Study on Temperature, RH and Air Flow Velocity Distribution of Dryer for the Design Optimization of Greenhouse Effect Solar Dryer
KAJIAN DISTRIBUSI SUHU, RH DAN
ALIRAN UDARA PENGERING UNTUK
OPTIMISASI DISAIN PENGERING
EFEK RUMAH KACA
DYAH WULANDANI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2005
(2)
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi “Kajian Distribusi Suhu, RH
Dan Aliran Udara Pengering Untuk Optimisasi Disain Pengering Efek
Rumah Kaca” adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apa
pun kepada perguruan tinggi mana pun. 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 disertasi
ini.
Bogor, Nopember 2005
Dyah Wulandani
(3)
ABSTRAK
DYAH WULANDANI. Kajian Distribusi Suhu, RH Dan Aliran Udara
Pengering Untuk Optimisasi Disain Pengering Efek Rumah Kaca.
Dibimbing oleh KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY HARTULISTIYOSO dan
ACHMAD INDRA SISWANTARA.
Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) adalah bangunan pengering berdinding
transparan, di dalamnya terdapat plat absorber sebagai pengumpul panas dan
wadah produk (rak atau bak) serta kipas untuk mengeluarkan uap air hasil
pengeringan. Sumber energi pada pengering ERK diperoleh dari surya dan
pembakaran biomassa (arang kayu). Pengering ERK ini menjadi salah satu
pilihan bagi petani maupun pedagang pengumpul cengkeh untuk mengatasi
masalah pengeringan dengan cara penjemuran langsung menggunakan lamporan,
karena pengering ERK menggunakan sumber energi termal dari surya dan
biomassa. Metoda penjemuran selama ini digunakan karena murah dan mudah
dilakukan, tetapi sangat tergantung adanya sinar surya dan produk mudah
terkontaminasi kotoran. Penelitian sebelumnya menyatakan bahwa pengering
ERK dipilih karena lebih murah dibandingkan dengan pengering surya yang
menggunakan kolektor datar terpisah. Agar petani dapat membeli pengering ERK
dengan harga yang terjangkau, maka untuk mengurangi biaya konstruksi
seminimal mungkin tanpa mengurangi kehandalan performansi alat, dalam
penelitian ini dilakukan perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK.
Berdasarkan hasil ini diperoleh ukuran komponen-komponen utama dalam
pengering ERK. Selain itu dengan menggunakan teknik CFD (analisis dinamika
fluida), dapat diketahui lokasi komponen-komponen utama dalam pengering ERK
(seperti inlet, outlet, kipas dan penukar panas), sehingga dapat diperoleh
keseragaman suhu, RH dan kecepatan aliran udara di dalam ruang pengering.
Secara umum tujuan penelitian adalah untuk mendapatkan disain pengering
ERK optimum baik dari segi teknis maupun secara ekonomis, melalui proses
optimisasi dan simulasi aliran udara panas serta pengujian performasi pengeringan
cengkeh menggunakan pengering ERK. Output penelitian ini berupa disain
pengering optimum yang dapat dimanfaatkan oleh petani atau pengusaha cengkeh,
dan pedagang pengumpul atau eksportir cengkeh serta bagi peneliti yang tertarik
di bidang pengeringan.
Hasil penelitian ada beberapa tahap; pertama, optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK (biaya investasi awal) dipecahkan dengan metoda Pengganda
Lagrange menggunakan persamaan keseimbangan energi di dalam ruang
pengering dan persamaan karakteristik pengeringan cengkeh. Salah satu hasil
optimisasi adalah disain pengering ERK untuk kapasitas maksimum 386 kg
cengkeh dengan dimensi 3.6 m x 3.6 m x 2.4 m dengan biaya konstruksi optimum
Rp 10.123.000,-. Pengering ERK ini terdiri dari 8 rak berukuran 7.84 m
2, plat
absorber berukuran 5.12 m
2, kipas dengan daya 247 W, penukar panas seluas 1.2
m
2, dan tungku dengan laju pembakaran 1.1 kg arang per jam. Pengeringan
dilakukan pada suhu 45
oC, RH 52 % dan laju aliran udara di atas rak 0.04 m/dt.
Dengan alat tersebut pengeringan cengkeh dari kadar air awal 72.8 % hingga 12
% bb berlangsung selama 50 jam.
Kedua, berdasarkan disain hasil optimisasi dilakukan uji performansi pada
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh. Dari uji performansi diperoleh hasil
(4)
bahwa percobaan menggunakan suhu 48
oC, RH 46.5 % dan kecepatan 0.04 m/dt,
pada tingkat radiasi surya 310 W/m
2, memberikan performansi pengeringan yang
lebih baik dibandingkan kedua percobaan lainnya yang diuji dalam penelitian ini.
Bahan bakar biomassa (arang kayu) digunakan pada pagi dan sore untuk
mempertahankan suhu 48
oC. Untuk mengeringkan cengkeh dengan kapasitas 80
kg diperlukan bahan bakar arang sebanyak 29 kg. Pengeringan bunga cengkeh
dari kadar air 72.8 % bb menjadi 12 % membutuhkan waktu dengan kisaran 38
hingga 50 jam. Hasil pengujian mutu cengkeh menunjukkan mutu-1 dengan
kandungan minyak atsiri cukup tinggi yaitu 23 % dan cengkeh kering berwarna
coklat kehitaman.
Percobaan pengeringan cengkeh di lapang masih menghasilkan perbedaan
kadar air antara rak atas dan bawah, hal ini disebabkan oleh ketidakseragaman
suhu yang terjadi di dalam ruang pengering, dengan nilai ragam suhu 2.4
oC.
Tahap ketiga, melalui analisis aliran fluida menggunakan bantuan software
Geomesh/Gambit dan Fluent dan berdasarkan dimensi pengering hasil optimisasi
di atas telah diketahui posisi inlet, outlet, kipas dan penukar panas yang tepat,
sehingga tingkat keseragaman suhu, RH dan kecepatan di dalam ruang lebih baik.
Di antara 3 skenario disain pengering ERK, disain terbaik dari hasil simulasi
tersebut adalah disain skenario-3 yang dicirikan dengan rendahnya nilai standar
deviasi dari suhu, RH dan kecepatan aliran udara, masing-masing sebesar 1.6
oC,
3.7 % dan 0.03 m/dt.
Disain skenario-3 tersebut terdiri dari dua buah inlet masing-masing
berukuran 0.1 m x 1 m pada ketinggian 1.4 m. Dua buah outlet masing-masing
berukuran 0.2 m x 0.8 m pada ketinggian 0.8 m pada dinding yang berseberangan
dengan inlet. Tiga buah kipas dengan diameter masing-masing 0.2 m digunakan
sebagai perata udara pengering. Kipas 1 (kipas bawah) terletak 0.2 m di depan
penukar panas pada ketinggian 0.4 m dari lantai bangunan dengan daya 100 W.
Kipas 2 (kipas tengah) terletak di tengah bangunan di atas rak paling atas dengan
daya 40 W. Kipas 3 (kipas atas) terletak di atas penukar panas pada ketinggian
1.8 m sejajar dengan posisi rak paling atas (rak 8) dengan daya 100 W. Penukar
panas seluas 1.2 m
2terletak 0.2 m dari dinding pada ketinggian 0.4 m dari lantai
pengering. Pada malam hari disarankan hanya menggunakan kipas bawah untuk
meratakan suhu dan kecepatan udara.
Validasi model simulasi aliran udara yang dilakukan pada pengering ERK
skala laboratorium menggunakan
curve fitting
, menunjukkan hasil kecenderungan
yang sama antara suhu, RH dan kecepatan udara hasil simulasi dengan suhu, RH
dan kecepatan udara hasil pengukuran.
Tahap akhir, analisis biaya pengeringan dilakukan dengan membandingkan
antara penjemuran (lamporan) dan pengering ERK. Pada kasus pengeringan di
atas, hasil analisis biaya menunjukkan bahwa usaha pengeringan cengkeh
menggunakan pengering ERK, baik untuk petani maupun pedagang pengumpul
layak diusahakan. Pedagang pengumpul disarankan menggunakan pengering
ERK, karena memberikan keuntungan yang lebih besar dibandingkan dengan
menggunakan lamporan. Berdasarkan analisis biaya dapat dikatakan bahwa
pengeringan menggunakan pengering ERK baik pada tingkat petani maupun
pedagang pengumpul mempunyai prospek yang baik untuk dilaksanakan.
(5)
ABSTRACT
DYAH WULANDANI. Study on Temperature, RH and Air Flow Velocity
Distribution of Dryer for the Design Optimization of Greenhouse Effect Solar
Dryer. The advisors of the dissertation are KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY
HARTULISTIYOSO and ACHMAD INDRA SISWANTARA.
Greenhouse Effect (GHE) Solar Dryer is a transparent wall structure,
consists of an absorber plate as solar collector, product holders (rack, tray or
batch) and fans to discharge vapor evaporated from the product. The GHE solar
dryer uses thermal energy source from the sun and biomass stove as an auxiliary
heating and other devices to control continuous drying processes. Previous study
had recommended the design configuration as an alternative artificial drying
facility for the farmer and merchant of cloves to overcome several demerits of
using direct sun drying, including the construction cost. Farmer often uses direct
sun drying method because it is cheap and simple. However, the method greatly
dependent on the existence of solar irradiation, and foreign materials or dirt easily
contaminates the product.
Considering the poor condition of local farmer, previous GHE design
required further construction cost reduction so that it can be affordable by the
farmer. For this purposes, in this study an optimization process for a prototype of
GHE solar dryer was conducted in order to reduce further construction cost by
determining the proper sizing of each principle component of the dryer. In
addition, a CFD technique was applied to determined proper locations of key
component of the dryer to create uniform airflow rate, RH and drying
temperature.
Therefore, the objective of this study was to get the optimum design of GHE
solar dryer, through optimization, testing the performance of GHE solar dryer and
airflow simulation process.
First, the construction cost optimization was based on the drying equations
for clove and energy balance equations of drying air, absorber plate,
heat-exchanger and product. Lagrange Multiplier was used in the optimization
process, aided by Microsoft Excel. The result showed that the optimum design of
a GHE solar dryer with 3.6 m x 3.6 m x 2.4 m dimension, gave an optimum
construction cost of Rp 10.123.000,- for drying of 386 kg of cloves. The
Prototype of dryer consisted of 8 trays with area of each tray was 7.84 m
2.
Surface area of the absorber plate was 5.12 m
2, the power of fan was 247 W
(A.C.) , the heat transfer area of the heat exchanger was 1.2 m
2, and the charcoal
combustion rate was 1.1 kg/h. The average drying temperature was 45
oC, while
the RH required was 42 % and the local airflow velocity on the product was 0.04
m/s. The drying time (initial moisture content of 72.8 % wb and final moisture
content of 12 % wb) used this experiment was 50 hours.
