Optimasi Penggunaan Absorben Pada Pengering Sistem Integrasi Energi Surya dan Desikan

(1)

OPTIMASI PENGGUNAAN ABSORBEN PADA PENGERING

SISTEM INTEGRASI ENERGI SURYA DAN DESIKAN

SKRIPSI

Oleh

NORA PANJAITAN

110405040

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

OPTIMASI PENGGUNAAN ABSORBEN PADA PENGERING

SISTEM INTEGRASI ENERGI SURYA DAN DESIKAN

SKRIPSI

Oleh

NORA PANJAITAN

110405040

SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN

PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

JULI 2016

(3)

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:

OPTIMASI PENGGUNAAN ABSORBEN PADA PENGERING SISTEM INTEGRASI ENERGI SURYA DAN DESIKAN

dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya. Demikian pernyatan ini saya buat, apabila di kemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku.

Medan, Juli 2016

(4)

ii

PENGESAHAN

Skripsi dengan judul:

OPTIMASI PENGGUNAAN ABSORBEN PADA PENGERING SISTEM INTEGRASI ENERGI SURYA DAN DESIKAN

dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini telah diujikan pada sidang ujian skripsi pada 22 Juli 2016 dan dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Mengetahui, Medan, Juli 2016

Koordinator Skripsi Dosen Pembimbing

Ir. Renita Manurung, MT Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, MS NIP. 19681214 199702 2 002 NIP. 19611225 198903 1 003

Dosen Penguji I Dosen Penguji II

Ir. Bambang Trisakti, MT Prof. Dr. Rosdanelli Hasibuan, MT NIP. 19660925 199103 1 003 NIP. 19680808 199403 2 003

(5)

iii

PRAKATA

Puji dan syukur Penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan Skripsi dengan judul “Optimasi Penggunaan Absorben pada Pengering Sistem Integrasi Energi Surya dan Desikan”, Berdasarkan hasil penelitian yang Penulis lakukan di Laboratorium Energi Baru/Terbarukan Balai Riset dan Standarisasi Industri Medan. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik.

Hasil penelitian ini memberikan informasi mengenai solusi yang dapat digunakan

pada malam hari untuk mencegah uap air yang ada di udara masuk kembali ke dalam bahan yang sudah setengah kering pada siang harinya mengingat kakao sangat rentan terhadap tumbuhnya jamur.

Selama melakukan penelitian hingga penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat pengarahan dan bimbingan dari dosen pembimbing penulis. Untuk itu secara khusus penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada Bapak Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, MS dan Ibu Dr. Ir.

Sari Farah Dina, MT.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Medan, Juli 2016

Penulis

(6)

iv

DEDIKASI

Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada :

1. Kedua orang tua tercinta, Sahat M Panjaitan dan Florida Pardosi serta

kakak-adik tercinta, Christy dan Maritse yang telah banyak mendukung dan mendoakan penulis sampai saat ini.

2. Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, M.S, selaku dosen pembimbing dan Sekretaris Departemen Teknik Kimia USU.

3. Dr. Ir. Sari Farah Dina, M.T, selaku dosen pembimbing lapangan yang telah banyak memberikan bimbingan dan arahan dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini.

4. Ir. Bambang Trisakti, M.T dan Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hasibuan, M.T yang telah memberikan saran dan masukan untuk kesempurnaan skripsi ini.

5. Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Kimia USU. 6. Ibu Ir. Renita Manurung, M.T, selaku Koordinator Skripsi Departemen

Teknik Kimia USU.

7. Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi Lubis, M.S sebagai Dosen Pembimbing Akademik.

8. Seluruh Dosen/Staf Pengajar dan Pegawai Administrasi Departemen Teknik Kimia USU yang telah memberikan banyak sekali ilmu yang sangat berharga kepada penulis.

9. Henni D.D.Tampubolon atas kerjasamanya yang baik hingga akhir selama melakukan penelitian dan penulisan skripsi ini.

10.Pontius Pardede atas semangat, dorongan, dan informasi yang sudah

diberikan kepada penulis.

11.Sahabat-sahabat Khataiia terbaik yang selalu memberikan dukungan serta doa untuk penulis yaitu Angel, Widya, Winda, Try, Chaterine, Steffanie, Mutiara, dan Maria.

12.Sahabat-sahabat stambuk 2011 di Teknik Kimia USU khususnya Happy, Fitri, Klaudia, Henni, Fahmi, Iloan, Windi, Anita dan Edy yang telah memberikan banyak dukungan dan semangat kepada penulis.

