2)
A = Luas penampang kolektor(m2)
Δt = Selang waktu perhitungan (s)
2.4 Kolektor Surya
Kolektor surya merupakan sebuah alat yang mampu menyerap sinar radiasi
matahari, sehingga dapat memanaskan udara yang ada di dalam ruang kolektor
tersebut. Panas di dalam ruang kolektor dapat digunakan untuk berbagai keperluan
salah satunya adalah untuk pengeringan di dalam bidang pertanian.
Kolektor datar dan konsentrator merupakan alat yang digunakan untuk
mengumpulkan energi radiasi surya sedemikian sehingga energi termal yang
dihasilkan dapat dimanfaatkan secara lebih praktis untuk berbagai proses.
Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu:
a) Cover (penutup) transparan
Cover berfungsi untuk meyerap panas dari sinar radiasi matahari dan
untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan.
b) Absorber
Absorber berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari
dan dengan panas tersebut digunakan untuk memanaskan udara yang ada
di dalam kolektor.
c) Kanal
Kanal berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja atau tempat
mengalirnya udara panas dari dalam kolektor menuju ruang pengeringan .
d) Isolator
Isolator berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari
absorber menuju lingkungan.
e) Frame
Gambar 2.7 Komponen-komponen umum kolektor
Panas dari absorber dimanfaatkan melalui penukar panas ke media
pembawa panas. Media pembawa panas yang umum digunakan dapat merupakan
udara atau air. Ketika menggunakan air sebagai media, absorber akan
mengkonduksikan panas menuju ke permukaan pipa-pipa bagian luar. Selanjutnya
berlangsung konduksi panas dari permukaan luar ke permukaan dalam. Dengan
proses konveksi, panas akan berpindah dari permukaan dalam ke air yang
mengalir di dalam pipa tersebut, sehingga suhu air akan meningkat. Air dengan
suhu yang tinggi kemudian dimanfaatkan pada di bagian lain di luarkolektor datar.
Proses yang mirip terjadi ketika udara digunakan sebagai media pembawa panas,
namun dalam hal ini pipa jarang digunakan. Udara di atas (atau di bawah)
absorber dipanaskan melalui proses konveksi akibat kontak langsung dengan
absorber. Udara dengan suhu tinggi ini kemudian dialirkan keluar kolektor untuk
dimanfaatkan pada proses-proses yang memerlukan udara panas.
Kinerja sebuah kolektor surya akan bergantung dari karakteristik
absorptivitas dari absorber, transmisivitas dari bahan transparan, overall heat
transfer coefficient (koefisien pindah panas keseluruhan) dari insulator, bahan
transparan serta absorber.
Absorbtivitas merupakan porsi cahaya yang diserap oleh suatu objek;
transmisivitas merupakan porsi cahaya yang diteruskan oleh suatu objek;
sedangkan koefisien pindah panas keseluruhan merupakan daya hantar panas atau
Terdapat empat jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar
Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian
kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya
yaitu :
a) Flat-Plate Collectors ( Kolektor Pelat Datar )
Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa
memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan
langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga
karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan
dan biaya pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini
digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian
udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri.
Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari
absorber-nya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas
termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar
memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar (beam dan
diffuse), tidak membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan
sedikit perawatan. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan
untuk pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses
panas industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat
datar antara lain; transparent cover, absorber, insulasi, dan kerangka
b) Prismatic Solar Colector ( Kolektor Surya Prismatik )
Kolektor surya tipe prismatik dapat digolongkan dalam kolektor plat datar
dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang tersusun dari 4 bidang
yang membentuk prisma, 2 bidang berbentuk segi-tiga sama kaki dan 2
bidang yang lain berbentuk segi-empat siku-siku. Keunggulan dari
kolektor surya tipe prismatik ini adalah kemampuannya untuk dapat
menerima energi radiasi matahari dari segala posisi matahari.
