Study on Temperature, RH and Air Flow Velocity Distribution of Dryer for the Design Optimization of Greenhouse Effect Solar Dryer

(1)

KAJIAN DISTRIBUSI SUHU, RH DAN

ALIRAN UDARA PENGERING UNTUK

OPTIMISASI DISAIN PENGERING

EFEK RUMAH KACA

DYAH WULANDANI

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(2)

PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN

SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi “Kajian Distribusi Suhu, RH

Dan Aliran Udara Pengering Untuk Optimisasi Disain Pengering Efek

Rumah Kaca” adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apa

pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau

dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah

disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian disertasi

ini.

Bogor, Nopember 2005

Dyah Wulandani

(3)

ABSTRAK

DYAH WULANDANI. Kajian Distribusi Suhu, RH Dan Aliran Udara

Pengering Untuk Optimisasi Disain Pengering Efek Rumah Kaca.

Dibimbing oleh KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY HARTULISTIYOSO dan

ACHMAD INDRA SISWANTARA.

Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) adalah bangunan pengering berdinding

transparan, di dalamnya terdapat plat absorber sebagai pengumpul panas dan

wadah produk (rak atau bak) serta kipas untuk mengeluarkan uap air hasil

pengeringan. Sumber energi pada pengering ERK diperoleh dari surya dan

pembakaran biomassa (arang kayu). Pengering ERK ini menjadi salah satu

pilihan bagi petani maupun pedagang pengumpul cengkeh untuk mengatasi

masalah pengeringan dengan cara penjemuran langsung menggunakan lamporan,

karena pengering ERK menggunakan sumber energi termal dari surya dan

biomassa. Metoda penjemuran selama ini digunakan karena murah dan mudah

dilakukan, tetapi sangat tergantung adanya sinar surya dan produk mudah

terkontaminasi kotoran. Penelitian sebelumnya menyatakan bahwa pengering

ERK dipilih karena lebih murah dibandingkan dengan pengering surya yang

menggunakan kolektor datar terpisah. Agar petani dapat membeli pengering ERK

dengan harga yang terjangkau, maka untuk mengurangi biaya konstruksi

seminimal mungkin tanpa mengurangi kehandalan performansi alat, dalam

penelitian ini dilakukan perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK.

Berdasarkan hasil ini diperoleh ukuran komponen-komponen utama dalam

pengering ERK. Selain itu dengan menggunakan teknik CFD (analisis dinamika

fluida), dapat diketahui lokasi komponen-komponen utama dalam pengering ERK

(seperti inlet, outlet, kipas dan penukar panas), sehingga dapat diperoleh

keseragaman suhu, RH dan kecepatan aliran udara di dalam ruang pengering.

Secara umum tujuan penelitian adalah untuk mendapatkan disain pengering

ERK optimum baik dari segi teknis maupun secara ekonomis, melalui proses

optimisasi dan simulasi aliran udara panas serta pengujian performasi pengeringan

cengkeh menggunakan pengering ERK. Output penelitian ini berupa disain

pengering optimum yang dapat dimanfaatkan oleh petani atau pengusaha cengkeh,

dan pedagang pengumpul atau eksportir cengkeh serta bagi peneliti yang tertarik

di bidang pengeringan.

Hasil penelitian ada beberapa tahap; pertama, optimisasi biaya konstruksi

pengering ERK (biaya investasi awal) dipecahkan dengan metoda Pengganda

Lagrange menggunakan persamaan keseimbangan energi di dalam ruang

pengering dan persamaan karakteristik pengeringan cengkeh. Salah satu hasil

optimisasi adalah disain pengering ERK untuk kapasitas maksimum 386 kg

cengkeh dengan dimensi 3.6 m x 3.6 m x 2.4 m dengan biaya konstruksi optimum

Rp 10.123.000,-. Pengering ERK ini terdiri dari 8 rak berukuran 7.84 m

2

, plat

absorber berukuran 5.12 m

2

, kipas dengan daya 247 W, penukar panas seluas 1.2

m

2

, dan tungku dengan laju pembakaran 1.1 kg arang per jam. Pengeringan

dilakukan pada suhu 45

o

C, RH 52 % dan laju aliran udara di atas rak 0.04 m/dt.

Dengan alat tersebut pengeringan cengkeh dari kadar air awal 72.8 % hingga 12

% bb berlangsung selama 50 jam.

(4)

bahwa percobaan menggunakan suhu 48

o

C, RH 46.5 % dan kecepatan 0.04 m/dt,

pada tingkat radiasi surya 310 W/m

2

, memberikan performansi pengeringan yang

lebih baik dibandingkan kedua percobaan lainnya yang diuji dalam penelitian ini.

Bahan bakar biomassa (arang kayu) digunakan pada pagi dan sore untuk

mempertahankan suhu 48

o

C. Untuk mengeringkan cengkeh dengan kapasitas 80

kg diperlukan bahan bakar arang sebanyak 29 kg. Pengeringan bunga cengkeh

dari kadar air 72.8 % bb menjadi 12 % membutuhkan waktu dengan kisaran 38

hingga 50 jam. Hasil pengujian mutu cengkeh menunjukkan mutu-1 dengan

kandungan minyak atsiri cukup tinggi yaitu 23 % dan cengkeh kering berwarna

coklat kehitaman.

Percobaan pengeringan cengkeh di lapang masih menghasilkan perbedaan

kadar air antara rak atas dan bawah, hal ini disebabkan oleh ketidakseragaman

suhu yang terjadi di dalam ruang pengering, dengan nilai ragam suhu 2.4

o

C.

Tahap ketiga, melalui analisis aliran fluida menggunakan bantuan software

Geomesh/Gambit dan Fluent dan berdasarkan dimensi pengering hasil optimisasi

di atas telah diketahui posisi inlet, outlet, kipas dan penukar panas yang tepat,

sehingga tingkat keseragaman suhu, RH dan kecepatan di dalam ruang lebih baik.

Di antara 3 skenario disain pengering ERK, disain terbaik dari hasil simulasi

tersebut adalah disain skenario-3 yang dicirikan dengan rendahnya nilai standar

deviasi dari suhu, RH dan kecepatan aliran udara, masing-masing sebesar 1.6

o

C,

3.7 % dan 0.03 m/dt.

Disain skenario-3 tersebut terdiri dari dua buah inlet masing-masing

berukuran 0.1 m x 1 m pada ketinggian 1.4 m. Dua buah outlet masing-masing

berukuran 0.2 m x 0.8 m pada ketinggian 0.8 m pada dinding yang berseberangan

dengan inlet. Tiga buah kipas dengan diameter masing-masing 0.2 m digunakan

sebagai perata udara pengering. Kipas 1 (kipas bawah) terletak 0.2 m di depan

penukar panas pada ketinggian 0.4 m dari lantai bangunan dengan daya 100 W.

Kipas 2 (kipas tengah) terletak di tengah bangunan di atas rak paling atas dengan

daya 40 W. Kipas 3 (kipas atas) terletak di atas penukar panas pada ketinggian

1.8 m sejajar dengan posisi rak paling atas (rak 8) dengan daya 100 W. Penukar

panas seluas 1.2 m

2

terletak 0.2 m dari dinding pada ketinggian 0.4 m dari lantai

pengering. Pada malam hari disarankan hanya menggunakan kipas bawah untuk

meratakan suhu dan kecepatan udara.

Validasi model simulasi aliran udara yang dilakukan pada pengering ERK

skala laboratorium menggunakan

curve fitting

, menunjukkan hasil kecenderungan

yang sama antara suhu, RH dan kecepatan udara hasil simulasi dengan suhu, RH

dan kecepatan udara hasil pengukuran.

(5)

ABSTRACT

DYAH WULANDANI. Study on Temperature, RH and Air Flow Velocity

Distribution of Dryer for the Design Optimization of Greenhouse Effect Solar

Dryer. The advisors of the dissertation are KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY

HARTULISTIYOSO and ACHMAD INDRA SISWANTARA.

Greenhouse Effect (GHE) Solar Dryer is a transparent wall structure,

consists of an absorber plate as solar collector, product holders (rack, tray or

batch) and fans to discharge vapor evaporated from the product. The GHE solar

dryer uses thermal energy source from the sun and biomass stove as an auxiliary

heating and other devices to control continuous drying processes. Previous study

had recommended the design configuration as an alternative artificial drying

facility for the farmer and merchant of cloves to overcome several demerits of

using direct sun drying, including the construction cost. Farmer often uses direct

sun drying method because it is cheap and simple. However, the method greatly

dependent on the existence of solar irradiation, and foreign materials or dirt easily

contaminates the product.

Considering the poor condition of local farmer, previous GHE design

required further construction cost reduction so that it can be affordable by the

farmer. For this purposes, in this study an optimization process for a prototype of

GHE solar dryer was conducted in order to reduce further construction cost by

determining the proper sizing of each principle component of the dryer. In

addition, a CFD technique was applied to determined proper locations of key

component of the dryer to create uniform airflow rate, RH and drying

temperature.