(7)

(8)

vi

ABSTRAK

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh pertambahan massa absorben terhadap efektivitas pengeringan malam hari, menentukan nilai difusivitas pengeringan kakao, menetukan model kinetika pengeringan kakao, mengetahui nilai konsumsi energi spesifik, dan mengetahui laju pengeringannya. Bahan yang digunakan adalah biji kakao fermentasi. Variabel berubah dalam penelitian ini adalah massa absorben yaitu 1 kg, 2 kg, dan 3 kg. Pengeringan dilakukan menggunakan energi surya selama siang hari yang dilakukan mulai pukul 09.00 sampai dengan pukul 17.00 dengan Indirect Solar Dryer dan dilanjutkan dengan penggunaan absorben pada pakal 17.00 – 09.00. Pengeringan dihentikan pada saat dicapai berat konstan. Hasil pengeringan terbaik diperoleh dari perbandingan massa kakao dan absorben 1:3. Pada malam hari, massa kakao berkurang 19 % – 24 % dengan rentang RH 41 % – 79%. Difusivitas efektif dari hasil pengeringan kakao berada pada rentang 1,16 x 10-10 – 1,38 x 10-10 (m2/detik). Model kinetika yang paling sesuai untuk pengeringan kakao dengan variasi massa absorben ini adalah Model Page. Konsumsi energi spesifik paling rendah yaitu 10,40 MJ/kg H2O yang diuapkan. Laju pengeringan rata-rata adalah 0,0004 kg H2O/jam/kg

berat kering dengan kadar air akhir 4,63 % serta waktu pengeringan 26,8 jam.

Kata Kunci : pengeringan tak langsung, pengeringan kontinu, efektifitas pengeringan, konsumsi energi spesifik, model kinetika pengeringan, difusivitas efektif

(9)

vii

ABSTRACT

This study aims to determine the effect of the absorbent mass accretion to the effectiveness of drying during off-sunshine, determining the value of effective diffusivity drying cocoa, determine the kinetics model for drying cocoa, knowing the value of specific energy consumption, and knowing the drying rate. Material used is fermented cocoa beans. Variable change in this study is the mass of the absorbent ie, 1 kg, 2 kg, and 3 kg. Drying is using solar energy during sunshine hours, start at 9 a.m to 5 p.m. and continued by absorbent during off-sunshine, start at 5 p.m to 9 a.m. Drying is done if the mass of the cocoa is constant. The best results of this study are obtained from in comparison mass of the cocoa and absorbent 1 :3. In the off-sunshine mass of the cocoa reduce 19 % - 24 % with a range of RH 41 % - 79 %. Effective diffusivity cocoa is in the range 1,16 x 10-10 – 1,38 x 10-10 (m2/sec). The most suitable kinetics model for drying cocoa is a Page model. The lowest of specific energy consumption is 10,40 MJ/kg moist. The average of drying rate is 0,0004 kg H2O/hour/kg dry mass with a moisture content 4,63 % and the drying time 26,8

hours.

(10)

viii

DAFTAR ISI

Halaman

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i

PENGESAHAN ii

1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 6

2.1 BIJI KAKAO 6

2.2 PENGERING SURYA 6

2.2.1 Pengeringan Open Sun 6

2.2.2 Pengeringan Tak Langsung (Indirect Dryer) 7 2.2.3 Pengeringan Langsung (Direct Solar) 8

2.3 ENERGI SURYA 9

2.4 DESIKAN 9

2.5 KINETIKA PENGERINGAN 10

2.6 2.7 2.8

KONSUMSI ENERGI SPESIFIK

PSIKOMETRIK DI DALAM PENGERINGAN

FAKTOR – FAKTOR YANG MEMPENGARUHI LAJU

12 13

(11)

PENGERINGAN 15

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 16

3.1 TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN 16 3.2 BAHAN DAN PERALATAN YANG DIGUNAKAN 16

3.2.1 Bahan yang Digunakan 16

3.2.2 Peralatan yang Digunakan 16

3.2.3 Peralatan Pengujian 17

3.3 DIAGRAM KERJA 19

3.4 PROSEDUR KERJA 20

3.4.1 Efektifitas Pengeringan Siang Hari 20 3.4.2 Efektivitas Pengeringan Malam Hari

3.4.3 Difusivitas Efektif

3.4.4 Model Kinetika Pengeringan yang Sesuai 3.4.5 Konsumsi Energi Spesifik

3.4.6 Hubungan Laju Pengeringan dengan Waktu dan Kadar Air

EFEKTIVITAS PENGERINGAN PADA SIANG HARI PERTAMA UNTUK KETIGA SAMPEL

EFEKTIVITAS PENGERINGAN PADA SIANG HARI

KEDUA UNTUK KETIGA SAMPEL

28

31

4.3 EFEKTIVITAS DESIKAN PADA PROSES

DEHIDRASI BIJI KAKAO PADA MALAM HARI 32 4.4 NILAI DIFFUSIVITAS EFEKTIF (DEFF) UNTUK

KETIGA SAMPEL 36

4.5 MODEL PENGERINGAN 36

4.5.1 Moisture Ratio (Rasio Kelembaban) 4.5.2 Analisa Model Pengeringan

36 38 4.6 HUBUNGAN LAJU PENGERINGAN DENGAN

WAKTU DAN KADAR AIR UNTUK KETIGA SAMPEL

41

(12)

x

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 46

4.1 4.2

KESIMPULAN

SARAN

46 47

DAFTAR PUSTAKA 48

(13)

