RANCANG BANGUN RUANG PENGERING UNTUK ALAT PENGERING BIJI KOPI SISTEM KONTINU DENGAN DESIKAN

DENGAN DESIKAN

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

HARRY KEVINTA JONATHAN MUNTHE NIM : 150401088

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2019

DENGAN DESIKAN

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

HARRY KEVINTA JONATHAN MUNTHE NIM : 150401088

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2019

DENGAI\I I}ESIKAhI

HARRY KEYINTA JONATEAN MI'NIEE

NIM:15040108t

Diketahui/Disahkan:

Departenten Teknik Mesin Fakultas Teknft USU Ketua,

Disetujui Oleh:

Dosen Pembimbing,

ITIIP: 19630623198902 100 1 IttIP: 197206102000121001

MEDAN

NAMA NIM

MATA KULIAH SPESIFIKASI

DIBERIKAN TANGGAL SELESAT TANGGAL

KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

Irr.Ir.

M. Sahri. MT..IPM.

NIP. 19630623198902 1001

TUGAS SARJANA

HARRY KEVINTA JONATHAN MUNTI{E

150401088

Energi Surya

Rancang bangun sebuah ruang pengering yang terisolasi pada sebuah alat ^pengering

biji

kopi sistem kontinu. Ruang akan digunakan untuk menyimpang brji kopi dan menjaga suhu serta kelembapannya.

10 Januari 2019 20 Juni 2019

MEDAN,

1o {.,^(

^2}lg

DOSEN PEMBIMBING

Dr. Ens.Ilimsar Ambarita. ST. MT rlrP. 19720610200012 I 001

PARAF

,/,

Sub. Program Studi Bidang Tugas Judul Tugas

Diberikan Tanggal Dosen Pembimbing Nama Mahasiswa

NIM

NO: /TS/2019

Konversi Energi Energi Surya

Rancang Bangun Ruang Pengering untuk Alat Pengering

Biji Kopi Sistem Kontinu dengan Desikan

10 Januari 2019 Selesai Tanggal :20 Jwi20l9

Dr. Eng. HimsarAmbarita, ST., MT.

Harry Kevinta Jonathan Munthe 150401088

Catatan:

1.

Kartu ini harus diperlihatkan kepada Dosen Pembimbing setiap asistensi.

2.

^Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi.

3.

Karhl ini harus dikembalikan ke Departemen, bila kegiatan asistensi telah selesai.

No Tanggal KEGIATA}I ASISTENSI

BIMBINGAI\

Tanda Tangan I)osen Pembimbing I 10 Januari 2019 Menerima Spesifikasi Tugas

4

J 16 Januari 2019 Asistensi Proposal

.1/

4 23 Januari2019 Presentasi Proposal

#

5 21 Februari 2019 Studi Literatur & Survei

Biaya Material

H

6 28 Februari 2019 Pembuatan Alat

#

7 15 April2019 ^Set-Up Penelitian dan Alat

Ukur

*

8 23 Apnl2019 Pengujian Alat

ht

9 30 April2019 Asistensi Laporan BAB I & II

tr

10 7 Mei20l9 Asistensi Laporan BAB III

lr

lt

14Mei2019 Asistensi Laporan BAB IV

//

t2 2lMei20l9 Asistensi Laporan BAB V

4

13 20 Jrlnri20l9 ACC Seminar

4t

Diketahui,

NrP. 196306231989021001

DENGAIT DESIKAIT

HARRY KEVINTA JONATHAN MT]NTEE F[IM:1fl]401088

Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke-1003, ^pada tanggal I I Juli 2019

Disetujui Oleh:

Pembanding II,

M

Ir. Mulftllezwi.M.Sc NIP$E2-n{ooU MP : loz<Ozr8?POgl2lo,r

DENGAN DESIKAII

HARRY KEVINTA JONATHAN Nfi'NIHE I\IM:150401088

Telah Disetujui dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke-1003, padatanggal 1l Juli 2019

Disehrui Oleh:

It[P: 19206102000121001

DosonPcmbanding :,L,:,.Yy.tfi...H$.tt{ir.}t.5.c+},,r.,.,,..r,.}.,...,.

' ii, :

ryEihiar Ttrhsdry $ednar Slripri.tv{ahasisrtr tcrssbut adalah ;

I,CATATA]II ITASIT sEhilsTAa.

L

JuftI

. I

!ffisg1thi

/

pffh

pcrbalkau

f)

2. Sist€utf,tikfl 3, Eahss$lTulise

4. [4sfimi yang' dikore]ni

f*smsnnhi / P*lu

ferteitia .)

Memsnuhi / Pea:lu Pcrbaikm *)

'a

tr.$EXEI"Ag SETffi.IAIi DIDISKTJSIKA}.I

D*}I

EVALUA$I AI$TAIIA DOSB{}ET,IBA}'IDING DAII DCI$EN PEIUBAdFIN$, IVIAIL{. rIASItSEIr4rt ^{AR

ADAr4Ir

^:

' _1,

Dsntlailgnurqg meaeiksi Srdmg slrrtprt

' - ^ <snneba'qiancatatu

lrctrPembaudingsebclum

(!

Podu pmbetkan gebagran cdstnn sominar dsn slfin dibinbius ^{otefr Dor}

Sidang Slripst,

3.

pcilu patsiknu yang mvdumr dstr $kan dlbimbiug ^{qlch Doscrr}

fcm{r{pq

tstftnh

ufube

dah*rlu mdqtuilrl'pbirgsn ulang dari Dosen Pcmbimbing'

lvIsdm,

Doqcn P€uibltrdiu&

i IEBIODE tr(E-..,,"' IfAfitfIfANGSAL

.'t:

!'

^r.

d.**.

^t

i...,.. ".., "'

K*ITEIIDAT r

Hams&ilhil

Tugas

Srjara

,-ry

Tl-q* s*{$ns

i

Domfl Fetdbirnbing Dosen Perubnnding

L Judrd 2.

Sisuruika

3, Eahaa3/TUlism

4,. Msffii pog dikrwksi

il' :

Fpikfffi Tub{ry

$ominsr Skripsi}vlahaeiscatcscbut, ttialah

, '

^l

I.CATATAI{ EASIL SEil/fl}IAIt

, ^I{AR(Y

^t(EVr

^NTA

^dgy/t nf.U.^.\4utoLF! E...1.)5.qyp.l,o,?P,.,.;...

r r'rr_r.irr'rirr..rrrr.trtrrrrr.rrtrtal.irrrrrrrrltttttl.aa.lttttaltl.l.al

: ^gc., F og,, J!+v$,1 ., .$,tn,.,\?!,"f ,, r. .$,.1..,Y ;

f

*3, 9c,

. I lvtrcdignuhi /

Errlu#*bs$ffir)

:

Mmsa*i

1Ps{rr Perti*ikan

*;

;

h[mmr*S/

PsIu Po$aikm ⁺⁾

IL$EIELAII SBI&IAR DIDISKTJSII(AI{ DtrIrI EVALUA8I

llWAItA

DOSB\I}B,iBA}.IDING

"!,:

DA}I DO6EI{ PEMBN&INfI, },{AK/i IIASILffiT.TE.IAR ADAL{TI :

L

Dflrat laugflrrg meagiluti $idang,slntpsi,

Paluprbe{ken _{sebryian cdstan} sminar dffi afsn Af*mUiuS ol€fr Doscu

Pmbudiig ffbcllffi

Si4a,g SHpsl,

3.

Pgitu psbailnu _Vane

mdassf

dsn skan diHmbiag qtch Dosctr l,,Embau4iF

sqlflh Ufobft

OuAUo mdntui btpbiugsu ulang darl Doson Psublmhing.

Mcdm,

⁽⁽

. tiltltt.a.