Therefore, the objective of this study was to get the optimum design of GHE

solar dryer, through optimization, testing the performance of GHE solar dryer and

airflow simulation process.

First, the construction cost optimization was based on the drying equations

for clove and energy balance equations of drying air, absorber plate,

heat-exchanger and product. Lagrange Multiplier was used in the optimization

process, aided by Microsoft Excel. The result showed that the optimum design of

a GHE solar dryer with 3.6 m x 3.6 m x 2.4 m dimension, gave an optimum

construction cost of Rp 10.123.000,- for drying of 386 kg of cloves. The

Prototype of dryer consisted of 8 trays with area of each tray was 7.84 m

2

.

Surface area of the absorber plate was 5.12 m

2

, the power of fan was 247 W

(A.C.) , the heat transfer area of the heat exchanger was 1.2 m

2

, and the charcoal

combustion rate was 1.1 kg/h. The average drying temperature was 45

o

C, while

the RH required was 42 % and the local airflow velocity on the product was 0.04

m/s. The drying time (initial moisture content of 72.8 % wb and final moisture

content of 12 % wb) used this experiment was 50 hours.

(6)

of cloves with initial moisture content of 72.8 % wb and final moisture content of

12 % wb was 50 hours. The quality of clove was categorized as grade-1, with

essential oil content of 23 %. The final color of dried cloves was brown-black.

The test result, however indicated that the final moisture content of the

products was still uniform (standard deviation was 3.8 %) due to the

non-uniformity in the drying air temperature. The observed average standard

deviation of the drying temperature was at 2.4

o

C.

In order to solve this remaining problem, in the third step of this study,

airflow simulation aided by Fluent and Gambit/Geomesh software was used to

determine the optimum location of air inlet and outlet, fans and the heat

exchanger. The analysis was aimed to obtain uniform distribution of drying air

temperature, RH and velocity within the chamber. Simulation study had selected

three different modes of design configuration namely:

Mode 1. Inlets at the position 1 m from the floor were placed on one side of the

wall. The outlets at the position 1.6 m from the floor were placed on

the opposite side of the wall.

Mode 2. Inlets at the position 1.4 m above the floor were placed on one side of

the wall. The outlets were located at the position 0.8 m above the floor

placed on the opposite side wall.

Mode 3. Inlets and outlets were the same as in the Mode 2. Fan-3 was added

above of the heat exchanger to mix the drying air.

(7)



Hak cipta milik Dyah Wulandani, tahun 2005

Hak cipta dilindungi

(8)

KAJIAN DISTRIBUSI SUHU, RH DAN

ALIRAN UDARA PENGERING UNTUK

OPTIMISASI DISAIN PENGERING

EFEK RUMAH KACA

DYAH WULANDANI

Disertasi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Doktor pada

Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

(9)

Judul Disertas : Kajian Distribusi Suhu, RH dan Aliran Udara Pengering

untuk Optimisasi Disain Pengering Efek Rumah Kaca.

Nama : Dyah Wulandani

NIM : TEP-985084

Disetujui

Komisi Pembimbing

Prof.Dr. Kamaruddin Abdullah

Ketua

Dr.Ir. Edy Hartulistiyoso Ir. Achmad Indra Siswantara, PhD

Anggota Anggota

Diketahui

Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana IPB

Ilmu Keteknikan Pertanian

Prof. Dr.Ir. Budi Indra Setiawan Prof.Dr. Ir. Syafrida Manuwoto, MSc.

(10)

PRAKATA

Segala puji bagi Allah Subhannahuwata’alla, karena atas karunia dan

rahmatNya, penulis dapat menyelesaikan disertasi ini. Tema yang dipilih dalam

disertasi ini adalah disain pengering Efek Rumah Kaca dengan judul Kajian

Distribusi Suhu, RH dan Aliran Udara Pengering untuk Optimisasi Disain

Pengering Efek Rumah Kaca.

Disertasi ini terdiri dari tiga bagian utama, masing-masing dinyatakan dalam

bab terpisah. Kaitan dari ketiganya dinyatakan dalam pembahasan umum.

Bagian pertama terdapat dalam Bab III disertasi ini berjudul Optimisasi Biaya

Konstruksi Pengering Efek Rumah Kaca. Bab ini telah diseminarkan dalam

Seminar Nasional PERTETA, Malang, Juli 2002 dan Asia-Australia Drying

Conference (ADC’01), Malaysia, 2001.

Bagian kedua terdapat dalam Bab IV berjudul Analisis Aliran Udara dalam

Alat Pengering Efek Rumah Kaca. Bab ini merupakan pengembangan dari naskah

artikel yang diajukan ke jurnal ilmiah (Buletin Keteknikan Pertanian, vol. 16, no.

3, th. 2003 dan Prosiding “The 14

th

International Symposium of Transport

Phenomena” 6-9 Juli 2003, Bali. Hal: 539-542).

Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Dr.

Kamaruddin Abdullah sebagai Ketua Komisi Pembimbing, atas bimbingan, saran,

nasehat tentang filosofi keilmuan dan ide-ide yang begitu besar manfaatnya bagi

penulis, selama kuliah dan dalam penyelesaian disertasi ini, serta

kegiatan-kegiatan ilmiah lainnya.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Dr. Edy Hartulistiyoso sebagai

Anggota Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran serta nasehat yang dapat

mendorong penulis untuk selalu maju, baik selama penulis kuliah maupun selama

penyelesaian disertasi ini.

Penulis menyampaikan terima kasih kepada Ir. Achmad Indra Siswantara,

Ph.D. sebagai Anggota Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran ilmu-ilmu baru

yang diberikan selama penulis kuliah dan penelitian, serta atas kesempatan yang

diberikan kepada penulis untuk menggunakan fasilitas yang sangat bermanfaat

bagi penyelesaian disertasi ini.

Kepada Dosen Penguji Luar Komisi Pembimbing, Dr. Meika Syahbana

Rusli dan Dr. Ridwan Thahir, atas kesediaan untuk menguji penulis dalam Ujian

Tertutup dan Ujian Terbuka dan memberikan saran serta kritikan yang

membangun demi kesempurnaan disertasi ini.

Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada para Pimpinan IPB yang

telah memberikan ijin kepada penulis untuk menempuh pendidikan ini. Ucapan

terima kasih juga penulis sampaikan kepada Prof. Dr. Budi Indra Setiawan,

M.Agr. sebagai Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Sekolah

Pascasarjana dan Pimpinan di Sekolah Pascasarjana IPB atas saran yang diberikan

demi kelancaran penulis dalam menyelesaikan studi di IPB ini, serta kepada Staf

administrasi yang juga membantu kelancaran dalam penyelesaian studi.

(11)

dan CREATA beserta para Stafnya, penulis mengucapkan terima kasih atas dana

penelitian serta fasilitas yang telah diberikan.

Dengan tulus, penulis mengucapkan terima kasih kepada:

-

Bapak-bapak dan Ibu-ibu Staf Pengajar di Departemen Teknik Pertanian, dan

khususnya kepada Staf Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian,

FATETA IPB, atas diskusi yang bermanfaat dan ilmu yang diajarkan.

-

Dr. Leopold O. Nelwan, Ir. I.B. Gunadnya, M.S. dan teman-teman mahasiswa

Pascasarjana, atas diskusi yang bermanfaat dan dorongan moril yang

memberikan semangat bagi penulis untuk selalu maju.

-

Pak Harto dan Pak Ahmad, teknisi Laboratorium Energi dan Elektrifikasi

Pertanian, atas bantuannya yang sangat besar selama studi dan penelitian

terutama saat pengambilan data lapang.

-

Eko Arif, Slamet Yulianto atas bantuannya yang besar dalam pengambilan data

pengukuran di lapang, serta Joni Lukman, Purnomo dan Indra Budi N. atas

bantuannya selama ini.

-

Semua pihak yang tidak mungkin disebutkan satu-persatu, atas segala bantuan,

kerjasama dan dukungan moril dan materiil hingga selesainya desertasi ini.

Akhirnya kepada suami tercinta, Ir. Djoko Sutrisno, dan putra-putriku

tersayang Agung Satrio Wibowo dan Dewi Fitria Ramadhani, atas pengertiannya

yang luar biasa besar dan selalu memberikan dukungan moril dan materiil kepada

penulis untuk tidak patah semangat. Kepada Ibu dan Papi tercinta, karena dari

doanya, maka penulis dapat menyelesaikan studi ini, serta kepada seluruh

keluarga, penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga besarnya.

Harapan penulis, semoga karya ilmiah ini bermanfaat dan segala budi baik

Bapak-bapak dan Ibu-ibu sekalian yang telah diberikan kepada penulis, menjadi

amal yang tak pernah putus-putusnya, dan Allah Subhannahu Wata’alla yang akan

memberikan pahala terbaik serta selalu melimpahkan Rahmat dan Karunia-Nya

kepada kita semua. Amin.

