Waktu dan Tempat Penelitian Metode Desain Experimental Set Up

27

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian dilakukan pada bulan Januari 2014 sampai dengan bulan Mei 2014. Kegiatan penelitian ini mencakup perancangan dan pembuatan alat, pengujian sampai dengan pengambilan dan pengolahan data. Lokasi penelitian bertempat di Gedung Magister Pascasarjana Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

3.2. Metode Desain

Perancangan merupakan kegiatan awal dari usaha merealisasikan suatu produk yang kebutuhannya dibutuhkan oleh masyarakat. Setelah perancangan selesai maka kegiatan yang menyusul adalah pembuatan produk. Cara merancang terdiri dari 4 tahap atau fase, yang masing-masing terdiri dari beberapa langkah Pahl dan Beitz. Ke-4 fase tersebut adalah : 1. Fase Perumusan Formulation Phase 2. Fase Fungsi Functional Phase 3. Fase Perancangan Design Phase 4. Hasil Result Perencanaan alat pengering meliputi kolektor dan lemari pengering. Kolektor yang dipilih dalam perancangan ini adalah kolektor plat datar bersirip menyilang. Tujuan dari modifikasi kolektor dengan penambahan sirip ini untuk meningkatkan efisiensi alat dengan memperluas bidang serap radiasi surya tanpa mengubah dimensi kolektor tersebut atau menambah terlalu besar dimensi dari kolektor. Perencanaan kolektor yang akan dibahas meliputi plat absorber dan sirip, penutup transparan kaca dan isolasi pada kolektor. Pada lemari terdapat raktray dan cerobong. Raktray berfungsi sebagai tempat meletakkan sampel, sementara cerobong berfungsi sebagai tempat keluarnya udara dari lemari. Perencanaan alat pengering bertujuan untuk membantu para petani dalam mengolah hasil produksi perkebunan dan pertanian. Oleh karena itu pertimbangan Universitas Sumatera Utara 28 yang perlu diperhatikan dalam perencanaan pengering, yaitu ekonomis, kuat, produktifitas tinggi, mudah pembuatan dan mudah dioperasikan.

3.3. Perancangan Alat dan Pemilihan Bahan

3.3.1. Kaki Penyangga Alat Pengering

Untuk kaki penyangga alat pengering ini haruslah kuat dan kokoh karena memiliki fungsi sebagai tumpuan kolektor dan dudukan lemari yang dirangkai dan dilas. Pemilihan bahan kaki penyangga mesin pengering ini mempertimbangkan beban yang akan dipikul oleh penyangga tersebut dengan kemiringan kolektor 45 , oleh karena itu bahan yang dipilih adalah besi siku 30 mm.

3.3.2. Perancangan Ruang Pengering

Lemari pengering adalah tempat terjadinya proses pengeringan, dimana udara panas yang dihasilkan oleh kolektor disalurkan ke dalam lemari pengering untuk mengeringkan produk yang akan dikeringkan. Lemari pengering dirancang agar pada ruang lemari pengering dapat berada pada suhu minimal 45 C dan tidak lebih dari 80 C tujuannya untuk mendapatkan kualitas yang baik. Oleh karena itu dinding lemari pengering ditambahkan isolator berbahan Polycarbonat, yakni acrylic dan bagian bawah sterofoam tujuannya agar panas yang diperoleh dari kolektor dan akibat radiasi sinar matahari pada dinding dapat ditahan, tidak langsung terbuang ke lingkungan dari dinding lemari ketika matahari mulai terbenam sehingga suhu pada lemari pengering dapat terjaga dan dapat meningkatkan efisiensi pengeringan. Selain dari kolektor, panas yang masuk juga bisa berasal dari radiasi pada dinding lemari. Oleh karena itu bahan yang digunakan untuk lemari pengering ini harus memiliki konduktivitas termal yang baik sehingga penyerapan panas dapat maksimal. Dari pertimbangan di atas maka bahan yang dipilih untuk lemari pengering adalah plat alumunium dengan ketebalan 0,3 mm. Agar lemari pengering dapat kuat dan kokoh maka ditambahkan kerangka berbahan besi siku 25 mm yang disambung dengan cara pengelasan. Pada lemari pengering dilengkapi dengan pintu untuk memasukkan dan mengeluarkan produk yang dikeringkan, rak sebagai tempat peletakan sampel Universitas Sumatera Utara 29 yang dikeringkan. Dan pada bagian atas lemari pengering dibuat cerobong udara, bertujuan untuk memperlancar sirkulasi udara pada proses pengeringan.

