TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengeringan
Pengeringan 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 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 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 tersebut.
Faktor-faktor yang berpengaruh dalam proses pengeringan adalah suhu, kelembaban udara, laju aliran udara, kadar air awal bahan dan kadar air akhirbahan.
a. Proses perpindahan panas
Proses perpindahan panas terjadi karena adanya perbedaan suhu udara pengering dengan suhu bahan yang akan dikeringkan, dimana suhu udara pengering lebih tinggi dari suhu bahan. Panas yang dialirkan melalui udara pengering akan meningkatkan suhu bahan, sehingga air dalam bahan berubah wujud menjadi uap air.
b. Proses perpindahan Massa
Peningkatan suhu bahan karena proses perpindahan panas akan menyebabkan tekanan uap air di dalam bahan lebih tinggi dari tekanan uap air pada udara pengering, sehingga terjadi perpindahan uap air bahan ke udara.
Kelembaban relatif udara pengering akan turun dengan adanya peningkatan suhu udara pengering, Hal ini menyebabkan kelembaban relatif udara pengering lebih rendah dari kelembaban relatif bahan. Selanjutnya panas yang dialirkan ke permukaaan bahan akan meningkatkan tekanan uap air bahan sehingga tekanan uap air bahan lebih tinggi dari tekanan uap air udara pengering. Dengan kondisi demikian akan terjadi perpindahan massa uap air dari bahan ke udara pengering dan disebut sebagai proses penguapan. Proses penguapan air dari bahan akan terus berlangsung sampai terjadi kesetimbangan tekanan uap air antara bahan dengan pengering.
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.
Seperti dijelaskan sebelumnya, penerapan sistem energi matahari ini adalah untuk mereduksi waktu proses pengeringan dari pengeringan yang biasa dilakukan yaitu dengan penjemuran langsung. Sistem pengeringan dengan energi matahari seperti yang akan diterapkan pada percobaan ini merupakan sistem tidak langsung ( Indirect type dryer ) dimana pengumpulan energi matahari dilakukan di tempat terpisah diluar bagian pengeringan, kemudian dihubungkan ke tempat pengeringan melalui suatu fluida yang berfungsi sebagai fluida pengering yang dalam hal ini adalah udara. Pengumpulan energi surya dan transfernya pada fluida kerja dilakukan melalui suatu alat yang disebut kolektor matahari ( solar collector ).
Pada sistem yang dirancang hanya menggunakan udara lingkungan dan pemanasan hanya dilakukan pad perhari.
2.4 Spesifikasi
Alat Uji Hasil
Perancangan 2.4.1 Kolektor
Untuk ukuran bersih kolektor ( ruang pengumpul udara panas ) yang di rancang dalam penelitian ini adalah disesuakan dengan ukuran kaca yang tersedia di pasaran dan sesuai dengan yang dibutuhkan pada penelitian ini, yaitu :
Gambar 2.1 Kolektor - Panjang = 2 m
- Lebar = 1,5 m - Tinggi = 0,1 m
Plat seng
Jenis absorber yang di gunakan adalah plat seng dengan ketebalan 0,3 mm yang mudah dijumpai di pasaran dimana kehantaran termalnya adalah 112.2 W/ m0C, sedangkan emisivitasnya adalah 0,97. Plat ini cukup tipis dan ringan, maka di harapkan respon kenaikan temperatur terhadap peningkatan intensitas radiasi matahari juga cukup cepat. Kemudian Absorbernya di cat dengan warna hitam buram ( black paint ).