Bogor, Nopember 2005

(12)

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Surakarta pada tanggal 19 April 1968, anak dari Drs.

Rakib Mappeang dan Sugeng Darmini(Almarhumah). Anak pertama dari lima

bersaudara. Penulis menyelesaikan Sekolah Dasar di SD Pamardi Putri Surakarta

(tahun lulus 1980), Sekolah Menengah Pertama di SMP N 5 Surakarta (tahun

lulus 1983) dan Sekolah Menengah Atas di SMA N 1 Surakarta (tahun lulus

1986). Pada tahun 1986, penulis melanjutkan pendidikan di IPB Bogor, melalui

jalur Penelusuran Bakat dan Minat (PMDK) dan pada tahun 1987 masuk ke

Jurusan Mekanisasi Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB dan lulus pada

tahun 1991. Dalam menyelesaikan Tugas Akhir (penelitian) di jenjang S-1,

penulis di bawah bimbingan Dr. Abdul Kohar Irwanto dan Ir. Sri Endah Agustina,

MSc. Pada tahun 1994 penulis mendapat kesempatan untuk melanjutkan

pendidikan program Magister Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Program

Pascasarjana IPB dan lulus pada tahun 1997, dengan dana pendidikan dari TMPD.

Pada Program Magister, penulis di bawah bimbingan Dr. Kamaruddin Abdullah

(Ketua), Dr. Budi Indra Setiawan (Anggota) dan Dr. Oskari Atmawinata

(Anggota).

Pada tahun 1994, penulis bekerja di IPB sebagai Staf Pengajar di Jurusan

Keteknikan Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian hingga saat ini.

Penulis mengikuti program studi S3 dengan dana pendidikan dari BPPS

pada tahun 1998. Selama mengikuti program studi S3 ini penulis telah mengikuti

beberapa seminar baik tingkat nasional maupun internasional. Sebagian dari

karya ilmiah ini telah dipublikasikan dan disajikan dalam:

-

Seminar Nasional PERTETA, Malang, Juli 2002

-

Asia-Australia Drying Conference (ADC’01 ), Malaysia, 2001.

-

Buletin Keteknikan Pertanian, vol. 16, no. 3, tahun. 2003

-

Prosiding “The 14

th

International Symposium of Transport Phenomena”

6-9 Juli 2003, Bali. Hal: 536-9-542

-

1

st

International Workshop on Solar Energy Utilization, Jakarta, 6-7

Oktober 2004.

-

Word Renewable Energy Regional Conggress and Exhibition 2005,

Jakarta, 17 – 21 April 2005.

(13)

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR TABEL ………. xiv

DAFTAR GAMBAR ……… xvi

DAFTAR LAMPIRAN ……… xx

DAFTAR SIMBOL ……….. xxii

I.

PENDAHULUAN ……….. 2

1.1. LATAR BELAKANG ……….. 2

1.2. PERUMUSAN MASALAH ………. 5

1.3. TUJUAN DAN MANFAAT ……… 6

1.4. KEASLIAN PENELITIAN ………. 7

1.5. PENDEKATAN MASALAH …….………. 7

1.6. DAFTAR PUSTAKA ……….. 9

II.

TINJAUAN PUSTAKA ……… 12

2.1. TEORI PENGERINGAN .……….... 12

2.2. PERKEMBANGAN PENELITIAN PENGERINGAN

BERENERGI SURYA .………..………. 13

2.3. DAFTAR PUSTAKA ………..……… 15

III.

OPTIMISASI BIAYA KONSTRUKSI DAN OPERASI

PENGERING EFEK RUMAH KACA ……….…… 17

3.1. PENDAHULUAN ……… 17

3.2. TINJAUAN PUSTAKA ...……… 18

3.3. PENDEKATAN TEORI ………..……… 22

3.4. PERCOBAAN ……….…… 23

3.5.

HASIL DAN PEMBAHASAN ……… 28

3.6. KESIMPULAN ……… 35

3.7. DAFTAR PUSTAKA ………..……… 36

IV. PERFORMANSI PENGERING ERK ………. 39

4.2. TINJAUAN PUSTAKA ……….………. 40

4.3. PERCOBAAN ……….………... 47

4.4 HASIL DAN PEMBAHASAN …….……….………. 52

4.5 KESIMPULAN ……….…………..……. 65

4.6. DAFTAR PUSTAKA ……….…………. 66

V. ALIRAN UDARA DALAM PENGERING ERK ……… 68

5.2. TINJAUAN PUSTAKA …….……….. 69

5.3. PENDEKATAN TEORI …..…….……… 71

5.4. PERCOBAAN …..…….……… 77

5.5. HASIL DAN PEMBAHASAN ……… 92

(14)

5.7. DAFTAR PUSTAKA ………..

122

DAFTAR ISI (Lanjutan)

Halaman

IV.

PEMBAHASAN UMUM ……… ………..………

125

6.1. PERFORMANSI TEKNIS ………..

125

6.2. ANALISIS BIAYA PENGERING ERK ……….

128

6.3. DAFTAR PUSTAKA ………..………

139

V.

SIMPULAN UMUM ……….………

141

7.1. OPTIMISASI BIAYA KONSTRUKSI PENGERING ERK.. 141

7.2.

PERFORMANSI PENGERING ERK UNTUK

PENGERINGAN CENGKEH ………..

. 145

7.3. SIMULASI ALIRAN UDARA DI DALAM RUANG

PENGERING ERK ………..

145

7.4. ANALISIS BIAYA ………..

145

(15)

DAFTAR TABEL

Halaman

III-1. Performansi pengering ERK berdasar hasil perhitungan

optimisasi dan pengujian lapang ………..…...

29

III-2. Hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK

pada kondisi suhu 50

o

C, kecepatan udara di atas produk

0.04 m/dt dan waktu pengeringan 35.7 jam …….……...

31

III-3. Hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK

pada berbagai suhu udara pengering (kecepatan udara di atas

produk 0.04 m/dt dan massa cengkeh 386 kg) ………

33

III-4. Hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK

pada berbagai kondisi kecepatan udara pengering (suhu udara

pengering 50

o

C dan massa cengkeh 386 kg) ………

34

IV-1. Performansi pengering ERK untuk produk perkebunan

(Kamaruddin, 1999) ………...

41

IV-2. Tipe-tipe bunga cengkeh (Bermawie, 1992) ……….…….

42

IV-3. Standar mutu cengkeh (SNI No. 01-3392-1994) ………

45

IV-4. Standar mutu minyak daun, gagang dan bunga cengkeh………….

46

IV-5. Peralatan untuk uji performansi pengeringan cengkeh... 48

IV-6. Nilai ragam kadar air pada percobaan 1, 2 dan 3 ………...

60

IV-7. Data dan performansi pengeringan ERK hasil

pengukuran ………....

... 61

IV-8. Mutu bunga cengkeh kering percobaan 1 ………...

63

IV-9. Mutu bunga cengkeh kering percobaan 2 ………..

63

IV-10. Mutu bunga cengkeh kering percobaan 3 ………..

64

IV-11. Uji mutu minyak bunga cengkeh ………

…………...

65

V-1. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ..………….………...

77

V-2. Nilai ragam suhu udara pengering disain skenario 1 ………..

98

(16)

V-4. Nilai ragam kecepatan udara pengering disain skenario 1 ………. 107

DAFTAR TABEL (Lanjutan)

Halaman

V-6. Nilai ragam RH udara pengering disain skenario 1 dan 2 ……….. 111

V-7. Nilai ragam suhu udara pengering disain skenario 3 ………..

116

V-9. Nilai ragam RH udara pengering disain skenario 3 ………

116

V-10. Nilai ragam suhu udara pengering pada simulasi malam hari ……. 117

V-11. Nilai ragam kecepatan udara pengering pada simulasi malam hari .. 117

V-12. Nilai ragam RH udara pengering pada simulasi malam hari …….. 119

VI-1. Analisis biaya pengeringan cengkeh untuk petani dan pedagang

pengumpul baik yang menggunakan pengering maupun

yang menggunakan lamporan ………...

133

VI-2. Hasil analisis titik impas harga cengkeh dan kapasitas

lapang/produksi cengkeh ………...

135

VI-3. Pengaruh kecepatan terhadap keuntungan (pada suhu

pengeringan 48

o

C) ……… ………..

137

VI-4. Pengaruh suhu operasi pengeringan terhadap keuntungan……….. 138

VI-5. Pengaruh kapasitas pengering terhadap keuntungan

(pada kondisi suhu pengeringan 48

o

C, kecepatan udara

(17)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

III-1. Hubungan antara kapasitas cengkeh dan biaya konstruksi

pengering ERK serta ukuran komponen-komponen

penyusun pengering ERK pada suhu udara pengering 50

o

C,

kecepatan udara di atas rak 0.04 m/dt ……….