Gambar 2.9 Kolektor surya prismatic
c) Concentrating Collectors ( Kolektor Surya Konsentrasi )
Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada
temperatur antara 100° – 400°C. Kolektor surya jenis ini mampu
memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver,
sehingga dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh
absorber. Berdasarkan komponen absorber-nya jenis ini dikelompokan
Gambar 2.10 Kolektor surya konsentrator
d) Evacuated Tube Collectors
Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi
dibandingkan dengan tiga jenis kolektor surya sebelumnya.
Keistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi
tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan
fluida yang terjebak diantara absorber dan cover-nya dikondisikan dalam
keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang
terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.
2.5 Perpindahan Panas
Apabila dua logam saling berhimpitan dan suhu-suhu benda itu berbeda,
maka akan terjadi proses perpindahan panas dari benda yang panas menuju benda
yang lebih dingin, sehingga menyebabkan suhu keduanya menjadi sama.
Perpindahan panas dibagi menjadi tiga klasifikasi, yaitu perpindahan panas
konduksi, konveksi, dan radiasi. Untuk lebih mengetahui defenisi dari klasifikasi
perpindahan panas ini dapat kita lihat pada penjelasan di bawah ini.
2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi
Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas dari partikel
yang bertemperatur tinggi ke partikel yang bertemperatur rendah sebagai hasil
dari interaksi antar partikel tersebut. Karena partikelnya tidak berpindah,
umumnya konduksi terjadi pada medium padat atau benda padat lainnya.
Perpindahan panas di sini terjadi akibat interaksi antara partikel tanpa diikuti
perpindahan partikelnya. Dimana pada alat ini terjadi pada peristiwa kehilangan
panas dari kolektor surya yang hilang melewati dinding-dinding dari kolektor.
Gambar 2.12 Perpindahan panas konduksi.
Secara matematik laju perpindahan panas konduksi dapat dinya takan dengan
Hukum Fourrier :
.
dx dT kA Qc
………...……….
Dimana :
.
Q
c = laju perpindahan panas (Watt)
k = konduktivitas thermal ( W /m.K)
A = luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)
dx dT
= gradien temperatur dalam aliran panas (K/m)
2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas secara konveksi adalah adalah perpindahan panas antara
permukaan padat yang berbatasan dengan fluida yang mengalir. Fluida di sini bisa
dalam fasa cair atau fasa gas. Syarat utama mekanisme perpindahan panas
konveksi adalah adanya aliran fluida. Perpindahan panas konveksi pada alat ini
terjadi pada fluida kerja yang digunakan (udara).
Gambar 2.13 Perpindahan panas konveksi.
Perpindahan panas konveksi pada saluran kolektor sangat dipengaruhi oleh
bilangan Reynold, apakah laminar maupun turbulent.Bilangan Reynold pada plat
Gambar 2.14 Perpindahan panas konveksi pada plat datar.
Bilangan Reynold dirumuskan dengan,
VL
Re ……….…..………...…… (β.15)
Dimana : Re = bilangan Reynold
V = kecepatan rata-rata dari fluida (m/s)
L = panjang kolektor( m )
ρ = massa jenis ( kg/m3)
μ = viskositas dinamik (kg/m.s)
Dengan pembagian jenis aliran berdasarkan bilangan Reynold sebagai berikut:
Re < 5x105 Laminar
Re > 5x105 Turbulen
Untuk laju perpindahan panas dapat dinyatakan de ngan persamaan sebagai
berikut :
. .
) (
hAT T
Qh s
………...………….……….. (β.16)
Dimana, h = koefisien konveksi ( W / m2. K )
A = luas permukaan kolektor surya (m2)
s
T∞ = temperatur udara lingkungan( K )
.
Q = laju perpindahan panas ( Watt )
2.5.3 Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas secara radiasi adalah proses perpindahan panas melalui
gelombang elektromagnetik atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa
sampai pada jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium.
Berbeda dengan mekanisme konduksi dan konveksi, radiasi tidak membutuhkan
medium perpindahan panas. Sampainya sinar matahari kepermukaan bumi adalah
adalah contoh yang paling jelas dari perpindahan panas radiasi. Perpindahan panas
radiasi pada alat ini terjadi padakolektor surya.
Gambar 2.15 Perpindahan panas radiasi.
