Analisis Pindah Panas pada Sistem Pemanas Tambahan Alat Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar untuk Sawut Ubi Jalar

ANALISIS PINDAH PANAS PADA SISTEM PEMANAS
TAMBAHAN ALAT PENGERING SURYA HIBRID-TIPE
RAK BERPUTAR UNTUK SAWUT UBI JALAR

ADITYA NUGRAHA

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Analisis Pindah Panas
pada Sistem Pemanas Tambahan Alat Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar
untuk Sawut Ubi Jalar adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi
pembimbing 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 akhir skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Juli 2014
Aditya Nugraha
NIM F14090052

ABSTRAK
ADITYA NUGRAHA. Analisis Pindah Panas pada Sistem Pemanas Tambahan
Alat Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar untuk Sawut Ubi Jalar.
Dibimbing oleh DYAH WULANDANI.
Pemanas tambahan pada alat pengering ERK-Hybrid merupakan bagian
yang penting dalam proses pengeringan. Kehilangan panas pada sistem tersebut
mempengaruhi proses pengeringan. Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan
analisis pindah panas yang terjadi pada sistem pemanas tambahan untuk mencari
efisiensi sistem pemanasan air dan efektivitas heat exchanger, serta menentukan
model matematis pendugaan suhu pada sistem ruang pengering. Berdasarkan hasil
pengujian, didapatkan efisiensi sistem pemanasan air dan tungku sebesar 52-56
persen, kehilangan panas terbesar terjadi pada lubang udara masuk tungku sebesar
1800-2525 watt. Rata-rata nilai efektivitas pada HE1 dan HE2 adalah 0.35 dan
0.65, sementara nilai NTU sebesar 0.42 dan 1.21. Pemodelan simulasi pendugaan

suhu ruang pengering ini dapat digunakan yang memiliki error sebesar 5%.
Berdasarkan hasil analisis pindah panas ini, terjadi kehilangan panas yang cukup
besar pada sistem pemanasan air dan tungku, sehingga perlu modifikasi pada
sistem tersebut. Beberapa modifikasi untuk meningkatkan suhu ruang pengering
antara lain membuat penutup pada tungku, memperbesar luasan permukaan HE2,
meningkatkan daya pompa dan kipas serta laju pemasukkan bahan bakar.
Kata kunci: pindah panas, heat exchanger, efisiensi, efektivitas

ABSTRACT
ADITYA NUGRAHA. Heat Transfer Analysis Of Auxiliary Heater System Of
Hybrid Solardryer-Rotating Rack Type For Sweet Potatos Grates. Supervised by
DYAH WULANDANI.
Auxiliary heater on GHE-Hybrid heating instrument is one of important part
in heating process. Heat loss on the system can affect heating process. The aim of
this research is to find water heating system efficiency and effectiveness of the
heat exchanger, and determine the mathematical model of energy balance on
drying stove system by analyzing heat transfer occured on auxiliary heater. Based
on result, efficiency on water heating system and stove was 52-56 %, the highest
heat loss on inlet air in the stove was 1800-2525 watt. The average of the
effectiveness of the HE1 and HE2 respectively were 0.35 and 0.65, while the value

of NTU respectively were 0.42 and 1.21. This estimation of simulation modeling
can be applied, indicated by error of 5%. Base on the heat transfer analysis, stove
and water heating system yield the highest heat loss, so auxiliary heater system
need to be modified, such as: by adding the cover stove, expanding HE2 heat
transfer area, increasing pump power and fan, and increasing biomass input rate.
Key words: heat transfer, heat exchanger, efficiency, efectiveness

ANALISIS PINDAH PANAS PADA SISTEM PEMANAS
TAMBAHAN ALAT PENGERING SURYA HIBRID-TIPE
RAK BERPUTAR UNTUK SAWUT UBI JALAR

ADITYA NUGRAHA

Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014

Judul Skripsi : Analisis Pindah Panas pada Sistem Pemanas Tambahan Alat
Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar untuk Sawut Ubi Jalar
Nama
: Aditya Nugraha
NIM
: F14090052

Disetujui oleh

Dr Ir Dyah Wulandani, MSi
Pembimbing

Diketahui oleh

Dr Ir Desrial, MEng

Ketua Departemen

Tanggal Lulus:

PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas segala
karunia-Nya sehingga tugas akhir ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2013 ini ialah pengeringan,
dengan judul Analisis Pindah Panas pada Sistem Pemanas Tambahan Alat
Pengering Surya Hibrid-Tipe Rak Berputar untuk Sawut Ubi Jalar.
Dengan selesainya penelitian hingga tersusunnya skripsi ini, penulis ingin
menyampaikan penghargaan dan terima kasih kepada:
1.
Dr Ir Dyah Wulandani, MSi selaku dosen pembimbing tugas akhir yang
telah memberikan nasihat kepada penulis dalam penelitian hingga
penyelesaian tugas akhir skripsi ini.
2.
Dr Ir Leopold Oscar Nelwan, MSi dan Dr Ir Y.Aris Purwanto, MSc selaku
dosen penguji yang telah memberikan masukan yang berharga bagi penulis.
3.