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1 Prinsip Kerja dari Pengering Open Sun 7 Gambar 2.2 Prinsip Pengering Tak Langsung 8 Gambar 2.3 Prinsip Pengering Tak Langsung 8 Gambar 2.4 (a) Rancangan Isolator (b) Gradien Perpindahan Panas

Kolektor Surya

12

Gambar 2.5 Grafik Psikometrik : Sifat Campuran Udara dan Air-Uap 14

Gambar 3.1 Laptop 17

Gambar 3.2 RH dan T Data Logger 17

Gambar 3.3 Hobo Microstation Data Logger 18 Gambar 3.4

Menggunakan Absorben LiCl 19

Gambar 3.6 Prosedur Pengukuran 24

Gambar 3.7 Flowchart Penelitian Optimasi Penggunaan Absorben Pada Pengering Sistem Integrasi Energi Surya dan

Desikan 27

Gambar 4.1 (a) Kondisi Cuaca Pada Tanggal 25 November 2015, (b) Kondisi Cuaca Pada Tanggal 27 November 2015, (c)

Kondisi Cuaca Pada Tanggal 17 Desember 2015 29 Gambar 4.2 (a) Temperatur dan RH didalam Box Pengering pada

Tanggal 25 – 26 November 2015 (b) Temperatur dan RH didalam Box Pengering pada Tanggal 27 – 28 November 2015 (c) Temperatur dan RH didalam Box

Pengering pada Tanggal 17 – 18 Desember 2015 30 Gambar 4.3 (a) Kondisi Cuaca pada Tanggal 26 November 2015, (b)

Kondisi Cuaca pada Tanggal 28 November 2015, (c)

(14)

xii

Gambar 4.4 Pengaruh Massa Absorben LiCl terhadap Ratio

Humidity (RH) dan Temperatur Minimum yang Dicapai 34

Gambar 4.5 Pengurangan Massa Kakao pada Malam Hari ₃₅

Gambar 4.6 Perbandingan Nilai Difusivitas Efektif dengan Waktu ₃₆

Gambar 4.7 Hubungan MR (Moisture Ratio) dengan Waktu

Pengeringan Kakao Selama Proses Pengeringan 37 Gambar 4.8 Hasil Pencocokan Kurva Untuk Menggambarkan Model

Pengeringan Biji Kakao (a) Surya + Absorben (1:1) (b)

Surya + Absorben (1:2) (c) Surya + Absorben (1:3) Hubungan Laju Pengeringan Terhadap Waktu Untuk

Ketiga Sampel 40

Gambar 4.9 Hubungan Laju Pengeringan Terhadap Kadar Air Untuk

Ketiga Sampel 41

Gambar 4.10 Hubungan Laju Pengeringan Terhadap Kadar Air Untuk

(15)

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 1.1 Penelitian Sebelumnya Tentang Alat Pengering Kakao 3 Tabel 1.2 Variabel Tetap Yang Dilakukan Dalam Penelitian 5 Tabel 2.1 Model Kinetika Pengeringan yang Digunakan 11

Tabel 3.1 Spesifikasi Pyranometer 20

Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor 21 Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus 21

Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor 22 Tabel 3.5 Tabel Pengukuran yang Dilakukan dalam Penelitian 25 Tabel 4.1 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao 33

Tabel 4.2 Bentuk Linier Model Pengeringan Biji Kakao 38 Tabel 4.3 Nilai Konstanta dan R2 Masing-Masing Model

Pengeringan 38

Tabel 4.4 Nilai R2, χ2 dan RMSE 39 Tabel L1.1 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao dengan Perbandingan

Massa Kakao : Absorben 1 : 1 53

Tabel L1.2 Data Hasil Pengeringan Biji Kakao dengan Perbandingan

Tabel L1.7 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 1 dengan

Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 1

(16)

xiv

Tabel L1.8 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 1 dengan

Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 2

82

Tabel L1.9 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 1 dengan Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 3

85

Tabel L1.10 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 2 dengan Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 1

