A. ANALISIS PENGERINGAN LAPISAN TIPIS

111. ANALISIS PENGERINGAN DAUN TEMBAKAU RAJANGAN

A. ANALISIS PENGERINGAN LAPISAN TIPIS

Pada pengeringan lapisan tipis digunakan model semi

..

teoritik dari Henderson dan Perry (1982). Secara teoritis

pengeringan pada periode laju pengeringan menurun

menyangkut dua gerakan air masing masing gerakan air ke permukaan dan pembebasan air dari permukaan menjadi uap. Henderson dan Perry (1982) menganalogikan gerakan air ini dengan konduksi panas seperti persamaan 3-1, 3-2 dan 3-3.

a. Konduksi didalam benda padat,

Pemecahan persamaan 3-1, 3-2 dan 3-3 tersebut diatas dibuat oleh Newman ( Henderson dan Perry, 1982) dengan

mengasumsikan bahwa bahan yang dikeringkan mempunyai

difusivitas konstan dan tidak mengalami penyusutan selama pengeringan, menjadi persamaan 3-4. Bird et al., (1960)

membuat pemecahan konduksi panas pada benda lempeng tak

berhingga sebagai deret seperti persamaan 3-5. Persamaan 3- 4 mempunyai bentuk yang mirip dengan persamaan 3-5.

fi,

Mo

dan Me identik' dengan

9,

To dan Te.

i?

-Te 00 (-1)

-

(n+l) 12) 2 n 2 &/a2

=

1

(n+1/2) n 2 8 cos (n+l/2)lry/a

Ti-Te n=O

Jika bahan berbentuk lapisan tipis dikeringkan dengan suhu dan kelembaban konstan bentuk kurva nisbah kadar air seperti Gambar 3-1 (Henderson dan Perry, 1982). Bentuk

Gambar 3-1. Kurva nisbah kadar air terhadap waktu

- -

pengeringan biji bijian (Henderson dan Perry, 1982)

persamaan dari kurva tersebut adalah eksponesial seperti persamaan 3-6. Sehingga persamaan 3-4 dapat. disederhanakan rnenjadi persamaan 3-6. Selanjutnya persamaan ini digunakan

sebagai dasar perhitungan perubahan kadar air pada

penelitian pengeringan lapisan tipis daun tembakau

ra j angan

.

0

Koefisien A merupakan faktor geometri yang besarnya tergantung bentuk bahan yang dikeringkan. Jika mempunyai bentuk :

-2

Lempeng : A = 8 n

.

= 0.81057

Bola : A = ( 8 n -2 = 0.53253

Silinder : A = 6. n-2 = 0.60793

Konstanta pengeringan K, merupakan fungsi difusifitas dan geometri bahan yang besarnya dapat dituliskan seperti

Penurunan kadar air selama pengeringan dan laju pengeringan setelah waktu j + l , dihitung dengan persamaan 3-8 sampai dengan 3-12 yang dituliskan dalam Bahasa Basic.

BG(j) BK(j)

-

PAN

. . .

3-8

Diagram alir untuk perhitungan perubahan kadar air selama pengeringan seperti Gambar 3-2 dan Program Komputer dalam Bahasa Basic seperti Lamp. 3 - 1 . Sedang pemecahan persamaan 3-6 untuk mendapatkan nilai K, M dan A mengikuti cara pemecahan oleh Abdullah (Harris, 1 9 8 0 )

.

Pada prinsipnya persamaan eksponensial 3-6 diselesaikan dengan ekspansi deret Taylor (Strout, 1 9 8 2 ) untuk menghitung perubahan nilai Me, K dan A selama pengolahan. Selanjutnya dengan mengeliminasi bagian deret yang mempunyai nilai sangat kecil diperoleh persamaan eksponensial yang lebih sederhana. Pemecahan secara lengkap seperti pada Lamp. 3-2

dan diagram alir untuk perhitungan K, M dan A seperti Gambar 3-3 serta program komputer dalam Bahasa Basic seperti pada Lamp. 3 - 3 .

Mulai

Lr'

J.

Masukan

kadar air awal, berat pan waktu pengeringan, berat kotor

-

d masih ada

I

Tidak

Jc

I

Rekam data

1

mentah

+

&

I

Hitung kadar air dan laju

I

pengeringan dengan pengeringan dengan

hasil olahan

Cetak waktu pengeringan kadar air dan

laju pengeringan

Gambar 3-2. Diagram alir perhitungan perubahan kadar air pada pengeringan lapisan tipis

Baca data perubahan

nilai Me,, KO, A,

I

I

?