.Jutg

^?ot2

PERIODE

DEPARTEMEN TEKI\IK MESIN

: lG03

: Harry Kevinta Jonathan Munthe : 150401088

HARI/TAIIGGAL : Kamis, 11 Juty 2019

NAMA h[IM

NO. NAMA MAIIASISWA I\IM ^TA}TDA

TAI\TGA}I

I

NlLuftM t5040t0q N4 ^1-t

2 cnpuos st1-hN66A^16 19040r

o'L _A*,1'

3

[trlm*{.,

^{Wumr-rF SnHfrnN}

lso,totoOl L;-

^'.-

4

tlt84u,4T/

_17.4Dt678

/N

J

Hrsg) _r)or{

01038

W

Medan,

Ketua Seminar,

ItrP. 197206102000121001

Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan Kasih dan Karunia-Nya sehingga penulis bisa menyelesaikan skripsi ini dengan baik.

Didalam skripsi ini akan membahas mengenai “Rancang Bangun Ruang Pengering untuk Alat Pengering Biji Kopi Sistem Kontinu dengan Desikan”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin sub Bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan materil maupun moril sehingga akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Maka dari itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah berjasa sehingga skripsi ini dapat diselesaikan, yaitu:

1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST., MT., selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan sehingga skripsi ini dapat diselesaikan.

2. Bapak Dr. Eng. Taufiq Bin Nur, ST., M.Eng.Sc., dan Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc., selaku dosen pembanding yang telah memberikan masukan dan saran dalam proses penyempurnaan skripsi ini.

3. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, MT.,IPM., dan Bapak Terang U. H. S. Ginting Manik, ST, MT., selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera.

4. Kedua Orang Tua dan keluarga, untuk setiap dukungan doa dan materil yang telah diberikan.

5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama kuliah.

6. Rekan satu tim skripsi grup Solar Dryer yaitu Tomi Hutagalung, Adolf Ronny Harapan Sirait, dan Gery Pascal Hutapea yang telah bersama-sama berjuang untuk menyelesaikan skripsi dan saling bertukar pikiran selama proses penyusunan skripsi.

8. Teman-teman Beswan Djarum Medan, terutama Stella, Theofeni, Thalia dan David yang selalu bisa menjadi sosok penghibur dikala penat dan memberi saran-saran selama menghadapi permasalahan.

9. Bang Riki Purba, Bang Kenny dan Bang Mei yang selalu menginspirasi dan memberi perhatian semasa perkuliahan.

10. Teman-teman seperjuangan Departemen Teknik Mesin stambuk 2015 yang ikut membantu dalam memberi semangat serta motivasi.

Untuk kemajuan engineering Indonesia, penulis berharap kritik dan saran yang membangun kedepannya.

Hormat penulis,

Medan, 2019

Harry Kevinta Jonathan Munthe NIM: 150401088

ABSTRAK

Sebagai salah satu Energi Baru Terbarukan (EBT) yang dapat dimanfaatkan di berbagai bidang, energi surya menjadi sumber energi yang sangat berpotensi mengingat Indonesia yang beriklim tropis. Salah satu pemanfaatan energi surya adalah pada bidang pertanian. Berbagai komoditas hasil pertanian perlu dikeringkan sebelum diproses lebih lanjut. Termasuk juga pada komoditas kopi yang sedang banyak digemari oleh banyak orang. Untuk itu, sebagai solusi dalam permasalahan lama waktu pengeringan dengan cuaca yang berubah-ubah, sebuah ruang dibuat sebagai media pengeringan. Dengan menghisap udara panas dari kolekor surya menggunakan exhaust, diharapkan panas akan terjaga di dalam ruang yang sudah di isolasi. Desain rak pengering dibuat bertingkat agar memanfaatkan ruang dengan maksimal. Hasil daripada ruangan yang sudah dibuat adalah dapat menjaga suhu paling rendah pada malam hari sebesar 26,6 °C dan suhu tertinggi sebesar 60,7 °C pada siang hari. Untuk suhu tertinggi rata-rata pada ruangan berada di rak paling bawah dekat sumber udara panas.

Kata kunci : energi surya, alat pengering biji kopi, energi terbarukan

ABSTRACT

As one of the renewable energy that can be utilized in various fields, solar energy is a potential energy source considering that Indonesia has a tropical climate. One of the uses of solar energy is in agriculture. Various agricultural commodities need to be dried before further processing. Also in coffee commodities that are being favored by many people nowadays. For this reason, as a solution to the problem of long drying times with weather changes issue, a room is made as a drying medium.

By sucking hot air from the solar collector using the exhaust, it is expected that heat will be maintained in the space that has been isolated. The dryer rack design is made in layers to make the most of the space. The results of the rooms that have been made are able to keep the lowest temperature at night at 26.6 ° C and the highest temperature at 60.7 ° C during the day. The highest average temperature in the room is on the bottom shelf near the hot air source.

Keywords: solar energy, coffee bean dryer, renewable energy

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... vi

ABSTRAK ... vii

DAFTAR ISI ... ix

DAFTAR TABEL DAN GRAFIK ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xii

DAFTAR NOTASI ... xiv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 4

2.1 Energi Surya ... 4

2.2 Pemanfaatan Energi Surya ... 5

2.3 Pengeringan Tenaga Surya (Solar Dryer) ... 11

2.4 Kolektor Surya ... 13

2.5 Teori Perpindahan Panas ... 15

2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi ... 16

2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi ... 18

2.5.3 Perpindahan Panas Radiasi ... 19

2.5.3 Perpindahan Panas Menyeluruh ... 21

2.6 Biji Kopi ... 24

2.7 Proses Pengeringan Biji Kopi ... 25

2.7.1 Pengeringan Natural (Dry Process) ... 25

2.7.2 Pengeringan Basah (Wet Process) ... 26

2.8 Desikan Kalsium Klorida (CaCl2) ... 27

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 30

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ... 30

3.2 Metode Desain ... 30

3.2.1 Perancangan Rangka Alat Pengering ... 30

3.2.2 Perancangan Ruang Pengering ... 31

3.3 Alat dan Bahan ... 31

3.3.1 Alat ... 31

3.3.2 Bahan ... 38

3.4 Persiapan Penelitian ... 40

3.5 Prosesdur Penelitian ... 41

3.6 Diagram Alir Penelitian ... 42

BAB IV HASIL DAN DISKUSI ... 43

4.1 Perancangan dan Desain ... 43

4.1.1 Perancangan Ruang Pengering ... 43

4.1.2 Desain Ruang Pengering ... 45

4.1.3 Desain Rangka ... 46

4.1.4 Desain Dinding ... 46

4.1.5 Desain Styrofoam ... 47

4.1.6 Desain Rak (Tray) ... 47

4.2 Pabrikasi Ruang Pengering ... 48

4.3 Hasil Pengujian Pengeringan ... 51

4.1.1 Hasil Pengukuran Temperatur dan Kelembapan ... 52

4.1.2 Hasil Pengukuran Massa Biji Kopi ... 57

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 61

5.1 Kesimpulan ... 61

5.2 Saran ... 61

DAFTAR PUSTAKA ... 62

LAMPIRAN ... 63

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tabel Nilai Konduktivitas Termal Untuk Beberapa Material .... 17 Tabel 4.1 Hasil Temperatur dan Kelembapan Pengujian Hari Pertama ... 52 Tabel 4.2 Hasil Temperatur dan Kelembapan Pengujian Hari Kedua ... 54 Tabel 4.3 Hasil Temperatur dan Kelembapan Pengujian Hari Ketiga ... 55

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Hubungan Matahari dan Bumi ... 5