3.3.3. Perancangan Kolektor Surya

Pada rancang bangun ini kolektor surya dimodifikasi dengan penambahan sirip yang nantinya juga berfungsi sebagai absorber. Tujuan penambahan sirip ini adalah untuk memperluas bidang permukaan perpindahan panas sehingga energi matahari yang dapat diserap dan dipindahkan ke fluida kerja nantinya akan semakin besar. Kolektor surya sendiri terdiri dari beberapa bagian, yaitu absorber, kaca penutup dan isolator. 3.3.3.1.Perancangan Absorber Absorber pada kolektor surya berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan mengkonversikannya menjadi panas. Energi dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Absorber yang dirancang disini, yakni plat absorber dan sirip. Dengan mengacu fungsinya sebagai absorber, maka dipilih sifat bahan antara lain:  Absorbsivitas tinggi α  Emisifitas panas rendah  Kapasitas panas kecil Cp.  Konduktifitas besar k  Refleksi rendah ρ  Tahan panas dan tahan korosi  Kaku dan mudah dibentuk  Ada di pasaran Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk plat pengumpul yaitu: seng, aluminium, tembaga, kuningan dan baja. Sesuai dengan pertimbangan di atas dalam perancangan ini digunakan plat alumunium dengan ketebalan 0,3 mm dan permukaannya dilakukan pelapisan dengan cat hitam kusam dof, agar jangan terjadi korosi dan mempunyai absorbsivitas maksimum. Universitas Sumatera Utara 30 3.3.3.2.Perancangan Kaca Penutup Kaca penutup berfungsi untuk meneruskan radiasi surya dan mencegah panas yang keluar dari kolektor ke lingkungan pada bagian atas. Berdasarkan fungsi ini maka kaca penutup harus mempunyai sifat:  Transmisivitas tinggi �  Absorsivitas rendah α  Refleksivitas rendah ρ  Tahan panas  Ada di pasaran dan kuat Kaca yang dipilih sebagai penutup transparan adalah kaca bening dengan ketebalan 5 mm. 3.3.3.3.Perancangan Isolasi Isolasi berfungsi untuk memperkecil panas yang hilang dari kolektor ke lingkungan pada bagian belakang dan samping kolektor. Pada isolasi terjadi perpindahan panas secara konduksi sehingga kehilangan panas dipengaruhi oleh sifat-sifat bahan. Isolasi yang digunakan adalah:  Konduktifitas termal bahan k kecil.  Mudah dibentuk dan praktis  harga murah dan ada dipasaran  Tahan lama. Isolasi yang dirancang pada kolektor surya terdiri dari 3 lapisan, tujuannya adalah agar dapat mengurangi panas yang terbuang ke lingkugan akibat perpindahan panas konduksi, yaitu rockwoll, sterofoam dan triplek yang berfungsi juga sebagai frame daripada kolektor.