Bapak Andi Riva’i dan Ibu σunung Akhirwati selaku orang tua yang telah
memberikan banyak dorongan, motivasi, semangat dan doa sehingga
penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.
4.
Elsamila, Stephani, Andreas, Endah, Ivan, Nopri, Tika, Adytia, Desi, Jarwo,
Naufal, Rizki, Gumi, koi, Anisa, Trihadi dan teman-teman Orion TMB 46
yang membantu selama penulis melakukan penelitian.
5.
Iqbal, Anggar, Dito, Ihsan, Lutfi, dan Reza dari Dermaga Regensi B22 yang
telah memberikan dukungan penulis selama penelitian.
6.
Bapak Harto, Bapak Darma dan Mas Firman yang telah membantu penulis
dalam penelitian, serta seluruh staff UPT TMB IPB yang telah membantu
dalam proses administrasi.
Akhir kata, penulis berharap semoga tulisan ini dapat bermanfaat.

Bogor, Juli 2014
Aditya Nugraha

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL

vi

DAFTAR GAMBAR

vi

DAFTAR LAMPIRAN

vi

DAFTAR SIMBOL

vii

PENDAHULUAN

1

Latar Belakang

1

Perumusan Masalah

2

Tujuan Penelitian

2

Manfaat Penelitian

2

TINJAUAN PUSTAKA

2

Ubi Jalar

2

Pengeringan Efek Rumah Kaca (ERK)

3

Sistem Pemanas Tambahan

3

Perpindahan Panas

5

METODE

5

Waktu dan Tempat Penelitian

5

Bahan

5

Alat

5

Prosedur Penelitian

6

Parameter Pengukuran

9

Analisis Data
HASIL DAN PEMBAHASAN

11
14

Sistem Pemanasan Air dan Tungku

14

Efektivitas dan NTU Heat Exchanger

16

Pemodelan Tanpa Beban Pengeringan

16

Modifikasi Sistem Pemanas Tambahan

19

SIMPULAN DAN SARAN

22

Simpulan

22

Saran dan Rekomendasi

22

DAFTAR PUSTAKA

22

LAMPIRAN

24

RIWAYAT HIDUP

52

DAFTAR TABEL
1 Parameter yang digunakan dalam simulasi pengeringan tanpa beban
2 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air dan tungku
3 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem tungku
4 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air
5 Kehilangan panas pada sistem pemanasan air dan tungku
6 Efektivitas dan NTU heat exchanger
7 Suhu rata-rata, nilai error hasil validasi
8 Skenario modifikasi dan hasil simulasi ruang pengering
9 Parameter untuk perhitungan NTU dan ϵ HE1
10 Parameter untuk perhitungan heat exchanger dalam pengering
11 Parameter untuk menghitung kehilangan panas pada tungku

9
14
15
15
15
16
20
20
48
49
50

DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

Ubi jalar
Konfigurasi dari penukar panas aliran tertutup. (a) Counterflow.
(b) Parallelflow. (c) Crossflow.
Pengering ERK-hybrid tipe rak berputar
Pemanas tambahan pada pengering ERK rak berputar
Diagram alir tahapan penelitian
Skema aliran pindah panas pada sistem pemanas tambahan
Aliran pindah panas seluruh sistem pengering ERK rak berputar
Titik-titik pengukuran suhu
Kehilangan panas pada sistem pemanasan air
Skema aliran pindah panas penukar kalor dalam tangki pemanas air
Validasi simulasi suhu ruang pengering
Validasi simulasi suhu absorber
Validasi simulasi suhu air dalam heat exchanger
Grafik perbandingan suhu simulasi pengeringan
Wilayah-wilayah di dalam tabung-tabung vertikal
Desain perbaikan pada tungku (dalam mm)

2
4
6
6
7
8
8
10
12
13
18
19
19
21
38
51

DAFTAR LAMPIRAN
1 Data nilai-nilai hasil pengukuran pada tanpa beban (percobaan 1)
2 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 2)

24
27

2
3 Data nilai-nilai hasil pengukuran dengan beban (percobaan 3)
29
4 Koreksi-koreksi untuk beberapa situasi konveksi bebas
31
5 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada ruang pengering
31
6 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada absorber
35
7 Perhitungan beberapa parameter untuk simulasi pada sistem pemanasan air 36
8 Perhitungan untuk koefisien pindah panas tungku
46
9 Perhitungan efisiensi sistem pemanasan air dan tungku
47
10 Perhitungan NTU dan efektivitas penukar kalor
48
11 Perhitungan kehilangan panas pada tungku
50
12 Perhitungan kehilangan panas pada tungku yang telah dimodifikasi
51
13 Rekomendasi perbaikan pada tungku
51

