BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengeringan Hasil Pertanian dan Perkebunan
Pengeringan hasil pertanian dan perkebunan merupakan salah satu unit operasi energi paling intensif dalam pengolahan pasca panen. Unit operasi ini diterapkan untuk mengurangi kadar air produk seperti berbagai buah-buahan, sayuran, dan produk pertanian atau perkebunan lainnya setelah panen. Pengeringan adalah proses pemindahan panas dan uap air secara simultan yang memerlukan panas untuk menguapkan air dari permukaan bahan tanpa mengubah sifat kimia dari bahan tersebut. Dasar dari proses pengeringan adalah terjadinya penguapan air ke udara karena perbedaan kandungan uap air antara udara dan bahan yang dikeringkan. Laju pemindahan kandungan air dari bahan akan mengakibatkan berkurangnya kadar air dalam bahan tersebut.
Pada prinsipnya, pengeringan hasil pertanian dan perkebunan bertujuan untuk mengurangi kadar air yang terkandung pada bahan sampai pada kadar air yang diinginkan. Tujuan mengurangi kadar air adalah untuk memperpanjang kehidupan rak-produk bio-asal dengan mengurangi kadar air ke tingkat yang cukup rendah sehingga menghambat pertumbuhan mikroorganisme, reaksi enzimatik, dan reaksi lainnya yang memperburuk produk pertanian dan perkebunan tersebut.
Faktor-faktor yang berpengaruh dalam proses pengeringan adalah suhu, kelembaban udara, laju aliran udara, kadar air awal bahan dan kadar air akhir bahan.
2.2 Jenis - Jenis Pengeringan
Jenis-jenis pengeringan berdasarkan karakteristik umum dari beberapa pengering konvensional dibagi atas 8 bagian, yaitu : (Arun S. Mujumdar, Chung Lim Law. 2009)
a) Baki atau wadah
Pengeringan jenis baki atau wadah adalah dengan meletakkan material yang akan dikeringkan pada baki yang lansung berhubungan dengan media
pengering. Cara perpindahan panas yang umum digunakan adalah konveksi dan perpindahan panas secara konduksi juga dimungkinkan dengan memanaskan baki tersebut.
b) Rotary
Pada jenis ini ruang pengering berbentuk silinder berputar sementara material yang dikeringkan 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.
c) Flash
Pengering dengan flash (flash dryer) digunakan untuk mengeringkan kandungan air yang ada di permukaan produk yang akan dikeringkan. Materi yang dikeringkan dimasukkan dan mengalir bersama medium pengering dan proses pengeringan terjadi saat aliran medium pengering ikut membawa produk yang dikeringkan. Setelah proses pengeringan selesai, produk yang dikeringkan akan dipisahkan dengan menggunakan hydrocyclone.
d) Spray
Teknik pengeringan spray umumnya digunakan untuk mengeringkan produk yang berbentuk cair atau larutan suspensi menjadi produk padat. Contohnya, proses pengeringan susu cair menjadi susu bubuk dan pengeringan produk-produk farmasi. Cara kerjanya adalah cairan yang akan dikeringkan dibuat dalam bentuk tetesan oleh atomizer dan dijatuhkan dari bagian atas. Medium pengering (umumnya udara panas) dialirkan dengan arah berlawanan atau searah dengan jatuhnya tetesan. Produk yang dikeringkan akan berbentuk padatan dan terbawa bersama medium pengering dan selanjutnya dipisahkan dengan hydrocyclone.
e) Fluidized bed
Pengeringan dengan menggunakan kecepatan aliran udara yang relatif tinggi menjamin medium yang dikeringkan terjangkau oleh udara. Jika
dibandingkan dengan jenis wadah, jenis ini mempunyai luas kontak yang lebih besar.
f) Vacum
Pengeringan dengan memanfaatkan ruangan bertekanan udara rendah. Dimana pada ruangan tersebut tidak terjadi perpindahan panas, tetapi yang terjadi adalah perpindahan massa pada suhu rendah.
g) Membekukan
Pengeringan dengan menggunakan suhu yang sangat rendah. Biasanya digunakan pada produk-produk yang bernilai sangat tinggi, seperti produk farmasi dan zat-zat kimia lainnya.
h) Batch dryer
Pengeringan jenis ini hanya baik digunakan pada jumlah material yang sangat sedikit, seperti penggunaan pompa panas termasuk pompa panas kimia.
Pada bagian tugas akhir ini akan dilakukan simulasi pada pengeringan tipe wadah dengan menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi pemanas udara pengering.
2.3 Faktor Yang Memepengaruhi Pengeringan
Pada proses pengeringan selalu diinginkan kecepatan pengeringan yang maksimal. Oleh karena itu perlu dilakukan usaha-usaha untuk mempercepat pindah panas dan pindah massa (pindah massa dalam hal ini adalah perpindahan air keluar dari bahan yang dikeringkan dalam proses pengeringan tersebut).