... 32

III-2. Hubungan antara suhu pengeringan dan biaya konstruksi

pengering ERK serta ukuran komponen-komponen

penyusun pengering ERK pada kecepatan udara di atas rak

0.04 m/dt, dan kapasitas alat 386 kg cengkeh ………

………. 33

III-3. Hubungan antara kecepatan udara pengering dan biaya

konstruksi pengering ERK serta ukuran komponen-

komponen penyusun pengering ERK pada suhu udara

pengering 50

o

C ………..

35

IV-1. Cengkeh ……….……….

41

IV-2. Perubahan suhu udara di atas rak pengering dan suhu udara

penjemuran selama proses pengeringan percobaan 1

(hari ke-1) ………..

53

IV-3. Perubahan suhu udara di rak tengah di bagian dekat inlet dan

rak dekat outlet selama proses pengeringan percobaan 1

(hari ke-1) ……….

53

IV-4. Perubahan suhu udara di atas rak pengering dan suhu udara

penjemuran selama proses pengeringan percobaan 2

(hari ke-2) ………

54

IV-5. Perubahan suhu udara di atas rak pengering di bagian dekat inlet

dan rak dekat outlet selama proses pengeringan percobaan 2

(hari ke-2) ……….

55

IV-6. Perubahan suhu udara di atas rak pengering dan suhu

udara penjemuran selama proses pengeringan

percobaan 3 ………

……..… ………..

56

IV-7. Perubahan suhu udara di atas rak pengering di bagian

dekat inlet dan rak dekat outlet selama proses

(18)

IV-8. Perubahan kadar air produk pada percobaan 1 (Keterangan gambar:

indeks i = rak dekat inlet, o = rak dekat outlet) ………..

58

DAFTAR GAMBAR (Lanjutan)

Halaman

indeks i = rak dekat inlet, o = rak dekat outlet) ………..

59

indeks i = rak dekat inlet, o = rak dekat outlet) ………..

60

V-1. Proses pemanasan pada kurva psychrometric ……….

76

V-2. Pengering ERK skala laboratorium dengan komponen penyusun

di dalamnya ………

…… 79

V-3. Skema Pengering ERK skenario 1 (a) 3 dimensi

(b) 2 dimensi tampak depan ………..

81

(b) 2 dimensi tampak depan ………..

82

(b) 2 dimensi tampak depan ………..

83

V-6. Grid yang dibentuk oleh benang pada pengering ERK skala

laboratorium ………...

92

V-7. Grid hasil simulasi pengering ERK skala laboratorium

dengan CFD ………...

93

V-8. Distribusi suhu udara pengering (

o

C) di dalam pengering ERK

skala laboratorium ………..………...

94

V-9. Distribusi kecepatan udara pengering (m/dt) di dalam pengering

ERK skala laboratorium ………...…

94

IV-10. Validasi suhu udara hasil simulasi (T

CFD

) terhadap suhu

pengukuran (T

ukur

) di dalam pengering ERK skala laboratorium .. 96

V-11. Validasi kecepatan aliran udara hasil simulasi (v-

CFD

)

terhadap kecepatan pengukuran (v

ukur

) di dalam

pengering ERK skala laboratorium ………

…. ….. 96

(19)

RH pengukuran (RH

ukur

) di dalam pengering ERK

Skala laboratorium ………..

... 97

V-13. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 1, pada bidang XY

pada Z = 1.8 m ………….

………...

99

Halaman

V-14. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 1, pada rak 1 ……. 99

V-17. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 2, pada bidang XY

pada Z = 1.8 m ………….………...

101

V-20. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 1, pada

bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...

104

V-21. Vektor arah aliran udara simulasi disain skenario 1, pada

bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...

105

V-22. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 1,

pada rak 2 ………...

105

106

bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...

... 108

bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...

109

(20)

V-29. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 3, pada

bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...

. 112

bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...

112

Halaman

bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...

. 113

V-34. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 3,

pada rak 4 ………

…... 115

115

V-36. Disribusi suhu udara simulasi pengeringan pada malam hari,

pada bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...

118

V-37. Vektor arah aliran udara simulasi pengeringan pada malam hari,

pada bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...

118

V-38. Disribusi suhu udara simulasi pengeringan pada malam hari,

pada rak 4 ………….………...

. 119

V-39. Disribusi kecepatan udara simulasi pengeringan pada malam hari,

pada rak 4 ………

.. 119

V-40. Perbandingan nilai ragam suhu antara disain skenario 1, 2, 3,

skenario malam hari dan percobaan lapang (Bab 4) …..………...

120

V-41. Perbandingan nilai ragam kecepatan antara disain skenario 1, 2, 3,

dan skenario malam hari ………..…..………...

120

V-42. Perbandingan nilai ragam RH antara disain skenario 1, 2, 3,

dan skenario malam hari ………..…..………...

121

VI-1. Rantai tata niaga cengkeh menurut kebijakan awal pemerintah

(Keppres 1990) ………..

130

(21)

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

LAMPIRAN III ……….

149

III-1. Jenis data dan sumber ………

150

III-2. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi

pengering ERK untuk pengeringan cengkeh (

scale up

) …………..

151

pengering ERK untuk pengeringan cengkeh menggunakan

data percobaan 1 ………..……..

152

data percobaan 2 ………..……..

153

data percobaan 3 ………..……..

154

pengering ERK untuk pengeringan cengkeh (skenario 1) ……….. 155

pengering ERK untuk pengeringan cengkeh (skenario 2) ……….. 156

pengering ERK untuk pengeringan cengkeh (skenario 6) ……….. 159

(22)

LAMPIRAN IV ………..

162

IV-1. Gambar 3 dimensi prototipe pengering ERK yang diujicoba

dalam penelitian ……….

163

DAFTAR LAMPIRAN (Lanjutan)

Halaman

IV-2. Alat-alat ukur yang digunakan dalam penelitian ……….

.. 165

IV-3. Data suhu pada percobaan 1 ………...

167

IV-4. Data suhu pada percobaan 2 ………..

171

IV-5. Data suhu pada percobaan 3 ………..

179

IV-6. Data kecepatan udara pada percobaan 1, 2 dan 3 ………..

181

IV-7. Data penurunan kadar air pada percobaan 1 ……….

182

IV-8. Data penurunan kadar air pada percobaan 2 ……….

184

IV-9. Data penurunan kadar air pada percobaan 3 ……….

186

LAMPIRAN V ………..

188

V-1. Algoritma munerik metoda

finite volume

………..

189

V-2. Perhitungan aliran laminar pada pengering ERK Skala

Laboratorium ………...

... 190

V-3. Perhitungan aliran laminar pada pengering ERK Skala

Lapang ………… …………...

191

V-4. Nilai suhu hasil simulasi dan hasil pengukuran pada pengering

skala laboratorium pada bidang YZ pada X = 400 mm ………….

192

LAMPIRAN VI ……….

193

VI-1. Analisis ekonomi usaha pengeringan cengkeh untuk pedagang

pengumpul atau eksportir cengkeh menggunakan pengering ERK

(Massa produk 386 kg, suhu udara pengering 48.4

o

C, kecepatan

udara pengering 0.04 m/dt) ……….

194

(23)

pengumpul atau eksportir cengkeh menggunakan lamporan ……. 196

VI-3. Analisis ekonomi usaha pengeringan cengkeh untuk petani

cengkeh menggunakan pengering ERK

(Massa produk 386 kg, suhu udara pengering 48.4

o

C, kecepatan

udara pengering 0.04 m/dt) ……….