DAFTAR SIMBOL
m2

A

Luas permukan pindah panas

Cp
Gr

Panas jenis spesifik
Bilangan Grashof

h

Koefisien pindah panas konveksi

H

Nilai kalor suatu bahan

J Kg-1

I

Iradiasi surya

W m-2

K
L
m

Konduktivitas termal
Panjang karakteristik
Massa bahan

ṁ
Nu
NTU
Pr
Q
Re

Laju aliran massa
Bilangan Nusselt
number of heat transfer units
Bilangan Prandtl
Panas dari suatu bahan
Bilangan Reynold

T

Suhu hasil pengukuran

0

T'
Δt

Suhu hasil simulasi
Selang waktu

0

U
ϵ
ɳ
ɛ
α
ρ

Koefisien pindah panas menyeluruh
Efektivitas penukar panas
Efisiensi
Emisivitas suatu bahan
Absorptivitas
Transmivitas
Massa jenis

μ

Viskositas dinamik

J Kg-1 ᵒC-1
-

W m-2 0C

W m-1 0C
Kg
Kg s-1
-

C
C
s

W m-2 0C
%
%
Kg m-1 s

3
Tetapan Stefan Boltzman ( 5,67 x 10-8 )

W m-2K-4

Indeks
a

Air

a1

Air yang masuk ke HE dalam ruang pengering (air dalam tangki)

a2
abs
bb
C
dp
dTk
dTu

Air keluaran HE dalam ruang pengering
Absorber
Bahan bakar biomassa
Cerobong pada HE dalam tangki
Dinding ruang pengering
Dinding tangki pemanas air
Dinding tungku

HE1

Heat exchanger dalam tangki pemanas air

HE2
L
Lu
pTu
r
Tu
u

Heat exchanger dalam ruang pengering
Lingkungan
Lubang masukan udara pada tungku
Penutup lubang pemasukan bahan bakar
Ruang pengering
Tungku
Udara

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Ubi jalar merupakan salah satu produk pangan lokal yang potensial dan
prospektif untuk dikembangkan sebagai produk diversifikasi pangan. Ubi jalar
juga dapat diolah menjadi beranekaragam produk dan bahan baku industri seperti
pati, tepung, saus dan alkohol. Menurut Sarwono (2005), subtitusi terigu dengan
tepung ubi jalar pada industri makanan olahan akan mengurangi penggunaan
terigu 1.4 juta ton per tahun, disamping dapat menghemat penggunaan gula
hingga 20%.
Proses pengeringan ubi jalar selama ini dilakukan dengan cara tradisional
dan modern yaitu penjemuran langsung dibawah panas matahari dan
menggunakan mesin pengering rotari. Pengeringan penjemuran seperti ini
memang relatif murah, tetapi memiliki banyak kekurangan yaitu membutuhkan
lahan terbuka yang luas, tergantung pada penyinaran matahari, kelembaban dan
kondisi angin. Produk yang dihasilkan dari pengering dengan cara ini juga dapat
terkontaminasi material asing seperti debu dan tidak aman dari serangga. Hal
tersebut menyebabkan produk tersebut menjadi kurang higienis. Pengering rotari
merupakan salah satu pengering tipe kontinyu dan mempunyai kapasitas besar.
Masalah yang akan timbul pada pengering dengan kapasitas besar adalah kinerja
pengering dan serta konsumsi energi yang besar, serta biaya pengeringan yang
dikeluarkan lebih besar, sehingga kurang sesuai digunakan untuk UKM (Usaha
Kecil Menengah).
Pengering Efek Rumah Kaca (ERK)-hybrid tipe rak berputar dapat
dijadikan alteratif alat pengering sawut ubi jalar yang sesuai untuk skala UKM
karena memiliki kapasitas yang sesuai. Pengering ini memanfaatkan energi surya
dan biomassa serta tenaga manusia untuk memutar rak. Energi surya dan
biomassa juga merupakan energi terbarukan, gratis dan ramah lingkungan.
Pengering ERK-hybrid ini dimaksudkan untuk menjaga kelangsungan proses
pengeringan. Penggunaan sistem hybrid ini dilakukan pada saat kondisi cuaca
kurang mendukung atau pada malam hari. Proses pengeringan dapat terus
berlangsung dengan mengoperasikan heater sebagai pemanas tambahan. Pemanas
tambahan pada pengering ERK-hybrid ini merupakan bagian yang penting untuk
memberikan panas kepada bahan, terutama ketika cuaca sedang kurang
mendukung dan pada malam hari. Pemanas tambahan pada alat pengering ini
adalah tungku biomassa dan heat exchanger (penukar kalor). Tungku biomassa
memanfaatkan limbah pertanian sebagai bahan bakar, panas yang dihasilkan dari
tungku dipindahkan oleh heat exchanger ke ruang pengering. Efisiensi tungku
bergantung pada aliran pindah panas pada pengering, jumlah output panas yang
diberikan pada pengering terhadap jumlah input panas dari bahan bakar biomassa.
Maka dari itu diperlukan analisis pindah panas pada sistem pemanas tambahan
yang berguna untuk mengetahui dimana letak kehilangan panas. Pengujian
terhadap pemanas tambahan ini diharapkan dapat ditindaklanjuti dengan
pemeliharaan, perbaikan dan modifikasi, sehingga efisiensinya meningkat.