Gambar 2.2 Photovoltaic ... 6

Gambar 2.3 Solar Water Heater ... 6

Gambar 2.4 Solar Cooker ... 7

Gambar 2.5 Solar Dryer ... 7

Gambar 2.6 Solar Ponds ... 8

Gambar 2.7 Solar Architecture ... 8

Gambar 2.8 Solar Air-Conditioning ... 9

Gambar 2.9 Solar Chimney ... 10

Gambar 2.10 Solar Distilation Water ... 10

Gambar 2.11 Solar Power Plant ... 11

Gambar 2.12 Prinsip Proses Perpindahan Panas ... 16

Gambar 2.13 Perpindahan Panas Secara Konduksi ... 17

Gambar 2.14 Perpindahan Panas Secara Konveksi ... 18

Gambar 2.15 Perpindahan Konveksi Paksa dan Konveksi Natural ... 19

Gambar 2.16 Proses Perpindahan Panas Radiasi ... 20

Gambar 2.17 Perpindahan Panas Menyeluruh Melalui Bidang Datar ... 22

Gambar 2.18 Jaringan Tahanan Panas Pada Alat Penukar Kalor ... 23

Gambar 2.19 Pengeringan Biji Kopi Konvensional ... 25

Gambar 2.20 Proses Pengeringan Kering ... 26

Gambar 2.21 Proses Pengeringan Basah ... 27

Gambar 3.1 Gerinda Tangan ... 32

Gambar 3.2 Mesin Las Listrik ... 32

Gambar 3.3 Gun Rivet ... 33

Gambar 3.4 Panel Surya ... 33

Gambar 3.5 Kipas Motor DC ... 34

Gambar 3.6 Laptop ... 34

Gambar 3.7 Agilient 34972 A ... 35

Gambar 3.8 Hobo Microstation Data Logger ... 36

Gambar 3.9 Load Cell ... 37

Gambar 3.10 Sensor Temperatur dan Kelembapan ... 37

Gambar 3.11 Biji Kopi Arabika ... 38

Gambar 3.12 Besi Pelat L ... 38

Gambar 3.13 Pelat Seng ... 39

Gambar 3.14 Gabus ... 39

Gambar 3.15 Alumunium Foil ... 39

Gambar 3.16 Experimental Setup Pukul 8.00-18.00 ... 40

Gambar 3.17 Experimental Setup Pukul 18.00-8.00 ... 40

Gambar 3.18 Diagram Alir Penelitian ... 42

Gambar 4.1 Desain Ruang Pengering ... 45

Gambar 4.2 Desain Rangka Ruang Pengering ... 46

Gambar 4.3 Desain Pelat Seng ... 47

Gambar 4.4 Desain Styrofoam ... 47

Gambar 4.5 Desain Rak (Tray) ... 48

Gambar 4.6 Pemotongan Besi Pelat L ... 48

Gambar 4.7 Pengelasan Besi Pelat L ... 49

Gambar 4.8 Pemasangan Dinding ... 49

Gambar 4.9 Pemasangan Isolator Dinding ... 50

Gambar 4.10 Pembuatan Rak (Tray) ... 50

Gambar 4.11 Pemasangan Rak ... 51

Gambar 4.12 Pemasangan Exhaust ... 51

Gambar 4.13 Letak Penempatan Sensor Temperatur dan Kelembapan ... 52

Gambar 4.14 Grafik Temperatur dan Kelembapan Pengujian Hari Pertama .... 53

Gambar 4.15 Grafik Temperatur dan Kelembapan Pengujian Hari Kedua ... 54

Gambar 4.16 Grafik Temperatur dan Kelembapan Pengujian Hari Ketiga ... 56

Gambar 4.17 Grafik Massa Biji Kopi Pengujian Hari Pertama ... 57

Gambar 4.18 Grafik Massa Biji Kopi Pengujian Hari Kedua ... 58

Gambar 4.19 Grafik Massa Biji Kopi Pengujian Hari Ketiga ... 59

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

qk laju perpindahan panas konduksi W

k konduktifitas termal W/m.K

A luas penampang tegak lurus bidang m²

∆T perbedaan temperature ⁰C, K

µ viskositas dinamis N.s/m²

ρ massa jenis kg/m³

cp kalor jenis J/kg.K

v kecepatan fluida m/s

h koefisien perpindahan panas konveksi W/m².K

Ts Temperatur permukaan benda ⁰C, K

T∞ Temperatur lingkungan ⁰C, K

ε efektifitas

𝜎 konstanta Stefan-Boltzmann W/m^2.K⁴

𝑚̇ laju aliran massa fluida kg/s

D Diameter m

do Diameter luar tabung m

di Diameter dalam tabung m

Th,i Temperatur fluida panas masuk ⁰C, K

Th,o Temperatur fluida panas keluar ⁰C, K

Tc,i Temperatur fluida dingin masuk ⁰C, K

Tc,o Temperatur fluida dingin keluar ⁰C, K

𝑇̅_ℎ Temperatur rata-rata fluida panas ⁰C, K

𝑇̅_𝑐 Temperatur rata-rata fluida dingin ⁰C, K

Ac Luas permukaan bidang kontak fluida m²

Q Laju perpindahan panas W

U Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m².K

𝑘_𝑢 Kalor penguapan suhu tengah J/k

𝑡 Waktu s

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Dewasa ini, mengonsumsi kopi sudah menjadi hal yang digemari banyak orang. Bahkan sudah menjadi kebiasaan dan gaya hidup bagi beberapa kalangan masyarakat. Apalagi dengan semakin banyaknya gerai kopi lokal maupun gerai merek luar negeri yang sering menjadi tempat bertemu mitra kerja atau sekedar nongkrong semata. Sehingga sebagai salah satu negara penghasil kopi terbesar dunia di urutan ke-4, Indonesia harus bisa memanfaatkan peluang besar yang ada untuk bisa meningkatkan kualitas dan juga kuantitas produksi kopi [1].

Proses produksi kopi sendiri untuk bisa dikonsumsi terbilang cukup panjang. Mulai dari pemetikan biji kopi, sudah bisa mempengaruhi.kualitas rasa kopi nantinya. Salah satu proses yang tidak kalah penting adalah proses pengeringan. Pengeringan biji kopi dilakukan sebelum tahap akhir roasting dilakukan.

Pengeringan adalah proses penghilangan massa air dari suatu benda dengan penguapan kandungan air yang ada pada benda tersebut. Berbagai cara dilakukan untuk mengeringkan benda. Cara yang paling konvensional dilakukan adalah dengan penjemuran langsung di bawah sinar matahari secara langsung. Begitu juga pada pengeringan biji kopi, penjemuran langsung dengan di bawah matahari menjadi pilihan utama. Pada umumnya proses pengeringan biji kopi dilakukan saat biji kopi mengandung 60% air hingga menjadi sekitar 12,5%.

Namun cara konvensional ini memiliki permasalahan pada saat saat cuaca mendung atau hujan sehingga proses pengeringan harus ditunda. Dan juga pada malam hari tidak bisa melakukan proses pengeringan karena tidak adanya sumber energi pengeringan. Malah cenderung biji kopi akan bertambah kandungan airnya karena udara lembab malam air.

Maka dari itu perlu adanya solusi untuk mengatasi permasalahan di atas dengan membuat suatu alat sebagai media pengering dan juga penjaga keadaan udara. Dengan memanfaatkan energi surya pada siang hari sebagai sumber panas

yang ditangkap pada kolektor pelat bersirip, diharapkan dapat menjadi sumber panas yang lebih baik dibandingkan penjemuran langsung. Dan desain ruangan yang bisa menjaga kondisi udara pada malam hari dengan adanya desikan akan menjaga kelembapan udara dalam ruangan.