198

VI-4. Analisis ekonomi usaha perkebunan dan pengeringan cengkeh

untuk petani cengkeh dengan metode lamporan ………

200

DAFTAR SIMBOL

A Luas (m

2

)

A

k

Koefisien bentuk

Cp Panas jenis (kJ/kg

o

C)

dt Selisih suhu bola kering dan suhu bola basah (

o

C)

Dv Difusivitas massa (m

2

/jam)

g Gaya grafitasi

Ga Laju aliran massa udara (kg/dt.m

2

)

Gr Bilangan Grashoff

h Koefisien pindah panas konveksi (W/m

2

K)

H Nilai kalor (kJ/kg)

Hfg Panas laten penguapan air pada produk (kJ/kg)

Hfga Panas laten penguapan air bebas (kJ/kg)

i Entalpi (kJ/kg)

I Iradiasi surya (W/m

2

)

k Konduktivitas panas (W/mK)

k Konstanta pengeringan (1/jam)

m Massa (kg)

.

m Laju aliram massa (kg/dt)

m

w

Laju evaporasi (kg/dt)

Me Kadar air keseimbangan (% bk)

MR Rasio kadar air

n Jumlah rak

Nu Bilangan Nusselt

P Daya (W)

Pr Bilangan Prandtl

∆

p Penurunan tekanan (Pa)

Q Debit (m

3

/dt)

S

Sumber gerakan

R Konstanta gas ideal

Ra Bilangan Raleigh

Re Bilangan Reynold

t Suhu (

o

C)

T Suhu (K)

(24)

V Volume (m

3

)

v Kecepatan (m/dt)

v Kecepatan arah y (m/dt)

W Kelembaban mutlak (kg/kg udara kering)

w Kecepatan arah z (m/dt)

X Kadar air (% bk)

x Koordinat arah x

x

1..5

Variabel dalam fungsi kendala

y Fungsi tujuan

y Koordinat arah y

z Koordinat arah z

DAFTAR SIMBOL (Lanjutan)

Subskrit

a

Udara

B

Ruang B

b

Konstanta

bb

biomassa

c

Cengkeh

d

Dinding

f

Lantai

fi

akhir

HE

awal

i

enthalpi

c

Produk

k

kipas

m

Rata-rata

p

Plat absorber

r

Ruang pengering

r1

Atap bangunan

s

Jenuh

sa

Jenuh pada suhu udara lingkungan

sr

Jenuh pada suhu udara pengering

T

Tungku

t

Tangki air

v

Uap air

w

Air

Huruf Yunani

α

Absorbsivitas

β

Koefisien (1/

o

C)

ε

Porositas

φ

Fungsi kendala

(25)

λ

Pengganda Lagrange

µ

Viskositas (Pa dt)

ρ

t

Massa jenis tumpukan (kg/m

3

)

ρ

ac

Massa jenis (kg/m

3

)

τ

Transmisivitas

(26)

BAB I. PENDAHULUAN

1.1.

LATAR BELAKANG

Cengkeh termasuk ke dalam famili Myrtaceae yang berasal dari Maluku.

Tanaman ini merupakan tanaman tahunan yang cukup potensial dalam upaya

memberikan kesempatan kerja di bidang pertanian, perdagangan maupun industri.

Tanaman cengkeh di Indonesia kurang lebih 95 % diusahakan oleh rakyat dalam

bentuk perkebunan rakyat yang tersebar di seluruh propinsi, terutama di Sulawesi

Utara (Minahasa), Maluku (Ambon) dan Jawa Barat (Bogor). Sisanya sebesar

lima persen diusahakan oleh perkebunan swasta dan perkebunan Negara (Kemala

dan Yuhono, 1997). Penggunaan cengkeh sangat luas terutama sebagai bahan

campuran untuk rokok kretek, selain itu juga digunakan sebagai obat untuk

menghilangkan rasa sakit, dan anastesi (Nurdjannah et al., 1997), kemudian

berkembang sebagai bahan kosmetik, parfum, antiseptik dalam industri daging,

penyedap makanan, baik dalam bentuk saus atau bubuk. Senyawa dari minyak

cengkeh juga dapat digunakan sebagai bahan pestisida nabati, karena dapat

membunuh beberapa spesies bakteri, jamur, nematoda dan serangga (Asman et al.,

1997).

(27)

wilayah dengan iklim dan kondisi tanah yang sesuai dengan pertumbuhan

tanaman cengkeh, 3) mencari terobosan teknologi-teknologi pengolahan cengkeh,

terutama dari hasil minyak cengkeh yang berasal dari bunga kering (Kemala dan

Yuhono, 1997).

Pengolahan cengkeh menjadi bunga kering yang dilakukan petani di

Indonesia selama ini menggunakan cara tradisional, yaitu dengan menghamparkan

produk di lantai jemur atau di pinggir jalan. Selama pengeringan berlangsung,

cengkeh harus diaduk dan dibolak balik menggunakan tangan atau alat penggaru

supaya kering merata. Metoda lamporan selama ini dianggap petani paling mudah

dan praktis karena sudah biasa dilakukan, biaya operasional juga murah, namun

memiliki banyak kelemahan. Selain dibutuhkan lahan yang sangat luas, juga

terjadinya kontaminasi produk oleh debu, kotoran dan polusi kendaraan untuk

penjemuran yang dilakukan di pinggir jalan, sehingga kurang higienis yang

menyebabkan mutu produk menjadi rendah. Hasil analisa minyak cengkeh dari

petani di Sulawesi, ditemukan kandungan Pb dan Fe yang kadarnya

masing-masing 5.4 ppm dan 677 ppm (Rusli, 1991 dalam Hidayat dan Nurdjannah, 1997).

Penjemuran langsung di bawah sinar matahari dengan lamporan juga sangat

tergantung cuaca. Pada saat hujan atau malam hari, biasanya cengkeh yang

dihamparkan di lamporan ditumpuk kemudian ditutup dengan plastik dan

dibiarkan begitu saja hingga matahari bersinar lagi. Apabila hal ini berlangsung

lama, dapat mengakibatkan cengkeh busuk dan berjamur.

(28)

seterusnya, dan akibatnya adalah kenaikan suhu udara di dalam bangunan

transparan. Udara panas ini kemudian digunakan sebagai udara pengering untuk

memanaskan dan menguapkan produk.

Pengering ERK menggunakan energi surya dan biomassa sebagai sumber

energi termal. Energi surya merupakan sumber energi yang tak pernah habis

sehingga menjadi potensi sumber energi untuk berbagai kebutuhan. Menipisnya

ketersediaan cadangan energi minyak bumi memberi peluang sekaligus tantangan

bagi peneliti untuk memanfaatkan energi surya dengan berbagai bentuk pilihan

teknologi, dari yang sangat sederhana dan murah hingga teknologi tinggi dan

padat modal. Sebagai energi yang bersih dan gratis serta cukup tersedia di

Indonesia, energi surya merupakan pilihan yang tepat. Namun demikian

keterbatasan teknologi lokal, harga energi fosil yang relatif masih rendah, dan

kurangnya daya beli masyarakat serta ketersedian energi surya pada siang hari

yang sangat dipengaruhi oleh cuaca, merupakan hal-hal yang perlu

dipertimbangkan dalam pengembangan pemanfaatan energi surya.

(29)

dikenal dengan nama Pengering Efek Rumah Kaca (ERK). Bangunan transparan

ini sekaligus berfungsi sebagai kolektor surya, sehingga komponen kolektor surya

khusus tidak diperlukan lagi yang membuat rancangan ini menjadi lebih murah.

Selain itu bangunan juga berfungsi sebagai pelindung dari hujan dan kotoran serta

binatang pemakan produk.

1.2.

PERUMUSAN MASALAH

Pengering ERK, telah diuji coba untuk mengeringkan berbagai produk

pertanian, seperti, tembakau rajangan (Tirtosastro, 1992), gabah, benih tanaman

hortikultura (Kamaruddin, et al, 1994), kakao (Nelwan, 1997), kopi (Mawan,

1996; Dyah, 1997; Mas' ud, 1997)

, kayu bayur (Suhdi, 1996), panili (Mursalim,

1995), chip rumput laut (Sukarmanto, 1996), dll. Berdasarkan penelitian di atas

pengering ERK mampu memberikan performansi pengeringan yang cukup bagus

(Tabel IV-1 Bab IV). Namun demikian untuk lebih meningkatkan

performansinya dilihat dari segi teknis dan ekonomis, maka ada dua hal yang

perlu diperhatikan. Pertama suhu udara pengering di dalam pengering ERK

sangat berfluktuasi karena sangat dipengaruhi oleh keberadaan surya. Iradiasi

surya sifatnya selalu berubah dan besar iradiasinya sangat dipengaruhi oleh waktu,

lokasi dan musim. Oleh karena itu pada sistem pengering ini masih diperlukan

energi tambahan lainnya misalnya dari energi hasil pembakaran biomassa.

Dengan adanya kebutuhan akan energi tambahan ini maka diperlukan pula

beberapa perangkat tambahan seperti tungku dan alat penukar panas. Usaha untuk

menekan biaya konstruksi dapat dilakukan dengan menerapkan teknik optimisasi

rancang bangun yang baik. Optimisasi dapat dilakukan untuk meminimumkan

biaya konstruksi dan juga biaya operasi selama umur ekonomi. Dalam penelitian

ini proses optimisasi dilakukan dengan cara penentuan biaya konstruksi

masing-masing komponen penyusun alat pengering ERK untuk menjaga berlangsungnya

pengeringan sehingga menghasilkan performansi pengeringan yang diinginkan.

(30)

pengeringan, karena waktu pengeringan terlama dari produk yang terletak di

nampan tertentu menjadi penentu lama pengeringan secara keseluruhan yang

dibutuhkan, yang selanjutnya menentukan total kapasitas pengeringan. Dyah

(1997) melaporkan bahwa perbedaan suhu terjadi pada ruang pengering berada

sekitar 6

o

C antara bagian atas dan bagian bawah plat hitam yang dipasang

horisontal di atas bak pengering pada ruang pengering transparan tipe bak.