3.4. Alat dan Bahan Pengujian yang Digunakan

3.4.1. Peralatan Pengujian

Setelah rancang bangun ini nantinya selesai, maka akan dilakukan pengujian untuk mendapatkan besarnya efisiensi kolektor. Efisiensi ini diperoleh dari hasil perhitungan dengan menggunakan data-data yang diperoleh dari alat Universitas Sumatera Utara 31 pengujian dan alat ukur seperti alat ukur intensitas radiasi matahari, alat ukur temperatur dan yang lainnya. 1. Laptop Digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang telah didapatkan dari Hobo Microstation data logger dan Agilient 34972 A. Gambar 3.1 Laptop 2. Agilient 34972 A Alat ini dihubungkan dengan termokopel yang dipasang pada titik-titik yang akan diukur temperaturnya. Pencatatan data pengukuran disimpan pada flashdisk yang dihubungkan pada bagian belakang alat ini. Gambar 3.2 Agilient 34972 A Spesifikasi Alat: a. Daya 35 Watt b. Jumlah saluran termokopel 20 buah c. Tegangan 250 Volt d. Mempunyai 3 saluran utama Universitas Sumatera Utara 32 e. Ketelitian termokopel 0,03 o C f. Dapat memindai data hingga 250 saluran per detik g. Mempunyai 8 tombol panel dan sistem kontrol h. Fungsional antara lain pembacaan suhu termokopel, Resistance Temperature Detector RTD, dan termistor, serta arus listrik AC 3. Hobo Microstation Data Logger Alat ini di hubungkan ke data logger untuk kemudian dihubungkan ke komputer untuk diolah datanya. Spesifikasi Alat : a. Skala pengoperasian: 20 o C-50 o C dengan baterai alkalin 40 o C-70 o C dengan baterai lithium b. Input Processor: 3 buah sensor pintar multi channel monitoring c. Ukuran: 8,9 cm x 11,4 cm x 5,4 cm d. Berat: 0,36 Kg e. Memori: 512 kb Penyimpanan data nonvolatile flash f. Interval Pengukuran: 1 detik - 18 jam tergantung pengguna g. Akurasi Waktu: 0 detik - 2 detik Terdapat beberapa alat ukur pada Hobo Micro station data logger yaitu : Gambar 3.3 Hobo Microstation data logger Keterangan : 1 Pyranometer, adalah alat untuk mengukur radiasi matahari pada suatu lokasi. Satuan alat ukur ini adalah Wm 2 . 1 3 2 4 Universitas Sumatera Utara 33 Tabel 3.1 Spesifikasi Pyranometer Parameter pengukuran Intensitas radiasi dengan interval 1 detik Rentang Pengukuran 0 sampai 1280 Wm 2 Temperatur kerja Temperature: -40° C to 75 °C -40° F to 167 °F Akurasi ± 10,0 Wm 2 or ± 5. Tambahan temperatur error 0,38 Wm 2 °C from 25 °C 0,21 Wm 2 °F from 77 °F Resolusi 1,5 Wm 2 Penyimpangan ± 2 per Year Panjang kabel 3 Meters 9,8 ft Berat 120 grams 4,0 oz Dimensi 41 mm Height x 32 mm Diameter 1 58 x 1 14 2 Wind Velocity Sensor, adalah alat untuk mengukur kecepatan angin. Satuan alat ukur ini adalah ms. Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor Parameter pengukuran Kecepatan angin rata-rata Kecepatan angin tertinggi Data Channels 2 Channel, 1 Port Rentang pengukuran 0 to 45 ms 0 to 100 mph Operasi kerja Temperatur: -40 o C to 75 o C -40 o F to 167 o F Akurasi ±1.1 ms 2.4 mph atau 4 Resolusi 0,38 ms 0,85 mph Ambang batas awal 1 ms 2,2 mph Kecepatan angin maksimum 54 ms 120 mph Radius pengukuran 3 Meter Housing 3 buah Anemometer dengan bantalan Teflon Bearings dan poros Hardened Beryllium Panjang kabel 3,0 Meters 10 ft Dimensi 190 cm x 51 cm 7,5 x 3,2 Berat 300 gram 10 oz Universitas Sumatera Utara 34 3 Ambient Measurement Apparatus, adalah alat untuk mengukur temperatur lingkungan sekitar. Satuan alat ukur ini adalah °C. Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus Rentang pengukuran -40 °C to 125 °C -40 °F to 257 °F Akurasi ±0,22 °C at 25 °C ±0.4 °F at 77 °F see Diagram Resolusi 0,02 °C 25 °C 0,04 °F 77 °F Penyimpangan 0,05 °Cyr + 0,1 °C1000 hrs above 100 °C Waktu Respon Water: 3,5 minutes to 90 Air: 10 minutes to 90 Moving at 1 msec Akurasi Waktu ±2 Minutes per Month at 25 °C 77 °F Sampling Rate 1 Second to 18 Hours Kapasitas penyimpanan data 43,000 12-bit SamplesReadings Konstruksi housing 316L Stainless Steel with O-ring seal Tekanankedalaman kerja 2200 psi 1500 m4900 ft maximum Lingkungan kerja Air, Water, Steam 0 to 100 RH Berat 72 g 2,5 oz Dimensi 10,1 cm long x 1,75 cm diameter 4 T and RH Smart Sensor, adalah alat untuk mengukur kelembaban udara. Besarnya nilai yang diukur oleh alat ini dalam persen . Tabel 3.4 Spesifikasi T dan RH Smart Sensor Channel 1 Channel kelembapan Rentang pengukuran -40 °C - 100 °C -40 °F - 212 °F Akurasi ±0.2 °C - 0 °C sampai 50 °C ±0.36 °F 32 °C - 122 °F Resolusi ±0,03 °C dari 0 °C - 50 °C ±0,054°F dari 32°F - 122°F Penyimpangan ±0,1 °C 0,18 °Ftahun Waktu Respon kurang 2,5 Menit sampai RH 90 dalam 1 mdet Universitas Sumatera Utara 35 gerakan udara Housing Stainless Steel Sensor Tip Pilihan operasi pengukuran Tersedia Kondisi Lingkungan Kabel dan Sensor Tahan air selama 1 tahun dengan Temperatur sampai 50 °C Berat w 17 Meter Cable: 880 grams 12,0 oz Dimensi 7 mm x 38 mm 0,28 x 1,50 - Sensor saja 4. USB Load cell Load Cell terhubung ke komputer dan digunakan untuk mengukur berat produk yang akan dikeringkan secara real time. Pada komputer terdapat software yang berfungsi mencatat hasil pengukuran selama pengeringan. Tujuannya adalah untuk mengetahui seberapa besar pengurangan berat produk setelah mengalami proses pengeringan dengan alat pengering. a b Gambar 3.4 a Weight Display b load cell Spesifikasi:  Material : Alloy steel atau stainless steel  Kapasitas : 5 kg  Temperatur kerja max : 60 ºC  Recommend excitation : 10 v DCAC Universitas Sumatera Utara 36

