Pengembangan Sistem Heat Pump Kompresi Uap Untuk Pengeringan Gabah
1 PENGEMBANGAN SISTEM HEAT PUMP KOMPRESI UAP
UNTUK PENGERINGAN GABAH
DAMAWIDJAYA BIKSONO
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
ii
iii
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi “Pengembangan Sistem Heat
Pump Kompresi Uap untuk Pengeringan Gabah” adalah benar karya saya dengan
arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada
Perguruan Tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari
karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan
dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2016
Damawidjaya Biksono
NIM. F164110041
iv
RINGKASAN
DAMAWIDJAYA BIKSONO. Pengembangan Sistem Heat Pump Kompresi Uap untuk
Pengeringan Gabah. Dibimbing oleh LEOPOLD OSCAR NELWAN, TINEKE
MANDANG, DYAH WULANDANI dan YOGI SIRODZ GAOS.
Sistem heat pump kompresi uap (HPKU) merupakan suatu sistem yang dapat
menyerap kalor pada tingkat suhu yang lebih rendah dan membuangnya ke tingkat suhu
yang lebih tinggi. HPKU dapat memanfaatkan input panas lingkungan dan menghasilkan
output panas yang lebih besar. Selain digunakan untuk meningkatkan kuantitas panas
jika dibandingkan input panasnya sistem HPKU juga memiliki kemampuan
dehumidifikasi udara yang digunakan untuk pengeringan. Kajian penerapan sistem
HPKU pada pengeringan gabah terutama tentang karakteristik konfigurasi sistemnya
belum banyak dilakukan. Selain itu pengembangan model dan simulasi diperlukan untuk
prediksi prilaku termal dari sistem tersebut dapat diperoleh ketika konfigurasi atau
variabel input sistem ini diubah atau ketika sistem ini ditempatkan pada kondisi
lingkungan tertentu.
Penelitian ini secara garis besar, terdiri dari tiga bagian. Pertama adalah kajian
karakteristik sistem HPKU dengan kompresor refrigerator. Pada bagian ini dipelajari
karakteristik sistem HPKU konsumsi daya, panas evaporasi dan kondensasi dari sistem
serta dilakukan model empirik untuk parameter-parameter karakteristik tersebut.
Parameter-parameter tersebut divariasikan terhadap suhu kondensasi dan evaporasi.
Bagian kedua adalah tentang kinerja pengeringan gabah dengan sistem HPKU. Pada
bagian ini, konfigurasi HPKU yang secara garis besar mencakup siklus terbuka dan
resirkulasi diuji untuk pengeringan gabah. Pada siklus resirkulasi bagian energi yang
berasal dari pengering dimanfaatkan kembali sedangkan siklus terbuka pemanasannya
hanya mengandalkan suhu lingkungan. Bagian terakhir adalah simulasi sistem HPKU.
Simulasi dilakukan dengan sistem HPKU untuk pengering gabah dengan bantuan
program computer, adalah untuk memprediksi performansi sistem HPKU dengan
parameter simulasi adalah suhu lingkungan, kelembaban udara dan laju aliran massa
udara, dengan cara simulasi matematik dan metode numerik serta adanya pengaruh
perubahan suhu keluar evaporator dan kondensor kepengering karena adanya perubahan
suhu lingkungan.
Hasil penelitian karakteristik sistem HPKU dengan kompresor refrigerator
memperlihatkan daya kompresi cenderung mengalami peningkatan dari 0.351 kW sampai
0.562 kW terhadap suhu evaporasi dan suhu kondensasi pada interval suhu evaporasi
antara 4-14oC dan suhu kondensasi 50-65oC. Panas evaporasi dan kondensasi juga
mengalami peningkatan terhadap suhu evaporasi tetapi cenderung menurun terhadap suhu
kondensasi. Nilai koefisien prestasi refrigerasi (COPRef) dan koefisien prestasi heat
(COPHeat) cenderung konstan menurun terhadap suhu kondensasi. Model yang dibentuk
untuk memprediksi daya kompresi dan laju aliran refrigeran yang menggunakan
persamaan kuadratik berganda terhadap suhu evaporasi dan suhu kondensasi telah dapat
menjelaskan dengan keeratan yang cukup baik dengan persentase error rata-rata (PER)
1.046%. Model panas evaporasi memiliki keeratan yang lebih rendah yaitu 0.756%
sehubungan dengan kecenderungan terhadap suhu evaporasi dan kondensasi yang
berbeda.
Percobaan pengeringan sistem HPKU dilakukan dengan menggunakan sembilan
konfigurasi dan satu perlakuan dengan sistem pemanas resistif sebagai pembanding hasil.
Konfigurasi tersebut mencakup siklus udara HPKU, penggunaan penukar panas dengan
udara lingkungan serta penggunaan metode intermittent selama proses pengeringan.
Kapasitas pengeringan rata-rata 150 kg gabah setiap perlakuan dengan sistem HPKU
v
dengan daya kompresor 375 Watt, menghasilkan waktu pengeringan antara 11-12 jam
dari masing-masing perlakuan dengan kadar air awal gabah 22-24%b.b. Pengujian
berbagai konfigurasi ditujukan untuk mendapatkan konsumsi energi yang paling rendah
per massa air yang diuapkan.
Pengeringan yang dihasilkan oleh seluruh konfigurasi sistem HPKU dan pemanas
resistif pada studi ini hampir sama yaitu suhu 35.7-37.9oC dan RH 35.4-45.9oC Rasio
peningkatan specific moisture exctraction rate total (SMERTot) terhadap pengering
pemanas resistif untuk berbagai konfigurasi pengering HPKU yang digunakan pada studi
ini adalah 159–329%. Tingginya nilai SMER Tot baik dari pengering sistem HPKU
maupun pemanas resistif disebabkan oleh pengoperasian intermittent pada kondisi suhu
dan kelembaban udara lingkungan yang memadai. Metode pengeringan heat pump
dengan sistem terbuka dengan pengoperasian HPKU yang intermittent memberikan
specific moisture exctraction rate termal (SMERT) dan SMERTot yang paling tinggi yaitu
masing-masing 7.06 dan 5.06 kg/kWh. Pengoperasian intermittent tidak banyak
mempengaruhi laju pengeringan, tetapi secara nyata menurunkan konsumsi energi.
Penempatan udara masuk lingkungan pada sebelum evaporator dan sebelum kondensor
pada siklus tertutup memberikan SMERTot yang berbeda yaitu 4.01 dan 3.07 kg/kWh.
Penggunaan udara lingkungan dengan menggunakan konveksi paksa pada penukar panas
akan meningkatkan SMERTot, sedangkan penggunaan aliran udara dari keluaran akan
menurunkan nilai SMERTot.
Model untuk memprediksi kinerja sistem pengering HPKU ini dikembangkan
berdasarkan karakteristik kompresor yang telah dihasilkan pada bagian penelitian pertama
dan neraca energi dan massa uap air dari udara yang melalui evaporator dan kondensor.
Selanjutnya simulasi dilakukan untuk menduga waktu pengeringan yang dibutuhkan
menggunakan metode Hukill yang dilanjutkan dengan menghitung konsumsi energi
termal spesifik.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada kondisi udara lingkungan dengan suhu 2634oC dan kelembaban relatif 45-95%, sistem HPKU mampu manghasilkan udara yang
potensial untuk pengeringan. Suhu udara lingkungan sangat mempengaruhi kinerja
sistem HPKU dimana pada suhu udara lingkungan yang lebih tinggi COP heat yang
dihasilkan cenderung menurun. Kelembaban udara lingkungan cenderung hanya sedikit
mempengaruhi COPheat namun secara langsung menentukan kelembaban udara pengering.
Akan tetapi nilai kisaran COPheat yang dihasilkan pada keseluruhan kondisi masih cukup
tinggi yaitu antara 3.2-3.8. Laju aliran udara kurang signifikan dalam mempengaruhi
COPheat, akan tetapi mempengaruhi besarnya suhu udara pengering yang dihasilkan.
COPheat yang tinggi tidak dengan sendirinya akan memberikan nilai konsumsi energi
termal spesifik (KETS) yang tinggi. KETS lebih banyak ditentukan oleh waktu
pengeringan dibandingkan daya yang dikonsumsi. Oleh karena itu, suhu dan kelembaban
udara lingkungan sangat menentukan besarnya KETS. Laju aliran udara cenderung
sedikit menurunkan KETS. Dengan waktu pengeringan dari keseluruhan kondisi udara
lingkungan dan laju aliran udara yang berkisar antara 6-15 jam, KETS yang dihasilkan
cukup rendah yaitu berkisar pada nilai 0.5–1 MJ/kg air yang diuapkan.