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah :

1. Untuk merancang dan membuat ruang alat pengering biji kopi.

2. Untuk mendapatkan perbandingan temperatur dan kelembapan di dalam ruang pengering.

3. Untuk mendapatkan perbandingan massa biji kopi berdasarkan metode penelitian.

1.3 Batasan Masalah

Agar pembahasan penelitian ini terarah dan tidak melebar, maka batasan masalah penelitian ini adalah :

1. Proses desain dan perancangan alat menggunakan software SolidWorks.

2. Proses pengeringan merupakan proses basah (wet process) dimana pengeringan dilakukan tanpa mengupas kulit gabah biji kopi sampai akhir.

3. Banyak biji kopi yang dikeringkan sebanyak 5 kg.

4. Waktu pengeringan dilakukan pada pukul 08.00 WIB – 18.00 WIB.

1.4 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Dari sisi akademis, untuk memberikan sumbangan data yang diperlukan untuk penelitian selanjutnya.

2. Dari sisi sosial, dapat membantu masyarakat untuk melakukan pengeringan pada lahan sempit dan menjaga kadar air biji kopi pada malam hari.

3. Dari sisi ekonomi, dapat menjadi peluang bisnis dengan skala yang lebih besar.

1.5 Sistematika Penulisan

Pada penyusunan skripsi ini agar terstruktur secara sistematis dan mudah dibaca, maka skripsi ini dibagi ke dalam beberapa bagian. Adapun bagian-bagian tersebut, yaitu :

BAB I PENDAHULUAN

Berisikan dasar dan alasan pentingnya permasalahan ini untuk dikaji agar dapat menjawab permasalahan yang ada, tujuuan apa yang akan diperoleh, batasan masalah agar terarah, manfaat dari penelitian, dan sistematika penulisan skripsi ini.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Berisikan uraian dari teori-teori dan referensi dari penulis sebelumnya yang akan digunakan untuk menyelesaikan skripsi secara jelas.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Berisikan urutan dan cara yang dilakukan secara jelas dan sistematis untuk melaksanakan tulisan ilmiah. Pada bab ini juga akan dibahas mengenai alat dan bahan yang digunakan selama penelitian.

BAB IV HASIL DAN PERANCANGAN

Berisikan penyajian hasil dari desain dan pembuatan alat penelitian. Akan dibahas juga hasil dari metodologi penelitian.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Berisikan jawaban dari tujuan penelitian dan saran yang mendukung untuk penelitian kedepannya.

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Energi Surya

Energi surya adalah salat satu sumber energi terbarukan dan berkelanjutan karena keberadaanya yang tidak akan habis. Energi surya sampai ke bumi dalam bentuk energi panas dengan prinsip perpindahan panas radiasi. Sebagai energi terbarukan, energi surya semakin lama semakin dikembangkan agar bisa dimanfaatkan lebih lagi.

Pemanfaatan energi matahari sebagai sumber energi alternatif untuk mengatasi krisis energi, khususnya minyak bumi. Di samping jumlahnya yang tidak terbatas, pemanfaatannya juga tidak menimbulkan polusi yang dapat merusak lingkungan. Cahaya atau sinar matahari dapat dikonversi menjadi listrik dengan menggunakan teknologi panel surya atau photovoltaic atau memaksimalkan energi panas matahari dengan kolektor surya. Matahari merupakan sumber energi yang benar-benar bebas untuk digunakan oleh setiap orang. Tidak ada manusia yang memiliki matahari, jadi setelah menutupi biaya investasi awal, pemakaian energi selanjutnya dapat dikatakan gratis. Panel surya beroperasi tanpa mengeluarkan suara (tidak seperti turbin) sehingga tidak menyebabkan polusi suara. Panel surya biasanya memiliki umur yang sangat lama, dan biaya pemeliharaannya sangat rendah karena tidak ada bagian yang bergerak. Panel surya dan kolektor surya juga cukup mudah untuk diinstal.

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. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda.

Gambar 2.1 Hubungan Matahari dan Bumi [2]

Mengingat begitu besarnya energi yang dipancarkan matahari, pemanfaatan terus dikembangkan di berbagai bidang. Salah satunya pada bidang perkebunan dengan memanfaatkannya untuk proses pengeringan berbagai produk perkebunan.

2.2 Pemanfaatan Energi Surya

Dalam era ini, penggunaan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui semakin meningkan seiring dengan jumlah populasi manuasi yang meningkat juga, kemajuan teknologi dan lain-lain. Namun ketersedian akan sumber daya alam yang dapat diperbarui berbanding terbalik dengan sumber daya alam yang tidak dapat diperbarui. Sehingga para ilmuwan telah mencoba mengembangkan potensi sumber daya alam yang dapat diperbaharui contohnya air, angin dan energi surya. Berikut dibahas tentang beberapa aplikasi energi surya, antara lain:

1. Pemanfaatan panel surya / photovoltaic

Pemanfaatan energi surya ini adalah untuk menghasilkan energi listrik.

Photovoltaic adalah sektor dimana memanfaatkan energi surya untuk menghasilkan energi listrik, pemanfaatan photovoltaic ini memiliki efisiensi sekitar 10 %.

Gambar 2.2 Photovoltaic

2. Pemanfaatan termal

Terdapat sembilan pemanfaatan termal yang sudah dilakukan dan diterapkan dibeberapa negara, yaitu:

a. Solar water heater

Prinsip kerja pemanas air tenaga surya adalah memanaskan air dengan memanfaatkan energy surya. Air dialirkan ke pipa-pipa yang pipih, biasanya dicat warna hitam untuk memaksimalkan penyerapan energy surya. Air ysng telah mencapai suhu yang diinginkan disimpan ke sebuah silinder sebagai tempat penyimpanan. Pemanas air tenaga surya juga dapat memanaskan air menggunakan listrik jika cuaca hujan atau mendung.

Gambar berikut menunjukkan pemanas air tenaga surya.

Gambar 2.3 Solar Water Heater [3]

b. Solar cooker

Solar cooker adalah alat memasak yang mengunakan energi surya. Solar cooker ini juga memiliki berbagai bentuk konstruksi. Beberapa bentuk memiliki cara kerja yang sedikit berbeda, tapi pada prinsipnya solar cooker mengunakan energi surya, dan diubah menjadi energi panas untuk memasak makanan.

Gambar 2.4 Solar Cooker [3]

c. Solar dryer

Pada negara-negara berkembang, produk-produk pertanian dan perkebunan sering dikeringkan mengunakan tenaga matahari. Konsep inilah yang digunakan sebagai acuan untuk menciptakan solar dryer. Cara kerja alat ini adalah udara yang masuk ke dalam kolektor akan dipanaskan oleh energi surya, udara yang telah panas kemudian masuk ke dalam kotak pengering, kotak pengering inilah yang diisi produk-produk pertanian yang akan dikeringkan.

Gambar 2.5 Solar Dryer [4]

d. Solar ponds

Solar ponds tergolong ke dalam aplikasi teknologi tenaga surya yang memiliki skala cukup besar. Cara kerja alat ini adalah garam yang mengendap di dasar dan disinari matahari akan bertambah panas. Panas ini digunakan untuk memutar turbin. Mengunakan prinsip rankine organik.

Gambar 2.6 Solar Ponds [5]

e. Solar architecture

Dalam bidang arsitektur, pemanfaatan energi surya telah dikembangkan.

Pemanfaatan dalam bidang ini sudah cukup banyak diterapkan di Jepang.

Dari segi artistik juga mendapatkan tanggapan positif demikian juga dari segi pemanfaatan energi termalnya. Fungsi dari solar architecture adalah untuk membuat ruangan menjadi nyaman. Gambar dibawah menunjukkan desain perumahan yang berdasar pada solar architecture.