3.4.2 Bahan Pengujian

Untuk bahan pengujian yang digunakan sebagai sampel adalah ubi kayu cassava dan cabai merah. 1. Ubi Kayu Cassava Ubi Kayu Cassava yang juga di sebut Manihot Utilisima merupakan sumber pangan alternatif dengan kandungan gizi relatif sama dengan beras maupun gandum. Tanaman Ubi kayu dapat memberikan hasil yang tinggi walaupun tumbuhnya pada lahan yang kurang subur atau lahan dengan curah hujan yang rendah sekitar 1.000-1.500 mm per tahun. Umbi Ubi kayu mengandung zat tepung yang tinggi. Pemanfaatan umbi dapat digunakan segar dan dengan proses pengeringan. Produk umbi adalah bahan pangan yang mudah rusak, sekitar 2-5 hari setelah panen umbi sudah berubah warna. Oleh sebab itu sangat diperlukan perlakuan pasca panen. Ubi kayu umumnya mempunyai kadar- kadar air sebesar 65 , yang akan dikeringkan untuk mencapai kadar air ≤ 10 , merupakan standar kering ubi kayu. Sampel ini dipotong dengan ukuran 1 cm x 1 cm x 1 cm. Gambar 3.5 Ubi Kayu 2. Cabai Merah Cabai merah besar Capsicum annum L. merupakan komoditas sayuran yang banyak mendapat perhatian karena memiliki nilai ekonomis yang cukup tinggi. Cabai merah memiliki sifat mudah rusak. Sifat mudah rusak ini dipengaruhi oleh kadar air dalam cabai yang sangat tinggi sekitar 90 dari kandungan cabai merah itu sendiri. Kandungan air yang sangat tinggi ini dapat menjadi penyebab kerusakan cabai pada saat musim panen. Hal ini dikarenakan Universitas Sumatera Utara 37 hasil panen yang melimpah sedangkan proses pengeringan tidak dapat berlangsung secara serentak, sehingga menyebabkan kadar air dalam cabai masih sangat tinggi, sehingga menyebabkan pembusukan. Cabai merah pada umumnya dapat dipanen pada umur 2,5-4 bulan dengan tingkat kematangan lebih dari 60. Cabai merah memiliki ciri fisik antara lain warna buah merah tua menyala dengan bentuk ujung yang mengecil, bobot buah 10 gr, panjang 10-15 cm. Cabai merah termasuk dalam kelompok sayuran buah. Umumnya sayur- sayuran mengandung kadar air 70-90 bb, tergantung dari jenis sayurannya. Menurut Dumanauw 1991 cabai merah keriting yang dipanen pada umur 2,5 bulan memiliki kadar air sekitar 75 bb, sedangkan yang dipanen pada umur 3-4 bulan memiliki kadar air antara 77-83 bb. Menurut Siebel 1892 dalam Henderson dan Perry 1993, panas jenis Cp suatu bahan dapat diketahui berdasarkan kadar air awal dalam persentase basis basah bb. Untuk cabai merah yang memilki kadar air awal sebesar 70-90 bb memiliki nilai panas jenis antara 3,22-3,90 kJkg C dengan nilai konduktivitas termal cabai merah, yaitu sebesar 0,26 WmK Food Resources, 2000. Gambar 3.6 Cabai Merah Universitas Sumatera Utara 38

3.5. Experimental Set Up

Kabel-kabel termokopel yang terhubung ke agilent ditempelkan ke plat absorber, kaca, kayu, inti ubi dan ruang pengering drying chamber untuk memperoleh data-data temperatur dalam setiap menitnya interval waktu perekaman dapat disesuaikan. Lalu pada bagian belakang agilent dipasang flash disk untuk merekam data-data temperatur dari setiap kabel-kabel tersebut, kemudian tekan tombol scan pada agilent. Pada load cell alat untuk mencatat data perubahan massa dari sampel dipasang di dalam ruang pengering, lalu dihubungkan ke laptop menggunakan kabel data USB. Setelah itu program load cell kit dijalankan untuk merekam perubahan dari massa dari sampel. Setelah proses perekamam selesai, data dari kedua alat ukur ini dapat dilihat pada laptop dalam bentuk Microsoft excel. Gambar 3.7 Experimental set up Universitas Sumatera Utara 39

BAB IV RANCANG BANGUN DAN HASIL DATA

4.1. Rancang Bangun Alat

Gambar 4.1 Alat Pengering

4.1.1. Penyangga Alat Pengering

Seperti yang sudah dijelaskan pada bab sebelumnya, rangka alat pengering ini memiliki fungsi sebagai tumpuan kolektor dan dudukan lemari pengering. Oleh karena itu haruslah kuat dan kokoh, maka bahan yang dipilih yaitu besi siku 30 mm. Pada rancang bangun ini, rangka alat pengering memiliki dimensi dengan panjang 2 m, lebar 1 m dan dengan mempertimbangkan kemiringan kolektor 45 dan panjang kolektor 2 m, maka tinggi dari rangka adalah ± 1,414 m. Gambar 4.2 Rangka Pengering Cerobong Ruang Pengering Penyangga Alat Pengering Kolektor Surya Universitas Sumatera Utara