Susun matriks

.

(13)

berdasar persamaan persamaan

Dugaan b a n Me, K, A Masukan dugaan penyapuan (. Tidak Selesai

c h

B. PENGERING ENERGI GANDA

B. 1. Keseimbangan energi

Pengering energi ganda yang akan digunakan pada penelit ian ini direncanakan mempunyai dua sumber energi masing masing energi hasil pembakaran gas minyak cair atau

*

LPG (Liqified Petroleum Gas) dan energi surya. Energi hasil pembakaran LPG digunakan untuk memanaskan udara luar kemudian diisap masuk ruang pengering dengan kipas. Energi surya dikumpulkan dengan kolektor datar yang diletakkan

didalam selubung plastik transparan. Berlaku sebagai

kolektor datar adalah hamparan daun tembakau rajangan yang

erletak di rak paling atas. Skema konstruksi rak pengering energi ganda seperti Gambar 3-4. Untuk menurunkan model matematik pengering energi ganda digunakan asumsi sebagai berikut :

a.

Perambatan panas dari daun tembakau ke udara dan sebaliknya dianggap seragam pada semua titik permukaan. b. Daun tembakau tidak mengalami perubahan volume selama

.

pengeringan.

c . Pengeringan didalam ruang pengering terjadi secara

adiabatis. e

d. Tidak terjadi pindah panas secara konduksi antar potongan daun tembakau.

Gambar 3-4. Skema konstruksi potongan membujur

nancinrinn enerai aanda '

f t ! SELUBUNG PLASTIK R 2 .\\maam\\\vEhvImm\n\%\\\\\\\\\\-\\w R 3 %\\\\-\\\\\\\\\\\\\\\\\\*\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ R 4 h\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\%u\%\- u - - L R , .

7

3

b

3

Enorpi b a s i l pnbakaran p a Enargi aurya

Hambaran dam tombakau rajangan

,

f i t

seluruh permukaan. daun tembakau rajangan.

f. Tidak terjadi penurunan bahan kering daun tembakau selama pengeringan.

Model matematik disusun berdasar hukum keseimbangan energi sebagai berikut (Bird et al., 1976) :

Laju akumu- Laju pem- Laju peru- Laju penge-

lasi panas bentukan pa- bahan panas luaran panas

didalam = nas kedalam

+

didalam

-

dari dalam

sistem sistem sistem sistem

7

(1) ( 2 ) (3) (4)

Perubahan suhu pada ruang atas (Rl, Gambar 3-4),

dapat dihitung berdasar keseimbangan energi dari panas yang masuk dari plenum, panas yang hilang kearah atas, hilang kearah bawah dan tambahan atau pengurangan dari tembakau rak atas seperti persamaan 3-13. Untuk ruang antara rak satu dan rak dua (R2), dan seterusnya mempunyai bentuk. yang sama. Udara ganas dari R1 akan masuk R2 dengan

melewati rak satu. Udara tersebut akan mengalami

pengurangan panas untuk menaikkan suhu daun tembakau rajangan yang terhampar di rak, satu dan mendapat tambahan panas yang dibawa uap air hasil penguapan air dari daun tembakau rajangan di rak satu tersebut.

Perubahan suhu di ruang kedua (R2), dapat dituliskan seperti persamaan 3-14. Untuk ruang R3 dan R4 dapat disusun analog dengan persamaan 3-14 masing masing persamaan 3-15

dan 3-16. Udara pengering diruang paling bawah (R5), karena sebagian panas hilang kedalam tanah, melalui lantai (A12) dan dapat dituliskan seperti persamaan 3-17,

m u I r 3 C ~ u l r 3 d T u l r 3

d

e

= mu, r2Cpul r2Tr2 ' Hlok, r3%3 (Tr3'Tg3)

mutr4CPuIr4dTu,r4

-

d

e

-

mu, r3CPul r3Tr3 ' Hlok, r4Ag4 (Tr4'Tg4)

~ u , r 5 C P u l r ~ d T u , r5

-

d e

-

mu, r4CPu1 r4Tr4

-

ksA12 (Tr5-Ts) l x

Perubahan suhu tembakau dapat dihitung berdasar

keseimbangan energi yang masuk kedalamnya dari udara pengering dan panas tersebut dipakai untuk menaikkan suhu

tembakau dan menguapkan kandungan air. Tembakau yang terletak pada rak teratas akan mendapat tambahan panas dari sinar surya yang besarnya tergantung sifat absorbtivitas sebagai penyerap ( a b s o r b e r ) sinar surya, sifat transmisi, selubung plastik dan besarnya intensitas sinar surya. Menurut Lunde ( 1 9 8 0 ) serta Duffie dan Beckman ( 1 9 8 0 ) ,

besarnya panas yang diterima tembakau sebesar t a I.