Gambar 2.7 Solar Architecture [6]

f. Solar air-conditioning

Penggunaan air-conditioning mencapai puncaknya pada saat matahari terik atau panas. Inilah yang dimanfaatkan menjadi solar air-conditioning. Cara kerja alat ini dengan menggunakan kolektor tabung hampa panas yang memanaskan air untuk mengerakkan sebuah chiller penyerapan sinar matahari secara langsung. Udara digunakan sebagai pendingin. Dengan teknologi ini juga, kerusakan atmosfer dapat dihindarkan. Gambar di bawah menunjukkan bagian-bagian solar air-conditioning.

Gambar 2.8 Solar Air-Conditioning [3]

g. Solar chimney

Solar chimney digunakan untuk ventilasi pada gedung-gedung besar.

Sirkulasi udara menjadi baik dan ruangan menjadi tidak terlalu panas.

Biasanya juga digunakan untuk menghasilkan listrik. Cara kerja alat ini adalah udara dipanaskan oleh energi surya. Udara yang panas akan cenderung bergerak ke atas dan keluar melalui cerobong.

Pada cerobong biasanya dipasang turbin. Udara yang bergerak ke atas akan mengerakkan turbin, sehingga menghasilkan listrik.

Gambar 2.9 Solar Chimney [3]

h. Solar distilation water

Solar distillation atau purification digunakan untuk memurnikan air maupun memisahkan air dengan garam. Cara kerja alat ini adalah air laut dipompakan setelah itu melewati kolektor, dengan panas dari energi surya ini, air akan menguap dan menyisakan garam. Uap dikondensasikan menjadi air. Sehingga didapat dua hasil yaitu garam dan air tawar. Gambar di bawah menunjukkan bagian-bagian solar distillation water.

Gambar 2.10 Solar Distilation Water [3]

i. Solar power plant

Solar power plant merupakan aplikasi dengan skala yang sangat besar, bisa diaplikasikan di daerah gurun. Dapat menghasilkan listrik dalam kapasitas yang sangat besar. Cara kerja alat ini ialah energi surya yang terpapar ke reflektor, direfleksikan ke tower yang di tengah. Dari tower itulah energi surya dikumpul dan digunakan untuk menghasilkan listrik. Gambar di bawah ini menunjukkan solar power plant di Seville, Spanyol.

Gambar 2.11 Solar Power Plant [3]

2.3 Pengeringan Tenaga Surya (Solar Dryer)

Pengeringan adalah proses pengurangan kadar air yang relatif kecil secara terus-menerus pada suatu bahan. Metode pengeringan dengan energi matahari secara umum terbagi atas dua, yaitu pengeringan sinar matahari (direct sun drying), dimana produk yang akan dikeringkan langsung dijemur di bawah sinar matahari.

Dan metode pengeringan surya (solar drying), dimana produk yang akan dikeringkan diletakkan di dalam suatu alat pengering [7].

Pengering tenaga surya (solar dryer) adalah cara pengeringan dengan memanfaatkan energi matahari menggunakan kolektor sebagai penyerap panas yang menjadikan penggunaan energi matahari yang lebih maksimal [8].

Sistem pengering tenaga surya terdiri dari dua bagian utama yaitu kolektor surya dan ruang pengering. Kolektor matahari 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 dan lainya. Penyerapan energi radiasi surya memerlukan peralatan khusus yang terdiri dari dua macam yaitu pengumpul pelat datar dan pengumpul konsentrator [7].

Untuk melakukan pengeringan pada suatu bahan maka perlu diberikan panas untuk menguapkan air ke udara. Untuk mempercepat pengeringan dengan energi matahari maka perlu dilakukan pembuatan alat pengering dengan model tertentu.

Desain ruang pengering surya adalah bagian paling penting dari sistem

pengeringan, karena aliran udara melalui ruang juga tergantung pada desain yang berpengaruh terhadap arah aliran udara pada ruang pengering [9].

Jenis-jenis pengeringan dibagi atas 8 bagian, yaitu [10]:

1. Baki atau wadah

Pengeringan jenis baki atau wadah adalah dengan meletakkan material yang akan dikeringkan pada baki yang lansung berhubungan dengan media pengering. Cara perpindahan panas yang umum digunakan adalah konveksi dan perpindahan panas secara konduksi juga dimungkinkan dengan memanaskan baki tersebut.

2. Rotary

Pada jenis ini ruang pengering berbentuk silinder berputar sementara material yang dikeringkan jaruh di dalam ruang pengering. Medium pengering, umumnya udara panas, dimasukkan ke ruang pengering dan bersentuhan dengan material yang dikeringkan dengan arah menyilang. Alat penukar kalor yang dipasang di dalam ruang pengering untuk memungkinkan terjadinya konduksi.

3. Flash

Pengering dengan flash (flash dryer) digunakan untuk mengeringkan kandungan air yang ada di permukaan produk yang akan dikeringkan.

Materi yang dikeringkan dimasukkan dan mengalir bersama medium pengering dan proses pengeringan terjadi saat aliran medium pengering ikut membawa produk yang dikeringkan. Setelah proses pengeringan selesai, produk yang dikeringkan akan dipisahkan dengan menggunakan hydrocyclone.

4. Spray

Teknik pengeringan spray umumnya digunakan untuk mengeringkan produk yang berbentuk cair atau larutan suspensi menjadi produk padat.

Contohnya, proses pengeringan susu cair menjadi susu bubuk dan pengeringan produk-produk farmasi. Cara kerjanya adalah cairan yang akan dikeringkan dibuat dalam bentuk tetesan oleh atomizer dan dijatuhkan dari bagian atas. Medium pengering (umumnya udara panas) dialirkan dengan arah berlawanan atau searah dengan jatuhnya tetesan. Produk yang

dikeringkan akan berbentuk padatan dan terbawa bersama medium pengering dan selanjutnya dipisahkan dengan hydrocyclone.

5. Fluidized bed

Pengeringan dengan menggunakan kecepatan aliran udara yang relatif tinggi menjamin medium yang dikeringkan terjangkau oleh udara. Jika dibandingkan dengan jenis wadah, jenis ini mempunyai luas kontak yang lebih besar.

6. Vacum

Pengeringan dengan memanfaatkan ruangan bertekanan udara rendah.

Dimana pada ruangan tersebut tidak terjadi perpindahan panas, tetapi yang terjadi adalah perpindahan massa pada suhu rendah.

7. Membekukan

Pengeringan dengan menggunakan suhu yang sangat rendah. Biasanya digunakan pada produk-produk yang bernilai sangat tinggi, seperti produk farmasi dan zat-zat kimia lainnya.

8. Batch dryer

Pengeringan jenis ini hanya baik digunakan pada jumlah material yang sangat sedikit, seperti penggunaan pompa panas termasuk pompa panas kimia.

2.4 Kolektor Surya

Pengering surya adalah suatu sistem pengering yang memanfaatkan energi surya. Sistem pengering surya terdiri dari dua bagian utama yaitu kolektor surya dan ruang pengering. Kolektor surya adalah suatu alat yang dapat mengumpulkan atau menyerap radiasi surya dan mengkonversikan menjadi panas.

Kolektor surya dapat didefinisikan sebagai sistem perpindahan panas yang menghasilkan energi panas dengan memanfaatkan radiasi sinar matahari sebagai sumber energi utama. Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen- komponen utama, yaitu:

1. Cover berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan.

2. Absorber berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari.

3. Kanal berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja.

4. Isolator berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan.

5. Frame berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.

Berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya oleh kolektor surya, pada umumnya kolektor surya dibagi atas 4 macam yaitu:

1. Flat-Plate Collectors ( Kolektor Pelat Datar )

Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya pelat 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.

Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorbernya yang berupa pelat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses panas industri.

2. Prismatic Solar Colector ( Kolektor Surya Prismatik )

Kolektor surya tipe prismatik dapat digolongkan dalam kolektor pelat 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.

3. 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.

4. Evacuated Tube Collectors

Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan dua 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 Teori Perpindahan Panas

Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali.

Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. Perpindahan kalor/panas (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material [11].Dimana perpindahan panas ini merupakan satu dari disiplin ilmu teknik termal yang mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas, mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sistem fisik. Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah. Frank Kreith dan Mark S. Bohn[12] dalam bukunya mengklasifikasikan perpindahan panas dalam tiga bahagian yaitu : konduksi, konveksi, radiasi. Dimana ketiga hal tersebut dapat di ilustrasi dari proses sederhana berikut.

Gambar 2.12 Prinsip Proses Perpindahan Panas [13]

2.5.1 Perpindahan Panas Konduksi

Setiap kali gradien suhu terdapat pada sebuah media padat atau solid, panas akan mengalir dari daerah dengan suhu lebih tinggi ke daerah bersuhu lebih rendah.

Besarnya laju dari perpindahan panas konduksi, qk, sebanding dengan gradient suhu dT/dx dikalikan dengan luas bidang panas dipindahkan, A [12].

𝑞

_𝑘

∝ 𝐴

^𝑑𝑇

𝑑𝑥 ... (2.1) Pada hubungan tersebut, T(x) merupakan temperature local dan x merupakan jarak pada arah pergerakan perpiundahan panas. Laju aliran panas bergantung pada konduktifitas termal k, yang merupakan salah satu sifat fisik dari media. Untuk konduksi melalui media homogen, laju perpindahan dirumuskan dengan hukum Fourier [12] :

𝑞

_𝑘

= −𝑘𝐴

^𝑑𝑇

𝑑𝑥

... (2.2) Tanda negatif pada persamaan 2.2 di atas merupakan wujud dari hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa panas berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Rumusan tersebut dikenal dengan hokum Fourier pada konduksi, sebagai penghargaan pada ilmuwan Prancis J. B. J. Fourier, yang pertama sekali mecentuskannya pada 1822.

Gambar 2.13 Perpindahan Panas Secara Konduksi [14]

Dari gambar diatas, dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, akan ditemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, kita juga menemukan bahwa untuk nilai A, Δx, dan ΔT yang sama, akan menghasilkan nilai qx yang lebih kecil untuk material plastik dibandingkan bermaterial logam.

Sehingga kesebandingan diatas dapat ditulis dalam bentuk persamaan dengan memasukkan koefisien yang dipengaruhi oleh material. Berdasarkan pada hukum Fourier, persamaan 2.3, konduktifitas termal didefenisikan sebagai [12] :

𝑘 =

𝑞_𝑘

⁄𝐴

|𝑑𝑇 𝑑𝑥⁄ | ... (2.3) k adalah konduktivitas thermal (W/m.K), yang merupakan sifat material yang penting karena sangat mempengaruhi nilai perpindahan panas yang terjadi pada sebuah benda. Berikut merupakan nilai konduktivitas panas untuk beberapa material :

Tabel 2.1 Tabel Nilai Konduktivitas Termal Untuk Beberapa Material [12]

Material Thermal conductivity at 300 K (W/m K)

Copper 399.0

Aluminium 237.0

Carbon steel, 1% C 43.0

Glass 0.81

Plastics 0.2-0.3

Water 0.6

Ethylene glykol 0.26

Engine oil 0.15

Freon (liquid) 0.07

Hydrogen 0.18

Air 0.026

2.5.2 Perpindahan Panas Konveksi

Konduksi dan konveksi adalah membutuhkan media perantara dalam proses perpindahan panasnya. Namun pada konveksi membutuhkan gerakan fluida untuk dapat memindahkan panas. Penelitian menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi sangat bergantung pada sifat-sifat fluida seperti viskositas dinamis μ, konduktivitas termal k, massa jenis ρ, dan spesifik panas Cp, dan dipengaruhi oleh kecepatan fluida Ѵ. Konveksi juga bergantung pada bentuk dan kekasaran permukaan, dan bahkan juga dipengaruhi oleh tipe aliran seperti laminar atau turbulen. Sehingga dapat disimpulkan bahwa perpindahan panas secara konveksi adalah kompleks karena bergantung pada banyak variabel. Oleh karena itu, konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang paling kompleks. Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju perpindahan panas secara konveksi berbanding lurus dengan perbedaan temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang pendinginan. Berikut adalah skematik perpindahan panas secara konveksi :

Gambar 2.14 Perpindahan Panas Secara Konveksi [14]

Untuk nilai perpindahan panas secara konveksi dapat di tentukan dengan rumus[11]:

qkonveksi = h As (Ts - T∞) ... (2.4) dengan h : koefisien perpindahan panas konveksi (W/m²K)

As :luas permukaan perpindahan panas (m²) Ts : temperatur permukaan benda (K)

T∞ : merupakan temperatur lingkungan sekitar benda

Secara sederhana konveksi merupakan proses perpindahan panas dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah melalui benda penghubung, dimana benda penghubung tersebut haruslah memiliki sifat fluida (konduktivitas termal, kalor spesifik dan densitas). Syarat utama mekanisme perpindahan panas konveksi adalah adanya aliran fluida. Perpindahan panas konveksi pada pengering terjadi pada fluida kerja yang digunakan (udara).

Jika suatu pelat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada sumber gerakan dari luar, maka udara itu akan bergerak sebagai akibat terjadinya gradien densitas di dekat pelat itu, peristiwa ini dinamakan konveksi alamiah (natural convection) atau konveksi bebas (free convection), untuk konveksi paksa (forced convection) terjadi apabila udara itu dihembuskan pada pelat dengan fan.

Gambar 2.15 Perpindahan Konveksi Paksa dan Konveksi Natural

2.5.3 Perpindahan Panas Radiasi

Radiasi berbeda dengan mekanisme perpindahan panas secara konduksi dan secara konveksi. Perpindahan panas secara radiasi tidak membutuhkan kehadiran suatu material sebagai media perantara perpindahan panas. Faktanya, energi yang ditransfer dengan radiasi adalah yang tercepat (secepat kecepatan cahaya) dan dapat terjadi pada ruangan vakum. Perpindahan panas secara konduksi dan konveksi terjadi dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Pada radiasi, perpindahan panas dapat terjadi pada 2 benda yang memiliki temperatur yang tinggi dan dipisahkan oleh benda yang memiliki temperatur yang lebih rendah.

Berikut merupakan skematik proses terjadinya perpindahan panas secara radiasi :

Gambar 2.16 Proses Perpindahan Panas Radiasi [14]

Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisifitas ε, dan kemampuan untuk menyerap α pada temperatur T yang terdiri dari keisotermalan yang besar dalam bentuk yang tertutup pada benda hitam (blackbody). Blackbody dapat didefenisikan sebagai pemancar dan penyerap radiasi yang sempurna. Pada temperatur dan panjang gelombang tertentu, tidak ada permukaan yang dapat memancarkan energi yang lebih banyak daripada blackbody. Blackbody menyerap semua radiasi tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya. Blackbody juga memancarkan energi radiasi yang merata dalam segala arah dalam setiap unit area searah dengan arah emisi, yang disebut sebagai pemancar diffuse. Diffuse dapat diartikan sebagai arah yang bebas untuk berdiri sendiri.

Joseph Stefan dan Boltzmann menetapkan sebuah hukum yang ditetapkan secara eksperimental untuk menentukan besarnya energi radiasi yang dipancarkan oleh sebuah blackbody yang disebut dengan hukum Stefan-Boltzmann [11].

Qradiasi = σ A T ⁴ ... (2.5)

Dimana σ = 5,669 x 10^-8 W/m² K⁴ adalah konstanta proporsionalitas dan disebut konstanta Stefan-Boltzmann dan T adalah temperatur absolut dari suatu permukaan (K).