Mursalim (1995) mendapatkan perbedaan suhu sekitar 10

o

C antara rak bagian

tengah dan bawah pada pengeringan panili.

Pemecahan masalah tersebut akan diupayakan dalam penelitian ini dengan

menganalisis sifat dan pola aliran udara serta distribusi suhu dan RH udara

pengering di dalam bangunan pengering ERK melalui suatu model simulasi.

Distribusi dan pola aliran udara diduga ditentukan oleh geometri ruang pengering,

lokasi penempatan inlet dan outlet, penempatan dan kapasitas daya kipas, susunan

rak yang berisi produk serta besar dan lokasi sumber panas di dalam bangunan

pengering. Dengan mensimulasikan distribusi dan pola aliran udara ini, akan

dapat ditentukan disain bangunan beserta penempatan parameter-parameter

penentu di atas secara lebih tepat sehingga tujuan keseragaman mutu produk

terpenuhi.

1.3.

TUJUAN & MANFAAT

Secara umum tujuan penelitian adalah untuk mendapatkan pengering ERK

dengan disain optimal baik dari segi teknis maupun secara ekonomis. Untuk

mencapai tujuan tersebut, penelitian dibagi dalam beberapa tujuan khusus, yaitu:

1.

Mengoptimalkan biaya konstruksi pengering efek rumah kaca tipe rak

untuk cengkeh.

2.

Menguji prototipe pengering ERK yang optimal untuk mendapatkan

metoda pengeringan yang tepat serta melakukan analisis biaya untuk usaha

pengeringan cengkeh mengunakan pengering ERK.

(31)

outlet, posisi dan kapasitas daya kipas dan sumber panas yang tepat

sehingga didapatkan disain pengering yang optimal.

Output penelitian ini ada tiga bagian yaitu; pertama adalah rancangan dan

disain pengering ERK yang optimal dapat dimanfaatkan secara langsung oleh

industri dan petani; kedua, berupa model optimasi pengering bangunan transparan

dan ketiga adalah hasil disain dari simulasi dinamika fluida dalam pengering ERK

yang dapat dijadikan sebagai kajian bagi para peneliti yang akan mendalami

masalah distribusi aliran dalam pengering ERK, baik untuk pengeringan maupun

pemanfaatan lainnya.

1.4.

KEASLIAN PENELITIAN

Penelitian mengenai simulasi pengeringan maupun penentuan model aliran

udara, suhu dan RH telah banyak dilakukan, namun penelitian mengenai simulasi

aliran udara, suhu dan RH di dalam rumah pengering dengan bangunan transparan

(pengering ERK) belum pernah dilakukan. Keaslian penelitian ini terletak pada

pembuatan model optimasi dan hasil disain dari simulasi distribusi aliran udara

dan suhu pada pengering Efek Rumah Kaca.

1.5.

PENDEKATAN MASALAH

(32)

biaya konstruksi pengering ERK tipe rak untuk cengkeh yang optimum dan data

performansi pengeringan cengkeh berdasarkan disain optimum tersebut.

Selanjutnya berdasarkan disain pengering ERK optimum akan dilakukan simulasi

distribusi aliran udara di dalam ruang pengering tersebut yang merupakan tahap

kedua dari penelitian ini.

Pada tahap kedua, dilakukan uji coba pengeringan cengkeh menggunakan

disain yang telah dihitung dari hasil optimisasi. Pengujian dilakukan sebanyak

tiga kali pada kondisi dan cuaca yang berbeda. Pada pengujian pertama cengkeh

dikeringkan dengan ketebalan dua lapis produk (1.5 cm), dan dilakukan pada awal

musim kemarau. Pengujian kedua pengeringan dilakukan dengan ketebalan

empat lapis cengkeh (3 cm) pada pertengahan musim kemarau. Pengujian ketiga

pengeringan dilakukan dengan ketebalan empat lapis cengkeh (3 cm) pada awal

musim hujan. Hasil pengujian ini digunakan sebagai validasi dari perhitungan

optimisasi yang telah dilakukan pada tahap pertama. Berdasarkan hasil pengujian

dapat pula ditentukan metoda operasi pengeringan cengkeh untuk mendapatkan

performansi terbaik yang dapat menjadi acuan bagi pengguna dalam melakukan

usaha pengeringan cengkeh. Pada tahap ini dilakukan uji mutu cengkeh kering

dan analisis ekonomi usaha pengeringan cengkeh menggunakan disain pengering

ERK yang optimum.

(33)

perhitungan optimisasi pada tahap pertama. Dengan simulasi ini, posisi parameter

penentu dapat diubah pada berbagai disain sesuai dengan keinginan tanpa

mengeluarkan biaya untuk konstruksi. Kriteria disain terbaik dinyatakan oleh

keseragaman udara panas yang diterima produk di setiap tingkatan rak. Melalui

uji tingkat keragaman yang dinyatakan dalam standar deviasi dari suhu, kecepatan

udara dan kelembaban udara pengering pada setiap tingkat rak, maka dapat

ditentuan bahwa disain terbaik adalah disain yang memiliki nilai standar deviasi

suhu, kecepatan dan RH terkecil.

Berdasarkan hasil yang diperoleh pada ketiga tahap di atas, selanjutnya

dilakukan analisis ekonomi untuk mengetahui sejauh mana kelayakan usaha

pengeringan cengkeh menggunakan pengering ERK. Analisis ekonomi dapat

dimanfaatkan secara langsung oleh petani atau pengusaha cengkeh dan untuk

pedagang pengumpul atau exportir cengkeh. Data masukan dalam analisis

ekonomi merupakan data sekunder yang didasarkan pada kondisi harga-harga

bahan penyusun pengering ERK di lapang pada tahun 2004. Penggunaan hasil

perhitungan analisis ekonomi untuk tahun-tahun yang akan datang dapat

dilakukan dengan mengubah data masukan sesuai dengan nilai yang berlaku pada

tahun tersebut dengan menggunakan pemodelan analisis ekonomi yang sama.

1.6.

DAFTAR PUSTAKA

Asman, A., M. Tombe, dan D. Manohara. 1997. Peluang penggunaan produk

cengkeh sebagai pestisida nabati. Monograf Tanaman Cengkeh no.2.

Badan penelitian dan Pengembangan Pertanian. Balai Penelitian Tanaman

Rempah dan Obat. Bogor.

Ditjenbun, 1997. Cengkeh. Statistik Perkebunan Indonesia. Jakarta.

Dyah, W. 1997. Analisis Pengeringan pada Alat Pengering Kopi (

Coffea Sp.

)

Efek Rumah Kaca Berenergi Surya. Tesis. Program Studi Keteknikan

Pertanian. Program Pascasarjana IPB. Bogor.

(34)

Hidayat, T dan N. Nurdjannah. 1997. Masalah dan standar mutu cengkeh.

Monograf Tanaman Cengkeh no.2. Badan penelitian dan Pengembangan

Pertanian. Balai penelitian Tanaman Rempah dan Obat. Bogor.

Kemala, S. dan J. T. Yuhono. 1997. Peran dan prospek cengkeh dalam

perekonomian nasional. Monograf Tanaman Cengkeh no.2. Badan

penelitian dan Pengembangan Pertanian. Balai penelitian Tanaman

Rempah dan Obat. Bogor.

Kamaruddin, A., Tamrin, F. Wenur. dan Dyah W. 1994. Optimisasi dalam

Perencanaan Alat Pengering Hasil Pertanian dengan Energi Surya.

Laporan Akhir Penelitian Hibah Bersaing I. Ditjen DIKTI, Departemen

Pendidikan dan Kebudayaan. IPB. Bogor.

Mawan. B. P. 1996. Analisis Pengering Kopi dalam Bangunan Tembus Cahaya.

Skripsi Jurusan Mekanisasi Pertanian. FATETA IPB. Bogor.

Mas' ud, R. 1997. Kinerja Model Pengering Bangunan Tembus Cahaya dari

Plastik tahan UV untuk Pengeringan Buah Kopi. FATETA IPB. Bogor.

Mursalim. 1995. Uji Penampilan Sistem Pengeringan Kombinasi Energi Surya

dan Tungku Batu Bara dengan Bangunan Tembus Cahaya sebagai

Pembangkit Panas untuk Pengeringan Vanili (

Vanilla Planifora

).

FATETA IPB. Bogor.

Nurdjannah N., S. Yuliani dan L. 1997. Pengolahan dan diversifikasi hasil

cengkeh. Monograf Tanaman Cengkeh no.2. Badan penelitian dan

Pengembangan Pertanian. Balai penelitian Tanaman Rempah dan Obat.

Bogor.

Nelwan, L. O. 1997. Pengeringan Kakao dengan Energi Surya Menggunakan Rak

Pengering dengan Kolektor Tipe Efek Rumah Kaca. Tesis. Program

Studi Keteknikan Pertanian. Program Pesacasarjana IPB. Bogor.