Kata kunci : Heat pump kompresi uap, konfigurasi, pengeringan gabah, simulasi, specific
moisture exctraction rate (SMER)
vi
SUMMARY
DAMAWIDJAYA BIKSONO. The Development of Vapor Compression Heat
Pump System for Rough Rice Drying. Supervised by LEOPOLD OSCAR
NELWAN, TINEKE MANDANG, DYAH WULANDANI and YOGI SIRODZ
GAOS.
Vapor compression heat pump (VCHP) system is a system that absorbs heat
at lower temperature and discharges at higher temperature. VCHP can utilize heat
from the environment as input and produce higher heat as output. Besides of its
function to increase heat quantity if compared with the incoming heat, VCHP
system also has ability for dehumidification that can be used for drying. A study
on the implementation of VCHP system for rough rice drying especially on the
configuration characteristic is rarely conducted. In addition, a development on
model and simulation which is needed to predict thermal characteristic can be
obtained when the configurations or input variables of this system are changed or
placed at certain environment condition.
In general, the objectives of this study consisted of three parts. The first was
to study the characteristic of VCHP system with refrigerator compressor. At this
part, researcher studied the characteristic of VCHP system including power
consumption, evaporation heat and condensation as well as to develop empiric
model from those characteristics. Those parameters were varied upon
condensation and evaporation temperature. The second part was to study the
performance of VCHP system for rough rice drying. At this part, VCHP
configuration which generally consisted of an open and recirculation cycle was
tested for rough rice drying. At recirculation cycle, energy produced from drying
was re-utilized. Mean while, heating system of an open cycle only relied on
ambient temperature. The third part was to carry out simulation of the VCHP
system. Simulation was carried out using VCHP system for rough rice drying with
computerized program to predict the performance of VCHP system with
parameters consisted of ambient temperature, relative humidity and air mass flow
rate by mathematic and numeric methods as well as the influence of temperature
changes from evaporator and condenser to dryer because of ambient temperature
changes.
The result of VCHP system characteristic with refrigerator compressor
showed that compression power increased from 0.351 kW to 0.562 kW upon
evaporation temperature (4-14oC) and condensation temperature (50-65oC).
Evaporation and condensation heat also increased upon evaporation temperature
but tended to decrease upon condensation temperature. Refrigeration Coefficient
of Performance (COPRef) magnitude and heat Coefficient of Performance
(COPHeat) tended to decrease upon condensation temperature. A developed model
to predict compression power and refrigerant flow rate using multiple quadratic
equation upon evaporation and condensation temperature could explain well with
the average percentage error (APE) 1.046%. Evaporation heat model had lower
that is 0.756% due to different tendency upon evaporation and condensation
temperature.
VCHP system drying experiment was carried out using nine configurations
and one treatment with resistive heating system for result comparison. Those
vii
configurations consisted of VCHP air cycle, utilization of heat exchanger with
ambient air and application of intermittent method during drying process. The
drying capacity was 150 kg of rough rice at every VCHP treatment with
compressor power 375 Watt, drying time 11-12 hours with initial moisture content
22-24% wet bulb. Testing of various configurations was carried out to obtain the
lowest energy consumption per vapored water mass.
Drying resulted from all VCHP configurations and resistive heating system
at this study was almost similar i.e. at temperature 35.7-37.9oC and RH 35.445.9oC. The increment ratio of total specific moisture extraction rate total
(SMERTot) upon resistive heating drying for various VCHP drying configurations
used at this study was 159–329%. High value of SMERTot either at VCHP drying
system or resistive heating was due to intermittent operation condition occurred at
appropriate ambient temperature and relative humidity. An open cycle heat pump
drying method with intermittent operation produced the highest specific moisture
extraction rate which only calculated thermal energy (SMERT) and SMERTot at
7.06 and 5.06 kg/kWh, respectively. Intermittent operation didn’t much influence
drying rate but significantly reduced energy consumption. Ambient air inlet which
placed before evaporator and condenser on a closed cycle could produce different
SMERTot i.e. 4.01 dan 3.07 kg/kWh. The utilization of ambient air through force
convection in heat exchanger could increase SMER Tot, while the utilization of air
flow from outlet could reduce SMERTot.
Model used to predict the performance of VCHP drying system was
developed based on the characteristic of compressor that was resulted from the
first research part, energy balance and vapored water mass through evaporator and
condenser. Simulation was carried out to predict drying time using Hukill method
and followed by calculating specific thermal energy consumption.
Simulation result showed that ambient air condition with temperature at 26o
34 C and relative humidity 45-95%, VCHP system could produce potential
condition for drying. Ambient air temperature significantly influenced the
performance of VCHP system where higher ambient air temperature produced
lower COPheat. Ambient relative humidity had little influence on COP heat but
directly influenced drying relative humidity. However, COPheat had high value
ranging from 3.2 to 3.8. Air flow rate didn’t much significantly influence COPheat
but it influenced drying temperature that was produced. High COP heat would not
give high spesific consumption of thermal energy (SCTE) for instance. SCTE was
much more influenced by drying time compared with power consumption.
Therefore, ambient temperature and relative humidity very influenced SCTE. Air
flow rate tended to slightly reduce SCTE. With drying time 6-15 hours from all
ambient air condition and air flow rate, SCTE occurred at relatively low condition
ranging from 0.5-1 MJ/kg vapored water.
Key words : Vapor compression heat pump, configuration, rough rice drying,
simulation, specific moisture extraction rate (SMER)
viii
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah ; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
ix
PENGEMBANGAN SISTEM HEAT PUMP KOMPRESI UAP
UNTUK PENGERINGAN GABAH
DAMAWIDJAYA BIKSONO
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor
pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
x
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tertutup : 1. Prof Dr Ir Mohammad Idrus Alhamid, MSc
Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.
2. Prof Dr Ir Sutrisno, MAgr
Staf pengajar Departemen Teknik Mesin
dan Bio-sistem, Fakultas Teknik Pertanian,
Institut Pertanian Bogor.
Penguji Luar Komisi pada Sidang Promosi : 1. Prof Dr Ir Mohammad Idrus Alhamid, MSc
Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.
2. Prof Dr Ir Sutrisno, MAgr
Staf pengajar Departemen Teknik Mesin
dan Bio-sistem, Fakultas Teknik Pertanian,
Institut Pertanian Bogor .
xi
Judul Disertasi
Nama
NIM
: Pengembangan Sistem Heat Pump Kompresi Uap untuk
Pengeringan Gabah
: Damawidjaya Biksono
: F164110041
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Ir Leopold Oscar Nelwan, MSi
Ketua
Prof Dr Ir Tineke Mandang, MS
Anggota
Dr Ir Dyah Wulandani, MSi
Anggota
Dr Ir Yogi Sirodz Gaus, MT
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Ilmu Keteknikan Pertanian
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr Ir Wawan Hermawan, MS
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian Tertutup : 28 Juli 2016
Tanggal Sidang Promosi : 15 Agustus 2016
Tanggal Lulus :
xii
PRAKATA
Puji dan syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan segala
rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan disertasi ini.
Tema yang dipilih dalam penelitian ini dan dilaksanakan sejak Juli 2013 adalah
Pengermbangan Sistem Heat Pump Kompresi Uap untuk Pengeringan Gabah.
Penghargaan setinggi-tingginya dan ucapan terima kasih kepada Bapak Dr
Ir Leopold Oscar Nelwan, MSi, Ibu Prof Dr Ir Tineke Mandang, MS, Ibu Dr Ir
Dyah Wulandani, MS dan Bapak Dr Ir Yogi Sirodz Gaos, MT selaku
pembimnbing. Selanjutnya penghargaan penulis sampaikan kepada Rektor
Universitas Jenderal Achmad Yani Mayor Jenderal TNI Witjaksono, MSc dan
Dekan Fakultas Teknik Ir Susanto Sambasri, MT yang telah mendukung dan
membantu selama proses penelitian. Ungkapan terima kasih juga disampaikan
kepada kedua orang tua almarhum Bapak Benin Baiturridwan dan Ibu Ranih
Lisnawati Maesyaroh, istri dan anak-anak tercinta Dra Erni Setiawati, MSi. Bagas
Alif Putra Pratama dan Salsyabila Dwiputri Djayany serta adik-adik penulis atas
segala do’a dan kasih sayangnya.
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada seluruh pihak yang telah
membantu proses penyelesaian studi doktor, khusunya kepada rekan-rekan
program doktor Ilmu Keteknikan Pertanian, Ketua Program Studi Dr Ir Wawan
Hermawan MS dan Dekan Fakultas Teknik Pertanian IPB. Penghargaan juga
disampaikan kepada Prof Dr Ir Mohammad Idrus Alhamid, MSc dan Prof Dr Ir
Sutrisno, MAgr sebagai penguji luar komisi pada saat ujian tertutup dan sidang
promosi.