2
Perumusan Masalah
Pemanas tambahan pada alat pengering ERK-hybrid merupakan bagian
yang penting dalam proses pengeringan. Maka dari itu diperlukan penelitian untuk
menganalisis pindah panas yang terjadi pada sistem pemanas tambahan yang
berguna untuk mengetahui dimana letak kehilangan panas. Pengujian terhadap
pemanas tambahan ini diharapkan dapat ditindaklanjuti dengan rekomendasi
untuk pemeliharaan, perbaikan dan modifikasi, sehingga efisiensinya meningkat.

Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Mendapatkan nilai efisiensi sistem pemanasan air dan tungku serta efektivitas
dan NTU (number of transfer unit) pada heat exchanger sebagai alat
pemanas tambahan.
2. Menentukan model matematis keseimbangan energi pada sistem ruang
pengering
3. Melakukan analisis pindah panas alat pengering ERK tipe rak berputar dan
sistem pemanas tambahan.

Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini yaitu untuk memberikan
informasi kondisi sistem pemanas tambahan dengan menganalisis pindah panas
pada sistem pemanas tambahan yang digunakan sebagai dasar dalam rangka
untuk memperbaiki performa tungku dan heat exchanger.

TINJAUAN PUSTAKA
Ubi Jalar
Ubi jalar merupakan salah satu komoditas utama yang mempunyai daya
adaptasi yang luas, sehingga dapat tumbuh dan berkembang dengan baik di
seluruh nusantara. Komoditas ini merupakan tanaman umbi-umbian penting ke-2
setelah ubi kayu yang mempunyai manfaat beragam (Hafsah 2004).

Gambar 1 Ubi jalar

3
Pengolahan ubijalar segar menjadi produk setengah jadi sangat penting guna
pengamanan ubijalar segar yang tidak tahan disimpan (Syah 2008). Umbi-umbian
biasanya dikeringkan untuk tujuan tertentu, misalnya untuk pembuatan tepung.
Widowati et al. (2002) menyebutkan proses pembuatan ubijalar menjadi tepung
didahului oleh proses pengupasan dan pencucian, kemudian ubijalar disawut atau
dirajang tipis. Sawut basah direndam dalam sodium bisulfit 0.3% selama ± 1 jam
lalu dipress, diremahkan, dan kemudian dikeringkan sampai kadar air 12-14%.

Pengeringan Efek Rumah Kaca (ERK)
Menurut Henderson dan Perry (1976), pengeringan adalah pengeluaran air
dari suatu bahan pertanian menuju kadar air keseimbangan dengan udara
sekeliling atau pada tingkat kadar air dimana mutu bahan pertanian dapat dijaga
dari serangan jamur, aktivitas serangga dan enzim. Keuntungan utama dari proses
pengeringan adalah bahan lebih tahan lama disimpan pada suhu ruang karena
mikroba dan enzim pada bahan pangan dapat diatasi akibat berkurangnya kadar
air dalam bahan. Metode pengeringan secara umum terdiri dari dua yaitu
pengeringan manual/alami dan mekanis/buatan. Pada pengeringan alami panas
pengeringan dipengaruhi oleh cahaya matahari dan kondisi lingkungan.
Pengeringan mekanis dilakukan dengan pemanas tambahan.
Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) adalah alat pengering berenergi surya
yang memanfaatkan efek rumah kaca yang terjadi karena penutup transparan pada
dinding bangunan,serta plat absorber sebagai pengumpul panas untuk menaikkan
suhu udara ruang pengering didalamnya (Kamaruddin et al. 1994). Alat pengering
ERK-hybrid tipe rak berputar merupakan hasil rancangan tim peneliti hibah
bersaing IPB (Wulandani et al. 2009). Pengering ini terdiri dari tiga bagian utama,
yaitu bangunan rumah kaca dengan dimensi 2.15 m x 1.75 m x 1.9 m, silinder
dengan rak pengering dan pemanas tambahan yaitu tungku biomassa, tangki air
dan radiator. Pengering ini dilengkapi tungku biomassa untuk memanaskan air,
pompa digunakan untuk sirkulasi air dan radiator untuk mengubah uap air menjadi
udara panas. Bangunan rumah kaca berfungsi sebagai pengumpul panas.