Second, according to the above optimization result, a series of performance
test of an actual GHE solar dryer was conducted. The results showed that the best
operating condition of the dryer was using the drying temperature of 48
oC, RH of
46.5 % and velocity of 0.04 m/s, while the average of solar irradiation was at 310
W/m
2. The supply of thermal energy was obtained from the sun and from the
charcoal stove. The experiment indicated that to dry 80 kg cloves, the required
amount of the charcoal combustion was 29 kg. The average drying time for 80 kg
(6)
of cloves with initial moisture content of 72.8 % wb and final moisture content of
12 % wb was 50 hours. The quality of clove was categorized as grade-1, with
essential oil content of 23 %. The final color of dried cloves was brown-black.
The test result, however indicated that the final moisture content of the
products was still uniform (standard deviation was 3.8 %) due to the
non-uniformity in the drying air temperature. The observed average standard
deviation of the drying temperature was at 2.4
oC.
In order to solve this remaining problem, in the third step of this study,
airflow simulation aided by Fluent and Gambit/Geomesh software was used to
determine the optimum location of air inlet and outlet, fans and the heat
exchanger. The analysis was aimed to obtain uniform distribution of drying air
temperature, RH and velocity within the chamber. Simulation study had selected
three different modes of design configuration namely:
Mode 1. Inlets at the position 1 m from the floor were placed on one side of the
wall. The outlets at the position 1.6 m from the floor were placed on
the opposite side of the wall.
Mode 2. Inlets at the position 1.4 m above the floor were placed on one side of
the wall. The outlets were located at the position 0.8 m above the floor
placed on the opposite side wall.
Mode 3. Inlets and outlets were the same as in the Mode 2. Fan-3 was added
above of the heat exchanger to mix the drying air.
The simulation results had confirmed that by rearranging the location of
inlet and outlet and the quantity and the capacity of the fans, uniform air
temperature, RH and velocity distribution within the chamber was obtained. The
best mode obtained in this study was mode 3. The results indicated that Mode 3
showed the smallest standard deviation in terms of air temperature, which was 1.6
degree C, the air velocity, 0.03 m/s and RH 3.7%, respectively. Therefore, it was
concluded that the operating condition indicated by Mode 3 was the optimum
operating condition and should become the standard for the house type GHE solar
dryer with trolleys of trays. Adding three mixing fans on the top of the rack, one
above the heat exchanger, one in front of the heat exchanger, and one at the outlet
position on the opposite wall had resulted in a uniform air flow, temperature and
RH distributions. For night operation of the dryer it was suggested to use one fan
only (in front of the heat exchanger) in order to obtain better drying performance.
Finally, cost analysis of GHE solar drying for the above case study, showed
that the drying project was feasible for the farmer as well as for the merchant. It
was concluded that a 0.386 ton capacity GHE solar dryer could provide more
benefit than sun drying for the merchant.
(7)
Hak cipta milik Dyah Wulandani, tahun 2005
Hak cipta dilindungi
Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari
Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam
Bentuk apa pun, baik cetak, fotokopi, microfilm, dan sebagainya
(8)
KAJIAN DISTRIBUSI SUHU, RH DAN
ALIRAN UDARA PENGERING UNTUK
OPTIMISASI DISAIN PENGERING
EFEK RUMAH KACA
DYAH WULANDANI
Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2005
(9)
Judul Disertas : Kajian Distribusi Suhu, RH dan Aliran Udara Pengering
untuk Optimisasi Disain Pengering Efek Rumah Kaca.
Nama : Dyah Wulandani
NIM : TEP-985084
Disetujui
Komisi Pembimbing
Prof.Dr. Kamaruddin Abdullah
Ketua
Dr.Ir. Edy Hartulistiyoso Ir. Achmad Indra Siswantara, PhD
Anggota Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Ilmu Keteknikan Pertanian
Prof. Dr.Ir. Budi Indra Setiawan Prof.Dr. Ir. Syafrida Manuwoto, MSc.
(10)
PRAKATA
Segala puji bagi Allah Subhannahuwata’alla, karena atas karunia dan
rahmatNya, penulis dapat menyelesaikan disertasi ini. Tema yang dipilih dalam
disertasi ini adalah disain pengering Efek Rumah Kaca dengan judul Kajian
Distribusi Suhu, RH dan Aliran Udara Pengering untuk Optimisasi Disain
Pengering Efek Rumah Kaca.
Disertasi ini terdiri dari tiga bagian utama, masing-masing dinyatakan dalam
bab terpisah. Kaitan dari ketiganya dinyatakan dalam pembahasan umum.
Bagian pertama terdapat dalam Bab III disertasi ini berjudul Optimisasi Biaya
Konstruksi Pengering Efek Rumah Kaca. Bab ini telah diseminarkan dalam
Seminar Nasional PERTETA, Malang, Juli 2002 dan Asia-Australia Drying
Conference (ADC’01), Malaysia, 2001.
Bagian kedua terdapat dalam Bab IV berjudul Analisis Aliran Udara dalam
Alat Pengering Efek Rumah Kaca. Bab ini merupakan pengembangan dari naskah
artikel yang diajukan ke jurnal ilmiah (Buletin Keteknikan Pertanian, vol. 16, no.
3, th. 2003 dan Prosiding “The 14
thInternational Symposium of Transport
Phenomena” 6-9 Juli 2003, Bali. Hal: 539-542).
Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Dr.
Kamaruddin Abdullah sebagai Ketua Komisi Pembimbing, atas bimbingan, saran,
nasehat tentang filosofi keilmuan dan ide-ide yang begitu besar manfaatnya bagi
penulis, selama kuliah dan dalam penyelesaian disertasi ini, serta
kegiatan-kegiatan ilmiah lainnya.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Dr. Edy Hartulistiyoso sebagai
Anggota Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran serta nasehat yang dapat
mendorong penulis untuk selalu maju, baik selama penulis kuliah maupun selama
penyelesaian disertasi ini.
Penulis menyampaikan terima kasih kepada Ir. Achmad Indra Siswantara,
Ph.D. sebagai Anggota Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran ilmu-ilmu baru
yang diberikan selama penulis kuliah dan penelitian, serta atas kesempatan yang
diberikan kepada penulis untuk menggunakan fasilitas yang sangat bermanfaat
bagi penyelesaian disertasi ini.
Kepada Dosen Penguji Luar Komisi Pembimbing, Dr. Meika Syahbana
Rusli dan Dr. Ridwan Thahir, atas kesediaan untuk menguji penulis dalam Ujian
Tertutup dan Ujian Terbuka dan memberikan saran serta kritikan yang
membangun demi kesempurnaan disertasi ini.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada para Pimpinan IPB yang
telah memberikan ijin kepada penulis untuk menempuh pendidikan ini. Ucapan
terima kasih juga penulis sampaikan kepada Prof. Dr. Budi Indra Setiawan,
M.Agr. sebagai Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Sekolah
Pascasarjana dan Pimpinan di Sekolah Pascasarjana IPB atas saran yang diberikan
demi kelancaran penulis dalam menyelesaikan studi di IPB ini, serta kepada Staf
administrasi yang juga membantu kelancaran dalam penyelesaian studi.
Kepada Dirjen Pendidikan Tinggi atas dana bantuan melalui Program BPPS,
dan proyek penelitian Tim Hibah Penelitian Pascasarjana, Penelitian Dasar, Hibah
Bersaing, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya. Kepada
Prof.Dr. Kamaruddin sebagai Kepala Bagian Energi dan Elektrifikasi Pertanian
(11)
dan CREATA beserta para Stafnya, penulis mengucapkan terima kasih atas dana
penelitian serta fasilitas yang telah diberikan.
Dengan tulus, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
-
Bapak-bapak dan Ibu-ibu Staf Pengajar di Departemen Teknik Pertanian, dan
khususnya kepada Staf Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian,
FATETA IPB, atas diskusi yang bermanfaat dan ilmu yang diajarkan.
-
Dr. Leopold O. Nelwan, Ir. I.B. Gunadnya, M.S. dan teman-teman mahasiswa
Pascasarjana, atas diskusi yang bermanfaat dan dorongan moril yang
memberikan semangat bagi penulis untuk selalu maju.
-
Pak Harto dan Pak Ahmad, teknisi Laboratorium Energi dan Elektrifikasi
Pertanian, atas bantuannya yang sangat besar selama studi dan penelitian
terutama saat pengambilan data lapang.
-
Eko Arif, Slamet Yulianto atas bantuannya yang besar dalam pengambilan data
pengukuran di lapang, serta Joni Lukman, Purnomo dan Indra Budi N. atas
bantuannya selama ini.
-
Semua pihak yang tidak mungkin disebutkan satu-persatu, atas segala bantuan,
kerjasama dan dukungan moril dan materiil hingga selesainya desertasi ini.
Akhirnya kepada suami tercinta, Ir. Djoko Sutrisno, dan putra-putriku
tersayang Agung Satrio Wibowo dan Dewi Fitria Ramadhani, atas pengertiannya
yang luar biasa besar dan selalu memberikan dukungan moril dan materiil kepada
penulis untuk tidak patah semangat. Kepada Ibu dan Papi tercinta, karena dari
doanya, maka penulis dapat menyelesaikan studi ini, serta kepada seluruh
keluarga, penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga besarnya.
Harapan penulis, semoga karya ilmiah ini bermanfaat dan segala budi baik
Bapak-bapak dan Ibu-ibu sekalian yang telah diberikan kepada penulis, menjadi
amal yang tak pernah putus-putusnya, dan Allah Subhannahu Wata’alla yang akan
memberikan pahala terbaik serta selalu melimpahkan Rahmat dan Karunia-Nya
kepada kita semua. Amin.
Bogor, Nopember 2005
(12)
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Surakarta pada tanggal 19 April 1968, anak dari Drs.
Rakib Mappeang dan Sugeng Darmini(Almarhumah). Anak pertama dari lima
bersaudara. Penulis menyelesaikan Sekolah Dasar di SD Pamardi Putri Surakarta
(tahun lulus 1980), Sekolah Menengah Pertama di SMP N 5 Surakarta (tahun
lulus 1983) dan Sekolah Menengah Atas di SMA N 1 Surakarta (tahun lulus
1986). Pada tahun 1986, penulis melanjutkan pendidikan di IPB Bogor, melalui
jalur Penelusuran Bakat dan Minat (PMDK) dan pada tahun 1987 masuk ke
Jurusan Mekanisasi Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB dan lulus pada
tahun 1991. Dalam menyelesaikan Tugas Akhir (penelitian) di jenjang S-1,
penulis di bawah bimbingan Dr. Abdul Kohar Irwanto dan Ir. Sri Endah Agustina,
MSc. Pada tahun 1994 penulis mendapat kesempatan untuk melanjutkan
pendidikan program Magister Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Program
Pascasarjana IPB dan lulus pada tahun 1997, dengan dana pendidikan dari TMPD.