Terima kasih penulis sampaikan kepada Dirjen Pendidikan Tinggi yang
telah memberikan Beasiswa Program Pascasarjana Dalam Negeri (BPPs/BPPDN)
pendidikan S3 dan Kementrian Pertanian melalui program penelitian KP3N
bantuan biaya penelitian dan sebagai Ketua Peneliti Bapak Dr Ir Leopold Oscar
Nelwan, MSi yang telah memberikan saran, koreksi dan pemantauan semua
kegiatan pelaksanaan penelitian dan penulisan disertasi.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat untuk pengembangan ilmu di bidang
Ilmu Keteknikan Pertanian dan dapat diaplikasikan serta dikembangkan.
Bogor, Agustus 2016
Damawidjaya Biksono
xiii
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
xiv
DAFTAR GAMBAR
xv
DAFTAR LAMPIRAN
xvii
1 PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
4
Manfaat Penelitian
4
Kebaruan Penelitian
5
Ruang Lingkup Penelitian
5
Kerangka Disertasi
6
2 KARAKTERISTIK HEAT PUMP KOMPRESI UAP DENGAN
KOMPRESOR REFRIGERATOR
Pendahuluan
8
8
Bahan dan Metode
10
Hasil dan Pembahasan
15
Simpulan
21
3 KINERJA PENGERINGAN GABAH DENGAN SISTEM HEAT PUMP
KOMPRESI UAP
22
Pendahuluan
22
Bahan dan Metode
23
Hasil dan Pembahasan
34
Simpulan
40
4 SIMULASI PENGERING SISTEM HEAT PUMP KOMPRESI UAP
42
Pendahuluan
42
Bahan dan Metode
43
Hasil dan Pembahasan
53
Simpulan
64
5 PEMBAHASAN UMUM
66
6 SIMPULAN DAN SARAN
69
DAFTAR PUSTAKA
71
RIWAYAT HIDUP
92
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Tabel 3.1
Tabel 3.2
Tabel 4.1
Tabel 4.2
Tabel 4.3
Tabel 4.4
Tabel 4.5
Tabel 4.6
Konstanta-konstanta hasil simulasi dengan metode least square harga
numerik untuk persamaan (2.3), (2.4) dan (2.5).
Konfigurasi sistem pengering yang diuji
Konsumsi dan rasio energi terhadap pengeringan dengan pemanas
resistif serta SMERT dan SMERTot untuk masing-masing pengujian
Hasil simulasi sistem HPKU
Parameter input untuk simulasi
Hasil proses perhitungan dengan input dari Tabel 4.2 dengan variasi
suhu ambien evaporator.
Hasil proses perhitungan dengan input dari Tabel 4.2 dengan variasi
kelembaban mutlak evaporator
Hasil proses perhitungan dengan input dari Tabel 4.2 dengan variasi
laju aliran massa udara
Hasil simulasi pengeringan metode Hukill dengan suhu lingkungan
dan kelembaban relatif rendah, sedang dan tinggi
19
29
36
53
55
56
57
58
63
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Kerangka Disertasi
7
Gambar 2.1 Sistem HPKU dengan komponen-komponen utamanya (Arora, 2000) 8
Gambar 2.2 Siklus sistem HPKU standar dan aktual pada diagram p-h (Arora,
2000)
9
Gambar 2.3 (a) Alat uji sistem HPKU : (b) Skematik Sistem HPKU dan lokasi
titik-titik pengukuran
12
Gambar 2.4 Konsumsi daya kompresor terhadap suhu kondensasi
16
Gambar 2.5 Konsumsi daya kompresor terhadap suhu evaporasi
16
Gambar 2.6 Kapasitas refrigerasi dan konsumsi daya kompresor terhadap
16
Gambar 2.7 Panas evaporasi terhadap suhu evaporasi
17
Gambar 2.8 Panas kondensasi terhadap suhu kondensasi
18
Gambar 2.9 Perbandingan laju aliran massa refrigerant terhadap koefisien prestasi
mesin.
18
Gambar 2.10 Hubungan antara Qe model terhadap Qe hasil pengukuran
20
Gambar 2.11 Hubungan antara P model terhadap P hasil pengukuran
20
Gambar 2.12 Hubungan antara �� model terhadap �� hasil pengukuran
20
Gambar 3.1 Konfigurasi sistem pengeringan heat pump (a) resirkulasi, (b)
terbuka
23
Gambar 3.2 (a) Alat uji sistem HPKU, (b) skematik sistem HPKU pengering
terbuka dengan lokasi titik-titik pengukuran
24
Gambar 3.3 Perubahan kondisi udara pada sistem HPKU siklus terbuka
25
Gambar 3.4 (a) Alat uji sistem HPKU, (b) skematik sistem HPKU pengering
resirkulasi dengan lokasi titik-titik pengukuran
26
Gambar 3.5 Skematik sistem HPKU dengan resirkulasi udara masuk sebelum
kondensor
27
Gambar 3.6 Skematik sistem HPKU dengan resirkulasi udara masuk sebelum
evaporator
27
Gambar 3.7 Siklus udara pengeringan sistem terbuka, inlet dan outlet HE
tertutup.
30
Gambar 3.8 Siklus udara pengeringan sistem terbuka, inlet dan outlet HE dibuka
sehingga udara lingkungan dapat mengalir secara konveksi bebas.
30
Gambar 3.9 Siklus udara pengeringan terbuka, udara ekshaus dari ruang
pengering dialirkan melalui HE.
31
Gambar 3.10 Siklus udara pengering resirkulasi, inlet udara lingkungan dari
kondensor rasio bukaan udara 1/2 dan percobaan V rasio bukaan
udara 2/3, inlet dan outlet HE dibuka sehingga udara lingkungan
dapat secara konveksi bebas.
31
Gambar 3.11 Siklus udara pengering sistem terbuka, inlet dan outlet HE dibuka
dan udara lingkungan dialirkan menggunakan blower.
32
xvi
Gambar 3.12 Siklus udara pengering sistem resirkulasi, inlet udara lingkungan dari
evaporator rasio bukaan udara 1/2, inlet dan outlet HE dibuka
sehingga udara lingkungan dapat mengalir secara konveksi bebas.
32
Gambar 3.13 Skematik sistem pengering dengan pemanas resistif
33
Gambar 3.14 Grafik perbandingan suhu pengering dan RH terhadap waktu
pengeringan untuk konfigurasi II
38
Gambar 3.15 Grafik perbandingan suhu pengering dan RH terhadap waktu
pengeringan untuk konfigurasi VI
38
Gambar 3.16 Grafik perbandingan suhu pengering dan RH terhadap waktu
pengeringan untuk konfigurasi IX
39
Gambar 3.17 Grafik perbandingan kadar air gabah rata-rata masing-masing
konfigurasi terhadap waktu pengeringan
39
Gambar 4.1 Diagram alir pemograman sistem pengering HPKU
50
Gambar 4.2 Grafik kelembaban udara masuk pengering hasil simulasi terhadap
percobaan
54
Gambar 4.3 Grafik suhu udara keluar kondensor ke pengering hasil simulasi
terhadap percobaan
54
Gambar 4.4 Perubahan suhu lingkungan terhadap laju pelepasan kalor
58
Gambar 4.5 Perubahan suhu lingkungan terhadap konsumsi daya
58
Gambar 4.6 Perubahan suhu lingkungan terhadap suhu ke pengering
59
Gambar 4.7 Perubahan suhu lingkungan terhadap laju COPheat
59
Gambar 4.8 Perubahan kelembaban udara terhadap laju pelepasan
59
Gambar 4.9 Perubahan kelembaban udara terhadap suhu udara ke pengering
60
Gambar 4.10 Perubahan laju aliran udara terhadap laju pelepasan kalor
60
Gambar 4.11 Perubahan laju aliran udara terhadap suhu udara ke pengering
60
Gambar 4.12 Perubahan laju aliran udara terhadap COPheat
61
Gambar 4.13 Daya kompresor terhadap suhu dan kelembaban udara lingkungan
63
Gambar 4.14 COPHeat terhadap suhu dan kelembaban udara lingkungan
63
Gambar 4.15 Waktu pengeringan terhadap suhu dan kelembaban udara lingkungan 64
Gambar 4.16 Air yang diuapkan terhadap suhu dan kelembaban udara lingkungan 64
xvii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Menentukan luas dan panjang pipa kondensor
Lampiran 2 Menentukan luas dan panjang pipa evaporator
Lampiran 3 Tabel data dan model t (lingkungan, evaporator, kondensor), daya
kompresor, laju panas evaporator, laju panas kondensor dan laju
aliran massa refrigran.