Ada beberapa faktor yang perlu diperhatikan untuk memperoleh kecepatan pengeringan yang maksimum, yaitu (Ainun Rohanah, 2006) :
a) Luas Permukaan Bahan
Semakin luas permukaan bahan maka akan semakin cepat bahan menjadi kering. Biasanya bahan yang akan dikeringkan dipotong-potong untuk mempercepat pengeringan, karena :
Perlakuan tersebut dapat menyebabkan permukaan bahan semakin luas, dimana permukaan yang luas dapat memberikan lebih banyak
permukaan yang dapat berhubungan dengan medium pemanas serta lebih banyak permukaan tempat air keluar.
Potongan-potongan kecil atau lapisan yang tipis tersebut dapat mengurangi jarak yang harus dilewati panas (kalor) sampai ke pusat bahan pangan dan mengurangi jarak yang dilalui massa air dari pusat bahan keluar menuju permukaan bahan dan keluar dari bahan.
b) Suhu
Semakin besar perbedaan suhu (antara medium pemanas dengan bahan pangan) maka akan semakin cepat proses pindah panas berlangsung sehingga mengakibatkan proses penguapan semakin cepat pula. Atau semakin tinggi suhu udara pengering maka akan semakin besar energi panas yang dibawa ke udara yang akan menyebabkan proses pindah panas semakin cepat sehingga pindah massa akan berlangsung juga dengan cepat.
Semakin tinggi suhu udara maka akan semakin banyak air yang keluar dari bahan yang dikeringkan dalam bentuk uap air. Uap air tersebut harus dikeluarkan dari udara, sebab bila tidak uap air tersebut akan memenuhi atmosfir di sekeliling permukaan bahan sehingga akan memperlambat proses perpindahan massa selanjutnya.
Tetapi suhu udara pengering yang tinggi dapat menyebabkan case
handering, sehingga dapat memperlambat laju pengeringan. Case
handering adalah suatu keadaaan bahan yang permukaan bahan tersebut
keras (sudah kering) tetapi bagian dalamnya belum terjadi proses pengeringan secara sempurna (masih basah).
c) Kecepatan Udara
Umumnya udara yang bergerak akan lebih banyak mengambil uap air dari permukaan bahan yang dikeringkan. Udara yang bergerak adalah udara yang mempunyai kecepatan gerak yang tinggi yang berguna untuk mengambil uap air dan menghilangkan uap air dari permukaan bahan yang dikeringkan, sehingga dapat mencegah terjadinya udara jenuh yang dapat
d) Kelembaban Udara (RH)
Semakin lembab udara di ruang pengering dan sekitarnya maka akan semakin lama proses pengeringan berlangsung kering., begitu juga sebaliknya. Karena udara kering dapat mengabsobsi dan menahan air. Setiap bahan khususnya bahan pangan mempunyai keseimbangan kelembaban nisbi (RH keseimbangan) masing-masing, yaitu kelembaban pada suhu tertentu dimana bahan tidak akan kehilangan air (pindah) ke atmosfir atau tidak akan mengambil uap air dari atmosfir.
Jika RH udara < RH keseimbangan bahan masih dapat dikeringkan Jika RH udara > RH keseimbangan bahan akan menarik uap air e) Tekanan Atmosfir Dan Vakum
Pada tekanan udara atmosfir 760 Hg (= 1 atm), air akan mendidih pada suhu 100oC. Pada tekanan udara lebih rendah dari 1 atmosfir air akan mendidih pada suhu lebih rendah dari 100oC.
P 760 Hg = 1 atm air mendidih 100oC P udara < 1 atm air mendidih < 100oC f) Waktu
Semakin lama waktu (batas tertentu) pengeringan maka akan semakin cepat proses pengeringan selesai. Dalam pengeringan diterapkan konsep HTST (High Temperature Short Time), short time dapat menekan biaya pengeringan.
2.4 Sekilas Tentang Singkong (Cassava)
Cassava (singkong) yang juga dikenal sebagai ketela pohon atau ubi kayu
adalah pohonan tahunan tropika dan subtropika dari keluarga Euphorbiaceae. Umbinya dikenal luas sebagai makanan pokok penghasil karbohidrat dan daunnya sebagai sayuran. Umbi akar singkong banyak mengandung glukosa dan dapat dimakan mentah. Umbi yang rasanya manis menghasilkan paling sedikit 20 mg HCN per kilogram umbi akar yang masih segar (PTP, 2008).
Cassava (Manihot utilissima) menghasilkan umbi setelah tanaman
berumur 6 bulan. Setelah tanaman berumur 12 bulan dapat menghasilkan umbi basah sampai 30 ton/ha. Kerusakan yang biasa timbul pada ubi kayu adalah warna
hitam yang disebabkan oleh aktivitas enzim polyphenolase atau biasa disebut dengan kepoyoan (Syarief dan Irawati, 1988).
