METODOLOGI PENELITIAN
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, FATETA IPB dan Gudang Pengolahan KUD Jasa Mukti Cibungbulang Bogor. Waktu penelitian dimulai pada bulan Desember 2006 sampai Agustus 2007.
Bahan dan Alat
Bahan yang dipakai pada penelitian ini adalah ubijalar yang diperoleh dari pedagang pengumpul di Bogor. Bahan lain yang dipakai adalah natrium bisulfit serta minyak tanah sebagai bahan bakar.
Peralatan yang digunakan adalah oil bath, oven pegering type SS-204D, timbangan digital Adam type AQT-200, anemomaster Kanomax, chromameter, temokopel (tipe CC dan CA), chino recorder Yokogawa, multimeter YF-3503, clampmeter, termometer air raksa, mesin penyawut mekanis, mesin peniris mekanis, gelas ukur, timbangan (10 kg), timbangan (50 kg), stop watch, mistar, jangka sorong, pisau stainless, ember, sikat, drum perendaman, pengering biji-bijian udara terkendali (PBUT), dan pengering rotari.
Deskripsi dan Spesifikasi Pengering Rotari
Jenis pengering rotari yang digunakan pada penelitian ini adalah cascade rotary dryer dengan aliran bahan dan udara pengering searah atau co-current. Gambar pengering dapat dilihat pada Lampiran 1. Bagian-bagian pengering rotari berserta fungsi dan spesifkasinya sebagai berikut:
Silinder
Silinder pada pengering rotari merupakan ruang pengeringan bahan. Silinder ini terbuat dari bahan stainless steel yang dilapisi glass wool dan plat aluminium. Silinder diatur dengan kemiringan tertentu dimana slope yang terbentuk terhadap bidang horizontal yaitu 0.419o.
Pada bagian pangkal silinder terdapat wadah pengumpanan bahan (feeder) dan inlet udara pengering. Wadah feeder dimiringkan dengan tujuan umpan lebih
mudah masuk ke dalam ruang pengering. Kemiringan wadah feeder adalah 20.05o. Lubang inlet berfungsi sebagai tempat masuknya udara pengering dari penukar panas ke ruang pengering. Pada bagian ujung slinder terdapat outlet udara dari silinder dan outlet bahan kering. Lubang outlet udara berfungsi sebagai tempat keluarnya udara lembab dari ruang pengering, sedangkan bahan kering dikeluarkan melalui outlet bahan.
Bagian dalam dari silinder terdapat flight yang berfungsi sebagai pengangkat dan pengambang bahan sehingga bahan tercurah di bagian tengah ruang pengering. Terdapat dua ukuran flight yaitu flight besar dan kecil. Spesifikasi silinder dan fight dapat dilihat pada Tabel 4, sedangkan gambar silinder dan flight dapat dilihat pada Gambar 12.
Tabel 4. Spesifikasi Silinder dan flight
Komponen Dimensi Satuan Jumlah
Silinder : panjang diameter luar diameter dalam wadah umpan
diameter inlet udara pengering diameter outlet udara
outlet bahan 1230 106 98 37 x 34 x 13 30 25 7 x 7 cm cm cm cm cm cm cm 1 1 1 1 12 Flight :
panjang flight besar
ukuran (stem x tip) flight besar
sudut flight besar
panjang flight kecil
ukuran (stem x tip) flight kecil
sudut flight kecil
50 10 x 10 90o 40 4 x 3.5 130o cm cm cm cm 82 82 (a) (b) Gambar 12. Silinder (a) dan flight (b)
Motor Penggerak
Silinder diputar dengan menggunakan motor listrik dengan spesifikasi: 3 phase, 11000 Watt, 415 volt, frekuensi 50 Hz, dan 1460 rpm. Motor listrik ini akan menggerakkan gear pada gearbox, yang kemudian menggerakkan silinder. Arah perputaran silinder adalah berlawanan arah jarum jam. Motor penggerak silinder dapat dilihat pada Gambar 13 (a).