Lampiran 4 Data tabel validasi suhu kelembaban pengering hasil percobaan dan
hasil simulasi
Lampiran 5 Data tabel hasil pengukuran suhu plenum dan lingkungan pada
pengujuian konfigurasi I yaitu siklus udara pengering sistem terbuka
inlet dan outlet HE tertutup
Lampiran 6 Simulasi sistem heat pump kompresi uap untuk pengering
Lampiran 7 Riwayat hidup
75
78
81
82
83
84
92
1
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pengeringan merupakan salah satu unit proses pascapanen yang umum
dilakukan pada berbagai produk pertanian yang dimaksudkan untuk menurunkan
kadar air produk sampai tingkat yang aman untuk penyimpanan atau proses
lainnya, hampir semua proses pengeringan pada produk pertanian dilakukan
dengan proses termal. Metode pengeringan yang paling umum dilakukan di negaranegara berkembang termasuk Indonesia adalah pengeringan dengan cara
penjemuran, karena metode ini relatif sederhana dan murah walau demikian metode
penjemuran ada beberapa kerugian pada metode ini diantaranya kebutuhan luas
lahan, ketidak pastian cuaca membuat produk yang dijemur harus dipindahpindahkan apabila kondisi cuaca berubah dari cerah ke hujan, dan kerusakan
produk dapat terjadi apabila sinar matahari tidak diperoleh untuk jangka waktu
yang panjang, dan dibutuhkan pembalikan bahan agar kadar air yang didinginkan
dapat dicapai secara merata, dengan penggunaan teknologi pengeringan buatan
diharapkan dapat mengatasi hal tersebut. Tujuan utama dari setiap proses
pengeringan adalah untuk menghasilkan produk kering dari kualitas bahan yang
diinginkan dengan biaya yang minimum dan hasil yang maksimum, sebuah sistem
pengeringan yang lebih baik efisien energinya dan menjaga kualitas produk yang
diinginkan (Adapa et al. 2002).
Pengeringan dengan alat pengering mekanis membutuhkan waktu yang lebih
singkat dari pengeringan konvensional. Pengeringan mekanis memerlukan sumber
panas buatan yang dapat berasal dari bahan bakar biomassa, bahan bakar minyak
dan gas, elemen pemanas tenaga listrik maupun penggunaan limbah panas (Araullo
1976 , Heldman & Lund 2007, Smith 2010). Salah satu limbah panas yang
berpotensi sebagai sumber panas untuk alat pengering mekanis adalah panas
keluaran dari kondensor HPKU AC (air conditioner).
Pengeringan dikenal sebagai suatu proses yang intensif energi (Dincer &
Sahin, 2004). Konsumsi energi merupakan faktor penentu dalam keberhasilan
penerapan suatu teknologi. Upaya penurunan konsumsi energi akhir-akhir ini
ditujukan paling tidak pada tiga hal penting yakni penghematan sumberdaya energi,
pengurangan dampak lingkungan akibat emisi karbon dan tingginya harga energi.
Oleh karena itu peningkatan efisiensi penggunaan energi pada pengeringan gabah
yaitu penurunan konsumsi energi per satuan massa air yang diuapkan merupakan
hal yang sangat penting dilakukan. Salah satu upaya penghematan energi untuk
pengeringan yang dapat dilakukan adalah penggunaan sistem heat pump kompresi
uap (HPKU).
HPKU merupakan suatu sistem yang dapat menyerap kalor pada tingkat suhu
yang lebih rendah dan membuangnya ke tingkat suhu yang lebih tinggi. Heat pump
dapat memanfaatkan input panas lingkungan dan menghasilkan output panas yang
lebih besar. Keuntungan lain dari penggunaan HPKU adalah dehumidifikasi udara
pengering dapat dilakukan dengan melewatkan udara pengering melalui evaporator.
Uap air yang terkandung di udara akan mengalami pengembunan sehingga
dihasilkan udara yang memiliki kelembaban yang lebih rendah. Pada umumnya
pengering yang menggunakan konveksi sebagai mode utama dapat dikonversi
2
menggunakan heat pump yang sesuai. Akan tetapi pengering yang memerlukan
jumlah udara pengering yang besar tidak sesuai dengan operasi heat pump (Kiang
dan Jon dalam Mujumdar, 2006).
Walaupun pengeringan heat pump terbatas suhunya karena penggunaan
refrigeran yang ada saat ini (Jayaraman dan Gupta dalam Mujumdar, 2006) untuk
kebanyakan bahan pertanian dan pangan hal ini tidak menjadi kendala. Sistem
HPKU sangat bergantung pada jenis refrigeran yang digunakan. Salah satu jenis
refrigeran untuk HPKU yang cukup populer adalah R-134a karena sifat
termodinamikanya yang cukup baik dan bersifat tidak merusak ozon.
Pengeringan dengan menggunakan HPKU cukup menguntungkan karena
koefisien prestasi (COP) yang besar. Aveces-Saborio (1992) melakukan analisis
konsumsi energi untuk pengeringan heat pump resirkulasi (siklus tertutup) dan
pengeringan konvensional resirkulasi. Hasil simulasi memperlihatkan bahwa
pengering HPKU resirkulasi memiliki Specific Moisture Extraction Rate (SMER)
yang secara signifikan lebih tinggi dibandingkan pengering konvensional untuk
kondisi inlet, outlet dan suhu udara lingkungan yang sama.
Perera and Rahman (1997), dalam penelitiannya meninjau potensi pengering
heat pump dehumidifier (HPD) dalam pengeringan pangan. Pengering HPD
memberikan beberapa keunggulan dibandingkan pengering udara panas
konvensional untuk pengeringan produk makanan seperti efisiensi yang tinggi,
kualitas produk yang lebih baik, dan kemampuan untuk menyesuaikan dari dengan
kondisi lingkungan. Selain itu, teknologi ini ramah lingkungan, gas dan sisa asap
tidak dilepaskan ke atmosfer. Kondensatnya dapat di recovery dan dibuang dengan
cara yang tepat, dan ada juga potensi untuk memulihkan senyawa volatil berharga
dari kondensat itu sendiri.
Walaupun umumnya pengeringan dengan sistem HPKU mengkonsumsi
energi yang lebih hemat dibandingkan pengering konvensional (Aveces-Sabiro,
1992, Harchegani et al. 2012), ada juga penelitian lain yang memperlihatkan
peningkatan konsumsi energi sehubungan dengan waktu yang terlalu lama (Pal et
al. 2010). Akan tetapi sehubungan dengan suhu yang relatif rendah maka
kompensasi yang diperoleh adalah kualitas pengeringan yang lebih baik (Goh et al.
2011). Rossi et al. (1992) membuat pengeringan sayuran dengan pengeringan
HPKU dan pengeringan konvensional menggunakan heater listrik dan dapat
penghemat energi 40% dan waktu proses. Mellmann and Furll (2008) melaporkan
hasil penelitiannya dengan penghematan energi dari 30% sampai dengan 50% dari
biaya produk. Pengeringan dengan sistem HPKU untuk mengeringkan gabah
memiliki potensi untuk digunakan secara lebih efisien, dan umumnya dilakukan
pada suhu yang lebih rendah dari pengeringan konvensional sehingga dapat
mempertahankan kualitas. Zigler et al. (2009) melakukan penelitian pengeringan
tanaman obat dan rempah-rempah dengan menggunakan pengeringan batch yang
ditambah dengan sistem HPKU mengurangi konsumsi energi 40% sampai dengan
55%. Parsertsan dan Sean-Saby (1998), melakukan penelitan pengeringan kayu
dan pisang dengan memperoleh Specific Moisture Extraction Rate (SMER) antara
0.34 – 0.57 kg/kWh.
Karena karakteristiknya, pengeringan dengan HPKU dapat dilakukan dengan
berbagai konfigurasi. Konfigurasi secara prinsip dapat dibedakan menjadi siklus
terbuka dan resirkulasi. Siklus terbuka juga dapat dibedakan dari penempatan
evaporator yang dapat mencakup di lokasi sebelum kondensor atau bahkan pada
outlet pengering. Aveces-Saborio. (1992) menyatakan walaupun pada umumnya
3
konsumsi energi sistem siklus resirkulasi lebih rendah, tidak ada jaminan apakah
siklus resirkulasi ini menguntungkan. Akan tetapi penelitian yang komprehensif
tentang sistem HPKU dengan sistem reserkulasi dengan penempatan udara
lingkungan masuk sebelum evaporator dan sebelum kondensor pada sistem
resirkulasi sebelum kondensor belum pernah dilakukan penelitian.