Sistem Pemanas Tambahan
Sistem pemanas tambahan dalam sistem pengeringan berfungsi untuk
mempertahankan suhu ruang pengering pada tingkat tertentu yang diinginkan,
disesuaikan dengan keadaan bahan serta keadaan cuaca di sekitar sistem
pengeringan.
Tungku Biomassa
Tungku biomassa merupakan unit pemanas tambahan yang diperlukan
apabila suhu ruang pengering minimum tidak tercapai dan atau untuk digunakan
pada malam hari (Mursalim 1995). Penggunaan tungku biomassa memiliki
banyak keuntungan selain dari segi ekonomi yang cukup efisien, murah dan
mudah didapat. Penemuan dan pemanfaatan biomassa kayu, tanaman ataupun
limbah pertanian sebagai bahan baku energi secara umum telah menarik perhatian

4
dunia. Tujuan utama dari usaha-usaha tersebut adalah mencari pengganti
sumberdaya fossil seperti minyak bumi, gas alam, batu bara dengan sumbersumber yang dapat diperbaharui. Pada waktu yang sama, produksi limbah hasil
pertanian meningkat sehingga dapat dimanfaatkan untuk bahan bakar biomassa.
Heat Exchanger (Penukar Panas)
Menurut Chapman (1984), heat exchanger merupakan alat yang digunakan
untuk memindahkan sejumlah panas dari sebuah bahan atau zat ke bahan atau zat
lain. Bentuk yang paling sederhana dari penukar panas adalah regenerator berupa
kontainer dimana bahan yang bersuhu tinggi didalamnya akan kontak secara
langsung dengan bahan yang bersuhu lebih rendah. Pada sistem ini, masingmasing bahan atau fluida akan mencapai suhu akhir yang sama. Jumlah dari panas
yang dapat dipindahkan dapat dihitung dengan konsep keseimbangan energi.
Energi yang dilepaskan oleh fluida yang lebih panas akan sama dengan jumlah
energi yang diterima oleh fluida yang lebih dingin.

(a)

(b)

Gambar 2 Konfigurasi dari penukar panas aliran tertutup. (a) Counterflow.
(b) Parallelflow. (c) Crossflow.
Bentuk lain dari penukar panas adalah menggunakan dinding atau sekat
sehingga memungkinkan adanya perambatan panas dari fluida yang bersuhu
tinggi ke fluida yang bersuhu rendah. Sistem ini kemudian disebut dengan sistem
penukar panas sistem tertutup (closed type heat exchanger). Sedangkan pada
penukar panas sistem terbuka (open type heat exchanger) sebelum fluida masuk
kedalam sistem penukar panas, fluida akan masuk terlebih dahulu kedalam suatu
ruangan terbuka, setelah bercampur fluida akan masuk dan meninggalkan penukar
panas dalam aliran tunggal (Rachmansyah 1999).
Arah aliran dari fluida juga digunakan sebagai dasar untuk
mengklasifikasikan bentuk penukar panas pada sistem tertutup. Arah aliran
penukar panas dibedakan menjadi aliran yang berlawanan arah (Counterflow),
aliran yang searah (Parallelflow), dan arah aliran yang memotong (Crossflow).
Beberapa bentuk dari arah aliran penukar panas dapat dilihat pada Gambar 2.

5
Perpindahan Panas
Perpindahan panas (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan
perpindahan energi yang terjadi karena adanya perpedaaan suhu diantara benda
atau material. Dari termodinamika telah diketahui bahwa energi yang pindah itu
dinamakan kalor (Holman 1986). Kalor dapat berpindah dari tempat dengan
temperatur lebih tinggi ke tempat dengan tempertatur yang lebih rendah. Ada tiga
cara pindah panas yang dikenal yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
Kalor dari suatu bagian benda bertemperatur lebih tinggi akan mengalir
melalui zat benda itu ke bagian lainnya yang bertemperatur lebih rendah. Zat atau
partikel zat dari benda yang dialui kalor ini sendiri tidak mengalir sehingga tenaga
kalor berpindah dari satu partikel ke lain partikel dan mencapai bagian yang
dituju. Perpindahan ini disebut konduksi, arus panasnya adalah arus kalor
konduksi dan zatnya itu mempunyai sifat konduksi kalor. Konveksi kalor terjadi
karena partikel zat bertemperatur lebih tinggi berpindah tempat secara mengalir
sehingga dengan sendirinya terjadi perpindahan kalor melalui perpindahan massa.
Aliran zat atau fluida, dapat berlangsung sendiri sebagai akibat perbedaan massa
jenis karena perbedaan temperatur, dan dapat juga sebagai akibat paksaan (Halli
2012). Mode ketiga dari transmisi kalor disebabkan oleh perambatan gelombang
elektromagnetik, yang dapat terjadi baik didalam vakum total maupun di dalam
medium. Bukti eksperimental mengindikasikan bahwa perpindahan kalor radian
adalah proposional terhadap pangkat keempat dari temperatur absolut, sementara
konduksi dan konveksi proposional terhadap selisih temperatur linier (Pitts dan
Sissom 2008).

METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut
Pertanian Bogor. Penelitian ini telah dilaksanakan selama 4 bulan, terhitung dari
tanggal 23 Maret 2013 hingga tanggal 23 Juni 2013.

Bahan
Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah ubi jalar yang
diperoleh dari Kelompok Tani Hurip di Desa Cikarawang, Kecamatan Darmaga,
Kabupaten Bogor.

Alat
Alat pengering yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat pengering
ERK-hybrid tipe rak berputar ini merupakan hasil rancangan tim peneliti hibah
bersaing IPB (Wulandani et al. 2009). Sumber panas berasal dari energi surya dan

6
biomassa. Pengering ini terdiri dari tiga bagian utama, yaitu bangunan rumah kaca
dengan dimensi 2.15 m x 1.75 m x 1.9 m, silinder dengan rak pengering (Gambar
3) dan pemanas tambahan yaitu tungku biomassa, tangki pemanas air dan radiator
(Gambar 4). Tungku biomassa berbentuk balok dengan dimensi 0.57 m x 0.53 m x
0.34 m. Tangki pemanas air berbentuk tabung dengan diameter 0.46 m dan tinggi
0.55 m, serta didalamnya terdapat heat exchanger yang berbentuk silinder (9
buah) dan balok. Radiator yang berada dalam ruang pengering berjumlah 3 buah
dengan luas permukaan 2.996 m2. Pemanas tambahan dilengkapi pompa air untuk
sirkulasi air ke radiator dan kembali ke tangki air, pompa yang digunakan
membutuhkan daya sebesar 125 Watt.

Gambar 3 Pengering ERK-hybrid tipe rak berputar

Gambar 4 Pemanas tambahan pada pengering ERK rak berputar
Instrumen yang dibutuhkan sebagai berikut termokopel tipe CC,
termokopel tipe K, timbangan digital dengan ketelitian 0.1 gram, drying oven SS204 D Ikeda Scientific, hybrid recorder, termometer air raksa, anemometer
kanomax tipe 6011, digital multimeter, pyranometer, stopwatch, pisau, alat sawut
ubi, ember, gelas ukur dan tray.

Prosedur Penelitian
Pada penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan yang dapat dilihat
pada diagram alir pada Gambar 5.

7
Mulai
Persiapan : Pengumpulan data sifat-sifat termofisik
material pengering & Produk yang dikeringkan
Percobaan pengeringan
Analisis efisiensi sistem pemanasan air &
tungku efektivitas sistem heat exchanger
Pemodelan pindah pindah
panas suhu & simulasi suhu

Tidak

Validasi
error suhu
Ya
Modifikasi sistem penukar panas
Rekomendasi

Selesai
Gambar 5 Diagram alir tahapan penelitian
Kegiatan penelitian terdiri dari beberapa tahapan, yaitu :
1. Persiapan
Persiapan yang dilakukan yaitu pengumpulan data sifat-sifat termofisik
material pengering dan produk yang dikeringkan. Sifat termofisik
berupa nilai panas jenis spesifik, konduktifitas termal, koefisien pindah
panas, emisivitas bahan dan mengenal jenis penukar panas yang
digunakan
2. Percobaan pengeringan
Percobaan pengeringan dillakukan sebanyak 3 kali, yaittu pengeringan
tanpa beban dan pengeringan menggunakan produk. Percobaan 1
merupakan percobaan tanpa beban dilakukan selama 24 jam. Percobaan
2 dan 3 dilakukan menggunakan beban, selama 14.5 jam dan 13.5 jam.
3. Analisis efisiensi sistem pemanasan air dan tungku dan efektivitas
sistem penukar panas
Dari data yang didapatkan dari percobaan, dihitung jumlah panas yang
diterima air berbanding dengan panas yang diberikan bahan bakar

8
biomassa, kemudian didapatkan efisiensi sistem pemanasan air dan
tungku, nilai efisiensi tersebut didapatkan dari persamaan 9. Data
percobaan suhu yang bersangkutan dengan penukar panas, digunakan
untuk mencari nilai efektivitas penukar panas. Nilai efektivitas tersebut
didapatkan dari persamaan 21 dan 23. Penukar panas yang digunakan
pada alat pengering ini ada dua buah, yaitu penukar panas yang terdapat
pada tangki pemanas air (HE1) dan penukar panas yang terdapat pada
ruang pengering (HE2). Data percobaan tersaji pada Lampiran 1, 2, dan
3. Skema aliran pindah panas pada sistem pemanas tambahan dapat
dilihat pada Gambar 6.