Burner dan Tungku
Kompor bertekanan atau burner berfungsi sebagai pensuplai bahan bakar (minyak tanah) secara teratur untuk proses pembakaran. Pada burner terdiri dari beberapa bagian yaitu nosel, blower, dan pencatat tekanan. Fungsi dari nosel adalah untuk mengabutkan bahan bakar sehingga lebih mudah terbakar pada saat pengapian secara listrik. Blower pada burner berfungsi untuk mensuplai udara untuk pembakaran sehingga diperoleh pembakaran yang sempurna. Spesifikasi dari burner sebagai berikut: Merk Olympia Oil Burner, Model LT 20, 1 phase, 220 V, 0.25 kW, konsumsi bahan bakar 8-20 kg/jam, diameter api 140-160 mm dan panjang api 350-400 mm.
Tungku merupakan tempat terjadinya pembakaran sehingga diperoleh udara panas yang kemudian masuk ke penukar panas. Tungku dilapisi oleh bata api di bagian dalam dan plat besi di bagian luar. Dimensi dari tungku adalah 79 x 83 x 55 cm. Tungku juga dilengkapi dengan kerangka penyangga tungku yang memiliki dimensi 94 x 90 x 80 cm. Posisi burner pada tungku dapat dilihat pada Gambar 13 (b).
(a) (b)
Penukar Panas (Heat Exchanger)
Penukar panas merupakan tempat terjadinya pemanasan udara lingkungan yang akan digunakan sebagai udara pengering pada proses pengeringan. Penukar panas terdiri dari pipa-pipa (tube) dan selubung (shell). Penukar panas berbentuk kotak yang bagian dalamnya terdapat pipa-pipa penukar panas, baffle, lubang inlet, outlet dan cerobong. Pipa-pipa yang berada di dalam selubung berfungsi sebagai tempat mengalirnya udara panas hasil pembakaran. Fungsi dari baffle adalah sebagai penghalang dan pembelokan udara sehingga perpindahan panas ke udara semakin besar. Pada penukar panas terdapat 2 lubang yaitu inlet dan outlet Lubang inlet berfungsi sebagai lubang pemasukan udara lingkungan ke penukar panas sedangkan lubang outlet berfungsi sebagai lubang pengeluaran udara panas dari penukar panas ke ruang pengering. Hasil pembakaran di tungku dikeluarkan melalui cerobong. Penukar panas dapat dilihat pada Gambar 14 (a), sedangkan gambar tekniknya dapat dilihat pada Lampiran 2. Bagian dan dimensi penukar panas dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5. Bagian dan spesifikasi dari penukar panas
Bagian Jumlah Dimensi Bahan
tube 175 1” x 1010 mm carbon steel
shell 1 766 x 726 x 1000 mm mild steel
lubang outlet 1 Ǿ 300 x 100 mm mild steel lubang inlet 1 Ǿ 300 x 100 mm mild steel lubang cerobong 1 Ǿ 195 x 100 mm mild steel
baffle 2 754 x 365 mm mild steel
Kipas (fan)
Kipas berfungsi menarik udara dari lingkungan ke penukar panas dan kemudian menghembuskannya melewati pipa-pipa panas menuju ke ruang pengeringan. Jenis kipas yang digunakan pada pengering rotari adalah kipas aliran sumbu atau aksial. Spesifikasi kipas sebagai berikut: Type AFD-500, kapasitas 10.000 CMH, 2800 rpm, 3 HP, 3 phase, static pressure 78 mmH2O dan jumlah daun kipas 10 buah. Rumah kipas memiliki diameter 57 cm dan panjang 42 cm. Gambar kipas pada pengering rotari dapat dilihat pada Gambar 14 (b).
(a) (b) Gambar 14. Penukar panas (a) dan Kipas (b)
Metode Penelitian
Pengukuran sifat termofisik (Me dan k)
Pengambilan data untuk sifat termofisik ubijalar (Me dan k) dilakukan dengan menggunakan PBUT dengan 10 tingkat suhu dan RH yang terbentuk dijaga konstan. Tahap pertama adalah mempersiapkan sampel (sawut ubijalar), kemudian ditimbang massa awalnya (± 100 gram) dan kadar air awalnya. Selanjutnya sampel dimasukkan ke dalam ruang pengering yang suhu dan RH pengeringnya konstan.
Produk ditimbang setiap interval waktu tertentu, dimana interval ini semakin diperbesar setelah waktu tertentu, karena perubahannya semakin berkurang. Setelah perubahan massanya menjadi sangat kecil, maka pengeringan dihentikan (Nelwan 1997). Diagram alir proses pengeringan lapisan tipis ubijalar dapat dilihat pada Gambar 15. Perhitungan nilai Me dan k menggunakan metode non linear least square. Algoritma perhitungan A, K, Me dapat dilihat pada Gambar 16.