Akar-akaran dan umbi-umbian kandungan patinya tinggi dan kenyataannya bahwa ditanam secara melimpah, akar-akaran dan umbi-umbian merupakan salah satu pangan pokok atau yang utama yang dimakan diberbagai bagian Asia Tenggara. Di samping sayuran akar-akaran semacam itu seperti
cassava (singkong), talas, kentang, ubi jalar dan uwi, buah-buahan yang berpati seperti pisang untuk dimasak, sukun dan nangka dimasukkan dalam golongan pangan di atas. Pangan tersebut merupakan sumber energi yang baik (Harper, et al, 1987).
Adapun komposisi kimia ubi cassava dapat dilihat dari tabel berikut ini :
Tabel 2.1 Daftar Komposisi Kimia Cassava (Singkong)/ 100 gr bahan
Komponen Kadar Kalori (kal) 146 Protein (gr) 1.2 Lemak (gr) 0.3 Karbohidrat (gr) 34.7 Kalsium (mg) 33 Fosfor (mg) 40 Besi (mg) 0.7 Vitamin A (S.I) 0 Vitamin B1 (mg) 0.06 Vitamin C (mg) 30 Air (gr) 62.5 BDD (%) 75
Sumber : Departemen Kesehatan R.I, (1992).
Secara alami ada 3 jenis karbohidrat, yaitu monosakarida, oligosakarida dan polisakarida. Bentuk yang paling umum dari oligosakarida yaitu disakarida yang terdiri dari 2 monosakarida. Contoh yang paling umum dari disakarida yaitu sukrosa. Bahan monosakarida yang terdapat diperdagangan umumnya dibuat melalui proses hidrolisa bahan polisakarida. Bahan monosakarida untuk makanan dan obat-obatan seperti glukosa dan fruktosa sering dibuat dari jagung, ketela pohon, ubi jalar dan lainnya (Sudarmadji, et al., 1989).
Pada pengeringan cassava membutuhkan waktu penjemuran lebih kurang 46 jam atau dua hari hingga mendapatkan moisture content sebasar <14% dengan temperatur pengeringan antara 30oC sampai dengan 60oC. Konsep inilah yang digunakan sebagai acuan untuk menciptakan Solar Dryers. Berikut mesin pengering tenaga surya (solar dryers) yang menggunakan ubi kayu (cassava) sebagai sampelnya.
Gambar 2.1 MesinPengering
Mesinpengering tenaga surya (solar dryers) Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya diatas menggunakan ubi kayu (cassava) sebagai sampelnya. Mesin diatas memiliki effisiensi 17,33 % dan kadar air akhir cassava 14%.
2.5 Matahari (Surya)
2.5.1 Karakteristik Matahari
Matahari adalah bintang terdekat dari bumi. Seperti halnya bintang yang lain, matahari memancarkan cahayanya sendiri. Cahaya yang terpancar dari matahari disebabkan oleh adanya reaksi fusi nuklir yang terjadi di inti matahari. Selain memancarkan cahaya, matahari juga menghasilkan energy yang sangat besar dalam bentuk panas. Energi dari proses reaksi di inti hingga terhantar ke permukaan matahari berlangsung melalui proses yang kompleks. Terjadinya
reaksi nuklr di inti dan proses penghantarannya di bagian dalam matahari menyebabkan matahari selalu beraktivitas secara dinamis sepanjang waktu.
Gambar 2.2 Matahari
a) Inti matahari
Matahari bukanlah satu benda padat yang homogen, tetapi seperti bola gas raksasa yang terdiri atas lapisan-lapisan yang berbeda. Pada bagian inti, reaksi fusi nuklir berlangsung pada suhu sekitar 15 juta derajat Celcius. Inti matahari mengsisi sepertiga jari-jari terdalam dari matahari. Di sini, bergabung empat inti hydrogen membentuk satu buah inti helium. Reaksi ini menghasilkan energy yang sangat besar dalam bentuk gelombang electromagnet dan partikel. Energi yang besar ini kemudian merambat ke bagian yang lebih luar melalui cara radiasi atau pancaran. b) Daerah radiasi
Bagian dalam matahari yang menghantarkan energy secara radiasi disebut sebagai daerah radiasi (radiation zone). Daerah radiasi ada pada bagian terluar inti matahari hingga jarak sekitar 0.8 jari-jari matahari. Daerah radiasi memiliki kerapatan yang sangat tinggi sehingga gelombang elektromagnetik dari inti matahari membutuhkan waktu hingga ratusan ribu tahun untuk sampai di bagian terluarnya. Pada bagian dasar daerah radiasi, suhunya mencapai 7 juta derajat Celcius, sedangkan bagian luarnya memiliki suhu 2 juta derajat Celcius.
c) Daerah konveksi
Di bagian luar daerah radiasi terdapat daerah konveksi. Di bagian ini, energy menjalar ke permukaan matahari melalui proses konveksi atau aliran. Aliran energy ini terbawa oleh medium plasma yang mengisi daerah konveksi. Plasma adalah gas yang terionisasi oleh suhu yang sangat tinggi sehingga electron-elektronnya terpisah dari atom atau molekulnya . Pada daerah konveksi, aliran plasma begitu kompleks sehingga menghasilkan medan magnet yang berfluktuasi sepanjang waktu. Dinamika medan magnet ini sangat aktif sehingga mempengaruhi munculnya beragam aktivitas di permukaan matahari. Aktivitas matahari ini kadang teramati dari bumi dan sering mengakibatkan pengaruh yang besar terhadap kondisi cuaca antariksa secara keseluruhan.