Perpindahan panas secara radiasi dirumuskan sebagai,
.
4
. . . s s
r E T
Q ………...………..………..…….. (2.17)
Dimana: Qr = laju perpindahan panas radiasi (W)
= emisivitas panas permukaan ( 0 1)
= konstanta Stefan Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2K4)
2.5.4 Perpindahan Massa
Koefisien perpindahan massa (mass transfer coefficient) mempunyai
analogi dengan koefisien perpindahan panas, sehingga dapat didefinisikan seperti
halnya perpindahan panas.
= 1 − 2 ……….(β.18)
Difusivitas yang terjadi pada keadaan steady yang melintasi ketebalan
lapisan batas setebal Δy, adalah :
= 1− 2
= 1− 2 ……….(β.19)
Berdasarkan hukum-hukum fenomena dalam persamaan yang mengatur
perpindahan massa, momentum dan energi mempunyai keserupaan, sehingga
profil suhu, kecepatan dan konsentrasi mempunyai bentuk yang sama dalam
fenomena lapisan batas.
Karena fenomena yang terjadi dalam lapisan batas mempunyai analogi
terhadap hubungan antara profil kecepatan, profil konsentrasi massa dan profil
suhu sehingga dalam persoalan perpindahan panas, hubungan fungsional koefisien
pindah panas dapat dituliskan dalam bentuk :
= , ………..……….(β.β0)
sedangkan dalam hal perpindahan massa, hubungan fungsional koefisien pindah
massa dapat dinyatakan dalam bentuk :
= , ………...………..(β.β1)
Bilangan Schmidt (SC=v/DAB) menyatakan perbandingan antara profil
kecepatan dan konsentrasi, sedangkan untuk profil suhu dan konsentrasi
dinyatakan dalam bentuk bilangan Lewis (Le =α/DAB). Keserupaan antara
persamaan-persamaan yang mengatur perpindahan massa, momentum dan energi
perpindahan massa mempunyai analogi dengan koefisien perpindahan panas.
Hubungan empirik untuk koefisien perpindahan massa ini dinyatakan oleh
Gilliland (1934) dalam Holman (1981) dalam bentuk persamaan :
= 0.023 0.83 0.44 ……….(β.ββ)
Analogi Reynold untuk perpindahan panas dengan koefisien gesek pada
lapisan batas dapat pula digunakan untuk menentukan koefisien perpindahan
massa dengan koefisien gesek pada lapisan batas, pada aliran laminar, Holman,
J.P, (1981) memberikan bentuk persamaan seperti berikut :
untuk perpindahan panas :
2
3=
8 ………(β.β3)
untuk perpindahan massa :
2
3=
BAB III
METODOLOGI PENGUJIAN
3.1 Waktu danTempat Pengujian
Waktu pengujian: Januari 2014 - April 2014
Lokasi pengujian: Gedung Magister Pascasarjana Teknik Mesin, fakultas
Teknik, Universitas Sumatera Utara.
3.2 Alat dan Bahan yang Digunakan 3.2.1 Alat
Adapun alat-alat yang digunakan dalam pengujian ini adalah:
1. Alat Pengering Tenaga Surya
Gambar 3.1 Alat pengering
Spesifikasi :
Kolektor : Tipe : Plat bersirip
Luas : 2 x 1,7613 m2
Sudut Kemiringan : 45o
2. Komputer
Digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang telah didapatkan dari
Hobo Microstation data logger dan Agilient 34972 A.
Gambar 3.2 Komputer
Spesifikasi :
a. MSi VR440 series
b. Intel pentium dual-core processor
c. 14"widescreen
d. Os: Microsoft windows xp
3. Agilient 34972 A
Alat ini dihubungkan dengan termokopel yang dipasang pada titik-titik yang
akan diukur temperaturnya. Pencatatan data pengukuran disimpan pada
flashdisk yang dicolokkan pada bagian belakang alat ini.