Pada Program Magister, penulis di bawah bimbingan Dr. Kamaruddin Abdullah
(Ketua), Dr. Budi Indra Setiawan (Anggota) dan Dr. Oskari Atmawinata
(Anggota).
Pada tahun 1994, penulis bekerja di IPB sebagai Staf Pengajar di Jurusan
Keteknikan Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian hingga saat ini.
Penulis mengikuti program studi S3 dengan dana pendidikan dari BPPS
pada tahun 1998. Selama mengikuti program studi S3 ini penulis telah mengikuti
beberapa seminar baik tingkat nasional maupun internasional. Sebagian dari
karya ilmiah ini telah dipublikasikan dan disajikan dalam:
-
Seminar Nasional PERTETA, Malang, Juli 2002
-
Asia-Australia Drying Conference (ADC’01 ), Malaysia, 2001.
-
Buletin Keteknikan Pertanian, vol. 16, no. 3, tahun. 2003
-
Prosiding “The 14
thInternational Symposium of Transport Phenomena”
6-9 Juli 2003, Bali. Hal: 536-9-542
-
1
stInternational Workshop on Solar Energy Utilization, Jakarta, 6-7
Oktober 2004.
-
Word Renewable Energy Regional Conggress and Exhibition 2005,
Jakarta, 17 – 21 April 2005.
(13)
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ………. xiv
DAFTAR GAMBAR ……… xvi
DAFTAR LAMPIRAN ……… xx
DAFTAR SIMBOL ……….. xxii
I.
PENDAHULUAN ……….. 2
1.1. LATAR BELAKANG ……….. 2
1.2. PERUMUSAN MASALAH ………. 5
1.3. TUJUAN DAN MANFAAT ……… 6
1.4. KEASLIAN PENELITIAN ………. 7
1.5. PENDEKATAN MASALAH …….………. 7
1.6. DAFTAR PUSTAKA ……….. 9
II.
TINJAUAN PUSTAKA ……… 12
2.1. TEORI PENGERINGAN .……….... 12
2.2. PERKEMBANGAN PENELITIAN PENGERINGAN
BERENERGI SURYA .………..………. 13
2.3. DAFTAR PUSTAKA ………..……… 15
III.
OPTIMISASI BIAYA KONSTRUKSI DAN OPERASI
PENGERING EFEK RUMAH KACA ……….…… 17
3.1. PENDAHULUAN ……… 17
3.2. TINJAUAN PUSTAKA ...……… 18
3.3. PENDEKATAN TEORI ………..……… 22
3.4. PERCOBAAN ……….…… 23
3.5.
HASIL DAN PEMBAHASAN ……… 28
3.6. KESIMPULAN ……… 35
3.7. DAFTAR PUSTAKA ………..……… 36
IV. PERFORMANSI PENGERING ERK ………. 39
4.1. PENDAHULUAN ……… 39
4.2. TINJAUAN PUSTAKA ……….………. 40
4.3. PERCOBAAN ……….………... 47
4.4 HASIL DAN PEMBAHASAN …….……….………. 52
4.5 KESIMPULAN ……….…………..……. 65
4.6. DAFTAR PUSTAKA ……….…………. 66
V. ALIRAN UDARA DALAM PENGERING ERK ……… 68
5.1. PENDAHULUAN ……… 68
5.2. TINJAUAN PUSTAKA …….……….. 69
5.3. PENDEKATAN TEORI …..…….……… 71
5.4. PERCOBAAN …..…….……… 77
5.5. HASIL DAN PEMBAHASAN ……… 92
(14)
5.7. DAFTAR PUSTAKA ………..
122
DAFTAR ISI (Lanjutan)
Halaman
IV.
PEMBAHASAN UMUM ……… ………..………
125
6.1. PERFORMANSI TEKNIS ………..
125
6.2. ANALISIS BIAYA PENGERING ERK ……….
128
6.3. DAFTAR PUSTAKA ………..………
139
V.
SIMPULAN UMUM ……….………
141
7.1. OPTIMISASI BIAYA KONSTRUKSI PENGERING ERK.. 141
7.2.
PERFORMANSI PENGERING ERK UNTUK
PENGERINGAN CENGKEH ………..
. 145
7.3. SIMULASI ALIRAN UDARA DI DALAM RUANG
PENGERING ERK ………..
145
7.4. ANALISIS BIAYA ………..
145
(15)
DAFTAR TABEL
Halaman
III-1. Performansi pengering ERK berdasar hasil perhitungan
optimisasi dan pengujian lapang ………..…...
29
III-2. Hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK
pada kondisi suhu 50
oC, kecepatan udara di atas produk
0.04 m/dt dan waktu pengeringan 35.7 jam …….……...
31
III-3. Hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK
pada berbagai suhu udara pengering (kecepatan udara di atas
produk 0.04 m/dt dan massa cengkeh 386 kg) ………
33
III-4. Hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK
pada berbagai kondisi kecepatan udara pengering (suhu udara
pengering 50
oC dan massa cengkeh 386 kg) ………
34
IV-1. Performansi pengering ERK untuk produk perkebunan
(Kamaruddin, 1999) ………...
41
IV-2. Tipe-tipe bunga cengkeh (Bermawie, 1992) ……….…….
42
IV-3. Standar mutu cengkeh (SNI No. 01-3392-1994) ………
45
IV-4. Standar mutu minyak daun, gagang dan bunga cengkeh………….
46
IV-5. Peralatan untuk uji performansi pengeringan cengkeh... 48
IV-6. Nilai ragam kadar air pada percobaan 1, 2 dan 3 ………...
60
IV-7. Data dan performansi pengeringan ERK hasil
pengukuran ………....
... 61
IV-8. Mutu bunga cengkeh kering percobaan 1 ………...
63
IV-9. Mutu bunga cengkeh kering percobaan 2 ………..
63
IV-10. Mutu bunga cengkeh kering percobaan 3 ………..
64
IV-11. Uji mutu minyak bunga cengkeh ………
…………...
65
V-1. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ..………….………...
77
V-2. Nilai ragam suhu udara pengering disain skenario 1 ………..
98
(16)
V-4. Nilai ragam kecepatan udara pengering disain skenario 1 ………. 107
DAFTAR TABEL (Lanjutan)
Halaman
V-5. Nilai ragam kecepatan udara pengering disain skenario 2 ………. 107
V-6. Nilai ragam RH udara pengering disain skenario 1 dan 2 ……….. 111
V-7. Nilai ragam suhu udara pengering disain skenario 3 ………..
116
V-8. Nilai ragam kecepatan udara pengering disain skenario 3 ………. 116
V-9. Nilai ragam RH udara pengering disain skenario 3 ………
116
V-10. Nilai ragam suhu udara pengering pada simulasi malam hari ……. 117
V-11. Nilai ragam kecepatan udara pengering pada simulasi malam hari .. 117
V-12. Nilai ragam RH udara pengering pada simulasi malam hari …….. 119
VI-1. Analisis biaya pengeringan cengkeh untuk petani dan pedagang
pengumpul baik yang menggunakan pengering maupun
yang menggunakan lamporan ………...
133
VI-2. Hasil analisis titik impas harga cengkeh dan kapasitas
lapang/produksi cengkeh ………...
135
VI-3. Pengaruh kecepatan terhadap keuntungan (pada suhu
pengeringan 48
oC) ……… ………..
137
VI-4. Pengaruh suhu operasi pengeringan terhadap keuntungan……….. 138
VI-5. Pengaruh kapasitas pengering terhadap keuntungan
(pada kondisi suhu pengeringan 48
oC, kecepatan udara
(17)
DAFTAR GAMBAR
Halaman
III-1. Hubungan antara kapasitas cengkeh dan biaya konstruksi
pengering ERK serta ukuran komponen-komponen
penyusun pengering ERK pada suhu udara pengering 50
oC,
kecepatan udara di atas rak 0.04 m/dt ……….
... 32
III-2. Hubungan antara suhu pengeringan dan biaya konstruksi
pengering ERK serta ukuran komponen-komponen
penyusun pengering ERK pada kecepatan udara di atas rak
0.04 m/dt, dan kapasitas alat 386 kg cengkeh ………
………. 33
III-3. Hubungan antara kecepatan udara pengering dan biaya
konstruksi pengering ERK serta ukuran komponen-
komponen penyusun pengering ERK pada suhu udara
pengering 50
oC ………..
35
IV-1. Cengkeh ……….……….
41
IV-2. Perubahan suhu udara di atas rak pengering dan suhu udara
penjemuran selama proses pengeringan percobaan 1
(hari ke-1) ………..
53
IV-3. Perubahan suhu udara di rak tengah di bagian dekat inlet dan
rak dekat outlet selama proses pengeringan percobaan 1
(hari ke-1) ……….
53
IV-4. Perubahan suhu udara di atas rak pengering dan suhu udara
penjemuran selama proses pengeringan percobaan 2
(hari ke-2) ………
54
IV-5. Perubahan suhu udara di atas rak pengering di bagian dekat inlet
dan rak dekat outlet selama proses pengeringan percobaan 2
(hari ke-2) ……….
55
IV-6. Perubahan suhu udara di atas rak pengering dan suhu
udara penjemuran selama proses pengeringan
percobaan 3 ………
……..… ………..
56
IV-7. Perubahan suhu udara di atas rak pengering di bagian
dekat inlet dan rak dekat outlet selama proses
(18)
IV-8. Perubahan kadar air produk pada percobaan 1 (Keterangan gambar:
indeks i = rak dekat inlet, o = rak dekat outlet) ………..
58
DAFTAR GAMBAR (Lanjutan)
Halaman
IV-9. Perubahan kadar air produk pada percobaan 2 (Keterangan gambar:
indeks i = rak dekat inlet, o = rak dekat outlet) ………..
59
IV-10. Perubahan kadar air produk pada percobaan 3 (Keterangan gambar:
indeks i = rak dekat inlet, o = rak dekat outlet) ………..
60
V-1. Proses pemanasan pada kurva psychrometric ……….
76
V-2. Pengering ERK skala laboratorium dengan komponen penyusun
di dalamnya ………
…… 79
V-3. Skema Pengering ERK skenario 1 (a) 3 dimensi
(b) 2 dimensi tampak depan ………..
81
V-4. Skema Pengering ERK skenario 2 (a) 3 dimensi
(b) 2 dimensi tampak depan ………..
82
V-5. Skema Pengering ERK skenario 3 (a) 3 dimensi
(b) 2 dimensi tampak depan ………..
83
V-6. Grid yang dibentuk oleh benang pada pengering ERK skala
laboratorium ………...
92
V-7. Grid hasil simulasi pengering ERK skala laboratorium
dengan CFD ………...
93
V-8. Distribusi suhu udara pengering (
oC) di dalam pengering ERK
skala laboratorium ………..………...