Bagian matahari yang terlihat dari bumi adalah permukaan matahari atau fotosfer. Fotosfer terletak di atas daerah konveksi. Suhu di fotosfer sekitar 6000 derajat Celcius. Sebagian dari proses konveksi tampak di fotosfer berupa luapan plasma seperti gelembung yang disebut granula. Di fotosfer juga terjadi beberapa aktivitas matahari akibat dari dinamika medan magnet di daerah konveksi.
Di atas fotosfer terdapat lapisan atmosfer matahari yang disebut kromosfer. Kromosfer memiliki suhu antara 4500 hingga 25.000 derajat Celcius. Suhu di atas kromosfer meningkat dengan tajam hingga mencapai 2 juta derajat Celcius pada daerah yang dinamakan korona. Meskipun jauh lebih panas dari permukaan matahari, korona lebih redup darinya sehingga tidak tampak dari bumi kecuali pada saat gerhana matahari. Pada bagian atmosfer matahari ini terjadi beberapa aktivitas matahari yang dapat berpengaruh pada cuaca anatraiksa.
2.5.2 Teori Dasar Radiasi Surya
Radiasi adalah proses perpindahan panas tampa melalui media. Bila energi radiasi menimpa permukaan suatu bahan, maka sebagian akan dipantulkan (refleksi) , sebagian lagi akan diserap (absorbsi) dan sebagian lagi akan diteruskan
(transmisi). Kebanyakan benda padat tidak bisa mentransmisikan radiasi thermal
Gambar 2.3 Radiasi surya
Terdapat dua jenis pantulan radiasi yaitu spekular dan diffuse. Jika sudut pantulan radiasi sama, maka pantulannya disebut spektular. Jika sudut pantulannya beragam ke semua arah maka pantulannya adalah diffuse.
Atmosfer bumi terdiri atas empat lapisan dari yang terdekat dari permukaan bumi yaitu troposfer (0-10 km), stratosfer (10-40 km), mesosfer (40-50 km), dan
thermosfer (50-300 km).
Gambar 2.4 Lapisan atmosfer bumi
Radiasi yang sampai di lapisan thermosfer dilambangkan (Gon). Radiasi yang diteruskan ke permukaan bumi dilambangkan (Gbeam). Radiasi akibat pemantulan dan pembiasan dilambangkan (Gdiffuse).
2.5.3 Rumusan Radiasi Surya
Matahari mempunyai diameter 1,39×109 m. Bumi mengelilingi matahari dengan lintasan berbentuk ellipse dan matahari berada pada salah satu pusatnya. Jarak rata-rata matahari dari permukaan bumi adalah 1,49×1011 m.
Lintasan bumi terhadap matahari berbentuk ellipse, maka jarak antara bumi dan matahari adalah tidak konstan. Jarak terdekat adalah 1,47x1011 m yang terjadi pada tanggal 3 Januari 2011,dan jarak terjauh pada tanggal 3 juli dengan jarak 1,52x1011 m. Karena adanya perbedaan jarak ini, menyebabkan radiasi yang diterima atmosfer bumi juga akan berbeda.
Gambar 2.5 Pergerakan bumi terhadap matahari
Untuk menghitung radiasi pada hari ke- n, diperlukan rumusan Duffie dan Beckmann (1991):
Persamaan radiasi pada atmosfer yang diajukan oleh Spencer pada tahun 1971.
Gon = Gsc (1,00011 + 0,034221 cos B + 0,00128 sin B + 0,000719 cos 2B
+ 0,000077 sin 2B) ... .(2.1)
dengan nilai B (konstanta hari) sebagai berikut :
B =
...