Pada produk yang berupa biji-bijian termasuk gabah, pengeringan dapat
dibedakan menjadi pengeringan tumpukan stasioner (stasionary bed) dan
tumpukan bergerak (moving bed) berdasarkan aliran produknya selama
pengeringan. Metode pengeringan yang cukup sederhana yang sering digunakan
terutama pada tingkat skala kecil adalah pengeringan dengan tumpukan stasioner
yang biasanya dilakukan dalam bak pengering. Pada sistem pengeringan gabah
seperti ini, penerapan suhu udara pengering yang rendah umum dilakukan untuk
menghindari kerusakan gabah. Hal ini dapat dilihat dari hasil Inprasit dan
Noomhorm et al. (2001) dimana gabah yang dikeringkan dengan suhu rendah
UNTUK PENGERINGAN GABAH
DAMAWIDJAYA BIKSONO
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
ii
iii
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi “Pengembangan Sistem Heat
Pump Kompresi Uap untuk Pengeringan Gabah” adalah benar karya saya dengan
arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada
Perguruan Tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari
karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan
dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Agustus 2016
Damawidjaya Biksono
NIM. F164110041
iv
RINGKASAN
DAMAWIDJAYA BIKSONO. Pengembangan Sistem Heat Pump Kompresi Uap untuk
Pengeringan Gabah. Dibimbing oleh LEOPOLD OSCAR NELWAN, TINEKE
MANDANG, DYAH WULANDANI dan YOGI SIRODZ GAOS.
Sistem heat pump kompresi uap (HPKU) merupakan suatu sistem yang dapat
menyerap kalor pada tingkat suhu yang lebih rendah dan membuangnya ke tingkat suhu
yang lebih tinggi. HPKU dapat memanfaatkan input panas lingkungan dan menghasilkan
output panas yang lebih besar. Selain digunakan untuk meningkatkan kuantitas panas
jika dibandingkan input panasnya sistem HPKU juga memiliki kemampuan
dehumidifikasi udara yang digunakan untuk pengeringan. Kajian penerapan sistem
HPKU pada pengeringan gabah terutama tentang karakteristik konfigurasi sistemnya
belum banyak dilakukan. Selain itu pengembangan model dan simulasi diperlukan untuk
prediksi prilaku termal dari sistem tersebut dapat diperoleh ketika konfigurasi atau
variabel input sistem ini diubah atau ketika sistem ini ditempatkan pada kondisi
lingkungan tertentu.
Penelitian ini secara garis besar, terdiri dari tiga bagian. Pertama adalah kajian
karakteristik sistem HPKU dengan kompresor refrigerator. Pada bagian ini dipelajari
karakteristik sistem HPKU konsumsi daya, panas evaporasi dan kondensasi dari sistem
serta dilakukan model empirik untuk parameter-parameter karakteristik tersebut.
Parameter-parameter tersebut divariasikan terhadap suhu kondensasi dan evaporasi.
Bagian kedua adalah tentang kinerja pengeringan gabah dengan sistem HPKU. Pada
bagian ini, konfigurasi HPKU yang secara garis besar mencakup siklus terbuka dan
resirkulasi diuji untuk pengeringan gabah. Pada siklus resirkulasi bagian energi yang
berasal dari pengering dimanfaatkan kembali sedangkan siklus terbuka pemanasannya
hanya mengandalkan suhu lingkungan. Bagian terakhir adalah simulasi sistem HPKU.
Simulasi dilakukan dengan sistem HPKU untuk pengering gabah dengan bantuan
program computer, adalah untuk memprediksi performansi sistem HPKU dengan
parameter simulasi adalah suhu lingkungan, kelembaban udara dan laju aliran massa
udara, dengan cara simulasi matematik dan metode numerik serta adanya pengaruh
perubahan suhu keluar evaporator dan kondensor kepengering karena adanya perubahan
suhu lingkungan.
Hasil penelitian karakteristik sistem HPKU dengan kompresor refrigerator
memperlihatkan daya kompresi cenderung mengalami peningkatan dari 0.351 kW sampai
0.562 kW terhadap suhu evaporasi dan suhu kondensasi pada interval suhu evaporasi
antara 4-14oC dan suhu kondensasi 50-65oC. Panas evaporasi dan kondensasi juga
mengalami peningkatan terhadap suhu evaporasi tetapi cenderung menurun terhadap suhu
kondensasi. Nilai koefisien prestasi refrigerasi (COPRef) dan koefisien prestasi heat
(COPHeat) cenderung konstan menurun terhadap suhu kondensasi. Model yang dibentuk
untuk memprediksi daya kompresi dan laju aliran refrigeran yang menggunakan
persamaan kuadratik berganda terhadap suhu evaporasi dan suhu kondensasi telah dapat
menjelaskan dengan keeratan yang cukup baik dengan persentase error rata-rata (PER)
1.046%. Model panas evaporasi memiliki keeratan yang lebih rendah yaitu 0.756%
sehubungan dengan kecenderungan terhadap suhu evaporasi dan kondensasi yang
berbeda.
Percobaan pengeringan sistem HPKU dilakukan dengan menggunakan sembilan
konfigurasi dan satu perlakuan dengan sistem pemanas resistif sebagai pembanding hasil.
Konfigurasi tersebut mencakup siklus udara HPKU, penggunaan penukar panas dengan
udara lingkungan serta penggunaan metode intermittent selama proses pengeringan.
Kapasitas pengeringan rata-rata 150 kg gabah setiap perlakuan dengan sistem HPKU
v
dengan daya kompresor 375 Watt, menghasilkan waktu pengeringan antara 11-12 jam
dari masing-masing perlakuan dengan kadar air awal gabah 22-24%b.b. Pengujian
berbagai konfigurasi ditujukan untuk mendapatkan konsumsi energi yang paling rendah
per massa air yang diuapkan.
Pengeringan yang dihasilkan oleh seluruh konfigurasi sistem HPKU dan pemanas
resistif pada studi ini hampir sama yaitu suhu 35.7-37.9oC dan RH 35.4-45.9oC Rasio
peningkatan specific moisture exctraction rate total (SMERTot) terhadap pengering
pemanas resistif untuk berbagai konfigurasi pengering HPKU yang digunakan pada studi
ini adalah 159–329%. Tingginya nilai SMER Tot baik dari pengering sistem HPKU
maupun pemanas resistif disebabkan oleh pengoperasian intermittent pada kondisi suhu
dan kelembaban udara lingkungan yang memadai. Metode pengeringan heat pump
dengan sistem terbuka dengan pengoperasian HPKU yang intermittent memberikan
specific moisture exctraction rate termal (SMERT) dan SMERTot yang paling tinggi yaitu
masing-masing 7.06 dan 5.06 kg/kWh. Pengoperasian intermittent tidak banyak
mempengaruhi laju pengeringan, tetapi secara nyata menurunkan konsumsi energi.
Penempatan udara masuk lingkungan pada sebelum evaporator dan sebelum kondensor
pada siklus tertutup memberikan SMERTot yang berbeda yaitu 4.01 dan 3.07 kg/kWh.
Penggunaan udara lingkungan dengan menggunakan konveksi paksa pada penukar panas
akan meningkatkan SMERTot, sedangkan penggunaan aliran udara dari keluaran akan
menurunkan nilai SMERTot.
Model untuk memprediksi kinerja sistem pengering HPKU ini dikembangkan
berdasarkan karakteristik kompresor yang telah dihasilkan pada bagian penelitian pertama
dan neraca energi dan massa uap air dari udara yang melalui evaporator dan kondensor.
Selanjutnya simulasi dilakukan untuk menduga waktu pengeringan yang dibutuhkan
menggunakan metode Hukill yang dilanjutkan dengan menghitung konsumsi energi
termal spesifik.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada kondisi udara lingkungan dengan suhu 2634oC dan kelembaban relatif 45-95%, sistem HPKU mampu manghasilkan udara yang
potensial untuk pengeringan. Suhu udara lingkungan sangat mempengaruhi kinerja
sistem HPKU dimana pada suhu udara lingkungan yang lebih tinggi COP heat yang
dihasilkan cenderung menurun. Kelembaban udara lingkungan cenderung hanya sedikit
mempengaruhi COPheat namun secara langsung menentukan kelembaban udara pengering.
Akan tetapi nilai kisaran COPheat yang dihasilkan pada keseluruhan kondisi masih cukup
tinggi yaitu antara 3.2-3.8. Laju aliran udara kurang signifikan dalam mempengaruhi
COPheat, akan tetapi mempengaruhi besarnya suhu udara pengering yang dihasilkan.
COPheat yang tinggi tidak dengan sendirinya akan memberikan nilai konsumsi energi
termal spesifik (KETS) yang tinggi. KETS lebih banyak ditentukan oleh waktu
pengeringan dibandingkan daya yang dikonsumsi. Oleh karena itu, suhu dan kelembaban
udara lingkungan sangat menentukan besarnya KETS. Laju aliran udara cenderung
sedikit menurunkan KETS. Dengan waktu pengeringan dari keseluruhan kondisi udara
lingkungan dan laju aliran udara yang berkisar antara 6-15 jam, KETS yang dihasilkan
cukup rendah yaitu berkisar pada nilai 0.5–1 MJ/kg air yang diuapkan.
Kata kunci : Heat pump kompresi uap, konfigurasi, pengeringan gabah, simulasi, specific
moisture exctraction rate (SMER)
vi
SUMMARY
DAMAWIDJAYA BIKSONO. The Development of Vapor Compression Heat
Pump System for Rough Rice Drying. Supervised by LEOPOLD OSCAR
NELWAN, TINEKE MANDANG, DYAH WULANDANI and YOGI SIRODZ
GAOS.
