Pengambilan Data Pemodelan Matematika Pengering ERK

Persamaan keseimbangan energi dalam ruang: I A d τα d + h c A c t c – t r + hA HE t HE - t r + h p A p t p – t r + h f A f t f – t r + P + Hfg . m w - h d A d t a – t r – Cp a m a t r - t a = 0 ……… III-22 Persamaan keseimbangan energi pada penukar panas adalah: I τα HE A HE + η t H m bb – h HE A HE t HE - t r = 0 ……… III-23 Persamaan keseimbangan energi pada plat absorber: I τα c A c - h p A p t p - t r = 0 ……… III-24 Massa cengkeh dinyatakan sebagai fungsi dari luas rak yang dituliskan dalam persamaan: m c = V ρ t = n A r l ρ t ……… III-25 Laju penguapan uap air hasil pengeringan dinyatakan dalam persamaan: fi fi i c v M M M m m − − = • 100 θ ……… III-26 Daya kipas dinyatakan dalam persamaan: P = Q ∆pη k ……… III-27 Q = P η k ∆p ……… III-28 p P Q m k a a a ∆ = = • η ρ ρ ……… III-29 Penurunan tekanan pada lantai yang dihampari produk Brooker et al, 1974 : ∆p = n ñ t QA 0.1 1.92 ……… III-30 Persamaan kehilangan tekanan pada saluran di dalam bangunan pengering: ∆p = c f LD v 2 2g γ ……… III-31 Dimana γ = ñ g Pindah panas konveksi pada dinding tegak dinyatakan dalam Chapman, 1974: h = Nu k D Nu = 0.68 - 0.670 Ra 14 [1 + 0.492Pr 916 ] -49 untuk 0 Ra 10 9 ……… III-32 Nu = {0.825 - 0.387 Ra 16 [1 + 0.492Pr 916 ] -827 } 2 untuk 10 9 Ra ……… III-33 Dimana Ra = Gr Pr dan 0 Pr ∞ Gr = L 3 g β ∆t v 2 ……… III-34 Pr dinyatakan dalam kondisi sifat-sifat udara pada suhu t m , dimana t m = t r + t b β = 1t , dimana suhu t dihitung pada t m untuk cairan dan t fluida untuk gas. Luas dinding dan luas rak merupakan fungsi dari luas lantai : Af = A ……… III-35 Ad = A + 8 A 0.5 ……… III-36 Ac = A – 1.6 A 0.5 + 0.64 ……… III-37 Dimana, tinggi bangunan dianggap 2 m dan panjang bangunan = lebar bangunan. 3.4.4. Pemodelan Optimisasi Biaya Konstruksi Pengering ERK Pemodelan optimisasi dilakukan dengan melibatkan persamaan-persamaan pengeringan khususnya untuk produk cengkeh dan model persamaan pindah panas pada beberapa komponen penting dalam bangunan pengering. Pemecahan model optimisasi dilakukan dengan metode pengganda Lagrange dengan bantuan software Microsoft Excell. Dalam penelitian ini biaya konstruksi pengering optimal diperoleh berdasarkan ukuran komponen-komponen penyusun pengering ERK melalui pemodelan menggunakan persamaan III-21 hingga persamaan III-37. Perhitungan optimisasi tidak mencakup pemilihan jenis bahan. Bahan penyusun komponen pengering ERK telah dientukan terlebih dahulu dengan mempertimbangkan umur ekonomis alat. Langkah awal optimisasi adalah menentukan bentuk fungsi tujuan, yaitu meminimumkan biaya konstruksi pengering y, yang terdiri dari komponen biaya x, yaitu; biaya rangka, rak pengering, dinding transparan, dan lantaifondasi bangunan dinyatakan dalam x 1 , biaya kipas dinyatakan dalam x 2 , biaya penukar panas dinyatakan dalam x 3 , dan biaya tungku dinyatakan dalam x 4 , serta biaya plat absorber dinyatakan dalam x 5 . Biaya disain dan upah pekerja tidak dimodelkan dalam optimisasi ini. Biaya disain diasumsikan konstan dan upah pekerja sangat tergantung pada lokasi alat dibuat dan kapasitas alat. Pemodelan fungsi tujuan didasarkan pada data harga komponen pada tahun 2004. Fungsi tujuan dituliskan seperti di bawah ini : y = x 1 + x 2 + x 3 + x 4 + x 5 ……… III-38 Dimana x 1 = a 1 A r a2 ……… III-39 x 2 = a 3 P a4 ……… III-40 x 3 = a 4 A HE a5 ……… III-41 x 4 = a 6 m bb a7 ……… III-42 x 5 = a 8 A p ……… III-43 dimana, a 1..8 adalah koefisien yang diperoleh dari analisis persamaan-persamaan penyusun fungsi kendala. Tahap kedua adalah mencari hubungan dari berbagai persamaan yang berkaitan dalam teknik pengeringan sebagai fungsi kendala. Persamaan-persamaan penyusun fungsi kendala terdiri dari persamaan keseimbangan panas, persamaan aliran udara dan kehilangan tekanan, persamaan sifat-sifat termofisik dan karakteristik pengeringan produk yang dikeringkan. Untuk penyederhanaan model, diasumsikan aliran udara dan distribusi suhu seragam di seluruh ruang pengering. Terdapat dua fungsi kendala yang didasarkan pada; pertama, suhu udara pengering, pada tingkat tertentu, yaitu 45 o C, 48 o C, 50 o C dan 60 o C dan kedua, laju aliran udara di atas produk cengkeh, yaitu pada kecepatan 0.04 mdt, 0.05 mdt dan 0.06 mdt. Penyelesaian optimisasi dilakukan dengan metoda Pengganda Langrange dengan iterasi Newton Raphson dan solusi matriks Gauss-Jordan.