Dengan Spesifikasi :
a. Daya 35 Watt
b. Jumlah saluran termokopel 20 buah
c. Tegangan 250 Volt
d. Mempunyai 3 saluran utama
e. Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik
f. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem kontrol
g. Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, Resistance
Temperature Detector (RTD), dan termistor,serta arus listrik AC
4. Hobo Microstation Data Logger
Alat ini di hubungkan ke data logger untuk kemudian dihubungkan ke
komputer untuk diolah datanya. Dengan Spesifikasi :
Skala Pengoperasian : 200– 500C dengan baterai alkalin
400 – 700C dengan baterai litium
Input Sensor : 3 buah sensor pintar multi channel monitoring
Ukuran : 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm
Berat : 0,36 kg
Memori : 512Kb Penyimpanan data nonvolatile flash.
Interval Pengukuran : 1 detik – 18 jam (tergantung penggunaan)
Akurasi waktu : 0 - 2 detik
Terdapat beberapa alat ukur pada Hobo Microstation data logger yaitu :
1. Pyranometer
Alat ini digunakan untuk mengukur radiasi matahari pada suatu lokasi.
Satuan alat ukur ini adalah W/m2.
Tabel 3.1 Spesifikasi pyranometer
Parameter pengukuran
intensitas radiasi dengan interval 1 detik
Rentang
Pengukuran 0 sampai 1280 W/m
2
Temperatur kerja Temperature: -40°C to 75°C (-40°F to 167°F)
Akurasi
±10.0 W/m2or ±5% . Tambahan temperatur error 0.38 W/m2/°C from 25°C (0.21 W/m2/°F
from 77°F)
Resolusi 1.5 W/m2
Penyimpangan <±2% per Year
Spektrum cahaya 300 to 1100 nm
Error kosinus
±5%: 0° to 70° dari Vertical
±10%: 70° to 80° dari Vertical
Error Azimuth ±2% Error pada 45° dari Vertical, 360°
Rotation
Housing Anodized Aluminum Housing with Acrylic
Diffuser and O-Ring Seal
Panjang kabel 3 Meters (9.8 ft)
Berat 120 grams (4.0 oz)
Dimensi 41mm Height x 32mm Diameter (1 5/8" x 1
2. Wind Velocity Sensor
Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Satuan alat
ukur ini adalah m/s. Berikut adalah spesifikasi wind velocity sensor.
Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity sensor
Parameter pengukuran
Kecepatan angin rata-rata
Kecepatan angin terttinggi
Data Channels 2 Channel, 1 Port
Rentang pengukuran 0 to 45 m/s (0 to 100 mph)
Operasi kerja Temperatur: -40C to 75C (-40F to 167F)
Akurasi ±1.1 m/s (2.4 mph) atau 4%
Resolusi 0.38 m/s (0.85 mph)
Ambang batas awal 1 m/s (2.2 mph)
Kecepatan angin
maksimum 54 m/s (120 mph)
Radius pengukuran 3 Meter
Housing
3 buah Anemometer dengan bantalan TEFLON Bearings dan poros Hardened
Beryllium
Panjang kabel 3.0 Meters (10 ft)
Dimensi 190 cm x 51 cm (7.5" x 3.2")
Berat 300 gram (10 oz)
3. Ambient Measurement apparatus
Alat ini digunakan untuk mengukur temperatur lingkungan sekitar.
Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement apparatus
Rentang
pengukuran -40°C to 125°C (-40°F to 257°F)
Akurasi ±0.22°C at 25°C (±0.4°F at 77°F) see
Diagram
Resolusi 0.02°C @ 25°C (0.04°F @ 77°F)
Penyimpangan 0.05°C/yr + 0.1°C/1000 hrs above 100°C
Waktu Respon
Water: 3.5 minutes to 90%
Air: 10 minutes to 90% ( Moving at 1m/sec)
Akurasi Waktu ±2 Minutes per Month at 25°C (77°F)
Sampling Rate 1 Second to 18 Hours
kapasitas
penyimpanan data 43,000 12-bit Samples/Readings
Konstruksi housing 316L Stainless Steel with O-ring seal
Tekanan/kedalaman
kerja 2200 psi (1500 m/4900 ft) maximum
Lingkungan kerja Air, Water, Steam (0 to 100% RH)
Berat 72 g (2.5 oz)
Dimensi 10.1cm long x 1.75cm diameter
4. T and RH Smart Sensor
Alat ini digunakan untuk mengukur kelembaban. Besarnya nilai yang
diukur oleh alat ini dalam persen (%).