Besarnya tambahan panas yang diterima permukaan tembakau dari waktu j sampai j + l seperti persamaan 3-18.

Perubahan suhu tembakau di rak satu seperti persamaan

3-19 dan tembakau rak dua seperti persamaan 3-20. Untuk tembakau di rak tiga dan dan rak empat dapat disusun analog persamaan 3-20, seperti persamaan 3-21 dan 3-22.

digambarkan diagram keseimbangan energinya seperti Gambar 3-5. Pemecahan persamaan tersebut diatas menggunakan metode Euler (Pipe dan Harvill, 1971) dengan A 8 sebesar 0.5 yaitu

selang waktu pengamatan percobaan setiap 0.5 jam sekali. Bentuk diagram alir perhitungan perubahan suhu ruang dan suhu tembakau seperti Gambar 3-6 dan Program Komputer dalam Bahasa Basic seperti Lamp. 3-3.

B. 2. Keseimbangan massa

Kelembaban udara pengering setelah melewati rak r a k e pengering makin tinggi karena mendapat tambahan uap air

hasil penguapan dari daun tembakau rajangan selama

pengeringan. Perubahan kelembaban mutlak (H), tekanan uap (PV), tekanan uap jenuh (PS) dan kelembaban nisbi (RH),

setelah waktu j+l seperti persamaan yang dituliskan dalam Bahasa Basic masing masing 3-23, 3-24, 3-25 dan 3-26.

Gambar 3-5. Diagram keseimbangan energi ruang pengering dan daun tembakau

L T ~ , V ~ , ~ ~ . D P E n B a K A R * E € 1 nu BBn h M V T I PENGER I N G ."L ' T R 1 - T A ' ICt K1 ( T a t - T T ) n G AG ( T G 1 - v T R 1 ) l t . L I . T . 0 w O K 1 AG ( T R 1 - 1 6 1 ) c t r r a T ~ r # U a G I -01 UaG4 t r G 4 1 - -

Masukan parameter pengeringan ( I , ~ t ~ , T a , T i , ~ ~ l C P g I ~ I ~ I c P u I ~ u v u t ~ t A MelAprAltTttUltH dll. )

I

Hitung

perubahan suhu ruang, suhu tembakau, penurunan kadar air

dengan persamaan 3-13 s/d 3-17

19 s/d 3-22

Cetak waktu pengeringan terhadap perubahan

suhu ruang (TrltTr2tTr3tTr4tTr~) suhu tembakau (Tgl,Tg2,Tg3,Tg4)

kadar air tembakau (%I tMg2 ,%3 ,%4)

Gambar 3-6. Diagram alir perhitungan perubahan suhu ruang pengering dan suhu tembakau

Jumlah air yang diuapkan dari tembakau W v t g , perubahan massa tembakau mg, massa udara pengering mu dan kadar air setelah waktu j + l seperti persamaan 3-27 sampai dengan 3-30 yang dituliskan dalam Bahasa Basic.

8. 3. Model penduga Me dan K

Kadar air keseimbangan Me akan mengalami perubahan sesuai perubahan suhu dan kelembaban nisbi pengeringan. Perubahan Me selama pengeringan karena pengaruh perbedaan suhu dan RH diduga dengan persamaan 3-31 dari Henderson (Henderson dan Perry, 1982). Koefisien C dan N dihitung berdasar hasil percobaan pada masing masing suhu dan RH

Konstanta pengeringan (K), merupakan sifat spesifik dari bahan yang dikeringkan. Henderson dan Pabis (Chang dan

Chung, 1983) menyatakan aliran udara turbulen tidak

berpengaruh terhadap K. Brooker et al., (1974) menyatakan bahwa K bervariasi karena perubahan suhu mutlak selama pengeringan. Dalam penelitian ini digunakan model penduga nilai K dari Nishiyama ( ~ a h y u d i 1984) dan Thahir (1986) seperti persamaan 3-32 yang mirip persamaan Arrhenius

(Brooker et al., 1974).

B. 4. Panas yang hilang

Panas yang terkumpul didalam ruang pengering R1, ada

.

yang hilang kearah atas Ua dan kedalam tanah Ut. Panas yang hilang kearah atas (Gambar 3-7) dihitung dengan persamaan

3-33 oleh Japan Solar Energy Society (1978).