Suhdi, A. C. 1996. Pengeringan Kayu Bayur dengan Alat Pengering Greenhouse

Berpenyerap Panas Plat Hitam dan Menggunakan Batu Bara sebagai

Suplemen Energi. FATETA IPB. Bogor.

(35)

(36)

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. TEORI PENGERINGAN

Pengeringan adalah pengurangan atau penurunan kadar air bahan sampai

mencapai kadar air keseimbangan dengan udara normal di sekitarnya, dimana

penurunan mutu akibat jamur, aktivitas enzim dan insekta dapat diabaikan

(Henderson dan Perry, 1976). Menurut Brooker et al. (1974), pengeringan

biji-bijian dapat dianggap sebagai proses adiabatik, hal ini berarti bahwa panas yang

dibutuhkan untuk penguapan dari air yang terkandung di dalam biji-bijian disuplai

oleh udara pengeringan tanpa perpindahan panas secara konduksi atau radiasi dari

sekitarnya. Mujumdar & Devahastin, 2001 menyatakan, pengeringan adalah

operasi rumit yang meliputi perpindahan panas dan massa transient serta beberapa

laju proses, seperti transformasi fisik atau kimia, yang pada akhirnya dapat

menyebabkan perubahan mutu hasil. Perubahan fisik yang mungkin terjadi

meliputi: pengkerutan, penggumpalan, kristalisasi, transisi gelas. Pada beberapa

kasus, dapat terjadi reaksi kimia atau biokimia yang diinginkan atau tidak

diinginkan, yang menyebabkan perubahan warna, aroma atau sifat aktifitas

kimianya.

(37)

pengeringan menjadi lebih rumit karena terdapat lebih dari satu mekanisme yang

berperan terhadap laju pindah massa total, dan bahkan peranan

mekanisme-mekanisme tersebut dapat berubah selama proses pengeringan (Mujumdar dan

Devahastin, 2001).

2.2.

PERKEMBANGAN PENELITIAN PENGERINGAN BERENERGI

SURYA

Pengeringan berenergi surya telah diteliti oleh berbagai peneliti di dunia

sejak puluhan tahun yang lalu. Thoruwa, Smith, Grant dan Johnstone, 1996

melakukan penelitian energi surya bangunan transparan dengan kolektor datar dan

PV sebagai penggerak kipas untuk mengatur aliran udara pada siang dan malam,

serta menggunakan dessicant (penyerap) dari bahan bentonite clay dan calsium

chloride yang dipasang pada bagian atas langsung di atas bak pengering.

Bentonite - Ca Cl

2

dikemas dalam baki berlubang dan di bagian atasnya ditutup

dengan insulasi transparan. Pengering didisain dalam dua modus operasi, yaitu:

1) Pada siang hari menggunakan udara yang dipanaskan surya dari kolektor datar

dan tidak tergantung pada pemanasan yang ditimbulkan oleh dessicant. 2) Pada

malam hari menggunakan udara paksa yang disirkulasikan melewati biji-bijian

dan melewati dessicant bed. Rata-rata penurunan kadar air yang dapat dicapai

dessicant adalah 5 % bk. Untuk mengeringkan 90 kg jagung dari kadar air 16.5 %

hingga 11.5 % pada radiasi surya rata-rata 567.7 W/m

2

dibutuhkan bentonite - Ca

Cl

2

sebanyak 32.5 kg. Berdasarkan penelitian ini rasio penggunaan energi surya

terhadap dessicant adalah 3 : 1.

(38)

yang umumnya memerlukan luasan besar. Dengan demikian biaya pembuatan

alat pengering lebih dapat dihemat. Selanjutnya penelitian uji coba pengering

ERK dilakukan untuk berbagai komoditi, mulai dari produk tanaman pangan,

perkebunan, hortikultura hingga produk pangan.

Dyah (1997), pada percobaan pengeringan kopi berkapasitas 1.1 ton, dalam

bangunan berdinding transparan

UV stabilized plastics

tipe bak, menghasilkan

efisiensi pengeringan sebesar 57.7 % dan efisensi 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. Efisiensi energi

cukup kecil, karena pengeringan hanya menggunakan energi surya tanpa pemanas

tambahan.

Nelwan (1991) menggunakan pengering ERK tipe rak untuk pengeringan

kakao. Plat hitam sebagai absorber diletakkan di atas rak pengering, dilengkapi

dengan kisi-kisi pengatur aliran udara pada setiap rak. Efisiensi pengering yang

dihasilkan adalah 18.4 % dan efisiensi energi 12.9 MJ/kg uap air. Dengan beban

228 kg kakao yang telah difermentasi, lama pengeringan untuk menurunkan kadar

air dari 80% bb hingga 7 % bb adalah 40 jam. Energi tambahan yang digunakan

selain energi surya adalah kerosene.

Condori dan Saravia, 1998 melakukan studi analitik tentang laju evaporasi

dua tipe pengering rumah kaca tipe konveksi paksa, yaitu sistem ruang tunggal

dan ruang ganda. Parameter performansi digunakan sebagai indikator untuk

membandingkan kedua bentuk pengering dan ketergantungannya terhadap peubah

operasi. Berdasarkan penelitian tersebut, diperoleh kesimpulan bahwa pengering

rumah kaca dengan ruang ganda memberikan performansi untuk parameter suhu

yang lebih baik dibandingkan dengan pengering ruang tunggal. Namun ditinjau

dari segi biaya dan kepraktisan dalam sistem pengoperasian, pengering rumah

kaca ruang tunggal lebih murah dan sederhana dibandingkan dengan pengering

ruang ganda.

(39)

Setyoningrum (2001) meneliti sifat panas dalam ruangan menggunakan 3

macam bahan isolasi transparan untuk mengurangi kehilangan panas dan

memperbesar perolehan panas, yaitu plastik mika, polyethylene UV dan

polikarbonat. Bahan isolasi transparan dicirikan dengan tingginya transmisivitas

terhadap sinar surya dan rendahnya kehilangan infra merah. Berdasarkan hasil

percobaannya dinyatakan bahwa plastik polyethilen UV mempunyai daya

kehilangan infra merah terkecil dibandingkan dengan plastik mika dan

polikarbonat. Plastik mika mempunyai nilai ekonomis yang lebih baik

dibandingkan kedua plastik lainnya. Sedangkan daya transmisivitas polikarbonat

paling unggul dibandingkan dengan dua tipe lainnya.

2.3.

DAFTAR PUSTAKA

Brooker, D. B., F. W. Bakker – Arkema, and C. W. Hall. 1974. Drying Cereal

Grains., AVI Pub., Co., Inc. Wesport, Connecticut.

Condori, M. dan L. Saravia. 1998. The performance of forced convection

greenhouse driers. Renewable Energy, vol. 13, no. 4, pp 453-469. Britain.

Dyah, W. 1997. Analisis Pengeringan pada Alat Pengering Kopi (

Coffea Sp.

)

Efek Rumah Kaca Berenergi Surya. Tesis. Program Studi Keteknikan

Pertanian. Program Pesacasarjana IPB. Bogor.

Garg, H.P. dan R. Kumar. 1998. Studies on semi-cylindrical solar tunnel dryers:

estimation of solar irradiance. Renewable Energy. Elsevier Sc. Ltd.

Henderson,S. M. and Perry. 1976. Agricultural Process Engineering. AVI Pub.,

Co., Inc. Wesport, Connecticut.

Kamaruddin, A., Tamrin, Wenur, F. dan Dyah W. 1994. Optimisasi dalam

Perencanaan Alat Pengering Hasil Pertanian dengan Energi Surya.

Laporan Akhir Penelitian Hibah Bersaing I. Ditjen DIKTI, Departemen

Pendidikan dan Kebudayaan. IPB. Bogor.

Mujumdar, A. S. dan S. Devahastin. 2001. Prinsip dasar pengeringan. Panduan

Praktis Mujumdar untuk Pengeringan Industrial. S. Devahastin. Alih

Bahasa: Tambunan, A. H., Edy H., Dyah W. dan Nelwan, L.O. Seri

Pustaka IPB Press.

(40)

(41)

BAB III. OPTIMISASI BIAYA KONSTRUKSI DAN OPERASI

PENGERING EFEK RUMAH KACA

3.1. PENDAHULUAN

3.1.1. Latar Belakang

Rancang bangun pengering diperlukan untuk mendapatkan performansi pengeringan yang

sesuai dengan kapasitas yang diinginkan pengguna dan biaya yang sekecil mungkin. Tahap awal

rancang bangun ini dapat dilakukan melalui perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering.

Kamaruddin (1993), dan Kamaruddin et al. (1994) telah menggunakan teknik optimisasi untuk

menentukan biaya konstruksi pengering tipe bak berenergi surya dengan kolektor datar.