94
V-9. Distribusi kecepatan udara pengering (m/dt) di dalam pengering
ERK skala laboratorium ………...…
94
IV-10. Validasi suhu udara hasil simulasi (T
CFD) terhadap suhu
pengukuran (T
ukur) di dalam pengering ERK skala laboratorium .. 96
V-11. Validasi kecepatan aliran udara hasil simulasi (v-
CFD)
terhadap kecepatan pengukuran (v
ukur) di dalam
pengering ERK skala laboratorium ………
…. ….. 96
(19)
RH pengukuran (RH
ukur) di dalam pengering ERK
Skala laboratorium ………..
... 97
V-13. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 1, pada bidang XY
pada Z = 1.8 m ………….
………...
99
DAFTAR GAMBAR (Lanjutan)
Halaman
V-14. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 1, pada rak 1 ……. 99
V-15. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 1, pada rak 4 ……. 100
V-16. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 1, pada rak 8 ……. 100
V-17. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 2, pada bidang XY
pada Z = 1.8 m ………….………...
101
V-18. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 2, pada rak 1 ……. 102
V-19. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 2, pada rak 6 ……. 103
V-20. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 1, pada
bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...
104
V-21. Vektor arah aliran udara simulasi disain skenario 1, pada
bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...
105
V-22. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 1,
pada rak 2 ………...
105
V-23. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 1,
pada rak 6 ………...
106
V-24. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 1,
pada rak 8 ………...
106
V-25. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 2, pada
bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...
... 108
V-26. Vektor arah aliran udara simulasi disain skenario 2, pada
bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...
109
V-27. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 2,
pada rak 1 ………...
109
V-28. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 2,
(20)
V-29. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 3, pada
bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...
. 112
V-30. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 3, pada
bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...
112
DAFTAR GAMBAR (Lanjutan)
Halaman
V-31. Vektor arah aliran udara simulasi disain skenario 3, pada
bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...
. 113
V-32. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 3, pada rak 1 ……. 114
V-33. Disribusi suhu udara simulasi disain skenario 3, pada rak 8 ……. 114
V-34. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 3,
pada rak 4 ………
…... 115
V-35. Disribusi kecepatan udara simulasi disain skenario 3,
pada rak 8 ………...
115
V-36. Disribusi suhu udara simulasi pengeringan pada malam hari,
pada bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...
118
V-37. Vektor arah aliran udara simulasi pengeringan pada malam hari,
pada bidang XY pada Z = 1.8 m ………….………...
118
V-38. Disribusi suhu udara simulasi pengeringan pada malam hari,
pada rak 4 ………….………...
. 119
V-39. Disribusi kecepatan udara simulasi pengeringan pada malam hari,
pada rak 4 ………
.. 119
V-40. Perbandingan nilai ragam suhu antara disain skenario 1, 2, 3,
skenario malam hari dan percobaan lapang (Bab 4) …..………...
120
V-41. Perbandingan nilai ragam kecepatan antara disain skenario 1, 2, 3,
dan skenario malam hari ………..…..………...
120
V-42. Perbandingan nilai ragam RH antara disain skenario 1, 2, 3,
dan skenario malam hari ………..…..………...
121
VI-1. Rantai tata niaga cengkeh menurut kebijakan awal pemerintah
(Keppres 1990) ………..
130
(21)
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
LAMPIRAN III ……….
149
III-1. Jenis data dan sumber ………
150
III-2. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh (
scale up
) …………..
151
III-3. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh menggunakan
data percobaan 1 ………..……..
152
III-4. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh menggunakan
data percobaan 2 ………..……..
153
III-5. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh menggunakan
data percobaan 3 ………..……..
154
III-6. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh (skenario 1) ……….. 155
III-7. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh (skenario 2) ……….. 156
III-8. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh (skenario 3) ……….. 157
III-9. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh (skenario 5) ……….. 158
III-10. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh (skenario 6) ……….. 159
III-11. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi
(22)
III-12. Data dan hasil perhitungan optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh (skenario 8) ……….. 161
LAMPIRAN IV ………..
162
IV-1. Gambar 3 dimensi prototipe pengering ERK yang diujicoba
dalam penelitian ……….
163
DAFTAR LAMPIRAN (Lanjutan)
Halaman
IV-2. Alat-alat ukur yang digunakan dalam penelitian ……….
.. 165
IV-3. Data suhu pada percobaan 1 ………...
167
IV-4. Data suhu pada percobaan 2 ………..
171
IV-5. Data suhu pada percobaan 3 ………..
179
IV-6. Data kecepatan udara pada percobaan 1, 2 dan 3 ………..
181
IV-7. Data penurunan kadar air pada percobaan 1 ……….
182
IV-8. Data penurunan kadar air pada percobaan 2 ……….
184
IV-9. Data penurunan kadar air pada percobaan 3 ……….
186
LAMPIRAN V ………..
188
V-1. Algoritma munerik metoda
finite volume
………..
189
V-2. Perhitungan aliran laminar pada pengering ERK Skala
Laboratorium ………...
... 190
V-3. Perhitungan aliran laminar pada pengering ERK Skala
Lapang ………… …………...
191
V-4. Nilai suhu hasil simulasi dan hasil pengukuran pada pengering
skala laboratorium pada bidang YZ pada X = 400 mm ………….
192
LAMPIRAN VI ……….
193
VI-1. Analisis ekonomi usaha pengeringan cengkeh untuk pedagang
pengumpul atau eksportir cengkeh menggunakan pengering ERK
(Massa produk 386 kg, suhu udara pengering 48.4
oC, kecepatan
udara pengering 0.04 m/dt) ……….
194
(23)
pengumpul atau eksportir cengkeh menggunakan lamporan ……. 196
VI-3. Analisis ekonomi usaha pengeringan cengkeh untuk petani
cengkeh menggunakan pengering ERK
(Massa produk 386 kg, suhu udara pengering 48.4
oC, kecepatan
udara pengering 0.04 m/dt) ……….
198
VI-4. Analisis ekonomi usaha perkebunan dan pengeringan cengkeh
untuk petani cengkeh dengan metode lamporan ………
200
DAFTAR SIMBOL
A Luas (m
2)
A
kKoefisien bentuk
Cp Panas jenis (kJ/kg
oC)
dt Selisih suhu bola kering dan suhu bola basah (
oC)
Dv Difusivitas massa (m
2/jam)
g Gaya grafitasi
Ga Laju aliran massa udara (kg/dt.m
2)
Gr Bilangan Grashoff
h Koefisien pindah panas konveksi (W/m
2K)
H Nilai kalor (kJ/kg)
Hfg Panas laten penguapan air pada produk (kJ/kg)
Hfga Panas laten penguapan air bebas (kJ/kg)
i Entalpi (kJ/kg)
I Iradiasi surya (W/m
2)
k Konduktivitas panas (W/mK)
k Konstanta pengeringan (1/jam)
m Massa (kg)
.
m Laju aliram massa (kg/dt)
m
wLaju evaporasi (kg/dt)
Me Kadar air keseimbangan (% bk)
MR Rasio kadar air
n Jumlah rak
Nu Bilangan Nusselt
P Daya (W)
Pr Bilangan Prandtl
∆
p Penurunan tekanan (Pa)
Q Debit (m
3/dt)
S
Sumber gerakan
R Konstanta gas ideal
Ra Bilangan Raleigh
Re Bilangan Reynold
t Suhu (
oC)
T Suhu (K)
u Kecepatan arah x (m/dt)
u Matrik kecepatan
(24)
V Volume (m
3)
v Kecepatan (m/dt)
v Kecepatan arah y (m/dt)
W Kelembaban mutlak (kg/kg udara kering)
w Kecepatan arah z (m/dt)
X Kadar air (% bk)
x Koordinat arah x
x
1..5Variabel dalam fungsi kendala
y Fungsi tujuan
y Koordinat arah y
z Koordinat arah z
DAFTAR SIMBOL (Lanjutan)
Subskrit
a
Udara
B
Ruang B
b
Konstanta
bb
biomassa
c
Cengkeh
d
Dinding
f
Lantai
fi
akhir
HE
awal
i
enthalpi
c
Produk
k
kipas
m
Rata-rata
p
Plat absorber
r
Ruang pengering
r1
Atap bangunan
s
Jenuh
sa
Jenuh pada suhu udara lingkungan
sr
Jenuh pada suhu udara pengering
T
Tungku
t
Tangki air
v
Uap air
w
Air
Huruf Yunani
α
Absorbsivitas
β
Koefisien (1/
oC)
ε
Porositas
φ
Fungsi kendala
(25)
λ
Pengganda Lagrange
µ
Viskositas (Pa dt)
ρ
tMassa jenis tumpukan (kg/m
3)
ρ
acMassa jenis (kg/m
3)
τ
Transmisivitas
(26)
BAB I. PENDAHULUAN
1.1.
LATAR BELAKANG
Cengkeh termasuk ke dalam famili Myrtaceae yang berasal dari Maluku.
Tanaman ini merupakan tanaman tahunan yang cukup potensial dalam upaya
memberikan kesempatan kerja di bidang pertanian, perdagangan maupun industri.
Tanaman cengkeh di Indonesia kurang lebih 95 % diusahakan oleh rakyat dalam
bentuk perkebunan rakyat yang tersebar di seluruh propinsi, terutama di Sulawesi
Utara (Minahasa), Maluku (Ambon) dan Jawa Barat (Bogor). Sisanya sebesar
lima persen diusahakan oleh perkebunan swasta dan perkebunan Negara (Kemala
dan Yuhono, 1997). Penggunaan cengkeh sangat luas terutama sebagai bahan
campuran untuk rokok kretek, selain itu juga digunakan sebagai obat untuk
menghilangkan rasa sakit, dan anastesi (Nurdjannah et al., 1997), kemudian
berkembang sebagai bahan kosmetik, parfum, antiseptik dalam industri daging,
penyedap makanan, baik dalam bentuk saus atau bubuk. Senyawa dari minyak
cengkeh juga dapat digunakan sebagai bahan pestisida nabati, karena dapat
membunuh beberapa spesies bakteri, jamur, nematoda dan serangga (Asman et al.,
1997).