Keterangan:
(1) Tungku biomassa; (2) HE1; (3) Pompa air; (4) Selang; (5) HE2

Gambar 6 Skema aliran pindah panas pada sistem pemanas tambahan
4. Pemodelan pindah panas dan simulasi suhu ruang pengeringan
Simulasi ini dilakukan melalui pendekatan-pendekatan dari distribusi
suhu yang dihasilkan pada pengujian tanpa beban. Sehingga dapat
diketahui distribusi suhu dalam ruang pengering. Simulasi ini
menggunakan parameter-parameter pada Tabel 1. Skema aliran pindah
panas seluruh sistem pengeringan ERK rak berputar ini dapat dilihat
pada Gambar 7.

Keterangan :
Pindah panas Konveksi dan Konduksi
Panas melalui konveksi
Iradiasi surya

Pindah massa
Pembakaran Biomassa

Gambar 7 Aliran pindah panas seluruh sistem pengering ERK rak berputar

9
Tabel 1 Parameter yang digunakan dalam simulasi pengeringan tanpa beban
Parameter

Simbol

Satuan

Nilai

Keterangan

Massa udara ruang pengering
Laju udara lingkungan
Panas spesifik lingkungan
Panas spesifik ruang pengering

mr
ṁL
CpL
Cpr

Kg
kg/detik
J/kgᵒC
J/kgᵒC

25.4906
0.001814
1005.8109
1006.9217

Wulandani (2009)
Utari (2013)
Lampiran 5
Lampiran 5

Luas permukaan dinding
Koefisien pindah panas keseluruhan
dinding

Adp
Udp

m2
W/m2ᵒC

18.5825
1.096

Pengukuran
Lampiran 5

mabs

kg

59.4249

Utari (2013)

koefisien pindah panas absorber
Panas spesifik absorber
Absorsivitas absorber
Transimivitas ruang pengering

habs
Cpabs
αabs

W/m ᵒC
J/kgᵒC

Luas permukaan absorber
Heat exchanger (dalam ruang pengering)
Massa HE2
Panas jenis spesifik radiator

Aabs
mHE2
CpHE2

kg
J/kgᵒC

Luas permukaan radiator ( 3 buah )

AHE2

m2

Koefisien pindah panas menyeluruh HE2
Sistem pemanasan air

UHE2

Laju air yang masuk ke tangki
Panas spesifik air dalam tangki
Massa air dalam tangki
Nilai kalor biomassa
Laju bahan bakar biomassa (pagi–siang)
Laju bahan bakar biomassa (sore–malam)
Efisiensi sistem pemanasan air dan
tungku

Udara pengering

Absorber
Massa absorber

2

abs

m2

2.71
452
0.96
0.45
3.7625

Lampiran 6
Holman (1986)
Utari (2013)
Wulandani (2009)
Pengukuran

4.5
385

Wulandani (2009)
Holman (1986)

2.9961

Wulandani (2009)

W/m ᵒC

15

Wulandani (2009)

ṁa
Cpa
ma

kg/detik
J/kgᵒC
kg

0.31
4191.18
79.93

Lampiran 7
Lampiran 7
Lampiran 7

Hbb
ṁbb
ṁbb

J/kg
kg/detik
kg/detik

15779127
0.000453
0.000645

Utari (2013)
Pengukuran
Pengukuran

0.54

Lampiran 9

2

ɳ

5. Rekomendasi
Setelah mendapatkan model simulasi ruang pengering, nilai efisiensi
sistem pemanasan air dan tungku dan nilai efektivitas penukar kalor,
dilakukan rekomendasi berupa modifikasi penukar panas dan tungku.

Parameter Pengukuran
Suhu
Suhu yang diukur adalah api pembakaran, suhu udara yang keluar dari
cerobong, suhu air dalam tangki, suhu air yang keluar dari HE2, suhu dinding pada
HE1, suhu dinding tungku, suhu dinding tangki, suhu fin pada HE2, suhu ruang
pengering (bola basah-kering), suhu dinding pengering, suhu absorber, suhu

10
lingkungan (bola basah-kering). Pengukuran menggunakan termometer,
termokopel tipe K dan CC pada titik-titik pengukuran (Gambar 8). Pengukuran
suhu ruang menggunakan termometer yang diletakkan di tengah ruang, dengan
asumsi suhu pada ruangan merata. Pengambilan data suhu dilakukan secara
periodik yaitu setiap 30 menit sekali.

Keterangan :
T1: Suhu lubang pemasukan bahan bakar, T2: suhu api pembakaran, T3: suhu dinding
tungku, T4: suhu air dalam tangki, T5: suhu dinding tangki, T6: suhu air keluaran HE 2,
T7: suhu dinding HE1, T8 : suhu cerobong, T9: suhu lantai absorber, T10-T12: suhu
dinding fin HE2, T13: suhu ruang pengering, T14: suhu dinding pengering, T15: suhu
udara lingkungan, T16: suhu atap pengering.