87

Tabel L1.11 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 2 dengan Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 2

90

Tabel L1.12 Data Relative Humidity (RH), Suhu Lingkungan, dan Intensitas Radiasi Matahari Percobaan 2 dengan Perbandingan Massa Kakao : Absorben 1 : 3

93

Tabel L2.13 Sifat Fisik Udara pada Temperatur Film 314,14 K 104 Tabel L2.14 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 310,35 K 107 Tabel L2.15 Sifat Fisik Udara pada Temperatur 330,42 K 109

(17)

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN 1 DATA PENELITIAN 53

L1.1 DATA HASIL PENGERINGAN PERCOBAAN 1 53 L1.2 DATA HASIL PENGERINGAN PERCOBAAN 2 67 L1.3 DATA RELATIVE HUMIDITY (RH),SUHU LINGKUNGAN,

DAN INTENSITAS RADIASI MATAHARI

PERCOBAAN 1 80

L1.4 DATA RELATIVE HUMIDITY (RH), SUHU LINGKUNGAN,

DAN INTENSITAS RADIASI MATAHARI

PERCOBAAN 2 87

LAMPIRAN 2 CONTOH PERHITUNGAN 96

L2.1 PERHITUNGAN BERAT KERING 96

L2.1.1 Perhitungan Berat Kering Untuk Sampel

Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 96

L2.2 PERHITUNGAN KADAR AIR 96

L2.2.1 Perhitungan Kadar Air Untuk Untuk Sampel

Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 96 L2.3 PERHITUNGAN LAJU PENGERINGAN 96

L2.3.1 Perhitungan Laju Pengeringan Untuk Sampel

Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 97 L2.4 PERHITUNGAN MOISTURE RATIO 97

L2.4.1 Perhitungan Moisture Ratio Untuk Sampel

Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 97 L2.5 PERHITUNGAN DIFFUSIVITAS EFEKTIF 98

L2.5.1 Perhitungan Diffusivitas Efektif Untuk Sampel

Perbandingan Massa Kakao dan Absorben 1:1 98 L2.6 MODEL MATEMATIKA PENGERINGAN 99

L2.6.1 Perhitungan MRpred 99

L2.6.2 Perhitungan RSME (Root Mean Square Error) 103

(18)

xvi

L2.7 MENGHITUNG KECEPATAN PROFIL KOLEKTOR 104

L2.8 MENGHITUNG TEMPERATUR MASUK RUANG PENGERING 106

L2.9 MENGHITUNG KOEFISIEN KONVEKSI 107

L2.10 MENGHITUNG KEHILANGAN PANAS 111

L2.11 MENGHITUNG PANAS MASUK (QIN) PADA KOLEKTOR 115

L2.12 MENGHITUNG PANAS YANG DIGUNAKAN (QU) PADA KOLEKTOR 115

L2.13 MENGHITUNG PANAS REAKSI ABSORBEN 115

L2.14 MENGHITUNG KONSUMSI ENERGI SPESIFIK 116

LAMPIRAN 3 DOKUMENTASI PENELITIAN 117

L3.1 FOTO ALAT INDIRECT SOLAR DRYER 117

L3.2 FOTO SAMPEL KAKAO SEBELUM PENGERINGAN 117

L3.3 FOTO SAMPEL KAKAO PADA PENGERINGAN MALAM HARI 118

L3.4 FOTO SAMPEL KAKAO SESUDAH PENGERINGAN 118

(19)

DAFTAR SINGKATAN

DR Drying Rate

RH Relatif Humudity

ISD Indirect Solar Drying

MR Moisture Ratio

RSME Root Mean Square Error

(20)

xviii

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

A Luas Bahan m

dm _{Perubahan massa sampel} _gram dt _{Perubahan waktu}

Mc _{Berat bahan saat setimbang} gram

T _Suhu o_C

L _{Setengah tebal bahan} _cm

Deff _{Difusivitas Efektif} _m2_/detik

R2 Koefisien determinan -

a _{Konstanta model pengeringan} _- k _{Konsanta model pengeringan} _- n _{Konstanta model pengeringan} _-

(21)

o _{Kondisi awal} _-

p _{Plat absorber} _-

r _Reaksi _-

rw _Rockwool _-

st _Styrofoam _-

t _{Kondisi pada t detik} _-

ud _Udara _-

loss _Hilang _-

rad _Radiasi _-

F’ Faktor efisiensi kolektor (90%) % h Koefisien konveksi W/m2.K I Intensitas radiasi matahari W/m2 k Konduktivitas termal W/m.K

Q Jumlah panas J

r Jari-jari ekivalen bola m

T Temperatur K, oC

t Waktu detik

v Kecepatan rata-rata m/s