Gambar 15. Diagram alir proses pengeringan lapisan tipis sawut ubijalar
Pengujian awal
Pengujian awal pengering rotari bertujuan untuk melihat kinerja dari pengering rotari dengan penukar panas baru yang menggantikan penukar panas sebelumnya. Parameter yang diukur adalah temperatur inlet dan ruang pengering. Pengujian awal ini tanpa menggunakan termostat dan beban.
Gambar 16. Algoritma perhitungan A, k, dan Me (Abdullah et al. 2007)
Pengujian performansi pengering rotari
Pengujian ini terdiri dari pengujian dengan beban dan tanpa beban. Pengujian tanpa beban hanya mengukur suhu inlet dan ruang pengering dalam keadaan kosong. Pengujian dengan beban menggunakan sawut ubijalar untuk proses pengeringannya. Tahapan proses pengeringan terdiri dari tahap persiapan sawut basah (pra pengeringan), pengumpanan, dan pengeringan. Pengujian tahap ini menggunakan termostat sebagai pengontrol suhu.
Pra pengeringan
Proses persiapan sawut basah didahului dengan penimbangan ubijalar segar, dimana setiap perlakuan menggunakan 200 kg ubijalar. Selanjutnya, ubijalar
dicuci secara manual, pada proses ini juga dilakukan pemotongan pangkal dan ujung umbi serta daging yang terkena boleng atau lanas. Kemudian, ubijalar bersih disawut untuk menghasilkan ukuran yang lebih kecil dan tipis. Proses penyawutan dilakukan secara mekanis dengan mesin penyawut. Mesin penyawut mekanis dapat dilihat pada Lampiran 3. Hasil penyawutan direndam ke dalam air yang telah dilarutkan natrium bisulfit 0.3% (± 30 menit), proses perendaman bertujuan untuk menghilangkan getah yang masih menempel pada sawut. Pada proses ini juga meliputi pembuangan kotoran dan kulit ubijalar yang mengapung. Proses perendaman menyebabkan sawut menjadi lebih basah, sehingga untuk meghilangkan air dan larutan tersebut dilakukan proses penirisan. Proses penirisan menggunakan peniris mekanis, dimana sawut dimasukkan ke dalam wadah berpori yang berputar pada porosnya. Proses pelepasan air dari sawut karena sentrifugasi, proses ini dilakukan selama ± 3 menit. Penirisan yang terlalu lama dikuatirkan pati dari sawut akan ikut terlepas bersama air. Sawut basah siap diumpankan ke pengering. Massa bahan dari setiap proses dilakukan penimbangan untuk mengetahui rendemennya. Proses penyawutan dan penirisan sawut basah dapat dilihat pada Gambar 17.
(a) (b)
Gambar 17. Proses penyawutan (a) dan penirisan (b)
Pengumpanan (feeding)
Parameter yang diukur pada proses pengumpanan adalah laju pengumpanan. Sebelum sawut basah diumpankan ke ruang pengering, sawut dimasukkan ke dalam timba kemudian ditimbang beratnya. Lamanya pengumpanan diukur menggunakan stop watch. Laju pengumpanan dihitung bedasarkan perbandingan berat sawut dengan lama pengumpanan. Ada empat perlakuan pengumpanan yang digunakan pada penelitian ini. Perlakuan pengumpanan dapat dilihat pada Tabel 6.
Tabel 6. Perlakuan pengumpanan sawut
Percobaan Laju pengumpanan
1 2 3 4 3 kg/1 menit 3 kg/2 menit 3 kg/3 menit 3 kg/4 menit Pengeringan
Pengeringan dilakukan sebanyak 4 kali percobaan berdasarkan laju pengumpanan. Tahapan pengeringan sawut ubijalar dapat dilihat pada Gambar 18.
Parameter Pengukuran
• Pengukuran kadar air bahan meliputi kadar air ubijalar segar, sawut basah, dan sawut kering. Pengukuran kadar air ubijalar berdasarkan SNI 01-4493-1998. Kadar air ditentukan dengan metode oven.
• Massa bahan yang ditimbang meliputi massa ubijalar segar, ubijalar bersih, sawut basah, dan sawut kering. Susut selama proses pengumpanan dan pengeringan juga ditimbang massanya. Pengukuran massa dilakukan untuk mencari rendemen.