Tabel 3.4 Spesifikasi T and RH smart sensor
Channel 1 Channel kelembapan
Rentang pengukuran -40°C - 100 °C (-40°F - 212°F)
Resolusi < ±0.03°C dari 0 °C - 50°C (< ±0.054°F dari 32°F - 122°F) Penyimpangan < ±0.1°C (0.18°F)/tahun
Waktu Respon kurang 2.5 Menit sampai RH 90% dalam 1 m/det gerakan udara
Housing Stainless Steel Sensor Tip Pilihan operasi
pengukuran Tersedia
Kondisi Lingkungan kabel dan Sensor Tahan air selama 1 tahun dengan Temperatursampai 50°C Berat w/ 17 Meter Cable: 880 grams (12.0 oz) Dimensi 7 mm x 38 mm (.28" x 1.50") - (Sensor saja)
Gambar 3.5 Alat ukur Hobo Microstation data logger
Keterangan :
Load Cell digunakan untuk mengukur berat produk yang akan dikeringkan
secara real time dengan menggunakan data aquistion (agilent). Alat ini
digunakan selama pengeringan. Tujuannya adalah untuk mengetahui seberapa
besar pengurangan berat produk setelah mengalami proses pengeringan
dengan alat pengering. 1
3 2
Gambar 3.6 load cell
Tabel 3.5 Spesifikasi load cell
Capacity 12 kg/ 25 lb
Operating temp. range -20 to +60º C
Accuracy 3 gr/0,1 oz
Zero balance ±0,1000mv/V
Safe overload 150% R.C.
Cable length 42 cm
3.2.2 Bahan
Bahan yang digunakan dalam pengujian ini adalah:
1. Ubi kayu
Bahan yang dipergunakan dalam proses pengeringan ini adalah ubi kayu yang
berkadar air sekitar ± 65%. Sebelum dikeringkan ubi kayu dikupas, lalu
dibentuk menjadi bentuk bujur sangkar dengan ukuran ± 1 cm x 1 cm x 1 cm,
dan jenis ubi yang digunakan adalah ubi roti.
2. Triplek
Bahan ini digunakan sebagai kerangka luar dari pada solar collector yang
akan dibuat. Juga digunakan sebagai isolator.
Gambar 3.8 Triplek
3. RockWool
Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator, digunakan untuk mencegah
panas dari solar collector hilang keluar. Jenis RockWool yang dipakai adalah
jenis Wire Mesh yang memiliki konduktivitas 0.043 �.
Gambar 3.9 Rockwool
4. Kaca
Bahan ini digunakan sebagai jalur masuknya radiasi matahari. Digunakan
Gambar 3.10 Kaca
5. Styrofoam
Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator, digunakan untuk mencegah
panas dari solar collector hilang keluar.
Gambar 3.11 Styrofoam
6. Plat Seng
Bahan ini digunakan sebagai absorber. Plat Seng yang memiliki konduktivitas
yang bagus dan di beri cat hitam agar radiasi yang masuk pada solar collector
akan diserap sepenuhnya oleh plat seng.
7. Lem kaca
Bahan ini digunakan untuk merekatkan kaca pada kolektor agar kaca dapat
menempel dengan kuat pada kolektor.
Gambar 3.13 Lem Kaca
8. Cat
Bahan ini digunakan untuk mencat plat seng. Cat yang digunakan adalah
cat berwarna gelap (hitam).
Gambar 3.14 Cat
3.3 Experime ntal Set Up
Pengujian dimulai dengan menghubungkan kabel-kabel termokopel yang
terhubung ke agilent ditempelkan ke plat absorber, inti ubi kayu, dan ruang
pengering (drying chamber) untuk memperoleh data-data temperature dalam
setiap menitnya (interval waktu perekaman dapat disesuaikan). Lalu pada bagian
belakang agilent dipasang flashdisk untuk merekam data-data temperature dari
setiap kabel-kabel tersebut, kemudian tekan tombol scan pada agilent. Pada load
cell alat untuk mencatat data perubahan massa dari sampel dipasang di dalam
ruang pengering, lalu dihubungkan ke laptop menggunakan kabel data USB.
dari sampel. Setelah proses perekamam selesai, data dari kedua alat ukur ini dapat
dilihat pada laptop dalam bentuk Microsoft excel
.