Vapor compression heat pump (VCHP) system is a system that absorbs heat
at lower temperature and discharges at higher temperature. VCHP can utilize heat
from the environment as input and produce higher heat as output. Besides of its
function to increase heat quantity if compared with the incoming heat, VCHP
system also has ability for dehumidification that can be used for drying. A study
on the implementation of VCHP system for rough rice drying especially on the
configuration characteristic is rarely conducted. In addition, a development on
model and simulation which is needed to predict thermal characteristic can be
obtained when the configurations or input variables of this system are changed or
placed at certain environment condition.
In general, the objectives of this study consisted of three parts. The first was
to study the characteristic of VCHP system with refrigerator compressor. At this
part, researcher studied the characteristic of VCHP system including power
consumption, evaporation heat and condensation as well as to develop empiric
model from those characteristics. Those parameters were varied upon
condensation and evaporation temperature. The second part was to study the
performance of VCHP system for rough rice drying. At this part, VCHP
configuration which generally consisted of an open and recirculation cycle was
tested for rough rice drying. At recirculation cycle, energy produced from drying
was re-utilized. Mean while, heating system of an open cycle only relied on
ambient temperature. The third part was to carry out simulation of the VCHP
system. Simulation was carried out using VCHP system for rough rice drying with
computerized program to predict the performance of VCHP system with
parameters consisted of ambient temperature, relative humidity and air mass flow
rate by mathematic and numeric methods as well as the influence of temperature
changes from evaporator and condenser to dryer because of ambient temperature
changes.
The result of VCHP system characteristic with refrigerator compressor
showed that compression power increased from 0.351 kW to 0.562 kW upon
evaporation temperature (4-14oC) and condensation temperature (50-65oC).
Evaporation and condensation heat also increased upon evaporation temperature
but tended to decrease upon condensation temperature. Refrigeration Coefficient
of Performance (COPRef) magnitude and heat Coefficient of Performance
(COPHeat) tended to decrease upon condensation temperature. A developed model
to predict compression power and refrigerant flow rate using multiple quadratic
equation upon evaporation and condensation temperature could explain well with
the average percentage error (APE) 1.046%. Evaporation heat model had lower
that is 0.756% due to different tendency upon evaporation and condensation
temperature.
VCHP system drying experiment was carried out using nine configurations
and one treatment with resistive heating system for result comparison. Those
vii
configurations consisted of VCHP air cycle, utilization of heat exchanger with
ambient air and application of intermittent method during drying process. The
drying capacity was 150 kg of rough rice at every VCHP treatment with
compressor power 375 Watt, drying time 11-12 hours with initial moisture content
22-24% wet bulb. Testing of various configurations was carried out to obtain the
lowest energy consumption per vapored water mass.
Drying resulted from all VCHP configurations and resistive heating system
at this study was almost similar i.e. at temperature 35.7-37.9oC and RH 35.445.9oC. The increment ratio of total specific moisture extraction rate total
(SMERTot) upon resistive heating drying for various VCHP drying configurations
used at this study was 159–329%. High value of SMERTot either at VCHP drying
system or resistive heating was due to intermittent operation condition occurred at
appropriate ambient temperature and relative humidity. An open cycle heat pump
drying method with intermittent operation produced the highest specific moisture
extraction rate which only calculated thermal energy (SMERT) and SMERTot at
7.06 and 5.06 kg/kWh, respectively. Intermittent operation didn’t much influence
drying rate but significantly reduced energy consumption. Ambient air inlet which
placed before evaporator and condenser on a closed cycle could produce different
SMERTot i.e. 4.01 dan 3.07 kg/kWh. The utilization of ambient air through force
convection in heat exchanger could increase SMER Tot, while the utilization of air
flow from outlet could reduce SMERTot.
Model used to predict the performance of VCHP drying system was
developed based on the characteristic of compressor that was resulted from the
first research part, energy balance and vapored water mass through evaporator and
condenser. Simulation was carried out to predict drying time using Hukill method
and followed by calculating specific thermal energy consumption.
Simulation result showed that ambient air condition with temperature at 26o
34 C and relative humidity 45-95%, VCHP system could produce potential
condition for drying. Ambient air temperature significantly influenced the
performance of VCHP system where higher ambient air temperature produced
lower COPheat. Ambient relative humidity had little influence on COP heat but
directly influenced drying relative humidity. However, COPheat had high value
ranging from 3.2 to 3.8. Air flow rate didn’t much significantly influence COPheat
but it influenced drying temperature that was produced. High COP heat would not
give high spesific consumption of thermal energy (SCTE) for instance. SCTE was
much more influenced by drying time compared with power consumption.
Therefore, ambient temperature and relative humidity very influenced SCTE. Air
flow rate tended to slightly reduce SCTE. With drying time 6-15 hours from all
ambient air condition and air flow rate, SCTE occurred at relatively low condition
ranging from 0.5-1 MJ/kg vapored water.
Key words : Vapor compression heat pump, configuration, rough rice drying,
simulation, specific moisture extraction rate (SMER)
viii
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah ; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
ix
PENGEMBANGAN SISTEM HEAT PUMP KOMPRESI UAP
UNTUK PENGERINGAN GABAH
DAMAWIDJAYA BIKSONO
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor
pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
x
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tertutup : 1. Prof Dr Ir Mohammad Idrus Alhamid, MSc
Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.
2. Prof Dr Ir Sutrisno, MAgr
Staf pengajar Departemen Teknik Mesin
dan Bio-sistem, Fakultas Teknik Pertanian,
Institut Pertanian Bogor.
Penguji Luar Komisi pada Sidang Promosi : 1. Prof Dr Ir Mohammad Idrus Alhamid, MSc
Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.
2. Prof Dr Ir Sutrisno, MAgr
Staf pengajar Departemen Teknik Mesin
dan Bio-sistem, Fakultas Teknik Pertanian,
Institut Pertanian Bogor .
xi
Judul Disertasi
Nama
NIM
: Pengembangan Sistem Heat Pump Kompresi Uap untuk
Pengeringan Gabah
: Damawidjaya Biksono
: F164110041
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Ir Leopold Oscar Nelwan, MSi
Ketua
Prof Dr Ir Tineke Mandang, MS
Anggota
Dr Ir Dyah Wulandani, MSi
Anggota
Dr Ir Yogi Sirodz Gaus, MT
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Ilmu Keteknikan Pertanian
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr Ir Wawan Hermawan, MS
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian Tertutup : 28 Juli 2016
Tanggal Sidang Promosi : 15 Agustus 2016
Tanggal Lulus :
xii
PRAKATA
Puji dan syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan segala
rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan disertasi ini.
Tema yang dipilih dalam penelitian ini dan dilaksanakan sejak Juli 2013 adalah
Pengermbangan Sistem Heat Pump Kompresi Uap untuk Pengeringan Gabah.
Penghargaan setinggi-tingginya dan ucapan terima kasih kepada Bapak Dr
Ir Leopold Oscar Nelwan, MSi, Ibu Prof Dr Ir Tineke Mandang, MS, Ibu Dr Ir
Dyah Wulandani, MS dan Bapak Dr Ir Yogi Sirodz Gaos, MT selaku
pembimnbing. Selanjutnya penghargaan penulis sampaikan kepada Rektor
Universitas Jenderal Achmad Yani Mayor Jenderal TNI Witjaksono, MSc dan
Dekan Fakultas Teknik Ir Susanto Sambasri, MT yang telah mendukung dan
membantu selama proses penelitian. Ungkapan terima kasih juga disampaikan
kepada kedua orang tua almarhum Bapak Benin Baiturridwan dan Ibu Ranih
Lisnawati Maesyaroh, istri dan anak-anak tercinta Dra Erni Setiawati, MSi. Bagas
Alif Putra Pratama dan Salsyabila Dwiputri Djayany serta adik-adik penulis atas
segala do’a dan kasih sayangnya.
Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada seluruh pihak yang telah
membantu proses penyelesaian studi doktor, khusunya kepada rekan-rekan
program doktor Ilmu Keteknikan Pertanian, Ketua Program Studi Dr Ir Wawan
Hermawan MS dan Dekan Fakultas Teknik Pertanian IPB. Penghargaan juga
disampaikan kepada Prof Dr Ir Mohammad Idrus Alhamid, MSc dan Prof Dr Ir
Sutrisno, MAgr sebagai penguji luar komisi pada saat ujian tertutup dan sidang
promosi.