Pada proses perpindahan panas secara radiasi dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu:

1. Luas permukaan benda yang bertemperatur, yang akan menentukan besar kecil jumlah pancaran yang akan dapat dilepaskan.

2. Sifat permukaan yang berhubungan dengan kemudahan memancarkan atau menyerap panas.

3. Kedudukan masing-masing permukaan satu terhadap yang lain akan menentukan besar fraksi pancaran yang dapat diterima oleh permukaan lain.

Khusu pada permukaan benda hitam, terdapat karakteristik radiasi dari yang menjadi penentu besaran hasilnya, yaitu:

1. Emisi Permukaan

Sifat dari permukaan radiasi (emisivitas) didefinisikan sebagai perbandingan radiasi yang dihasilkan oleh permukaan benda hitam pada temperatur yang sama. Emisivitas mempunyai nilai yang berbeda tergantung kepada panjang gelombang dan arahnya. Nilai emisivitas bervariasi dari 0-1, di mana benda hitam mempunyai nilai emisivitas 1.

2. Absorbsivitas (Penyerapan)

Absorbsi adalah proses pada saat suatu permukaan menerima radiasi.

Akibat langsung dari proses penyerapan ini adalah terjadinya peningkatan energi dari dalam medium yang terkena panas tersebut.

3. Transmisivitas

Transmisivitas adalah fraksi dari jumlah energi radiasi yang ditransmisikan perjumlah total energi radiasi yang diterima suatu permukaan.

2.5.4 Perpindahan Panas Menyeluruh

Dalam alat penukar kalor terdapat dua jenis fluida yang mengalir dan dipisahkan oleh dinding solid (pada umumnya terbuat dari logam) berupa pipa.

Dimana perpindahan panas terjadi terhadap kedua fluida dengan perantaraan dinding solid tersebut, yaitu pertama dari fluida panas akan berpindah panasnya menuju permukaan dinding yang terjadi secara konveksi, selanjutnya panas akan berpindah melalui dinding solid menuju permukaan dinding fluida dingin yang terjadi secara konduksi, kemudian panas dari akan berpindah ke fluida dingin yang terjadi secara konveksi sehingga temperatur fluida dingin menjadi meningkat.

Gambar 2.17 Perpindahan Panas Menyeluruh Melalui Bidang Datar [11]

Dalam penghitungan koefisien pindahan panas menyeluruh efek radiasi apapun biasanya termasuk didalam koefisien perpindahan panas konveksi. Dimana koefisien pindahan panas melalui dinding dinyatakan sebagai berikut [11] :

𝑞 = ₁ ^{𝑇𝐴− 𝑇𝐵}

ℎ1𝐴

⁄ + ∆𝑥 𝑘𝐴⁄ +1 ℎ⁄ ₂𝐴 ... (2.6) Dimana TA dan TB masing-masing adalah suhu fluida pada kedua sisi dinding.

Koefisien pindahan panas menyeluruh U didefenisikan oleh hubungan [11] : q = U A ∆Tmenyeluruh ... (2.7) dimana A merupakan luas bidang aliran kalor. Jaringan tahanan panas dihubungkan dengan proses perpindahan panas ini yang terdiri dari dua tahanan panas konveksi dan satu tahanan panas konduksi seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut.

Gambar 2.18 Jaringan Tahanan Panas Pada Alat Penukar Kalor [15]

Dimana subskrip i dan o menunjukkan diameter dalam dan diameter luar tabung yang berada didalam dan permukaan luar tabung.Untuk menentukan total tahanan termal yang terjadi pada sebuah alat penukar kalor dirumuskan dengan [14]:

R = Rtotal = Ri + Rdinding + Ro = ¹

hi Ai+ ^{ln (Do/Di)} 2 kL + ¹

ho Ao ... (2.8) Sehingga untuk perpindahan panas menyeluruhnya adalah [14] :

1

𝑈𝐴_𝑠 = ¹

𝑈_𝑖𝐴_𝑖 = ¹

𝑈_𝑜𝐴_𝑜 = R ... (2.9) A merupakan luar bidang perpindahan kalor yang terjadi pada sebuah alat penukar kalor yang dapat ditentukan dengan persamaan [14] :

Ai = π Di L dan Ao = π Do L ... (2.10) Dimana, R = tahanan panas (K/W)

k = konduktifitas panas bahan pipa/tabung (W/m.K) L = Panjang pipa/tabung (m)

D = diameter pipa/tabung (m)

U = koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m².K)

2.6 Biji Kopi

Biji kopi merupakan bahan dasar untuk penyeduhan kopi. Dari sekian banyak jenis biji kopi, terdapat 2 jenis biji kopi yang dijual di pasar pada umumnya, yaitu biji kopi robusta dan biji kopi arabika. Masing-masing jenis biji kopi ini memiliki keunikan dan pasarnya sendiri. Pada penelitian kali ini digunakan biji kopi arabika karena ketersediaan biji di daerah tempat penelitian.

Biji kopi arabika sering disebut biji kopi dengan cita rasa terbaik. Tingkat kafein dari biji kopi jenis ini sebesar 0,8%-1,4%. Budidaya tanamannya biasa dilakukan di ketinggian 700-1700 mdpl. Sehingga suhu tumbuh optimalnya sekitar 16-20 ^oC. Kopi arabika adalah kopi yang paling baik, tanda-tandanya adalah biji picak dan daun yang hijau tua dan berombak-ombak. Agar baik tumbuhnya maka hendaknya tinggi kadar bahan organis dalam tanah yang ditanami dengan kopi Arabika itu, ditanam berbagai macam leguminosae sebagai pupuk hijau didekat kopi tersebut serta pohon-pohon pelindung [16].

Panen dilakukan ketika buah kopi sudah berwarna merah atau merah tua.

Panen umumnya dilakukan pada bulan Maret hingga Agustus setiap 2 minggu sekali. Kopi mulai menghasilkan buah ketika berumur 4 tahun. Awalnya jumlah buah kopi yang dipanen masih sedikit. Setelah itu jumlah buah kopi yang dipanen terus meningkat dari panen tahun ke-2 hingga tahun ke-14. Berdasarkan pengamatan, dari satu pohon kopi dapat menghasilkan 1,5-2,5 kg kopi beras (green bean) per tahun [17].

Pengolahan buah kopi bertujuan untuk memisahkan biji kopi dari kulitnya dan mengeringkan biji tersebut sehingga diperoleh kopi beras dengan kadar air tertentu dan siap dipasarkan. Kadar air kopi optimum adalah 11-12%, bila lebih dari 13% akan mudah terserang cendawan sedangkan bila kurang dari 10% akan mudah pecah. Pengolahan buah kopi dilakukan melalui dua cara, yaitu cara basah karena prosesnya banyak menggunakan air dan cara kering karena tidak menggunakan air dalam prosesnya [16].

Gambar 2.19 Pengeringan Biji Kopi Konvensional [18]

2.7 Proses Pengeringan Biji Kopi

Struktur buah kopi (coffee cherry) terdiri dari pericarp (kulit daging terluar) dan biji kopi. Pericarp sendiri terdiri lagi dari beberapa lapisan seperti kulit, daging kulit, layer getah (yang biasanya terdiri dari gula alami dan semacam kandungan alkohol) dan perkamen. Lapisan pericarp adalah yang paling sering dibersihkan, namun lapisan ini juga berpengaruh dalam menambah rasa pada kopi [18].

2.7.1 Pengeringan Natural (Dry Process)

Proses ini termasuk teknik paling tua yang ada dalam sejarah proses pengolahan kopi. Setelah dipanen, ceri kopi akan ditebarkan di atas permukaan alas-alas plastik dan dijemur di bawah sinar matahari. Beberapa produsen kopi kadang menjemurnya di teras bata atau di meja-meja pengering khusus yang memiliki airflow (pengalir udara) di bagian bawah. Ketika dijemur di bawah matahari, biji-biji kopi ini harus dibolak-balik secara berkala agar biji kopi mengering secara merata, dan untuk menghindari jamur/pembusukan.