• Pengukuran densitas curah atau bulk density dilakukan hanya untuk sawut basah dan kering, dimana sawut dimasukkan ke wadah yang telah diketahui volumenya, kemudian sawut tersebut ditimbang massanya. Hasil bagi antara berat dan volume sawut merupakan densitas curah sawut. Dimensi wadah yang digunakan untuk pengukuran densitas curah yaitu 25 x 23 x 25 cm.
• Pengukuran warna menggunakan chromameter, dimana hasil pengukuran dikonversi ke sistem Hunter yang dicirikan dengan notasi L, a, dan b. Warna yang diukur meliputi warna daging umbi dan sawut kering.
• Dimensi sawut dari proses penyawutan sangat beragam ukurannya tergantung dari ukuran umbi ubijalar. Untuk mengetahui dimensi dari sawut, maka sampel umbi ubijalar diukur panjang dan diameternya terlebih dahulu dengan jangka sorong, kemudian umbi disawut dengan mesin penyawut. Kemudian, sawut ubijalar diambil masing-masing cuplikannya untuk diukur panjang, lebar dan tebal dari sawut.
• Pengukuran suhu pada percobaan ini meliputi pengukuran suhu udara lingkungan, suhu sawut basah, pembakaran di tungku, cerobong, inlet, outlet, dan ruang pengering. Letak titik pengukuran di sepanjang silinder adalah 1.36 m, 8.22 m, 9.58 m, dan 10.94 m. Pengukuran RH meliputi RH lingkungan (suhu bola basah) dan outlet. Pengukuran suhu sawut, ruang pengering dan pembakaran di tungku dapat dilihat pada Gambar 19.
(a) (b) (c)
Gambar 19. Pengukuran suhu : (a) sawut, (b) ruang pengering dan (c) pembakaran
• Bahan bakar yang terpakai diperoleh dari pengurangan jumlah bahan bakar awal dengan sisa bahan bakar pada drum setelah proses selesai. Laju aliran bahan bakar merupakan nisbah antara jumlah bahan bakar yang terpakai terhadap lama pemakaian.
• Pencatatan waktu meliputi lama pengoperasian alat, lama pengeringan, dan waktu tinggal.
• Kecepatan udara diukur sepanjang ruang pengering dengan interval 1.23 m, inlet, outlet dan feeder.
• Kondisi dari pengering rotari yang diperhatikan selama proses pengeringan yaitu rpm silinder dan kemiringan silinder.
Simulasi Model dan Validasi
Simulasi model pengeringan rotari digunakan untuk menduga suhu ruang pengering, suhu sawut, kadar air, dan RH. Simulasi model pindah panas dan massa dilakukan untuk menyelesaikan persamaan 37), 43), 49) secara simultan dengan menggunakan metode beda hingga Euler. Model diselesaikan dengan bahasa pemograman Visual Basic 6.
Model masing-masing parameter dari udara dan produk diselesaikan secara numerik dengan metode Euler.
Kelembaban Mutlak ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Δ + = • • + dx dt dt dM m m x H H uk pd j j 1 ………..……….….51)
Suhu Udara
(
)
(
)
(
)
⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − − + Δ + = • • + j u j u j pw j u j p j u cv j j pw pu u j u j u C T L dx dH m T T A h H C C m x T T 1 .…52) Suhu Produk(
)
(
)
(
(
)
)
⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + − + Δ + = • • + j p pl j pw j p j u j p j u cv j pl j pp u j p j p L C C T dx dH m T T A h M C C m x T T 1 ..53) Kadar AirModel untuk kadar air bahan menggunakan persamaan 38), yang dijabarkan menjadi ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ Δ + = + dx dt dt dM x M M j1 j ………..54)
Kelembaban Relatif (RH) (ASAE 1994)
s P H P H RH ) 622 . 0 ( + = ………...…...55)
Dimana tekanan statis (Ps) menggunakan persamaan (56) (Bala 1997)
[
52.576 6796 5.0281ln( )]
exp T T
Ps= − − ………...……...…..56)
Validasi model dilakukan untuk membandingkan hasil pengukuran dengan hasil simulasi yang diperoleh pada titik-titik pengukuran. Acuan yang digunakan menganalisis hasil vaidasi adalah kurva fitting dan COD (Coefficient of Determination.