(2.2)Dimana : Gsc = Daya radiasi rata-rata yang diterima atmosfer bumi (1367 W/m2) B = konstanta yang bergantung pada nilai n
Gon= radiasi yang diterima atmosfer bumi (W/m2) Nilai n bergantung pada urutan hari (i)
Tabel 2.2 Urutan Hari Berdasarkan Bulan
Bulan N Januari i Februari 31+i Maret 59+i April 90+i Mei 120+i Juni 151+i Juli 181+i Agustus 212+i September 243+i Oktober 273+i November 304+i Desember 334+i
Beberapa Istilah yang biasanya dijumpai pada perhitungan radiasi adalah :
a) Air Mass (m)
Adalah perbandingan massa udara sampai ke permukaan bumi pada posisi tertentu dengan massa udara yang dilalui sinar jika matahari tepat pada posisi zenit. Artinya pada posisi tegak lurus (zenit =0) nilai m=1 , pada sudut zenith 600, m=2. Pada sudut zenit dari 00-700.
m =
... (2.3)
b) Beam Radiation
Radiasi energy dari matahari yang tidak dibelokkan oleh atmosfer. Istilah ini sering juga disebut radiasi langsung (direct solar radiation).
c) Diffuse Radiation
Radiasi energy surya dari matahari yang telah dibelokkan oleh atmosfer.
d) Total Radiation
Adalah jumlah beam dan diffuse radiation.
e) Irradiance (W/m2)
Adalah laju energi radiasi yang diterima suatu permukaan persatuan luas permukaan tersebut Solar irradiance biasanya disimbolkan dengan G. Dalam bahasa Indonesia besaran ini biasanya disebut dengan Intensitas radiasi.
f) Irradiation atau Radian Exposure (J/m2)
Jumlah energi radiasi (bukan laju) yang diterima suatu permukaan dalam interval waktu tertentu. Besaran ini didapat dengan mengintegralkan G pada interval waktu yang diinginkan, misalnya untuk 1 hari biasa disimbolkan H dan untuk 1 jam biasa disimbolkan I.
g) Solar Time atau Jam Matahari
Adalah waktu berdasarkan pergerakan semu matahari di langit pada tempat tertentu. Jam matahari (disimbolkan ST) berbeda dengan penunjukkan jam biasa (standard time, disimbolkan STD). Hubungannya adalah:
ST =STD ±4(Lst-Lloc)+E ……… (2.4)
Dimana : STD = waktu lokal
Lst = standart meridian untuk waktu lokal (o)
Lloc = derajat bujur untuk daerah yang dihitung (o) ; untuk bujur timur, digunakan -4, untuk bujur barat digunakan +4 E = faktor persamaan waktu
Pada persamaan ini Lststandard meridian untuk waktu lokal. Lloc adalah derajat bujur daerah yang sedang dihitung, jika daerah yang dihitung ada pada bujur timur, maka gunakan tanda minus didepan angka 4 dan jika bujur barat adalah tanda plus. E adalah equation of time, dalam satuan menit dirumuskan oleh Spencer pada tahun 1971.
E = 229,2(0,000075 + 0,001868 cos B - 0,032077 sin B - 0,014615 cos 2B - 0,04089 sin 2B ... .(2.5)
Dimana : B = konstanta yang bergantung pada nilai n E = faktor persamaan waktu
Dalam menentukan arah radiasi terdapat beberapa sudut yang harus diketahui. Dapat dilihat pada gambar 2.6. Beberapa sudut untuk mendefenisikan arah radiasi matahari.
Slope β adalah sudut antara permukaan yang dianalisis dengan horizontal. Nilai 0 ≤ β ≤ 900. permukaan γ adalah sudut penyimpangan sinar pada bidang proyeksi dimana 0o pada selatan dan positif ke barat. Sudut penyinaran θ (angle accident) adalah sudut yang dibentuk sinar dan garis normal dari suatu permukaan. Sudut zenith θz adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Sudut ketinggian matahari αs (solar altitude
angel) adalah sudut antara sinar dengan permukaan. Sudut azimut matahari γs
adalah sudut antara proyeksi matahari terhadap selatan, ke timur adalah negatif dan ke barat adalah positif.
Sudut lain yang sering digunakan dalam menentukan jumlah radiasi yang dapat diterima oleh sebuah permukaan di bumi antara lain sudut deklinasi δ , yaitu kemiringan sumbu matahari terhadap garis normalnya. Kemudian sudut jam ω adalah sudut pergeseran semu matahari dari dari garis siang. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam, ω berkurang 150 dan setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 150. Artinya tepat pukul 12.00 siang, ω=0 , pukul 11.00 pagi ω= -150
dan pukul 14.00, ω = 300.
Spencer (1971) mengajukan persamaan untuk menghitung sudut deklinasi :
= C1 + C2CosB + C3sinB + C4cos2B + C5sin2B + C6cos3B + C7sin3B……..(2.6) Dimana = sudut deklinasi (rad)
C1 = 0,006918 C5 = 0,000907 C2 = -0,399912 C6 = -0,002679 C3 = 0,070257 C7 = 0,00148 C4 = -0,006758
Nilai B dihitung dengan menggunakan persamaan (2.2) dan n adalah urutan hari pada suatu tahun. Berdasarkan bulan yang diketahui ditampilkan pada Tabel 2.2.
Sudut zenith (θz) adalah sudut yang dibentuk garis sinar terhadap garis zenith. Cosinus sudut zenith dapat dicari melalui persamaan berikut.
cos θz = cos θ cos δ cos ω + sin θ sin δ ... (2.7)
Dimana z = sudut zenith
θ = sudut posisi lintang
= sudut deklinasi.