Terima kasih penulis sampaikan kepada Dirjen Pendidikan Tinggi yang
telah memberikan Beasiswa Program Pascasarjana Dalam Negeri (BPPs/BPPDN)
pendidikan S3 dan Kementrian Pertanian melalui program penelitian KP3N
bantuan biaya penelitian dan sebagai Ketua Peneliti Bapak Dr Ir Leopold Oscar
Nelwan, MSi yang telah memberikan saran, koreksi dan pemantauan semua
kegiatan pelaksanaan penelitian dan penulisan disertasi.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat untuk pengembangan ilmu di bidang
Ilmu Keteknikan Pertanian dan dapat diaplikasikan serta dikembangkan.
Bogor, Agustus 2016
Damawidjaya Biksono
xiii
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
xiv
DAFTAR GAMBAR
xv
DAFTAR LAMPIRAN
xvii
1 PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
4
Manfaat Penelitian
4
Kebaruan Penelitian
5
Ruang Lingkup Penelitian
5
Kerangka Disertasi
6
2 KARAKTERISTIK HEAT PUMP KOMPRESI UAP DENGAN
KOMPRESOR REFRIGERATOR
Pendahuluan
8
8
Bahan dan Metode
10
Hasil dan Pembahasan
15
Simpulan
21
3 KINERJA PENGERINGAN GABAH DENGAN SISTEM HEAT PUMP
KOMPRESI UAP
22
Pendahuluan
22
Bahan dan Metode
23
Hasil dan Pembahasan
34
Simpulan
40
4 SIMULASI PENGERING SISTEM HEAT PUMP KOMPRESI UAP
42
Pendahuluan
42
Bahan dan Metode
43
Hasil dan Pembahasan
53
Simpulan
64
5 PEMBAHASAN UMUM
66
6 SIMPULAN DAN SARAN
69
DAFTAR PUSTAKA
71
RIWAYAT HIDUP
92
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Tabel 3.1
Tabel 3.2
Tabel 4.1
Tabel 4.2
Tabel 4.3
Tabel 4.4
Tabel 4.5
Tabel 4.6
Konstanta-konstanta hasil simulasi dengan metode least square harga
numerik untuk persamaan (2.3), (2.4) dan (2.5).
Konfigurasi sistem pengering yang diuji
Konsumsi dan rasio energi terhadap pengeringan dengan pemanas
resistif serta SMERT dan SMERTot untuk masing-masing pengujian
Hasil simulasi sistem HPKU
Parameter input untuk simulasi
Hasil proses perhitungan dengan input dari Tabel 4.2 dengan variasi
suhu ambien evaporator.
Hasil proses perhitungan dengan input dari Tabel 4.2 dengan variasi
kelembaban mutlak evaporator
Hasil proses perhitungan dengan input dari Tabel 4.2 dengan variasi
laju aliran massa udara
Hasil simulasi pengeringan metode Hukill dengan suhu lingkungan
dan kelembaban relatif rendah, sedang dan tinggi
19
29
36
53
55
56
57
58
63
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Kerangka Disertasi
7
Gambar 2.1 Sistem HPKU dengan komponen-komponen utamanya (Arora, 2000) 8
Gambar 2.2 Siklus sistem HPKU standar dan aktual pada diagram p-h (Arora,
2000)
9
Gambar 2.3 (a) Alat uji sistem HPKU : (b) Skematik Sistem HPKU dan lokasi
titik-titik pengukuran
12
Gambar 2.4 Konsumsi daya kompresor terhadap suhu kondensasi
16
Gambar 2.5 Konsumsi daya kompresor terhadap suhu evaporasi
16
Gambar 2.6 Kapasitas refrigerasi dan konsumsi daya kompresor terhadap
16
Gambar 2.7 Panas evaporasi terhadap suhu evaporasi
17
Gambar 2.8 Panas kondensasi terhadap suhu kondensasi
18
Gambar 2.9 Perbandingan laju aliran massa refrigerant terhadap koefisien prestasi
mesin.
18
Gambar 2.10 Hubungan antara Qe model terhadap Qe hasil pengukuran
20
Gambar 2.11 Hubungan antara P model terhadap P hasil pengukuran
20
Gambar 2.12 Hubungan antara �� model terhadap �� hasil pengukuran
20
Gambar 3.1 Konfigurasi sistem pengeringan heat pump (a) resirkulasi, (b)
terbuka
23
Gambar 3.2 (a) Alat uji sistem HPKU, (b) skematik sistem HPKU pengering
terbuka dengan lokasi titik-titik pengukuran
24
Gambar 3.3 Perubahan kondisi udara pada sistem HPKU siklus terbuka
25
Gambar 3.4 (a) Alat uji sistem HPKU, (b) skematik sistem HPKU pengering
resirkulasi dengan lokasi titik-titik pengukuran
26
Gambar 3.5 Skematik sistem HPKU dengan resirkulasi udara masuk sebelum
kondensor
27
Gambar 3.6 Skematik sistem HPKU dengan resirkulasi udara masuk sebelum
evaporator
27
Gambar 3.7 Siklus udara pengeringan sistem terbuka, inlet dan outlet HE
tertutup.
30
Gambar 3.8 Siklus udara pengeringan sistem terbuka, inlet dan outlet HE dibuka
sehingga udara lingkungan dapat mengalir secara konveksi bebas.
30
Gambar 3.9 Siklus udara pengeringan terbuka, udara ekshaus dari ruang
pengering dialirkan melalui HE.
31
Gambar 3.10 Siklus udara pengering resirkulasi, inlet udara lingkungan dari
kondensor rasio bukaan udara 1/2 dan percobaan V rasio bukaan
udara 2/3, inlet dan outlet HE dibuka sehingga udara lingkungan
dapat secara konveksi bebas.
31
Gambar 3.11 Siklus udara pengering sistem terbuka, inlet dan outlet HE dibuka
dan udara lingkungan dialirkan menggunakan blower.
32
xvi
Gambar 3.12 Siklus udara pengering sistem resirkulasi, inlet udara lingkungan dari
evaporator rasio bukaan udara 1/2, inlet dan outlet HE dibuka
sehingga udara lingkungan dapat mengalir secara konveksi bebas.
32
Gambar 3.13 Skematik sistem pengering dengan pemanas resistif
33
Gambar 3.14 Grafik perbandingan suhu pengering dan RH terhadap waktu
pengeringan untuk konfigurasi II
38
Gambar 3.15 Grafik perbandingan suhu pengering dan RH terhadap waktu
pengeringan untuk konfigurasi VI
38
Gambar 3.16 Grafik perbandingan suhu pengering dan RH terhadap waktu
pengeringan untuk konfigurasi IX
39
Gambar 3.17 Grafik perbandingan kadar air gabah rata-rata masing-masing
konfigurasi terhadap waktu pengeringan
39
Gambar 4.1 Diagram alir pemograman sistem pengering HPKU
50
Gambar 4.2 Grafik kelembaban udara masuk pengering hasil simulasi terhadap
percobaan
54
Gambar 4.3 Grafik suhu udara keluar kondensor ke pengering hasil simulasi
terhadap percobaan
54
Gambar 4.4 Perubahan suhu lingkungan terhadap laju pelepasan kalor
58
Gambar 4.5 Perubahan suhu lingkungan terhadap konsumsi daya
58
Gambar 4.6 Perubahan suhu lingkungan terhadap suhu ke pengering
59
Gambar 4.7 Perubahan suhu lingkungan terhadap laju COPheat
59
Gambar 4.8 Perubahan kelembaban udara terhadap laju pelepasan
59
Gambar 4.9 Perubahan kelembaban udara terhadap suhu udara ke pengering
60
Gambar 4.10 Perubahan laju aliran udara terhadap laju pelepasan kalor
60
Gambar 4.11 Perubahan laju aliran udara terhadap suhu udara ke pengering
60
Gambar 4.12 Perubahan laju aliran udara terhadap COPheat
61
Gambar 4.13 Daya kompresor terhadap suhu dan kelembaban udara lingkungan
63
Gambar 4.14 COPHeat terhadap suhu dan kelembaban udara lingkungan
63
Gambar 4.15 Waktu pengeringan terhadap suhu dan kelembaban udara lingkungan 64
Gambar 4.16 Air yang diuapkan terhadap suhu dan kelembaban udara lingkungan 64
xvii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Menentukan luas dan panjang pipa kondensor
Lampiran 2 Menentukan luas dan panjang pipa evaporator
Lampiran 3 Tabel data dan model t (lingkungan, evaporator, kondensor), daya
kompresor, laju panas evaporator, laju panas kondensor dan laju
aliran massa refrigran.