Sejak tahun 1995, telah terjadi kelebihan produksi cengkeh di Indonesia
sebesar 30000 ton/tahun (Ditjenbun, 1997). Keadaan demikian menyebabkan
harga cengkeh turun dan agribisnis cengkeh semakin memudar. Akibat lebih
lanjut pendapatan petani cengkeh semakin rendah dan di beberapa daerah tanaman
tidak dipelihara sebagaimana mestinya. Bunga yang matang petik dibiarkan saja
di pohon, karena biaya panen tidak seimbang dengan harga penjualan yang
didapatkan. Bila kondisi demikian dibiarkan terus menerus, maka produksi
cengkeh di Indonesia akan mengalami penurunan baik dari segi kuantitas maupun
kualitas. Dalam mengantisipasi permasalah tersebut diperlukan beberapa upaya
untuk menanggulangi kelebihan produksi tersebut, antara lain; 1) dengan
melaksanakan konversi terhadap tanaman cengkeh yang sudah tidak produktif ,
tanaman tua atau rusak dengan tanaman lain yang mempunyai nilai ekonomis
tinggi, 2) membuat peta pertanaman cengkeh yang direkomendasikan pada
(27)
wilayah dengan iklim dan kondisi tanah yang sesuai dengan pertumbuhan
tanaman cengkeh, 3) mencari terobosan teknologi-teknologi pengolahan cengkeh,
terutama dari hasil minyak cengkeh yang berasal dari bunga kering (Kemala dan
Yuhono, 1997).
Pengolahan cengkeh menjadi bunga kering yang dilakukan petani di
Indonesia selama ini menggunakan cara tradisional, yaitu dengan menghamparkan
produk di lantai jemur atau di pinggir jalan. Selama pengeringan berlangsung,
cengkeh harus diaduk dan dibolak balik menggunakan tangan atau alat penggaru
supaya kering merata. Metoda lamporan selama ini dianggap petani paling mudah
dan praktis karena sudah biasa dilakukan, biaya operasional juga murah, namun
memiliki banyak kelemahan. Selain dibutuhkan lahan yang sangat luas, juga
terjadinya kontaminasi produk oleh debu, kotoran dan polusi kendaraan untuk
penjemuran yang dilakukan di pinggir jalan, sehingga kurang higienis yang
menyebabkan mutu produk menjadi rendah. Hasil analisa minyak cengkeh dari
petani di Sulawesi, ditemukan kandungan Pb dan Fe yang kadarnya
masing-masing 5.4 ppm dan 677 ppm (Rusli, 1991 dalam Hidayat dan Nurdjannah, 1997).
Penjemuran langsung di bawah sinar matahari dengan lamporan juga sangat
tergantung cuaca. Pada saat hujan atau malam hari, biasanya cengkeh yang
dihamparkan di lamporan ditumpuk kemudian ditutup dengan plastik dan
dibiarkan begitu saja hingga matahari bersinar lagi. Apabila hal ini berlangsung
lama, dapat mengakibatkan cengkeh busuk dan berjamur.
Permasalahan di atas dapat diatasi dengan menerapkan Pengering Efek
Rumah Kaca (ERK) sebagai pengganti metode penjemuran langsung dengan
lamporan. Pengering ERK pertama kali diperkenalkan oleh Kamaruddin et al.
(1994), terdiri dari bangunan berdinding transparan, dilengkapi dengan plat hitam
sebagai pengumpul panas (kolektor surya) di dalamnya. Gelombang pendek dari
sinar surya dilewatkan melalui dinding transparan dan diserap oleh plat hitam dan
komponen-komponen lainnya di dalam bangunan pengering, sehingga
menghasilkan kenaikan suhu udara di dalam ruang pengering.
Komponen-komponen rumah kaca memancarkan radiasi gelombang panjang yang tidak dapat
menembus dinding transparan, sehingga terpantul kembali ke dalam ruangan dan
mengenai komponen-komponen di dalam bangunan transparan. Demikian
(28)
seterusnya, dan akibatnya adalah kenaikan suhu udara di dalam bangunan
transparan. Udara panas ini kemudian digunakan sebagai udara pengering untuk
memanaskan dan menguapkan produk.
Pengering ERK menggunakan energi surya dan biomassa sebagai sumber
energi termal. Energi surya merupakan sumber energi yang tak pernah habis
sehingga menjadi potensi sumber energi untuk berbagai kebutuhan. Menipisnya
ketersediaan cadangan energi minyak bumi memberi peluang sekaligus tantangan
bagi peneliti untuk memanfaatkan energi surya dengan berbagai bentuk pilihan
teknologi, dari yang sangat sederhana dan murah hingga teknologi tinggi dan
padat modal. Sebagai energi yang bersih dan gratis serta cukup tersedia di
Indonesia, energi surya merupakan pilihan yang tepat. Namun demikian
keterbatasan teknologi lokal, harga energi fosil yang relatif masih rendah, dan
kurangnya daya beli masyarakat serta ketersedian energi surya pada siang hari
yang sangat dipengaruhi oleh cuaca, merupakan hal-hal yang perlu
dipertimbangkan dalam pengembangan pemanfaatan energi surya.
Berbagai penelitian untuk menciptakan pengering mekanis dengan
memanfaatkan energi surya sebagai sumber energi telah dilakukan dalam rangka
mengatasi kelemahan-kelemahan penjemuran langsung dan dalam upaya untuk
menekan biaya investasi alat, karena harga alat pengering yang tinggi merupakan
kendala bagi para petani. Esper, A. dan W. Mühlbauer. 1998, telah mendisain
pengering produk-produk perkebunan dengan metoda tumpukan, berbasis energi
surya dan listrik menggunakan kolektor surya plat datar. Performansi
pengeringan yang ditunjukkan cukup baik, namun biaya alat masih sangat mahal,
sehingga sulit dijangkau oleh industri kecil dan petani. Berkaitan dengan masalah
biaya yang tinggi ini, Kamaruddin, et al, (1994) melakukan optimisasi biaya
pembuatan pengering dengan kolektor datar pada pengering tipe bak. Dari
perhitungan tersebut diketahui bahwa sistem pengeringan dengan kolektor datar
masih memerlukan biaya yang cukup besar. Biaya terbesar terletak pada
pembuatan kolektor datar karena untuk meningkatkan suhu udara pengering yang
diinginkan dibutuhkan luasan besar. Untuk menekan biaya investasi, modifikasi
dilakukan dengan membuat pengering menggunakan bangunan berdinding
transparan, yang dilengkapi dengan plat besi hitam sebagai penyerap panas, yang
(29)
dikenal dengan nama Pengering Efek Rumah Kaca (ERK). Bangunan transparan
ini sekaligus berfungsi sebagai kolektor surya, sehingga komponen kolektor surya
khusus tidak diperlukan lagi yang membuat rancangan ini menjadi lebih murah.
Selain itu bangunan juga berfungsi sebagai pelindung dari hujan dan kotoran serta
binatang pemakan produk.
1.2.
PERUMUSAN MASALAH
Pengering ERK, telah diuji coba untuk mengeringkan berbagai produk
pertanian, seperti, tembakau rajangan (Tirtosastro, 1992), gabah, benih tanaman
hortikultura (Kamaruddin, et al, 1994), kakao (Nelwan, 1997), kopi (Mawan,
1996; Dyah, 1997; Mas' ud, 1997)
, kayu bayur (Suhdi, 1996), panili (Mursalim,
1995), chip rumput laut (Sukarmanto, 1996), dll. Berdasarkan penelitian di atas
pengering ERK mampu memberikan performansi pengeringan yang cukup bagus
(Tabel IV-1 Bab IV). Namun demikian untuk lebih meningkatkan
performansinya dilihat dari segi teknis dan ekonomis, maka ada dua hal yang
perlu diperhatikan. Pertama suhu udara pengering di dalam pengering ERK
sangat berfluktuasi karena sangat dipengaruhi oleh keberadaan surya. Iradiasi
surya sifatnya selalu berubah dan besar iradiasinya sangat dipengaruhi oleh waktu,
lokasi dan musim. Oleh karena itu pada sistem pengering ini masih diperlukan
energi tambahan lainnya misalnya dari energi hasil pembakaran biomassa.
Dengan adanya kebutuhan akan energi tambahan ini maka diperlukan pula
beberapa perangkat tambahan seperti tungku dan alat penukar panas. Usaha untuk
menekan biaya konstruksi dapat dilakukan dengan menerapkan teknik optimisasi
rancang bangun yang baik. Optimisasi dapat dilakukan untuk meminimumkan
biaya konstruksi dan juga biaya operasi selama umur ekonomi. Dalam penelitian
ini proses optimisasi dilakukan dengan cara penentuan biaya konstruksi
masing-masing komponen penyusun alat pengering ERK untuk menjaga berlangsungnya
pengeringan sehingga menghasilkan performansi pengeringan yang diinginkan.
Kedua adalah distribusi aliran panas dalam ruang pengering yang belum
merata, khususnya pada pengering tipe rak. Nampan-nampan pada tipe rak ini
dapat menyebabkan distribusi udara yang kurang baik dan menurunkan kinerja
(30)
pengeringan, karena waktu pengeringan terlama dari produk yang terletak di
nampan tertentu menjadi penentu lama pengeringan secara keseluruhan yang
dibutuhkan, yang selanjutnya menentukan total kapasitas pengeringan. Dyah
(1997) melaporkan bahwa perbedaan suhu terjadi pada ruang pengering berada
sekitar 6
oC antara bagian atas dan bagian bawah plat hitam yang dipasang
horisontal di atas bak pengering pada ruang pengering transparan tipe bak.
Mursalim (1995) mendapatkan perbedaan suhu sekitar 10
oC antara rak bagian
tengah dan bawah pada pengeringan panili.
Pemecahan masalah tersebut akan diupayakan dalam penelitian ini dengan
menganalisis sifat dan pola aliran udara serta distribusi suhu dan RH udara
pengering di dalam bangunan pengering ERK melalui suatu model simulasi.
Distribusi dan pola aliran udara diduga ditentukan oleh geometri ruang pengering,
lokasi penempatan inlet dan outlet, penempatan dan kapasitas daya kipas, susunan
rak yang berisi produk serta besar dan lokasi sumber panas di dalam bangunan
pengering. Dengan mensimulasikan distribusi dan pola aliran udara ini, akan
dapat ditentukan disain bangunan beserta penempatan parameter-parameter
penentu di atas secara lebih tepat sehingga tujuan keseragaman mutu produk
terpenuhi.
1.3.
TUJUAN & MANFAAT
Secara umum tujuan penelitian adalah untuk mendapatkan pengering ERK
dengan disain optimal baik dari segi teknis maupun secara ekonomis. Untuk
mencapai tujuan tersebut, penelitian dibagi dalam beberapa tujuan khusus, yaitu:
1.
Mengoptimalkan biaya konstruksi pengering efek rumah kaca tipe rak
untuk cengkeh.
2.
Menguji prototipe pengering ERK yang optimal untuk mendapatkan
metoda pengeringan yang tepat serta melakukan analisis biaya untuk usaha
pengeringan cengkeh mengunakan pengering ERK.
3.
Melakukan simulasi model distribusi aliran udara, suhu dan RH udara
pengering di dalam ruang pengering guna mendapatkan posisi inlet dan
(31)
outlet, posisi dan kapasitas daya kipas dan sumber panas yang tepat
sehingga didapatkan disain pengering yang optimal.
