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