Jika kecepatan linier udara diluar pengering, VU r 5

m/det maka fvl seperti persamaan 3-34, tetapi jika V, mempunyai nilai antara 5-30 m/det. fvl seperti persamaan

f ~ 1

-

Itoofisien pindah panas radiasi selubung plastik fR2 = Koetisien pindah panas radiasi ponyerap

tvl = Itoetisien pindah panas konveksi selubung plastik fvP = Kootisien pindah panas konveksi penyarap

co = Xoefisien emisi film efektip cg = Koefision emisi selubung plastik cp = Xoefisien emisi penyerap

Gambar 3 - 7 . Skema panas yang hilang pada kolektor datar dengan satu helai penutup transparan

Panas yang hilang dari tembakau sebagai penyerap panas fv2, seperti persamaan 3-36. Besarnya bilangan Nusselt ditentukan oleh bilangan Raleigh, bilangan Grashoff dan bilangan Prandtl.

Jika : Ra < 1700, Nu = 1

1700 Ra c 6000, Nu = 0.027 (Ra) '1/ 2 6000 s Ra < 30000, Nu = 0.077 (Ra) 1/5 30000 s Ra, Nu = 0.090 (Ra) 1/3

Koefisien pindah panas radiasi untuk selubung platik transparan terhadap angkasa dapat dihitung dengan persamaan 3-40 dan untuk tembakau sebagai penyerap dan penutup

transparan seperti persamaan 3-41. Sedang koefisien

Panas yang hilang kearah bawah atau hilang kedalam tanah dianggap sebagai panas yang hilang karena konduksi kedalam tanah. Jika jarak pengukuran konduksi panas didalam tanah xl panas yang hilang dapat dituliskan seperti persamaan 4-43.

B. 5. Parameter Pengeringan Yang Lain

.

Perhitungan perubahan suhu ruang dan suhu tembakau dengan persamaan 3-13 sampai dengan 3-17 dan persamaan 3-19 sampai dengan 3-22 rnernerlukan parameter udara maupun daun

tembakau rajangan yang dikeringkan. Parameter untuk tembakau didasarkan pada sifat thermofisik dan diperoleh dari hasil penelitian sebelumnya.

Koefisien pindah panas lokal, untuk masing masing ruang (Gambar 3-5) dihitung berdasar faktor Colburn JH

(Bird et al., 1960). Thahir (1986) menggunakan cara ini untuk menghitung Hlok pada pengeringan gabah.,

HLOK = (JH*CPU*GO)/PRA0.66667

.

.

. . .

3-44 Bilangan Prandtl adalah perkalian panas spesifik dan viskositas udara m dibagi dengan konduktivitas curah udara sebagai berikut :

Aliran superficial dari massa udara dengan kecepatan linier W dihitung dengan persamaan sebagai berikut t

Panas jenis udara , dihitung berdasar persamaan 3-47

dari Nishiyama (1982) sebagai berikut :

.

Konduktivitas curah dihitung sebagai fungsi kadar air basis basah (3-48) berdasar persamaan Wratten et a1.,(1969) dalam Thahir (1986)

.

Sedang viskositas udara . pada suhu pengeringan antara 30

-

70 C rata rata sebesar 2.075

x

loo5 kW/m K (Karlekar dan Desrnond, 1977).

Kcurah = 0.0866

+

0.00133*M

. . .

.

3-48

Faktor JH secara ernpirik merupakan fungsi bilangan Reynold sebagai berikut :

RE = GO/ (AG*PSI*ROU)

. .

a . e . . 3-50

Jika Re 4 50, M = 0.91 dan N = -0.51

Jika Re > 50, M = 0.61 dan N = -0.41

Hara dan Nishi jama (Thahir, 1986) menghitung berat spesifik udara kering berdasar- hukum gas ideal sebagai berikut :

Besarnya panas laten penguapan daun tembakau rajangan dihitung berdasar persamaan Clausius-Clapeyron (Heldrnan dan Singh, 1981) seperti persamaan 3-52. Jika volume uap air dianggap jauh lebih besar dari V air murni maka volume air murni dapat diabaikan. Volume uap air murni = R TIP, sehingga persamaan 3-52 dapat diubah menjadi 3-53.

dT T A V

Othmer (Heldman dan Singh, 1981; Hall 1971) mengembangkan persamaan 3-53 menjadi persamaan 3-54. Bengan menggambarkan hubungan Pvs dan Pv pada kertas log-log akan diperoleh kemiringan grafik PVs dan Pv yang tidak lain adalah rasio Hfg,b dan H i g t w sehingga besarnya Hfg,b dapat dihitung. H f g t w dihitung dengan persamaan 3-55 ASAE, 1990). Besarnya panas laten yang diperoleh diregresikan berdasar persamaan Gallaher (Hall, 1971) seperti persamaan 3-56.