ω = sudut jam matahari.
Sudut jam matahari (ω) dihitung berdasarkan jam matahari. Definisi sudut jam matahari adalah sudut pergeseran semu matahari dari garis siangnya. Perhitungan berdasarkan jam matahari (ST), setiap berkurang 1 jam , ω berkurang 15o, setiap bertambah 1 jam, ω bertambah 15o .
ω = 15(STD – 12) + (ST-STD) x
... (2.8) Dimana : STD = waktu lokal
ST = solar time
= sudut jam matahari ( o)
Dengan estimasi langit cerah, fraksi radiasi matahari yang diteruskan dari atmosphere ke permukaan bumi (Duffle, 2006) adalah,
ηb = ao + a1 exp
(
θ)
... (2.9) Dimana ao = ro (0,4237 - 0,0082 (6 – A)2) a1 = r1 (0,5055 + 0,00595 (6.5 – A)2) k = rk (0.2711 + 0.01858 (2.5 – A)2)
Tabel 2.3 Faktor Koreksi Iklim Iklim ro r1 rk Tropical 0,95 0,98 1,02 Midatude summer 0,97 0,99 1,02 Subarctic Summer 0.99 0,99 1,01 Midatude Winter 1,03 1,01 1,00 (Sumber : Duffle, 2006)
Radiasi beam adalah radiasi yang langsung di transmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi beam :
Gbeam = Gon ηb cos θz ... (2.10)
Dimana : Gon = radiasi yang diterima atmosphere (W/m2) ηb = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi cos θz = cosinus sudut zenith
Gbeam = radiasi yang ditransmisikan dari atmosphere ke permukaan bumi (W/m2)
Radiasi diffuse adalah radiasi yang di pantulkan ke segala arah, dan kemudian dimanfaatan. Adapun persamaan yang digunakan untuk mencari radiasi diffuse adalah :
Gdifuse = Gon cos θz (0,271 – 0,294 ηb) ... (2.11)
dimana : Gdifuse = Radiasi yang dipantulkan ke segala arah dan kemudian dapat dimanfaatkan.
Gon = radiasi yang diterima atmosphere (W/m2) ηb = faksi radiasi yang diteruskan ke bumi cos θz = cosinus sudut zenith
Radiasi total adalah jumlah dari radiasi beam dan radiasi diffuse seperti pada persamaan berikut :
Gtotal = Gbeam + Gdifuse ... (2.12)
2.6 Kolektor Surya
Kolektor surya merupakan sebuah alat yang mampu menyerap sinar radiasi matahari, sehingga dapat memanaskan udara yang ada di dalam ruang kolektor tersebut. Panas di dalam ruang kolektor dapat digunakan untuk berbagai keperluan salah satunya adalah untuk pengeringan di dalam bidang pertanian.
Kolektor datar dan konsentrator merupakan alat yang digunakan untuk mengumpulkan energi radiasi surya sedemikian sehingga energi termal yang dihasilkan dapat dimanfaatkan secara lebih praktis untuk berbagai proses. Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu:
a) Cover (penutup) transparan
Cover berfungsi untuk meyerap panas dari sinar radiasi matahari dan untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan.
b) Absorber
Absorber berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari dan dengan panas tersebut digunakan untuk memanaskan udara yang ada di dalam kolektor.
c) Kanal
Kanal berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja atau tempat mengalirnya udara panas dari dalam kolektor menuju ruang pengeringan .
d) Isolator
Isolator berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan.
e) Frame
Gambar 2.8 Komponen-komponen umum kolektor
Panas dari absorber dimanfaatkan melalui penukar panas ke media pembawa panas. Media pembawa panas yang umum digunakan dapat merupakan udara atau air. Ketika menggunakan air sebagai media, absorber akan mengkonduksikan panas menuju ke permukaan pipa-pipa bagian luar. Selanjutnya berlangsung konduksi panas dari permukaan luar ke permukaan dalam. Dengan proses konveksi, panas akan berpindah dari permukaan dalam ke air yang mengalir di dalam pipa tersebut, sehingga suhu air akan meningkat. Air dengan suhu yang tinggi kemudian dimanfaatkan pada di bagian lain di luarkolektor datar. Proses yang mirip terjadi ketika udara digunakan sebagai media pembawa panas, namun dalam hal ini pipa jarang digunakan. Udara di atas (atau di bawah) absorber dipanaskan melalui proses konveksi akibat kontak langsung dengan absorber. Udara dengan suhu tinggi ini kemudian dialirkan keluar kolektor untuk dimanfaatkan pada proses-proses yang memerlukan udara panas.
Kinerja sebuah kolektor surya akan bergantung dari karakteristik absorptivitas dari absorber, transmisivitas dari bahan transparan, overall heat transfer coefficient (koefisien pindah panas keseluruhan) dari insulator, bahan transparan serta absorber.