Output penelitian ini ada tiga bagian yaitu; pertama adalah rancangan dan
disain pengering ERK yang optimal dapat dimanfaatkan secara langsung oleh
industri dan petani; kedua, berupa model optimasi pengering bangunan transparan
dan ketiga adalah hasil disain dari simulasi dinamika fluida dalam pengering ERK
yang dapat dijadikan sebagai kajian bagi para peneliti yang akan mendalami
masalah distribusi aliran dalam pengering ERK, baik untuk pengeringan maupun
pemanfaatan lainnya.
1.4.
KEASLIAN PENELITIAN
Penelitian mengenai simulasi pengeringan maupun penentuan model aliran
udara, suhu dan RH telah banyak dilakukan, namun penelitian mengenai simulasi
aliran udara, suhu dan RH di dalam rumah pengering dengan bangunan transparan
(pengering ERK) belum pernah dilakukan. Keaslian penelitian ini terletak pada
pembuatan model optimasi dan hasil disain dari simulasi distribusi aliran udara
dan suhu pada pengering Efek Rumah Kaca.
1.5.
PENDEKATAN MASALAH
Penelitian secara garis besar dibagi dalam tiga tahap. Tahap pertama adalah
melakukan perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK tipe rak,
menggunakan metoda Pengganda Lagrange. Pada optimisasi ini yang dilakukan
adalah minimisasi biaya konstruksi yang terdiri dari biaya rangka dan dinding
bangunan serta rak pengering , biaya plat absorber, kipas, penukar panas dan
tungku. Biaya-biaya tersebut merupakan fungsi dari performansi pengeringan
cengkeh yang dinyatakan dalam fungsi kendala. Dalam optimisasi ini terdapat
dua fungsi kendala, yang pertama dinyatakan dalam suhu dan kedua dinyatakan
dalam kecepatan udara pengering di atas tumpukan produk yang memenuhi syarat
untuk pengeringan cengkeh. Perhitungan optimisasi menghasilkan data informasi
(32)
biaya konstruksi pengering ERK tipe rak untuk cengkeh yang optimum dan data
performansi pengeringan cengkeh berdasarkan disain optimum tersebut.
Selanjutnya berdasarkan disain pengering ERK optimum akan dilakukan simulasi
distribusi aliran udara di dalam ruang pengering tersebut yang merupakan tahap
kedua dari penelitian ini.
Pada tahap kedua, dilakukan uji coba pengeringan cengkeh menggunakan
disain yang telah dihitung dari hasil optimisasi. Pengujian dilakukan sebanyak
tiga kali pada kondisi dan cuaca yang berbeda. Pada pengujian pertama cengkeh
dikeringkan dengan ketebalan dua lapis produk (1.5 cm), dan dilakukan pada awal
musim kemarau. Pengujian kedua pengeringan dilakukan dengan ketebalan
empat lapis cengkeh (3 cm) pada pertengahan musim kemarau. Pengujian ketiga
pengeringan dilakukan dengan ketebalan empat lapis cengkeh (3 cm) pada awal
musim hujan. Hasil pengujian ini digunakan sebagai validasi dari perhitungan
optimisasi yang telah dilakukan pada tahap pertama. Berdasarkan hasil pengujian
dapat pula ditentukan metoda operasi pengeringan cengkeh untuk mendapatkan
performansi terbaik yang dapat menjadi acuan bagi pengguna dalam melakukan
usaha pengeringan cengkeh. Pada tahap ini dilakukan uji mutu cengkeh kering
dan analisis ekonomi usaha pengeringan cengkeh menggunakan disain pengering
ERK yang optimum.
Tahap ketiga penelitian ini adalah melakukan simulasi distribusi aliran udara
di dalam pengering berdasarkan disain pengering optimum hasil dari penelitian
tahap pertama. Pada penelitian ini posisi inlet, outlet, penukar panas, plat
absorber, dan rak, serta kipas merupakan parameter yang dianggap menentukan
arah aliran serta distribusi udara panas di dalam ruang pengering. Untuk itu
posisi parameter penentu ini menjadi fokus yang akan diubah-ubah hingga
mendapatkan disain yang paling baik, dimana produk di dalam rak mendapatkan
udara panas optimal, dengan penggunaan energi dan kehilangan energi sekecil
mungkin. Simulasi menggunakan metoda CFD (
Computational Fluid Dynamics
)
dengan bantuan software FLUENT versi 6.1. digunakan untuk mencapai tujuan
tersebut. Tahap awal dari analisis ini adalah melakukan validasi simulasi
menggunakan model pengering ERK pada skala laboratorium. Bardasarkan
validasi ini, kemudian ini dilakukan simulasi untuk disain optimal dari
(33)
perhitungan optimisasi pada tahap pertama. Dengan simulasi ini, posisi parameter
penentu dapat diubah pada berbagai disain sesuai dengan keinginan tanpa
mengeluarkan biaya untuk konstruksi. Kriteria disain terbaik dinyatakan oleh
keseragaman udara panas yang diterima produk di setiap tingkatan rak. Melalui
uji tingkat keragaman yang dinyatakan dalam standar deviasi dari suhu, kecepatan
udara dan kelembaban udara pengering pada setiap tingkat rak, maka dapat
ditentuan bahwa disain terbaik adalah disain yang memiliki nilai standar deviasi
suhu, kecepatan dan RH terkecil.
Berdasarkan hasil yang diperoleh pada ketiga tahap di atas, selanjutnya
dilakukan analisis ekonomi untuk mengetahui sejauh mana kelayakan usaha
pengeringan cengkeh menggunakan pengering ERK. Analisis ekonomi dapat
dimanfaatkan secara langsung oleh petani atau pengusaha cengkeh dan untuk
pedagang pengumpul atau exportir cengkeh. Data masukan dalam analisis
ekonomi merupakan data sekunder yang didasarkan pada kondisi harga-harga
bahan penyusun pengering ERK di lapang pada tahun 2004. Penggunaan hasil
perhitungan analisis ekonomi untuk tahun-tahun yang akan datang dapat
dilakukan dengan mengubah data masukan sesuai dengan nilai yang berlaku pada
tahun tersebut dengan menggunakan pemodelan analisis ekonomi yang sama.
1.6.
DAFTAR PUSTAKA
Asman, A., M. Tombe, dan D. Manohara. 1997. Peluang penggunaan produk
cengkeh sebagai pestisida nabati. Monograf Tanaman Cengkeh no.2.
Badan penelitian dan Pengembangan Pertanian. Balai Penelitian Tanaman
Rempah dan Obat. Bogor.
Ditjenbun, 1997. Cengkeh. Statistik Perkebunan Indonesia. Jakarta.
Dyah, W. 1997. Analisis Pengeringan pada Alat Pengering Kopi (
Coffea Sp.
)
Efek Rumah Kaca Berenergi Surya. Tesis. Program Studi Keteknikan
Pertanian. Program Pascasarjana IPB. Bogor.
Esper, A. dan W. Muhlbauer. 1998. Solar drying - an effective means to food
preservation. Renewable Energy. Elsevier Sc. Ltd. Pergamon.
(34)
Hidayat, T dan N. Nurdjannah. 1997. Masalah dan standar mutu cengkeh.
Monograf Tanaman Cengkeh no.2. Badan penelitian dan Pengembangan
Pertanian. Balai penelitian Tanaman Rempah dan Obat. Bogor.
Kemala, S. dan J. T. Yuhono. 1997. Peran dan prospek cengkeh dalam
perekonomian nasional. Monograf Tanaman Cengkeh no.2. Badan
penelitian dan Pengembangan Pertanian. Balai penelitian Tanaman
Rempah dan Obat. Bogor.
Kamaruddin, A., Tamrin, F. Wenur. dan Dyah W. 1994. Optimisasi dalam
Perencanaan Alat Pengering Hasil Pertanian dengan Energi Surya.
Laporan Akhir Penelitian Hibah Bersaing I. Ditjen DIKTI, Departemen
Pendidikan dan Kebudayaan. IPB. Bogor.
Mawan. B. P. 1996. Analisis Pengering Kopi dalam Bangunan Tembus Cahaya.
Skripsi Jurusan Mekanisasi Pertanian. FATETA IPB. Bogor.
Mas' ud, R. 1997. Kinerja Model Pengering Bangunan Tembus Cahaya dari
Plastik tahan UV untuk Pengeringan Buah Kopi. FATETA IPB. Bogor.
Mursalim. 1995. Uji Penampilan Sistem Pengeringan Kombinasi Energi Surya
dan Tungku Batu Bara dengan Bangunan Tembus Cahaya sebagai
Pembangkit Panas untuk Pengeringan Vanili (
Vanilla Planifora
).
FATETA IPB. Bogor.
Nurdjannah N., S. Yuliani dan L. 1997. Pengolahan dan diversifikasi hasil
cengkeh. Monograf Tanaman Cengkeh no.2. Badan penelitian dan
Pengembangan Pertanian. Balai penelitian Tanaman Rempah dan Obat.
Bogor.
Nelwan, L. O. 1997. Pengeringan Kakao dengan Energi Surya Menggunakan Rak
Pengering dengan Kolektor Tipe Efek Rumah Kaca. Tesis. Program
Studi Keteknikan Pertanian. Program Pesacasarjana IPB. Bogor.
Suhdi, A. C. 1996. Pengeringan Kayu Bayur dengan Alat Pengering Greenhouse
Berpenyerap Panas Plat Hitam dan Menggunakan Batu Bara sebagai
Suplemen Energi. FATETA IPB. Bogor.
Sukarmanto. 1996. uji Penampilan Sistem Efek Rumah Kaca untuk Pengeringan
Alkali Treated Cottonii (ATC) Chips dari Rumput Laut. FATETA IPB.
Bogor.
(35)
(36)
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. TEORI PENGERINGAN
Pengeringan adalah pengurangan atau penurunan kadar air bahan sampai
mencapai kadar air keseimbangan dengan udara normal di sekitarnya, dimana
penurunan mutu akibat jamur, aktivitas enzim dan insekta dapat diabaikan
(Henderson dan Perry, 1976). Menurut Brooker et al. (1974), pengeringan
biji-bijian dapat dianggap sebagai proses adiabatik, hal ini berarti bahwa panas yang
dibutuhkan untuk penguapan dari air yang terkandung di dalam biji-bijian disuplai
oleh udara pengeringan tanpa perpindahan panas secara konduksi atau radiasi dari
sekitarnya. Mujumdar & Devahastin, 2001 menyatakan, pengeringan adalah
operasi rumit yang meliputi perpindahan panas dan massa transient serta beberapa
laju proses, seperti transformasi fisik atau kimia, yang pada akhirnya dapat
menyebabkan perubahan mutu hasil. Perubahan fisik yang mungkin terjadi
meliputi: pengkerutan, penggumpalan, kristalisasi, transisi gelas. Pada beberapa
kasus, dapat terjadi reaksi kimia atau biokimia yang diinginkan atau tidak
diinginkan, yang menyebabkan perubahan warna, aroma atau sifat aktifitas
kimianya.