Kaca
Cover yang digunakan dalam kolektor ini dipilih tipe kaca yang umum dipakai untuk bangunan ( kaca jendela ) atau yang disebut dengan ordinary glass dengan ketebalan 5mm. Kaca jenis ini memiliki sifat – sifat sebagai berikut :
Konduktivitas termal = 0,78 W/m.0C Densitas = 2700 kg/m3
Reflektivitas = 0,08 – 0,09 Absorbsivitas < 1%
Emisivitas = 0,88
Isolator
Pemilihan isolator ini didasarkan pada selisih temperatur, yaitu antara temperatur yang dihasilkan degan temperatur udara lingkungan dimana isolator ini akan meminimalisasi terjadinya fluks atau kehilangan panas ke arah bawah absorber. Untuk isolator yang digunakan dalam penelitian ini mempertimbangan faktor biaya dan berat isolator itu sendiri, agar kolektor yang dibuat nantinya tidak terlalu berat. Untuk isolator yang telah kita pilih terbuat dari kertas dimana kehantaran termalnya adalah 0,06 W/m0C. Untuk menggunakan kertas sebagai bahan isolator pada penelitian ini, peneliti menyusun kertas tersebut dibawah absorber dengan ketebalan 2cm. Hal ini dilakukan agar isolator yang dibuat tidak terlalu berat.
2.4.2 Bak Pengering
Rangka bak pengering terbuat dari besi siku ukuran 30mm x 30mm x 6000mm, rangka bak pengerik di bentuk dan dilas sesuai dengan gambar yang didisain (Gambar 2.2) kemudian dibuat dinding untuk penyekat udara dari bahan plat seng dengan tebal 0,3mm. Dinding tersebut dilengketkan pada rangka bak pengering dengan cara di revet serta dilakukan pematrian untuk menghundari kebocoran udara panas. Kemudian plat seng dicat dengan warna hitam buram,agar dapat menyerap panas dengan lebih cepat. Pada bak pengering dilengkapi dengan pintu yang berguna untuk memasukan dan mengeluarkan produk yang dikeringkan. Di pintu tersebut dibuat kaca yang mamungkinkan kita dapat mengetahui temperature tiap rak, dengan cara melihat thermometer yang sengaja digantungkan pada setiap rak pengering. Di bagian atas bak pengering dibuat cerobong udara, bertujuan untuk memperlancar sirkulasi udara pada proses pengeringan. Ukuran bersih ruang pengering adalalah:
- Lebar bak
pengering = 1 m
- Tinggi bak
pengering = 1 m
- Tinggi kaki bak
pengering = 1,2 m
- Jarak dari
setiap rak kearah atas =
0,2 m
- Tinggi bagian
yang akan memberikan
efek thermal
chimney = 0,86 m
- Sudut bagian
yang akan memberikan
efek thermal chimney = 600 - Tinggi cerobong = 0,5 m - Diameter cerobong = 0,4 m
Gambar 2.2 Bak pengering
2.4.3 Tray
Tray digunakan untuk menampung biji jagung yang selanjutnya akan diletakkan pada tiap tingkatan rak yang telah di buat di dalam bak pengering. Rangka tray pengering terbuat dari balok kayu yang berukuran 45mm x 45mm. Kemudian untuk tempat jagung dibuat kawat kasa dengan ukuran tiap lubang 5mm x 5mm. Ukuran tiap tray adalah :
-Lebar = 0,9 m
Gambar 2.3 Tray
2.5 Produk dan Energi yang Dibutuhkan untuk Pengeringan 2.5.1 Jagung
Jagung ( Zea Mays ) merupakan salah satu komoditas tanaman pangan yang mempunyai peranan strategis dalam pembangunan pertanian dan perekonomian Indonesia. Komoditas ini mempunyai fungsi multiguna, baik untuk pangan maupun pakan. Penggunaan jagung untuk pakan mencapai 50% dari total kebutuhan.
Dalam kurun waktu lima tahun terakhir kebutuhan jagung untuk bahan baku industri pakan, makanan dan minuman terus meningkat 10-15% per tahun. Dengan demikian, ketersediaan bahan baku jagung sangat berpengaruh terhadap kinerja industri peternakan dan penyediaan protein hewani yang sangat dibutuhkan dalam meningkatkan kualitas sumber daya manusia Indonesia. Dalam perekonomian nasional, jagung ditempatkan sebagai kontributor terbesar kedua setelah padi dalam subsektor tanaman pangan.