Absorbtivitas merupakan porsi cahaya yang diserap oleh suatu objek; transmisivitas merupakan porsi cahaya yang diteruskan oleh suatu objek; sedangkan koefisien pindah panas keseluruhan merupakan daya hantar panas atau kebalikan dari resistansi panas.
Terdapat empat jenis kolektor surya yang diklasifikasikan ke dalam Solar Thermal Collector System dan juga memiliki korelasi dengan pengklasifikasian kolektor surya berdasarkan dimensi dan geometri dari receiver yang dimilikinya yaitu :
a) Flat-Plate Collectors ( Kolektor Pelat Datar )
Keuntungan utama dari sebuah kolektor surya plat datar adalah bahwa memanfaatkan kedua komponen radiasi matahari yaitu melalui sorotan langsung dan sebaran, tidak memerlukan tracking matahari dan juga karena desainnya yang sederhana, hanya sedikit memerlukan perawatan dan biaya pembuatan yang murah. Pada umumnya kolektor jenis ini digunakan untuk memanaskan ruangan dalam rumah, pengkondisian udara, dan proses-proses pemanasan dalam industri.
Tipe ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur di bawah 100°C. Spesifikasi tipe ini dapat dilihat dari absorber-nya yang berupa plat datar yang terbuat dari material dengan konduktivitas termal tinggi, dan dilapisi dengan cat berwarna hitam. Kolektor pelat datar memanfaatkan radiasi matahari langsung dan terpencar (beam dan diffuse), tidak membutuhkan pelacak matahari, dan hanya membutuhkan sedikit perawatan. Aplikasi umum kolektor tipe ini antara lain digunakan untuk pemanas air, pemanas gedung, pengkondisian udara, dan proses panas industri. Komponen penunjang yang terdapat pada kolektor pelat datar antara lain; transparent cover, absorber, insulasi, dan kerangka
b) Prismatic Solar Colector ( Kolektor Surya Prismatik )
Kolektor surya tipe prismatik dapat digolongkan dalam kolektor plat datar dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang tersusun dari 4 bidang yang membentuk prisma, 2 bidang berbentuk segi-tiga sama kaki dan 2 bidang yang lain berbentuk segi-empat siku-siku. Keunggulan dari kolektor surya tipe prismatik ini adalah kemampuannya untuk dapat menerima energi radiasi matahari dari segala posisi matahari.
Gambar 2.10 Kolektor surya prismatic
c) Concentrating Collectors( Kolektor Surya Konsentrasi )
Jenis ini dirancang untuk aplikasi yang membutuhkan energi panas pada temperatur antara 100° – 400°C. Kolektor surya jenis ini mampu memfokuskan energi radiasi cahaya matahari pada suatu receiver, sehingga dapat meningkatkan kuantitas energi panas yang diserap oleh absorber. Berdasarkan komponen absorber-nya jenis ini dikelompokan menjadi dua jenis yaitu line focus dan point focus.
d) Evacuated Tube Collectors
Jenis ini dirancang untuk menghasilkan energi panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan tiga jenis kolektor surya sebelumnya. Keistimewaannya terletak pada efisiensi transfer panasnya yang tinggi tetapi faktor kehilangan panasnya yang relatif rendah. Hal ini dikarenakan fluida yang terjebak diantara absorber dan cover-nya dikondisikan dalam keadaan vakum, sehingga mampu meminimalisasi kehilangan panas yang terjadi secara konveksi dari permukaan luar absorber menuju lingkungan.
Gambar 2.12 Evacuated tube collector
2.7 Perpindahan Panas
Apabila dua logam saling berhimpitan dan suhu-suhu benda itu berbeda, maka akan terjadi proses perpindahan panas dari benda yang panas menuju benda yang lebih dingin, sehingga menyebabkan suhu keduanya menjadi sama.
Perpindahan panas dibagi menjadi tiga klasifikasi, yaitu perpindahan panas konduksi, konveksi, dan radiasi. Untuk lebih mengetahui defenisi dari klasifikasi perpindahan panas ini dapat kita lihat pada penjelasan di bawah ini.
2.7.1 Perpindahan Panas Konduksi
Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan panas dari partikel yang bertemperatur tinggi ke partikel yang bertemperatur rendah sebagai hasil dari interaksi antar partikel tersebut. Karena partikelnya tidak berpindah,
Perpindahan panas di sini terjadi akibat interaksi antara partikel tanpa diikuti perpindahan partikelnya. Dimana pada alat ini terjadi pada peristiwa kehilangan panas dari kolektor surya yang hilang melewati dinding-dinding dari kolektor.
Gambar 2.13 Perpindahan panas konduksi.