Berdasarkan hasil tersebut biaya kolektor merupakan komponen terbesar yang berpengaruh

terhadap biaya konstruksi secara keseluruhan. Selanjutnya disain pengering diubah dengan

menyatukan plat absorber di dalam bangunan pengering berdinding transparan, sehingga biaya

konstruksi pengering secara keseluruhan dapat lebih dihemat.

Pengering berdinding transparan dengan rak atau bak serta plat absorber di dalamnya

kemudian disebut sebagai pengering Efek Rumah Kaca (ERK). Pengering efek rumah kaca

menggunakan energi surya dan biomassa sebagai alternatif pengeringan buatan yang sederhana,

saat ini telah diperkenalkan ke berbagai daerah, baik di tingkat petani, industri rumah tangga

hingga industri menengah (Kamaruddin et al, 2000). Keuntungan pengering ERK antara lain

berupa; disain tidak rumit, pengoperasian sederhana, bahan konstruksi mudah diperoleh, dan

performansi cukup baik.

Perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK tipe bak untuk pengeringan kopi

telah dilakukan oleh Dyah dan Kamaruddin (2001). Pengeringan cengkeh membutuhkan alat

pengering ERK tipe rak. Untuk mendapatkan biaya konstruksi yang optimal maka pada penelitian

ini dilakukan perhitungan optimisasi dengan tujuan minimasasi biaya konstruksi pengering ERK

tipe rak berdasarkan komponen-komponen penyusunnya, yang terdiri dari bangunan (dinding,

rangka dan rak), kipas, penukar panas dan tungku untuk pemanas tambahan serta plat absorber.

Dengan optimisasi, penggunaan komponen penyusun alat pengering dapat diperkirakan secara

tepat sesuai dengan kebutuhan pengguna dan performansi pengeringan yang diharapkan. Melalui

optimisasi, pekerjaan trial and error dalam pembuatan alat dapat dihindarkan, sehingga kerugian dapat diperkecil.

3.1.2. Tujuan dan Manfaat

Tujuan penelitian adalah untuk mendapatkan biaya konstruksi dan operasi pengering ERK

yang optimal. Melalui teknik optimisasi diharapkan dapat ditentukan biaya alat yang dapat

(42)

dimanfaatkan oleh para petani maupun pedagang pengumpul atau bahkan industri pengolahan

cengkeh baik tingkat kecil, menengah atau besar serta oleh pembuat atau penjual mesin pengering

cengkeh.

3.2. TINJAUAN PUSTAKA

3.2.1. Sifat Termofisik Cengkeh

Sifat termofisik adalah sifat khusus yang dimiliki oleh setiap produk pertanian.

Pengetahuan sifat termofisik produk merupakan suatu hal yang penting sebagai data dalam

perancangan suatu pengering, karena dengan memberikan perlakuan yang tepat terhadap produk

yang dikeringkan dapat menghasilkan mutu produk kering yang berkualitas tinggi. Selanjutnya

mutu produk kering akan sangat terkait dengan penerimaan konsumen dan nilai jual serta tuntutan

pasar/ekspor. Beberapa sifat termofisik cengkeh yang berhubungan dengan proses rancang

bangun pengering adalah kadar air keseimbangan dan konstanta pengeringan, panas jenis,

konduktivitas, koefisien pindah panas konveksi selama pengeringan, panas laten penguapan bunga

cengkeh, porositas, massa jenis, luas permukaan spesifik dan volume total. Secara rinci sifat-sifat

termofisik cengkeh tersebut, dibahas di bawah ini.

a. Kadar air keseimbangan cengkeh dan konstanta pengeringan

Anwar (1987) menentukan persamaan kadar air keseimbangan cengkeh terfermentasi dan

non terfermentasi, yaitu masing-masing adalah:

Persamaan kadar air keseimbangan cengkeh terfermentasi:

Me = 10.5938 exp (-0.04981 dt) ……… (III-1)

10.8oC <= dt <= 23.5oC

Persamaan kadar air keseimbangan cengkeh non terfermentasi:

Me = 14.4869 exp (-0.05244 dt) ……… (III-2)

11.4oC <= dt <= 23.5oC

Dimana Me dalam % bk dan dt adalah selisih suhu bola kering terhadap suhu bola basah

dalam oC.

Wahyudi (1984) mendapatkan persamaan konstanta pengeringan untuk cengkeh, yaitu

k = exp(19.0225 – 6913.51/T) ……… (III-3)

Anwar (1987) mendapatkan persamaan konstanta pengeringan untuk cengkeh

terfermentasi:

(43)

dan untuk cengkeh non terfermentasi:

k = exp(16.3892 – 6069.1038/T) ……… (III-5)

Dimana k dalam 1/jam dan T adalah suhu dalam K

b. Panas laten penguapan bunga cengkeh

Panas laten penguapan bunga cengkeh diperoleh berdasarkan data kadar air

keseimbangan untuk cengkeh terfermentasi (Anwar , 1987), sehingga didapatkan

persamaan:

Hfg = Hfgw (1 + 6.24462 exp(-0.5506 Me) ……… (III-6)

Dimana Hfgw adalah panas laten penguapan air bebas (kJ/kg) yang nilainya tergantung

dari suhunya (K),

Hfgw = (2500 – 2.3775 T) 1000 ……… (III-7)

c. Panas jenis dan porositas cengkeh

Sukiman (1987) mengukur panas jenis cengkeh sebesar 1004.7 J/kgoC menggunakan

metode campuran. Rasio ruang kosong (porositas) pada tumpukan cengkeh oleh Hartani

(1991) diperoleh nilai sebesar 0.04. Berat jenis tumpukan cengkeh dapat dihitung

menggunakan persamaan:

ñt = ñac (1-å) ……… (III-10)

d. Koefisien pindah panas konveksi pengeringan untuk cengkeh diperoleh persamaan

(Brooker et al., 1974):

h = 3.9178 (737.33 Ga)0.49 untuk Ga < 0.678 kg/m2 dt……… (III-11)

h = 2.0611 (737.33 Ga)0.59 untuk Ga > 0.678 kg/m2 dt……… (III-12)

e. Model semiteoritis pengeringan lapisan tipis menurut Henderson dan Perry (1976)

adalah:

MR = Ak exp(-kè) ……… (III-13)

Dimana, A merupakan koefisien yang bergantung dari bentuk benda, yaitu:

Slab = 8/ð2

……… (III-14)

Silinder = (8/ð2)3

Bola = 6/ð2

……… (III-15)

Sedang konstanta pengeringan k = Dvð 2

(44)

Dimana Dv adalah difusivitas massa (m 2

/jam)

3.2.2. Optimisasi Pengeringan

Optimisasi merupakan proses untuk mendapatkan kondisi maksimum atau minimum dari

suatu fungsi. Pada sistem yang sangat komplek, teknik optimisasi sulit dilakukan, oleh karena itu

dibuat optimisasi dari subsistem-subsistem,kemudian dipilih kombinasi yang optimum dari

keseluruhannya. Namun cara demikian belum menjamin bahwa kondisi optimal telah tercapai.

Adakalanya untuk proyek skala kecil, optimisasi yang dilakukan tidak layak dilihat dari segi waktu

dan biaya yang dikeluarkan untuk itu. (Stoecker, 1971).

Teknik optimisasi ada berbagai cara, tergantung pada kondisi masalah yang ingin

dipecahkan. Biasanya oleh beberapa peubah tak bebas yang dipengaruhi oleh beberapa peubah

bebas. Hal penting yang harus dicari adalah mencari hubungan-hubungan dari fungsi yang

dioptimisasikan dengan fungsi-fungsi kendala. Beberapa teknik optimisasi diantaranya adalah

metoda jelajah, dynamic programming, geometric programming, linear programming dan pengganda Lagrange (Stoecker, 1971).

Kamaruddin. et al, (1994) melakukan perhitungan optimisasi menggunakan metoda

kalkulus dan pengganda Lagrange pada pengering berenergi surya dengan bantuan kolektor datar.

Dari hasil perhitungannya diketahui bahwa kebutuhan akan luasan kolektor datar berbanding lurus

dengan koefisien kehilangan panas overall (UL). Makin besar UL makin besar pula luasan kolektor

surya yang diperlukan. Selain itu pula diketahui bahwa harga kolektor untuk kasus pengeringan

lada hitam meliputi 87 % dari total harga pembuatan alat kemudian diikuti oleh harga kipas yang

meliputi 9.8 % dari harga total alat.

Dyah (2001) menghitung biaya konstruksi optimal pada pengering efek rumah kaca tipe bak

untuk produk kopi menggunakan metode pengganda Lagrange. Biaya optimal didasarkan pada 5

komponen penyusun bangunan pengering yang terdiri dari daya kipas, luas bak pengering, volume

tangki air sebagai pemanas tambahan, luas pindah panas penukuar panas dan kecepatan

pembakaran tungku. Hasil optimisas