3.4.5. Validasi Model Optimisasi

Validasi model optimisasi dilakukan dengan menguji performansi pengering yang sesuai dengan dimensi optimum hasil perhitungan. Parameter yang diuji adalah suhu, kecepatan udara di atas produk, waktu pengeringan, dan kadar air bahan serta biaya konstruksi pengering. Kriteria hasil validasi dianalisis dengan metoda curve-fitting. 3.5. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.5.1. Validasi Perhitungan Optimisasi Biaya Konstruksi Pengering ERK Model optimisasi diuji menggunakan data masukan dari percobaan lapang. Output model dan hasil percobaan lapang dinyatakan dalam Tabel III-1. Pada tabel output di dalam Tabel III-1, terjadi beberapa perbedaan antara pengukuran lapang dengan hasil perhitungan optimisasi. Daya kipas yang digunakan dalam percobaan adalah mengacu pada daya kipas hasil optimisasi. Di lapang, tidak mudah mencari kipas dengan daya 244 W, untuk itu digunakan daya kipas dengan nilai daya di atas daya hasil simulasi. Kipas yang digunakan dalam percobaan ada dua buah, yaitu kipas dengan diameter 1 m terletak di atas rak pengering dengan daya 200 W disebut sebagai kipas tengah dan kipas di depan inlet berdiameter 20 cm dengan daya 60 W disebut sebagai kipas bawah. Pada percobaan lapang perbedaan waktu pengeringan terjadi pada setiap rak, namun perbedaan ini tidak terlalu besar. Dalam optimisasi suhu diasumsikan konstan, sedangkan dalam percobaan di lapang, suhu tidak selalu konstan. Dalam perhitungan optimisasi, kondisi dianggap seragam, sehingga didapatkan satu nilai waktu. Pada ketiga percobaan waktu pengeringan hasil perhitungan optimisasi hampir mendekati waktu rata-rata percobaan, terutama pada percobaan 3. Perbedaan yang terjadi karena suhu dan RH yang diberikan dalam input adalah hasil rata-rata dari seluruh udara pengeringan di atas rak-rak dalam alat pengering ERK. Kenyataan yang terjadi di lapang, bahwa suhu pengeringan tidak selalu konstan, terutama pada siang hari, akibat radiasi surya yang tidak konstan. Pengering ERK dimodifikasi berdasarkan perhitungan optimisasi dengan menggunakan suhu 45 o C dan kecepatan udara di atas rak pengering 0.04 mdt pada tingkat radiasi surya 500 Wm 2 . Pengeringan berlangsung selama 50 jam dari kadar air awal 72.8 hingga 12 bb. Berdasarkan perhitungan optimisasi tersebut diperoleh harga alat sebesar Rp 10.122.904,- dengan luas bangunan pengering 13 m 2 , luas plat absorber 5.12 m 2 , luas rak 7.84 m 2 dan daya kipas 247 W. Luas pipa penukar panas 1.2 m 2 dan laju bahan bakar 1.1 kg arang kayu per jam Lampiran III-2. Nilainya masih cukup dekat dengan biaya konstruksi yang dihasilkan dari perhitungan optimisasi pada ketiga percobaan. Tabel III-1. Performansi pengering ERK berdasar hasil perhitungan optimisasi dan pengujian lapang. No. Parameter Percobaan 1 Percobaan 2 Percobaan 3 Pengukur- an lapang Optimi- sasi Pengukur- an lapang Optimi- sasi Pengukur- an lapang Optimi- sasi 1 Suhu o C 42.5 42.5 39.6 39.6 48.4 48.447.4 2 Radiasi surya Wm 2 538 538 483 483 310 310 3 Kecepatan udara di atas tumpukan rak mdt 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 4 RH 52 52 57 57 48 48 5 Kadar air awal bb 68.4 68.4 72 72 72.8 72.8 6 Kadar air akhir bb 11.8 12 10.7 12 11 12 7 Daya Kipas W 260 249 260 251.4 260 244 8 Waktu pengeringan rata-rata jam 51 56.1 61 73.4 45 39.7 9 Biaya Konstruksi Rp 10.460.000 10.415.781 10.460.000 10.076.063 10.460.000 10.714.609 Pada percobaan 2, biaya konstruksi hasil optimisasi paling rendah, disebabkan oleh kebutuhan akan luas pipa penukar panas dan laju bahan bakar rendah untuk mendapatkan suhu 39.6 o C dengan tingkat radiasi cukup besar, yaitu 483 Wm 2 . Pada percobaan 3, biaya konstruksi optimum lebih besar dibandingkan percobaan 1 dan 2, karena dibutuhkan bahan bakar yang lebih