Secara matematik laju perpindahan panas konduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier : . dx dT kA Qc ………...……….(2.13) Dimana : . Q
c = laju perpindahan panas (Watt)
k = konduktivitas thermal ( W /m.K)
A = luas penampang yang terletak pada aliran panas (m2)
dx dT
= gradien temperatur dalam aliran panas (K/m)
2.7.2 Perpindahan Panas Konveksi
Perpindahan panas secara konveksi adalah adalah perpindahan panas antara permukaan padat yang berbatasan dengan fluida yang mengalir. Fluida di sini bisa dalam fasa cair atau fasa gas. Syarat utama mekanisme perpindahan panas konveksi adalah adanya aliran fluida. Perpindahan panas konveksi pada alat ini terjadi pada fluida kerja yang digunakan (udara).
Gambar 2.14 Perpindahan panas konveksi.
Perpindahan panas konveksi pada saluran kolektor sangat dipengaruhi oleh bilangan Reynold, apakah laminar maupun turbulent.Bilangan Reynold pada plat datar dirumuskan sebagai berikut.
Gambar 2.15 Perpindahan panas konveksi pada plat datar.
Bilangan Reynold dirumuskan dengan,
VL
Re ……….…..………...…… (2.14)
Dimana : Re = bilangan Reynold
V = kecepatan rata-rata dari fluida (m/s) L = panjang kolektor( m )
ρ = massa jenis ( kg/m3)
μ = viskositas dinamik (kg/m.s)
Dengan pembagian jenis aliran berdasarkan bilangan Reynold sebagai berikut:
Untuk laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : . . ) ( hAT T Qh s ………...………….……….. (2.15) Dimana, h = koefisien konveksi ( W / m2. K )
A = luas permukaan kolektor surya (m2)
s
T
= temperatur dinding ( K )T∞ = temperatur udara lingkungan( K )
.
Q = laju perpindahan panas ( Watt )
2.7.3 Perpindahan Panas Radiasi
Perpindahan panas secara radiasi adalah proses perpindahan panas melalui gelombang elektromagnetik atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa sampai pada jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium. Berbeda dengan mekanisme konduksi dan konveksi, radiasi tidak membutuhkan medium perpindahan panas. Sampainya sinar matahari kepermukaan bumi adalah adalah contoh yang paling jelas dari perpindahan panas radiasi. Perpindahan panas radiasi pada alat ini terjadi padakolektor surya.
Gambar 2.16 Perpindahan panas radiasi.
Perpindahan panas secara radiasi dirumuskan sebagai,
. 4 . . . s s r E T Q ………...………..………..…….. (2.16)
Dimana: Qr = laju perpindahan panas radiasi (W)
= emisivitas panas permukaan ( 0 1)
= konstanta Stefan Boltzmann (5,67 x 10-8 W/m2K4)
A = luas permukaan (m2)
2.7.4 Perpindahan Massa
Koefisien perpindahan massa (mass transfer coefficient) mempunyai analogi dengan koefisien perpindahan panas, sehingga dapat didefinisikan seperti halnya perpindahan panas.
̇ ……….(2.17)
Difusivitas yang terjadi pada keadaan steady yang melintasi ketebalan lapisan batas setebal Δy, adalah :
̇
……….(2.18)
Berdasarkan hukum-hukum fenomena dalam persamaan yang mengatur perpindahan massa, momentum dan energi mempunyai keserupaan, sehingga profil suhu, kecepatan dan konsentrasi mempunyai bentuk yang sama dalam fenomena lapisan batas.
Karena fenomena yang terjadi dalam lapisan batas mempunyai analogi terhadap hubungan antara profil kecepatan, profil konsentrasi massa dan profil suhu sehingga dalam persoalan perpindahan panas, hubungan fungsional koefisien pindah panas dapat dituliskan dalam bentuk :
………..……….(2.19)
sedangkan dalam hal perpindahan massa, hubungan fungsional koefisien pindah massa dapat dinyatakan dalam bentuk :
………...………..(2.20)
Bilangan Schmidt (SC=v/DAB) menyatakan perbandingan antara profil
kecepatan dan konsentrasi, sedangkan untuk profil suhu dan konsentrasi dinyatakan dalam bentuk bilangan Lewis (Le =α/DAB). Keserupaan antara
persamaan-persamaan yang mengatur perpindahan massa, momentum dan energi dalam lapisan batas memberi petunjuk bahwa korelasi empirik untuk koefisien perpindahan massa mempunyai analogi dengan koefisien perpindahan panas. Hubungan empirik untuk koefisien perpindahan massa ini dinyatakan oleh Gilliland (1934) dalam Holman (1981) dalam bentuk persamaan :
( ) ( ) ……….(2.21)
Analogi Reynold untuk perpindahan panas dengan koefisien gesek pada lapisan batas dapat pula digunakan untuk menentukan koefisien perpindahan massa dengan koefisien gesek pada lapisan batas, pada aliran laminar, Holman, J.P, (1981) memberikan bentuk persamaan seperti berikut :
untuk perpindahan panas :
⁄
………(2.22)
untuk perpindahan massa :
⁄