Lampiran 4 Data tabel validasi suhu kelembaban pengering hasil percobaan dan
hasil simulasi
Lampiran 5 Data tabel hasil pengukuran suhu plenum dan lingkungan pada
pengujuian konfigurasi I yaitu siklus udara pengering sistem terbuka
inlet dan outlet HE tertutup
Lampiran 6 Simulasi sistem heat pump kompresi uap untuk pengering
Lampiran 7 Riwayat hidup
75
78
81
82
83
84
92
1
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pengeringan merupakan salah satu unit proses pascapanen yang umum
dilakukan pada berbagai produk pertanian yang dimaksudkan untuk menurunkan
kadar air produk sampai tingkat yang aman untuk penyimpanan atau proses
lainnya, hampir semua proses pengeringan pada produk pertanian dilakukan
dengan proses termal. Metode pengeringan yang paling umum dilakukan di negaranegara berkembang termasuk Indonesia adalah pengeringan dengan cara
penjemuran, karena metode ini relatif sederhana dan murah walau demikian metode
penjemuran ada beberapa kerugian pada metode ini diantaranya kebutuhan luas
lahan, ketidak pastian cuaca membuat produk yang dijemur harus dipindahpindahkan apabila kondisi cuaca berubah dari cerah ke hujan, dan kerusakan
produk dapat terjadi apabila sinar matahari tidak diperoleh untuk jangka waktu
yang panjang, dan dibutuhkan pembalikan bahan agar kadar air yang didinginkan
dapat dicapai secara merata, dengan penggunaan teknologi pengeringan buatan
diharapkan dapat mengatasi hal tersebut. Tujuan utama dari setiap proses
pengeringan adalah untuk menghasilkan produk kering dari kualitas bahan yang
diinginkan dengan biaya yang minimum dan hasil yang maksimum, sebuah sistem
pengeringan yang lebih baik efisien energinya dan menjaga kualitas produk yang
diinginkan (Adapa et al. 2002).
Pengeringan dengan alat pengering mekanis membutuhkan waktu yang lebih
singkat dari pengeringan konvensional. Pengeringan mekanis memerlukan sumber
panas buatan yang dapat berasal dari bahan bakar biomassa, bahan bakar minyak
dan gas, elemen pemanas tenaga listrik maupun penggunaan limbah panas (Araullo
1976 , Heldman & Lund 2007, Smith 2010). Salah satu limbah panas yang
berpotensi sebagai sumber panas untuk alat pengering mekanis adalah panas
keluaran dari kondensor HPKU AC (air conditioner).
Pengeringan dikenal sebagai suatu proses yang intensif energi (Dincer &
Sahin, 2004). Konsumsi energi merupakan faktor penentu dalam keberhasilan
penerapan suatu teknologi. Upaya penurunan konsumsi energi akhir-akhir ini
ditujukan paling tidak pada tiga hal penting yakni penghematan sumberdaya energi,
pengurangan dampak lingkungan akibat emisi karbon dan tingginya harga energi.
Oleh karena itu peningkatan efisiensi penggunaan energi pada pengeringan gabah
yaitu penurunan konsumsi energi per satuan massa air yang diuapkan merupakan
hal yang sangat penting dilakukan. Salah satu upaya penghematan energi untuk
pengeringan yang dapat dilakukan adalah penggunaan sistem heat pump kompresi
uap (HPKU).
HPKU merupakan suatu sistem yang dapat menyerap kalor pada tingkat suhu
yang lebih rendah dan membuangnya ke tingkat suhu yang lebih tinggi. Heat pump
dapat memanfaatkan input panas lingkungan dan menghasilkan output panas yang
lebih besar. Keuntungan lain dari penggunaan HPKU adalah dehumidifikasi udara
pengering dapat dilakukan dengan melewatkan udara pengering melalui evaporator.
Uap air yang terkandung di udara akan mengalami pengembunan sehingga
dihasilkan udara yang memiliki kelembaban yang lebih rendah. Pada umumnya
pengering yang menggunakan konveksi sebagai mode utama dapat dikonversi
2
menggunakan heat pump yang sesuai. Akan tetapi pengering yang memerlukan
jumlah udara pengering yang besar tidak sesuai dengan operasi heat pump (Kiang
dan Jon dalam Mujumdar, 2006).
Walaupun pengeringan heat pump terbatas suhunya karena penggunaan
refrigeran yang ada saat ini (Jayaraman dan Gupta dalam Mujumdar, 2006) untuk
kebanyakan bahan pertanian dan pangan hal ini tidak menjadi kendala. Sistem
HPKU sangat bergantung pada jenis refrigeran yang digunakan. Salah satu jenis
refrigeran untuk HPKU yang cukup populer adalah R-134a karena sifat
termodinamikanya yang cukup baik dan bersifat tidak merusak ozon.
Pengeringan dengan menggunakan HPKU cukup menguntungkan karena
koefisien prestasi (COP) yang besar. Aveces-Saborio (1992) melakukan analisis
konsumsi energi untuk pengeringan heat pump resirkulasi (siklus tertutup) dan
pengeringan konvensional resirkulasi. Hasil simulasi memperlihatkan bahwa
pengering HPKU resirkulasi memiliki Specific Moisture Extraction Rate (SMER)
yang secara signifikan lebih tinggi dibandingkan pengering konvensional untuk
kondisi inlet, outlet dan suhu udara lingkungan yang sama.
Perera and Rahman (1997), dalam penelitiannya meninjau potensi pengering
heat pump dehumidifier (HPD) dalam pengeringan pangan. Pengering HPD
memberikan beberapa keunggulan dibandingkan pengering udara panas
konvensional untuk pengeringan produk makanan seperti efisiensi yang tinggi,
kualitas produk yang lebih baik, dan kemampuan untuk menyesuaikan dari dengan
kondisi lingkungan. Selain itu, teknologi ini ramah lingkungan, gas dan sisa asap
tidak dilepaskan ke atmosfer. Kondensatnya dapat di recovery dan dibuang dengan
cara yang tepat, dan ada juga potensi untuk memulihkan senyawa volatil berharga
dari kondensat itu sendiri.
Walaupun umumnya pengeringan dengan sistem HPKU mengkonsumsi
energi yang lebih hemat dibandingkan pengering konvensional (Aveces-Sabiro,
1992, Harchegani et al. 2012), ada juga penelitian lain yang memperlihatkan
peningkatan konsumsi energi sehubungan dengan waktu yang terlalu lama (Pal et
al. 2010). Akan tetapi sehubungan dengan suhu yang relatif rendah maka
kompensasi yang diperoleh adalah kualitas pengeringan yang lebih baik (Goh et al.
2011). Rossi et al. (1992) membuat pengeringan sayuran dengan pengeringan
HPKU dan pengeringan konvensional menggunakan heater listrik dan dapat
penghemat energi 40% dan waktu proses. Mellmann and Furll (2008) melaporkan
hasil penelitiannya dengan penghematan energi dari 30% sampai dengan 50% dari
biaya produk. Pengeringan dengan sistem HPKU untuk mengeringkan gabah
memiliki potensi untuk digunakan secara lebih efisien, dan umumnya dilakukan
pada suhu yang lebih rendah dari pengeringan konvensional sehingga dapat
mempertahankan kualitas. Zigler et al. (2009) melakukan penelitian pengeringan
tanaman obat dan rempah-rempah dengan menggunakan pengeringan batch yang
ditambah dengan sistem HPKU mengurangi konsumsi energi 40% sampai dengan
55%. Parsertsan dan Sean-Saby (1998), melakukan penelitan pengeringan kayu
dan pisang dengan memperoleh Specific Moisture Extraction Rate (SMER) antara
0.34 – 0.57 kg/kWh.
Karena karakteristiknya, pengeringan dengan HPKU dapat dilakukan dengan
berbagai konfigurasi. Konfigurasi secara prinsip dapat dibedakan menjadi siklus
terbuka dan resirkulasi. Siklus terbuka juga dapat dibedakan dari penempatan
evaporator yang dapat mencakup di lokasi sebelum kondensor atau bahkan pada
outlet pengering. Aveces-Saborio. (1992) menyatakan walaupun pada umumnya
3
konsumsi energi sistem siklus resirkulasi lebih rendah, tidak ada jaminan apakah
siklus resirkulasi ini menguntungkan. Akan tetapi penelitian yang komprehensif
tentang sistem HPKU dengan sistem reserkulasi dengan penempatan udara
lingkungan masuk sebelum evaporator dan sebelum kondensor pada sistem
resirkulasi sebelum kondensor belum pernah dilakukan penelitian.
Pada produk yang berupa biji-bijian termasuk gabah, pengeringan dapat
dibedakan menjadi pengeringan tumpukan stasioner (stasionary bed) dan
tumpukan bergerak (moving bed) berdasarkan aliran produknya selama
pengeringan. Metode pengeringan yang cukup sederhana yang sering digunakan
terutama pada tingkat skala kecil adalah pengeringan dengan tumpukan stasioner
yang biasanya dilakukan dalam bak pengering. Pada sistem pengeringan gabah
seperti ini, penerapan suhu udara pengering yang rendah umum dilakukan untuk
menghindari kerusakan gabah. Hal ini dapat dilihat dari hasil Inprasit dan
Noomhorm et al. (2001) dimana gabah yang dikeringkan dengan suhu rendah