Pada saat suatu bahan dikeringkan terjadi dua proses secara bersamaan,
yaitu: (1) perpindahan energi panas dari lingkungan untuk menguapkan air pada
permukaan bahan, dan (2) perpindahan massa (air) di dalam bahan akibat
penguapan pada proses pertama. Mekanisme pengeringan dapat dijelaskan
dengan teori tekanan uap. Air yang diuapkan terdiri dari air bebas dan air terikat.
Air bebas berada di permukaan bahan dan yang pertama kali akan mengalami
penguapan (Mujumdar dan Devahastin, 2001). Tahap pengeringan pada produk
pertanian pada umumnya dapat dibedakan menjadi dua, tahap laju pengeringan
konstan dan tahap laju pengeringan menurun. Pada periode laju tetap, laju
pengeringan menyeluruh ditentukan hanya oleh kondisi pindah panas dan massa
yang berada di luar bahan yang dikeringkan, seperti suhu, kecepatan aliran udara,
tekanan total dan tekanan parsial uap air. Pada periode laju menurun, laju
perpindahan panas dan massa internal menentukan laju pengeringan. Pemodelan
(37)
pengeringan menjadi lebih rumit karena terdapat lebih dari satu mekanisme yang
berperan terhadap laju pindah massa total, dan bahkan peranan
mekanisme-mekanisme tersebut dapat berubah selama proses pengeringan (Mujumdar dan
Devahastin, 2001).
2.2.
PERKEMBANGAN PENELITIAN PENGERINGAN BERENERGI
SURYA
Pengeringan berenergi surya telah diteliti oleh berbagai peneliti di dunia
sejak puluhan tahun yang lalu. Thoruwa, Smith, Grant dan Johnstone, 1996
melakukan penelitian energi surya bangunan transparan dengan kolektor datar dan
PV sebagai penggerak kipas untuk mengatur aliran udara pada siang dan malam,
serta menggunakan dessicant (penyerap) dari bahan bentonite clay dan calsium
chloride yang dipasang pada bagian atas langsung di atas bak pengering.
Bentonite - Ca Cl
2dikemas dalam baki berlubang dan di bagian atasnya ditutup
dengan insulasi transparan. Pengering didisain dalam dua modus operasi, yaitu:
1) Pada siang hari menggunakan udara yang dipanaskan surya dari kolektor datar
dan tidak tergantung pada pemanasan yang ditimbulkan oleh dessicant. 2) Pada
malam hari menggunakan udara paksa yang disirkulasikan melewati biji-bijian
dan melewati dessicant bed. Rata-rata penurunan kadar air yang dapat dicapai
dessicant adalah 5 % bk. Untuk mengeringkan 90 kg jagung dari kadar air 16.5 %
hingga 11.5 % pada radiasi surya rata-rata 567.7 W/m
2dibutuhkan bentonite - Ca
Cl
2sebanyak 32.5 kg. Berdasarkan penelitian ini rasio penggunaan energi surya
terhadap dessicant adalah 3 : 1.
Perkembangan penelitian mengenai pengering berenergi surya di Indonesia
telah dilakukan dengan berbagai bentuk disain untuk komoditas yang
bermacam-macam. Kamaruddin et al. (1994) mengenalkan pengering berenergi surya
dengan nama pengering Efek Rumah Kaca atau dikenal dengan nama pengering
ERK. Pengering berupa bangunan segiempat berdinding transparan, dilengkapi
dengan plat absorber dan rak atau bak sebagai wadah produk yang dikeringkan.
Dengan menyatukan absorber di dalam ruang pengering memberikan keuntungan
lebih dibanding dengan pengering berenergi surya lain, dengan kolektor terpisah
(38)
yang umumnya memerlukan luasan besar. Dengan demikian biaya pembuatan
alat pengering lebih dapat dihemat. Selanjutnya penelitian uji coba pengering
ERK dilakukan untuk berbagai komoditi, mulai dari produk tanaman pangan,
perkebunan, hortikultura hingga produk pangan.
Dyah (1997), pada percobaan pengeringan kopi berkapasitas 1.1 ton, dalam
bangunan berdinding transparan
UV stabilized plastics
tipe bak, menghasilkan
efisiensi pengeringan sebesar 57.7 % dan efisensi energi sebesar 6 MJ/kg uap air.
Dengan suhu pengeringan 37
oC, untuk menurunkan kadar air kopi dari 68 % bb
sampai 13 % bb diperlukan waktu 72 jam, efektif pada siang hari. Efisiensi energi
cukup kecil, karena pengeringan hanya menggunakan energi surya tanpa pemanas
tambahan.
Nelwan (1991) menggunakan pengering ERK tipe rak untuk pengeringan
kakao. Plat hitam sebagai absorber diletakkan di atas rak pengering, dilengkapi
dengan kisi-kisi pengatur aliran udara pada setiap rak. Efisiensi pengering yang
dihasilkan adalah 18.4 % dan efisiensi energi 12.9 MJ/kg uap air. Dengan beban
228 kg kakao yang telah difermentasi, lama pengeringan untuk menurunkan kadar
air dari 80% bb hingga 7 % bb adalah 40 jam. Energi tambahan yang digunakan
selain energi surya adalah kerosene.
Condori dan Saravia, 1998 melakukan studi analitik tentang laju evaporasi
dua tipe pengering rumah kaca tipe konveksi paksa, yaitu sistem ruang tunggal
dan ruang ganda. Parameter performansi digunakan sebagai indikator untuk
membandingkan kedua bentuk pengering dan ketergantungannya terhadap peubah
operasi. Berdasarkan penelitian tersebut, diperoleh kesimpulan bahwa pengering
rumah kaca dengan ruang ganda memberikan performansi untuk parameter suhu
yang lebih baik dibandingkan dengan pengering ruang tunggal. Namun ditinjau
dari segi biaya dan kepraktisan dalam sistem pengoperasian, pengering rumah
kaca ruang tunggal lebih murah dan sederhana dibandingkan dengan pengering
ruang ganda.
Garg dan Kumar (1998) memprediksi radiasi surya yang menimpa plat
absorber dan penutup kolektor pada pengering surya tipe lorong setengah silindris.
Kesimpulan dari penelitian ini adalah bangunan dengan orientasi Timur-Barat
memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan dengan arah Utara-Selatan.
(1)
53
53 Biaya tetap (Rp/th) Biaya tidak tetap (Rp/kg cengkeh/operasi)
Penyusutan 1,714,337 Bahan bakar 69
Gaji pegawai (1 org) 500,000 Pre-treatment 5
Beban listrik 240,000 Listrik 11
Administrasi (1 org) 250,000 Pekerja 154
Pemeliharaan pengering
ERK 171,434 bahan baku 10,000
Promosi/pemasaran 85,717 Pengemasan 5
Total BT (Rp/th) 2,961,488 Distribusi/trasnport 5
Total BT (Rp/kg) 124 Total BTT (Rp/kg) 10,250
Total Biaya (Rp/kg) 10,373 Total BTT (Rp/th) 245,271,751 Biaya Pokok pengeringan
(Rp/kg) 373 Total BTT (Rp/kg) 250
Penerimaan (Rp/th) 258,880,090
Lampiran VI-1. Analisis Ekonomi Usaha Pengeringan Cengkeh untuk Pedagang Pengumpul atau Eksportir Cengkeh menggunakan pengering ERK (Massa produk 386 kg, suhu udara pengering 48.4 C, kecepatan udara pengering 0.04 m/dt) (Lanjutan)
Tabel 1. Arus kas biaya & manfaat
Tahun Biaya* Manfaat M-B DF 18% NPV tot. NPV 1 265,376,613 258,880,090 -6,496,523 0.893 -5,800,467 -5,800,467 2 248,233,239 258,880,090 10,646,851 0.797 8,487,604 2,687,137 3 248,233,239 258,880,090 10,646,851 0.712 7,578,218 11,174,741 4 248,233,239 258,880,090 10,646,851 0.636 6,766,266 18,752,959 5 248,233,239 258,880,090 10,646,851 0.567 6,041,309 25,519,225
(2)
54
54 6 248,233,239 258,880,090 10,646,851 0.507 5,394,026 31,560,534
7 248,233,239 258,880,090 10,646,851 0.452 4,816,095 36,954,560 8 248,233,239 258,880,090 10,646,851 0.404 4,300,084 41,770,655 9 248,233,239 258,880,090 10,646,851 0.361 3,839,361 46,070,739 10 248,233,239 258,880,090 10,646,851 0.322 3,428,001 49,910,100 * Biaya pada tahun 1 ditambah investasi alat NPV 49,910,100
Tabel 2. NPV setiap tahun th NPV (juta Rp)
1 -5.80
2 2.69
3 11.17
4 18.75
5 25.52
6 31.56
7 36.95
8 41.77
9 46.07
10 49.91
(3)
ABSTRAK
DYAH WULANDANI. Kajian Distribusi Suhu, RH Dan Aliran Udara Pengering Untuk Optimisasi Disain Pengering Efek Rumah Kaca. Dibimbing oleh KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY HARTULISTIYOSO dan ACHMAD INDRA SISWANTARA.
Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) adalah bangunan pengering berdinding transparan, di dalamnya terdapat plat absorber sebagai pengumpul panas dan wadah produk (rak atau bak) serta kipas untuk mengeluarkan uap air hasil pengeringan. Sumber energi pada pengering ERK diperoleh dari surya dan pembakaran biomassa (arang kayu). Pengering ERK ini menjadi salah satu pilihan bagi petani maupun pedagang pengumpul cengkeh untuk mengatasi masalah pengeringan dengan cara penjemuran langsung menggunakan lamporan, karena pengering ERK menggunakan sumber energi termal dari surya dan biomassa. Metoda penjemuran selama ini digunakan karena murah dan mudah dilakukan, tetapi sangat tergantung adanya sinar surya dan produk mudah terkontaminasi kotoran. Penelitian sebelumnya menyatakan bahwa pengering ERK dipilih karena lebih murah dibandingkan dengan pengering surya yang menggunakan kolektor datar terpisah. Agar petani dapat membeli pengering ERK dengan harga yang terjangkau, maka untuk mengurangi biaya konstruksi seminimal mungkin tanpa mengurangi kehandalan performansi alat, dalam penelitian ini dilakukan perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK. Berdasarkan hasil ini diperoleh ukuran komponen-komponen utama dalam pengering ERK. Selain itu dengan menggunakan teknik CFD (analisis dinamika fluida), dapat diketahui lokasi komponen-komponen utama dalam pengering ERK (seperti inlet, outlet, kipas dan penukar panas), sehingga dapat diperoleh keseragaman suhu, RH dan kecepatan aliran udara di dalam ruang pengering.