Biji jagung kaya akan karbohidrat, sebagian besar berada pada endospermium. Selain daripada itu jagung juga mengandung Kalori, Protein, Lemak, Kalium, Fosfor, Ferrum, Vit A, Vit B1 dan Air. Panen dilakukan pada saat jagung mencapai kemasakan biji yang tepat, yaitu daun-daunnya telah menguning kering biji agak mengering dan keras. Pada saat pemanenan jagung , air yang dikandung oleh biji jagung berkisar 35-40%. Apabila panen dilakukan terlalu awal menyebabkan biji akan keriput dan bobot rendah. Panen terlalu lama apabila musim penghujan, akan mengakibatkan biji dapat terserang cendawan (Aspergillus flavus ) yang dapat menghasilkan aflatoksisn ( dapat bersifat racun yang menyebabkan kanker hati pada manusia).
Sebelum diolah untuk berbagai produk, jagung terlebih dahulu mengalami proses pengeringan yang bertujuan untuk mengurangi kadar air pada biji sehingga kadar air turun menjadi 9 – 15%. Pengeringan juga bertujuan untuk meningkatkan daya simpan serta menambah nilai ekonomis dari pada jagung tersebut.
Pengeringan dapat dilakukan dengan pengeringan alami dan pengeringan buatan.
• Untuk pengeringan alami: Jagung langsung dijemur dibawah sinar matahari atau penjemuran di atas lantai, tikar anyaman dan lain sebagainya.
• Untuk pengeringan buatan: Dengan menggunakan mesin pengering untuk menghemat tenaga manusia dan mempercepat proses pengeringan, terutama pada saat musim hujan.
Pada sistem yang dirancang hanya menggunakan udara lingkungan dan pemanasan hanya dilakukan pada siang hari oleh kolektor surya, maka tidak digunakan elemen pemanas
listrik. Diharapkan dengan bantuan kolektor surya dapat diperoleh temperatur pengering diatas 40 0C dengan asumsi waktu penggunaan 7 jam perhari.
2.5.2 Energi yang dibutuhkan untuk pengeringan
1. Energi yang dihasilkan Kolektor
Besarnya energi yang dihasilkan oleh kolektor dari radiasi surya adalah dengan menggunakan persamaan :
Q = Akol x I ………2.1 Dimana :
Q = Daya yang di hasilkan dari radiasi matahari oleh kolektor (W) Akol = Luas kolektor (m2)
I = Intesitas matahari ( W/m2 )
Energi berguna dari kolektor adalah perbedaan antara energi radiasi yang diserap absorber terhadap kerugian termalnya.
Q = ΔT = Akol . [ I – Utot ( Tp – T0 )]
Q = Akol . [ I – Utot ( Tp – T0 )] ...2.2 Dimana,
Q = Energi berguna dari kolektor ( W ) Akol = Luas plat absorber ( m2 ) I = Intensitas matahari (W/m2 )
Utot = Total energi yang hilang karena terjadi fluks ( W/m2 0C ) Tp = Temperatur rata- rata plat absorber (0C)
T0 = Temperatur rata- rata sekitar (0C )
Untuk mencari energi berguna kolektor dengan memakai persamaan 2.2 terlebih dahulu kita mencari Utot.
Utot = Ub + Uats + Usmp……….2.3
Dimana ,
Ub = Energi yang hilang ke arah bawah ( W/m2 0C ) Uats = Energi yang hilang ke arah arah atas ( W/m2 0C ) Usmp = Energi yang hilang ke arah arah samping ( W/m2 0C )
Ub = ………...……….2.4
Dimana,
k = Konduktifitas dari kolektor ( W/m 0C ) L = Tebal isolator yang digunakan ( m )
Uats =
……….………2.5
Dimana,
β = Sudut kemiringan kolektor
C = 520(1 - 0,000051β2 ) untuk 0° ≤ ≤ 70°
e = 0,43 (1 - )
= Temperatur plat absorber (0C )
= Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,669 x 1 W/m.0C4 = Temperatur sekitar (0C )
f = (1 + 0,089 - 0,1166 . )(1 + 0,07866N)
= Emisivitas plat
= Emisivitas kaca
= Koefisien perpindahan kalor konveksi.