Gambar 3.15 Experimental set up
Adapun beberapa parameter yang akan diukur ialah :
1. Temperatur udara lingkungan
Ini adalah temperatur udara lingkungan. Data diambil menggunakan
alat ukur T & RH Smart Sensor yang terhubung ke Hobo micro
station data logger.
2. Temperatur plat.
Ini adalah temperatur plat absorber. Data diambil hanya satu titik
selama proses pengeringan, sehingga temperatur plat dianggap
seragam.
3. Temperatur ruang pengering
Ini adalah temperatur udara ruang pengering (drying chamber). Data
4. Temperatur inti ubi kayu
Ini adalah temperatur inti ubi kayu. Data diambil hanya satu titik pada
satu sampel, dimana termokopel dimasukkan kedalam inti ubi kayu
selama proses pengeringan.
5. Radiasi matahari
Ini menunjukkan seberapa besar radiasi matahari pada 1 hari dalam 1
m2. Biasanya data di hitung setiap jam, dari jam 08:00-17:00 ,
kemudian dirata-ratakan sehingga didapatkan radiasi matahari per hari.
6. Massa ubi kayu
Parameter ini digunakan untuk mengetahui seberapa besar
pengurangan massa dari ubi kayu akibat penguapan yang terjadi di
dalam ruang pengering (drying chamber) sama pi mencapai titik
equilibrium (tidak terjadi lagi penurunan massa).
3.4 Prosedur Pengujian
Ada pun prosedur pengujian yang dilakukan adalah :
1. Siapkan komponen-komponen mesin pengering (kolektor, bak
pengering, dan kaki bak pengering).
2. Pasang mesin pengering dalam posisi yang baik dan benar.
3. Pasang kabel-kabel termocouple dari agilient pada plat absorber, ruang
pengering dan inti ubi kayu.
4. Hidupkan Load cell sebelum merekam data load cell di tare kan
terlebih dahulu agar di layar laptop massa berada pada posis 0 gr.
5. Hubungkan parameter-parameter yang akan diukur ke data logger dan
laptop.
6. Timbang ubi kayudan masukkan kedalam ruang pengering.
7. Proses perekaman data dimulai.
8. Pengeringan dilakukan sampai massa ubi kayu mencapai titik
equilibrium.
9. Hasil dari pengujian di analisis.
3.5 Diagram Alir Pengujian
Dalam skripsi ini, penulis melalui beberapa proses, dapat dilihat pada
gambar
hhhjh
Gambar 3.16 Diagram Blok Proses Pengerjaan Skripsi
BAB VI
DATA DAN ANALISA DATA
4.1 Analisa Radiasi Surya (Solar Radiation)
4.1.1 Analisa Radiasi Surya (Solar Radiation) Untuk Sampel 1 Pada Tanggal 14 April 2014
a) Analisa Radiasi Surya Hasil Pengukuran
Kita dapat menghitung data radiasi surya secara pengukuran dengan
menggunakan sensor radiasi. Sensor radiasi yang digunakan pada penelitian ini
adalah Hobo Micro station Data Logger. Alat ukur Hobo Micro station Data
Logger ini dapat menghitung data radiasi surya, kecepatan angin, temperatur, dan
RH. Sehingga kita dapat melihat data-data dari sensor tersebut secara bersamaan
dalam bentuk Microsoft Excel. Sensor ini dapat mencatat data-data dalam interval
waktu 1 menit. Alat ukur Hobo Micro station Data Logger ini berada di
Laboratorium Teknik Pendingin Departemen Pasca Sarjana Teknik Mesin
Fakultas Teknik Mesin.
Data radiasi surya pada tanggal 14 April 2014 adalah :
Tabel 4.1 Data Radiasi Pengukuran 14 April 2014
Pukul