B. 6. Kebutuhan Energi

Pengering energi ganda bekerja dengan dua sumber enerGi masing masing energi surya dan energi hasil pembakaran LPG. Besarnya sumbangan energi surya adalah sebesar _r a I Ag dan energi LPG yang terpakai adalah yang dapat dimanfaatkan untuk menaikkan suhu udara luar (Ta) menjadi udara pengering yang keluar dari sistim pemanas (Ti). Sedang besarnya energi 'LPG dihitung sebagai konsumsi LPG dikali nilai panasnya sebesar 50.4089 kJ. Sistem pemanas udara pengering terdiri atas kompor (burner) untuk membakar LPG dan pemanas udaranya sendiri. Efisiensi pemanas adalah nisbah energi yang digunakan untuk menaikkan

suhu udara pengering terhadap konsumsi LPG selama

prngeringan berlangsung. Besarnya sumbangan energi surya terhadap total kebutuhan energi dapat dituliskan seperti

persamaan 3-57 dan efisiensi sistem pemanas seperti

B. 7. Mutu Tembakau Rajangan

Pengujian sifat sensorik dan kimia terhadap tembakau

rajangan. hasil percobaan bertujuan melengkapi hasil

pengujian skala Laboratorium yang sudah dilakukan pada penelitian sebelumnya. Pengujian mutu tembakau rajangan hasil percobaan ini bermanfaat membantu _mengembangkan pengering energi ganda terutama mencari ukuran dan kondisi pengeringan yang sesuai. Pengujian sifat sensorik meliputi aroma, warna dan elastisitas. Metode pengujian sensorik yang d i g ~ n a k a n ~ a d a l a h analisis pembedaan perbandingan jamak

(multiple comparison difference analysis) sesuai dengan

Larmond (1977). Dalam penelitian ini kepada panelis

disuguhkan contoh tembakau rajangan hasil percobaan dan tembakau rajangan yang berasal dari daun yang yang sama tetapi dikeringkan dengan penjemuran. Karena penjemuran dapat berlangsung pada cuaca yang normal, berarti potensi mutu dapat berkembang secara maksimal dan diberi skor n 4 N atau llcukupw. Pernyataan panelis terhadap mutu dibagi dalam tujuh tingkat skor masing masing :

1 = Sangat jelek sekali

2 = Jelek sekali

3 = Jelek

4

-

Cukup

5 = Baik

6 = Baik sekali

Sebagai panelis adalah grader dari konsumen yaitu pabrik rokok kretek dan Peneliti Tembakau dari Balai Penelitian Tembakau dan Tanaman Serat. Format pertanyaan seperti pada Lamp. 3-4. Sifat kimia yang diuji adalah kadar gula, kadar nikotin dan kadar pati. Ketiga komponen ini

bersama komponen komponen yang lain menentukan mutu

tembakau. Metode analisis ketiga komponen tersebut

mengikuti metode yang digunakan oleh Balai Penelitian Tembakau dan Tanaman Serat Malang.

C . PERHITUNGAN TITIK IMPAS

I

Titik impas atau brek even paint adalah batas harga jual terendah atau batas produksi terendah yang menunjukkan usaha pada titik impas dan dihitung dengan persamaan 3-59

(Sigit, 1990). Analisis titik impas bermanfaat untuk

mencari batas produksi yang masih memungkinkan usahatani mempunyai peluang mendapatkan keuntungan.

Biaya Tetap Batas Penjualan pada Titik Impas =

Biaya Variabel

-

1

-

Pen jualan

Perhitungan titik impas pengering energi ganda

dihitung secara keseluruhan usahatani tembakau rajangan, jika menggunakan pengering energi ganda sebagai salah satu

faktor produksi. Data biaya produksi diambil dari daerah produksi dan biaya pembuatan pengering energi ganda sesuai biaya riel yang diperlukan untuk membuat satu unit pengering yang digunakan untuk penelitian ini.

Untuk mempermudah pemanfaatan hasil analisis titik impas dinyatakan sebagai harga jual, jumlah daun yang harus diolah, jumlah hektar yang diperlukan dan kebutuhan unit pengering energi ganda. Harga rata rata tembakau rajangan Temanggung Rp.7 500,-/kg, tetapi karena sering terjadi perubahan, dibuat beberapa alterrfatip harga jual.