Usmp = 2 . [ ] ...2.6
Faktor pemindahan panas kolektor
)
, menyatakan rasio antara energi yang berguna aktual dari kolektor terhadap energi berguna maksimum yang dapat diperoleh kolektor. Untuk suhu udara masuk diambil 30,2 0 C, diambil dari rata-rata udara masuk selama penelitian.= ………..………..2.7
Dimana,
Cp = 1,0059kj/kg.0C
= Temperatur masuk udara (0C)
= Temperatur udara keluar kolektor (0C) Untuk menghitung efisiensi kolektor dipakai persamaan :
ηk = x 100% ………2.8
2. Energi untuk pengeringan jagung
Kebutuhan energi total untuk pengeringan jagung adalah jumlah dari kebutuhan energi untuk memanaskan jagung, energi untuk memanaskan air yang dikandung jagung dan energi untuk menguapkan air jagung. Massa jagung yang dipergunakan dalam penelitian adalah 25kg dan setelah mengalami pengeringan menjadi 18,75 kg. Kadar air awal jagung dalam penelitian adalah 37%, kadar air yang dikandung jagung setelah mengalami pengeringan adalah 9-15 % (dianggap kering). Panas spesifik jagung adalah 3,98 kj/kg 0C.
= + + ……….2.9
Dimana,
=
Energi total untuk pengeringan jagung (kj)= Energi yang dipakai untuk memanaskan daun (kj)
= Energi yang dipakai untuk memanaskan air yang dikandung jagung (kj) = Energi yang dipakai untuk penguapan (kj)
= ( - ) ………..……2.10
Dimana,
Cpj = Panas spesifik jagung ( kj/kg0C.) Ti = Suhu jagung akhir (0C)
= diasumsikan sama dengan temperature udara keluar kolektor (420C) T0 = Suhu jagung awal (0C)
= Diasumsikan sama dengan temperatur masuk (30,20C). Maka,
Emd = ( 0,15 x 16,75 kg) x 3,98 kj/kg 0C (42 - 30,2) 0C = 117,9 kj
Eair = Mair Cp.air ( Ti – To)………....……….2.11 Dimana,
Eair = Energi yang digunakan untuk memanaskan air (kj) Mair = Massa air yan dikandung jagung (kg)
Cp.air = Panas spesifik jagung ( kj/kg0C.)
Ti = Temperatur akhir air dalam jagung ( 420C) To = Temperatur awal air dalam jagung (30,20C)
Maka,
Eair = (0,37 x 25 kg) x 1,0059 kj/kg 0C. ( 42– 30,2) 0C =109,8 kj
Ept = Mair x hfg ………..2.12
Dimana, hfg = Enthalpy penguapan (2419 kj/kg)
(Sumber : K.A.Kobe and R.E.Lynn.1993)
Dan selanjutnya harus diketahui berapa massa uap air yang akan dikeluarkan dari 25 kg jagung, yaitu dengan memakai persamaan :
Mair = 1 1 0 1 X X X − − x M b ...2.13 Dimana ,
Xo = Kadar air jagung awal Xi = Kadar air jagung akhir Mb = Massa jagung basah (kg) Maka, Mair = 25 kg = 6,25 kg. Maka , Ept = 6,47 kg x 2419 kj/kg = 15481,6 kj
Maka kita dapat mengetahui harga Etot yaitu ;
Kaca Solar Kolektor Ud ara luar Drying chamber
α
Cerobong isolator Solar collector Glass cover2.6 Aliran Fluida
Untuk menentukan koefisien gesek yang akan dipergunakan untuk menentukan bilangan Reynolds jika penampang tempat saaluranya tidak berbentuk lingkaran di dasarkan atas diameter hidraulik
)
.=
………..2.14
Dimana,
A = Luas penampang aliran (m2). P = perimeter saluran udara (m).
Untuk menentukan bilangan Reynolds kita menggunakan, Re = = ……… ...2.15 G =
………2.16 Dimana, Re = Bilangan Reynold ρ = Densitas (kg/m3)
V = Kecepatan aliran udara (m/s2)
μ =
Viskositas dinamik (kg/m.s)= Laju aliran masa (kg/s)
Computation fluid dinamic (CFD) menggunakan komputer dan matematika terapan untuk memodelkan situasi aliran fluida. Tolak ukur keberhasilannya adalah bagaimana hasil simulasi numerik sesuai dengan percobaan kasus alam dimana percobaan laboratorium dapat dibentuk, dan bagaimana simulasi dapat memprediksikan fenomena yang sangat kompleks yang tidak dapat diisolasi di laboratorium. CFD menjadi bagian terpadu dari desain teknik dan lingkungan analisis dari beberapa perubahan karena kemampuannya memprediksi kinerja rancangan baru atau proses sebelum diciptakan.