Secara umum tujuan penelitian adalah untuk mendapatkan disain pengering ERK optimum baik dari segi teknis maupun secara ekonomis, melalui proses optimisasi dan simulasi aliran udara panas serta pengujian performasi pengeringan cengkeh menggunakan pengering ERK. Output penelitian ini berupa disain pengering optimum yang dapat dimanfaatkan oleh petani atau pengusaha cengkeh, dan pedagang pengumpul atau eksportir cengkeh serta bagi peneliti yang tertarik di bidang pengeringan.
Hasil penelitian ada beberapa tahap; pertama, optimisasi biaya konstruksi pengering ERK (biaya investasi awal) dipecahkan dengan metoda Pengganda Lagrange menggunakan persamaan keseimbangan energi di dalam ruang pengering dan persamaan karakteristik pengeringan cengkeh. Salah satu hasil optimisasi adalah disain pengering ERK untuk kapasitas maksimum 386 kg cengkeh dengan dimensi 3.6 m x 3.6 m x 2.4 m dengan biaya konstruksi optimum Rp 10.123.000,-. Pengering ERK ini terdiri dari 8 rak berukuran 7.84 m2, plat absorber berukuran 5.12 m2, kipas dengan daya 247 W, penukar panas seluas 1.2 m2, dan tungku dengan laju pembakaran 1.1 kg arang per jam. Pengeringan dilakukan pada suhu 45oC, RH 52 % dan laju aliran udara di atas rak 0.04 m/dt. Dengan alat tersebut pengeringan cengkeh dari kadar air awal 72.8 % hingga 12 % bb berlangsung selama 50 jam.
Kedua, berdasarkan disain hasil optimisasi dilakukan uji performansi pada pengering ERK untuk pengeringan cengkeh. Dari uji performansi diperoleh hasil
(4)
bahwa percobaan menggunakan suhu 48oC, RH 46.5 % dan kecepatan 0.04 m/dt, pada tingkat radiasi surya 310 W/m2, memberikan performansi pengeringan yang lebih baik dibandingkan kedua percobaan lainnya yang diuji dalam penelitian ini. Bahan bakar biomassa (arang kayu) digunakan pada pagi dan sore untuk mempertahankan suhu 48oC. Untuk mengeringkan cengkeh dengan kapasitas 80 kg diperlukan bahan bakar arang sebanyak 29 kg. Pengeringan bunga cengkeh dari kadar air 72.8 % bb menjadi 12 % membutuhkan waktu dengan kisaran 38 hingga 50 jam. Hasil pengujian mutu cengkeh menunjukkan mutu-1 dengan kandungan minyak atsiri cukup tinggi yaitu 23 % dan cengkeh kering berwarna coklat kehitaman.
Percobaan pengeringan cengkeh di lapang masih menghasilkan perbedaan kadar air antara rak atas dan bawah, hal ini disebabkan oleh ketidakseragaman suhu yang terjadi di dalam ruang pengering, dengan nilai ragam suhu 2.4oC.
Tahap ketiga, melalui analisis aliran fluida menggunakan bantuan software Geomesh/Gambit dan Fluent dan berdasarkan dimensi pengering hasil optimisasi di atas telah diketahui posisi inlet, outlet, kipas dan penukar panas yang tepat, sehingga tingkat keseragaman suhu, RH dan kecepatan di dalam ruang lebih baik. Di antara 3 skenario disain pengering ERK, disain terbaik dari hasil simulasi tersebut adalah disain skenario-3 yang dicirikan dengan rendahnya nilai standar deviasi dari suhu, RH dan kecepatan aliran udara, masing-masing sebesar 1.6oC, 3.7 % dan 0.03 m/dt.
Disain skenario-3 tersebut terdiri dari dua buah inlet masing-masing berukuran 0.1 m x 1 m pada ketinggian 1.4 m. Dua buah outlet masing-masing berukuran 0.2 m x 0.8 m pada ketinggian 0.8 m pada dinding yang berseberangan dengan inlet. Tiga buah kipas dengan diameter masing-masing 0.2 m digunakan sebagai perata udara pengering. Kipas 1 (kipas bawah) terletak 0.2 m di depan penukar panas pada ketinggian 0.4 m dari lantai bangunan dengan daya 100 W. Kipas 2 (kipas tengah) terletak di tengah bangunan di atas rak paling atas dengan daya 40 W. Kipas 3 (kipas atas) terletak di atas penukar panas pada ketinggian 1.8 m sejajar dengan posisi rak paling atas (rak 8) dengan daya 100 W. Penukar panas seluas 1.2 m2 terletak 0.2 m dari dinding pada ketinggian 0.4 m dari lantai pengering. Pada malam hari disarankan hanya menggunakan kipas bawah untuk meratakan suhu dan kecepatan udara.
Validasi model simulasi aliran udara yang dilakukan pada pengering ERK skala laboratorium menggunakan curve fitting, menunjukkan hasil kecenderungan yang sama antara suhu, RH dan kecepatan udara hasil simulasi dengan suhu, RH dan kecepatan udara hasil pengukuran.
Tahap akhir, analisis biaya pengeringan dilakukan dengan membandingkan antara penjemuran (lamporan) dan pengering ERK. Pada kasus pengeringan di atas, hasil analisis biaya menunjukkan bahwa usaha pengeringan cengkeh menggunakan pengering ERK, baik untuk petani maupun pedagang pengumpul layak diusahakan. Pedagang pengumpul disarankan menggunakan pengering ERK, karena memberikan keuntungan yang lebih besar dibandingkan dengan menggunakan lamporan. Berdasarkan analisis biaya dapat dikatakan bahwa pengeringan menggunakan pengering ERK baik pada tingkat petani maupun pedagang pengumpul mempunyai prospek yang baik untuk dilaksanakan.
(5)
ABSTRACT
DYAH WULANDANI. Study on Temperature, RH and Air Flow Velocity Distribution of Dryer for the Design Optimization of Greenhouse Effect Solar Dryer. The advisors of the dissertation are KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY HARTULISTIYOSO and ACHMAD INDRA SISWANTARA.
Greenhouse Effect (GHE) Solar Dryer is a transparent wall structure, consists of an absorber plate as solar collector, product holders (rack, tray or batch) and fans to discharge vapor evaporated from the product. The GHE solar dryer uses thermal energy source from the sun and biomass stove as an auxiliary heating and other devices to control continuous drying processes. Previous study had recommended the design configuration as an alternative artificial drying facility for the farmer and merchant of cloves to overcome several demerits of using direct sun drying, including the construction cost. Farmer often uses direct sun drying method because it is cheap and simple. However, the method greatly dependent on the existence of solar irradiation, and foreign materials or dirt easily contaminates the product.
Considering the poor condition of local farmer, previous GHE design required further construction cost reduction so that it can be affordable by the farmer. For this purposes, in this study an optimization process for a prototype of GHE solar dryer was conducted in order to reduce further construction cost by determining the proper sizing of each principle component of the dryer. In addition, a CFD technique was applied to determined proper locations of key component of the dryer to create uniform airflow rate, RH and drying temperature.
Therefore, the objective of this study was to get the optimum design of GHE solar dryer, through optimization, testing the performance of GHE solar dryer and airflow simulation process.
First, the construction cost optimization was based on the drying equations for clove and energy balance equations of drying air, absorber plate, heat-exchanger and product. Lagrange Multiplier was used in the optimization process, aided by Microsoft Excel. The result showed that the optimum design of a GHE solar dryer with 3.6 m x 3.6 m x 2.4 m dimension, gave an optimum construction cost of Rp 10.123.000,- for drying of 386 kg of cloves. The Prototype of dryer consisted of 8 trays with area of each tray was 7.84 m2. Surface area of the absorber plate was 5.12 m2, the power of fan was 247 W (A.C.) , the heat transfer area of the heat exchanger was 1.2 m2, and the charcoal combustion rate was 1.1 kg/h. The average drying temperature was 45oC, while the RH required was 42 % and the local airflow velocity on the product was 0.04 m/s. The drying time (initial moisture content of 72.8 % wb and final moisture content of 12 % wb) used this experiment was 50 hours.
Second, according to the above optimization result, a series of performance test of an actual GHE solar dryer was conducted. The results showed that the best operating condition of the dryer was using the drying temperature of 48oC, RH of 46.5 % and velocity of 0.04 m/s, while the average of solar irradiation was at 310 W/m2. The supply of thermal energy was obtained from the sun and from the charcoal stove. The experiment indicated that to dry 80 kg cloves, the required amount of the charcoal combustion was 29 kg. The average drying time for 80 kg
(6)
of cloves with initial moisture content of 72.8 % wb and final moisture content of 12 % wb was 50 hours. The quality of clove was categorized as grade-1, with essential oil content of 23 %. The final color of dried cloves was brown-black.
The test result, however indicated that the final moisture content of the products was still uniform (standard deviation was 3.8 %) due to the non-uniformity in the drying air temperature. The observed average standard deviation of the drying temperature was at 2.4oC.
In order to solve this remaining problem, in the third step of this study, airflow simulation aided by Fluent and Gambit/Geomesh software was used to determine the optimum location of air inlet and outlet, fans and the heat exchanger. The analysis was aimed to obtain uniform distribution of drying air temperature, RH and velocity within the chamber. Simulation study had selected three different modes of design configuration namely:
Mode 1. Inlets at the position 1 m from the floor were placed on one side of the wall. The outlets at the position 1.6 m from the floor were placed on the opposite side of the wall.
Mode 2. Inlets at the position 1.4 m above the floor were placed on one side of the wall. The outlets were located at the position 0.8 m above the floor placed on the opposite side wall.
Mode 3. Inlets and outlets were the same as in the Mode 2. Fan-3 was added above of the heat exchanger to mix the drying air.
The simulation results had confirmed that by rearranging the location of inlet and outlet and the quantity and the capacity of the fans, uniform air temperature, RH and velocity distribution within the chamber was obtained. The best mode obtained in this study was mode 3. The results indicated that Mode 3 showed the smallest standard deviation in terms of air temperature, which was 1.6 degree C, the air velocity, 0.03 m/s and RH 3.7%, respectively. Therefore, it was concluded that the operating condition indicated by Mode 3 was the optimum operating condition and should become the standard for the house type GHE solar dryer with trolleys of trays. Adding three mixing fans on the top of the rack, one above the heat exchanger, one in front of the heat exchanger, and one at the outlet position on the opposite wall had resulted in a uniform air flow, temperature and RH distributions. For night operation of the dryer it was suggested to use one fan only (in front of the heat exchanger) in order to obtain better drying performance. Finally, cost analysis of GHE solar drying for the above case study, showed that the drying project was feasible for the farmer as well as for the merchant. It was concluded that a 0.386 ton capacity GHE solar dryer could provide more benefit than sun drying for the merchant.