Pada proses natural, buah kopi yang dikeringkan masih dalam berbentuk buah/ceri, lengkap dengan semua lapisan-lapisannya. Prosesnya yang natural dan alami ini akan membuat ceri terfermentasi secara natural pula karena kulit luar ceri akan terkelupas dengan sendirinya [18].

Gambar 2.20 Proses Pengeringan Kering [18]

2.7.2 Pengeringan Basah (Wet Process)

Proses ini bertujuan untuk menghilangkan semua kulit-kulit daging yang melekat pada biji kopi sebelum dikeringkan. Setelah dipanen, ceri-ceri kopi biasanya ‘diseleksi’ terlebih dahulu dengan merendamnya di dalam air. Ceri yang mengapung akan dibuang, sementara yang tenggelam akan tetap dibiarkan untuk proses lanjutan karena ceri-ceri demikian dianggap telah matang.

Selanjutnya kulit luar dan kulit daging ceri kopi akan dibuang dengan menggunakan mesin khusus yang disebut depulper (pengupas). Biji kopi yang sudah terlepas dari kulitnya ini kemudian dibersihkan lagi dengan memasukkannya ke dalam bejana khusus berisi air agar sisa-sisa kulit yang masih melekat bisa luruh sepenuhnya akibat proses fermentasi.

Durasi, atau lamanya kopi difermentasi ini berbeda-beda pada setiap produsen. Namun umumnya berkisar antara 24-36 jam tergantung temperatur, ketebalan layer getah pada ceri kopi, dan konsentrat enzimnya. Jika suhu di sekitarnya semakin hangat, maka prosesnya akan semakin cepat pula [18].

Gambar 2.21 Proses Pengeringan Basah [18]

2.8 Desikan Kalsium Klorida (CaCl2)

Kalsium klorida (CaCl2) merupakan garam berbentuk kristal yang mampu menyerap banyak cairan. CaCl2 terbuat dari ekstrak batu kapur. Secara umum CaCl2

dapat diaplikasikan pada industri makanan. Di dalam pengolahan limbah, CaCl2

dapat juga digunakan sebagai bahan makanan beberapa bakteri/mikroba tertentu.

Konsentrasi untk CaCl2 powder adalah 95%, yang merupakan konsentrasi tertinggi. CaCl2 dikategorikan chemical food grade Karena berinteraksi dalam aplikasi di dunia makanan.

Adapun kegunaan dari pada kalsium klorida di berbagai bidang adalah sebagai berikut [19] :

1. Penghilang es dan penurun titik beku

Dengan menekan titik beku air, kalsium klorida digunakan untuk mencegah pembentukan es dan digunakan untuk penghilang es. Aplikasi ini mengkonsumsi kalsium klorida dengan jumlah terbesar. Kalsium klorida relatif tidak berbahaya bagi tanaman dan tanah. Sebagai zat penghilang es, ini lebih efektif pada suhu yang lebih rendah daripada natrium klorida. Saat didistribusikan untuk penggunaan ini, biasanya berbentuk bola putih kecil berdiameter beberapa milimeter, yang disebut prill. Larutan kalsium klorida dapat mencegah pembekuan pada suhu serendah −52 °C (−62 °F), sehingga

ideal untuk mengisi ban pengolah pertanian sebagai cairan pemberat, membantu traksi di daerah beriklim dingin.

2. Permukaan jalan

Aplikasi kalsium klorida terbesar kedua memanfaatkan sifat higroskopis dan sifat hidratnya. Larutan pekat membentuk lapisan cairan pada permukaan jalan tanah, yang menekan pembentukan debu. Ini menahan partikel debu halus di jalan, memberikan lapisan bantalan. Jika ini dibiarkan beterbangan, agregat yang lebih besar mulai bergeser dan jalan rusak. Dengan menggunakan kalsium klorida, mengurangi kebutuhan akan grading sebanyak 50% dan mengurangi kebutuhan bahan pengisi sebanyak 80%.

3. Makanan

Sebagai bahan peramu, ini terdaftar sebagai bahan makanan yang diizinkan di Uni Eropa untuk digunakan sebagai sekuestran dan baha pengukuh dengan nomor E E509. Hal ini dianggap sebagai umumnya dikenal sebagai aman Generally Recognized as Safe, Food and Drug Administration A.S. Penggunaannya pada produksi tanaman pangan organik umumnya dilarang dalam Daftar Nasional untuk Zat yang Diizinkan dan yang Dilarang, di bawahProgram Organik Nasional A.S.

Asupan kalsium klorida rata-rata sebagai aditif makanan diperkirakan 160- 345 mg/hari untuk individu. Dalam akuarium air laut, kalsium klorida ditambahkan untuk menambahkan kalsium bioavailabel untuk hewan bercangkang karbonat seperti moluska dan beberapa cnidaria. Kalsium hidroksida (campuran air kapur) atau reaktor kalsium juga dapat digunakan untuk menambahkan kalsium; namun, penambahan kalsium klorida adalah metode tercepat dan memiliki dampak minimal terhadap pH.

Sebagai bahan pengukuh, kalsium klorida digunakan dalam sayuran kaleng, untuk mengencangkan dadih kedelai ke dalam tahu dan dalam memproduksi pengganti kaviar dari jus sayuran atau buah. Kalsium klorida umum digunakan sebagai elektrolit dalam minuman olahraga dan minuman lainnya, termasuk air dalam kemasan. Rasa asin kalsium klorida yang ekstrem digunakan sebagai perisa acar tanpa menaikkan

kandungan natrium dalam makanan. Sifat kalsium klorida yang dapat menekan titik beku digunakan untuk memperlambat pembekuan karamel dalam coklat batang berisi karamel.

Dalam bir brewing, kalsium klorida terkadang digunakan untuk memperbaiki defisiensi mineral dalam air brewing. Ini mempengaruhi rasa dan reaksi kimia selama proses brewing, dan dapat juga mempengaruhi fungsi ragi selama fermentasi.

Dalam pembuatan keju, kalsium klorida kadang-kadang ditambahkan ke dalam susu olahan untuk mengembalikan keseimbangan alami kalsium dan protein dalam kasein dalam rangka pembuatan beragam keju. Dengan penambahan kalsium klorida ke dalam susu sebelum penambahan koagulan, level kalsium akan pulih. Selain itu, sering pula ditambahkan pada potongan apel untuk mempertahankan tekstur.

Kalsium klorida digunakan untuk mencegah noda gabus dan lubang pahit pada apel dengan menyemprotkannya ke pohon di akhir musim pertumbuhan.

4. Medis

Kalsium klorida diinijeksikan untuk menangani luka bakar internal akibat asam fluorida. Kalsium klorida juga dapat digunakan untuk menangani keracunan magnesium. Injeksi kalsium klorida dapat menurunkan toksisitas jantung yang diukur melalui elektrokardiogram.

CaCl2 juga membantu melindungi miokardium dari serum kalium tingkat tinggi yang berbahaya pada kasus hiperkalemia. Kalsium klorida dapat digunakan untuk menangani secara cepat keracunan saluran kalsium, akibat efek samping obat semacam diltiazem.

Sementara kalsium intravena telah digunakan dalam menangani gagal jantung, penggunaannya secara umum tidak direkomendasikan. Kasus gagal jantung yang masih direkomendasikan antara lain kadar kalium darah tinggi, kadar kalsum darah rendah seperti yang terjadi setelah transfusi darah, dan overdosis pemblok saluran kalsium. Ada potensi penggunaan secara umum dapat memperburuk hasilnya. Untuk kalsium, biasanya digunakan kalsium klorida sebagai bentuk yang direkomendasikan.