Dalam rancangan dan pengembangannya, program CFD dianggap sebagai alat numerik standar yang memprediksikan bukan hanya cairan dari perilaku aliran, tetapi juga pemindahan panas, massa (seperti pernafasan atau disolusi), perubahan fase (seperti pembekuan, peleburan, dan pendidihan), reaksi kimia (pembakaran atau pengkaratan), gerakan mekanik (seperti perputaran impeller, piston, kipas), dan tekanan atau deformasi yang berkaitan dengan struktur padatan (seperti tekukan massa pada angin). Bidang pengembangan CFD disamping proses produksi makanan dapat dilihat pada Tabel 2.1 Tabel 2.1 Aplikasi CFD dalam berbagai bidang (Bin Xia, Da-Wen Sun. 2002)
Aplikasi pada Industri
Aerospace Arsitektur Otomotif Biomedis
Kimia dan Proses Pembakaran
Elektonik dan Komputer kaca manufaktur
HVAC (pemanasan, ventilasi, dan pendingin)
Daya Laut Mekanais Metalurgi Nuklir Kereta Desain Mesin Turbo Air
Aplikasi pada Lingkungan
Polusi Udara (atmosfir) Perhitungan Iklim
Kebakaran pada Bangunan Arus Laut
Pencemaran Perairan Keselamatan
Aplikasi pada bidang Kedokteran
Aliran Fluida Cadiovascular (jantung, pembuluh darah)
Aliran Fluida di Paru-paru dan Pernafasan
CFD tumbuh dari pendekatan matematika yang menjadi alat penting dalam hampir setiap cabang dinamika fluida. Ini memungkinkan untuk analisa yang lebih mendalam terhadap mekanika fluida dan efek local dalam sejumlah peralatan. Sebagian hasil CFD akan memberikan kinerja penting, kehandalan yang lebih baik serta peningkatan kepercayaan, perbaikan konsistensi produk, dan produktivitas pabrik yang tinggi. Keuntungan menggunakan CFD dapat dikategorikan sebagai berikut :
Memberikan pemahaman yang rinci tentang distribusi aliran, penurunan berat, pemindahan panas dan massa, pemisahan partikel, dan lain-lain. Konsekuensinya, memberikan kepada
manjer pabrik pemahaman yang lebih baik dan lebih mendalam dari apa yang terjadi dalam proses atau sistem.
Memungkinkan untuk mengevaluasi perubahan geometrik dengan sedikit waktu dan biaya bila dibandingkan dengan pengujian di laboratorium.
Dapat menjawab beberapa pertanyaan “Bagaimana seandainya” dalam waktu singkat.
Mampu untuk mengurangi permasalahan scale-up karena model didasarkan pada fisika fundamental dan independensi skala.
Dapat digunakan mensimulasikan kondisi yang khusus yang tidak dapat dilakukan secara eksperiment seperti pada temperatur sangat tinggi atau pada kondisi yang berbahaya seperti di dalam oven.
Banyak proses produksi makanan seperti pendinginan, pengeringan, pemanggangan, pencampuran, pembekuan, pemasakan, pasteurisasi dan sterilisasi bekerja berdasarkan prinsip aliran fluida. Penggunaan CFD pada industri makanan telah memberikan wawasan baru terhadap insinyur pangan dan pemahaman terhadap kinerja kemungkinan peralatan makanan pada tahap desain dan kepercayaan terhadap kualitas atau keamanan produk makanan (FRPERC, 1995). Peralatan seperti oven, alat penukar panas, lemari display pendingin dan pengering spray telah ditingkatkan melalui penerapan teknik CFD dalam membantu menjelaskan dari operasi mereka dan proses desain. CFD telah menjadi alat yang ampuh dalam pembangunan, trouble shooting dan optimasi proses makanan.