Gambar 8 Titik-titik pengukuran suhu
Iradiasi Surya
Pengukuran menggunakan pryanometer dan diletakan ditempat yang tidak
terhalang cahaya matahari.
Kecepatan Aliran Udara
Diukur menggunakan anemometer model 6011 Kanomax, dengan ketelitian
0.01 m/detik. Bagian yang ukur meliputi kecepatan aliran udara lingkungan dan
kecepatan udara dalam ruang pengering.
Kebutuhan Bahan Bakar
Jumlah biomassa yang dibutuhkan selama proses pengeringan merupakan
penggunaan biomassa yang terbakar.
Debit Air
Debit air pompa diukur secara volumetrik menggunakan gelas ukur dan
stopwatch. Debir air digunakan untuk mengetahui laju air yang keluar dari HE2.

11
Analisis Data
Pindah Panas
Analisis parameter pindah panas dihitung berdasarkan persamaanpersamaan sebagai berikut:
1. Pindah Panas Konduksi
Perpindahan panas secara konduksi, maka laju perpindahan panas
berbanding lurus dengan gradient suhu normal.:
~ �
.…….………………….……….…..….(1)
�
Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas atau ketetapan
kesebandingan, maka:
=− � �
..…….…………………….…......(2)

dimana q adalah laju perpindahan kalor dan � merupakan gradient suhu
kearah perpindahan kalor.
2. Pindah Panas Konveksi
a. Konveksi Alamiah (Bebas)
Perpindahan kalor total dapat dinyatakan sebagai:
..…….……………….…....(3)
qv = hA ΔT
dimana h merupakan koefisien perpindahan kalor konveksi, dan A
merupakan luasan permukaan.
k
h = Nu
.…….………………….…………...(4)
dimana k adalah konduktivitas dan L merupakan dimensi karakteristik.
� = ( GrPr) m
………………………….....(5)
Dimana Nu adalah bilangan Nusselts yang merupakan fungsi dari h
(koefisien perpindahan kalor), Gr merupakan bilangan Grashof dan Pr
merupakan bilangan Prandtl.
Nilai konstanta C dan m didasarkan pada nilai GrPr dan konfigurasikonfigurasi geometri umum dapat dilihat Lampiran 4 (Pitts dan Sissom
2008)
b. Konveksi Paksa
Perpindahan kalor konveksi bergantung pada angka Reynold (Re)
dan Prandtl (Pr). Bentuk paling sederhana koefisien perpindahan kalor
konveksi paksa dapat dinyatakan dalam bentuk berikut:
..…….…………………….......(6)
Nu = C Rem Prn
Dimana C,m, dan n ialah konstanta yang ditdasarkan pada angka Reynold
dalam berbagai bentuk dan kondisi.
Pelat datar Laminar ( ReL < 5 x 105 )
NuL = 0.664 ReL ½ Pr 1/3
....…………………......(7)
3. Pindah Panas Radiasi
Rumus untuk perpindahan panas secara radiasi menerapkan hukum
Stefan Boltzmann, yaitu:
qr= ɛ T4
..…….……………….……………......(8)
Persamaan diatas disebut hukum stefan-boltzman tentang radiasi
termal dan berlaku hanya untuk radiasi benda hitam saja. Benda hitam
adalah benda yang memancarkan energi menurut hokum T4, dimana

12
merupakan konstanta Stefan-Boltzmann ( 5.67 x 10-8 W/m2K4 ) dan ɛ
adalah emisivitas.
Sistem Pemanasan Air dan Tungku
Perhitungan keseimbangan energi pada sistem ini meliputi jumlah energi
yang diterima unit pemasakan dari pembakaran bahan bakar. Efisiensi dari sistem
pemanasan air dan tungku ini adalah perbandingan dari jumlah panas yang
diterima oleh air akibat pembakaran bahan bakar (Q bb) untuk memanaskan air
tersebut. Efisiensi tersebut dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut:
1− 2
..…….…..........(9)
ɳ
� �
� =

Maka keseimbangan yang terjadi pada sistem pemanasan air dan tungku
dapat dimodelkan sebagai berikut :
.… ……………..….....(10)
ɳ
=
1−
2
Ideal nya seluruh panas yang dihasilkan dari proses pembakaran harus
digunakan untuk memanaskan air dalam tangki. Namun demikian dalam
prakteknya banyak panas yang hilang dalam beberapa cara sebagaimana
ditunjukan Gambar 9.

Gambar 9 Kehilangan panas pada sistem pemanasan air
Pada tungku terjadi beberapa kehilangan panas, antara lain: kehilangan
panas pada dinding tungku (QL1), kehilangan panas pada lubang udara masuk
pada tungku (QL2), kehilangan panas pada gas buang cerobong (Q L3), sedangkan
Pada tangki air terjadi kehilangan panas pada dinding tangki (Q L4). Kehilangan
panas ini didekati dengan persamaan:
4
�
−
+ �
ɛ
− 4
............(11)
1 =ℎ
4
4
ɛ
−
….…......................(12)
2 = �
4
4
4
4
−
+
�
ɛ
−
=
�
ɛ
3
…...................…...(13)
+� ℎ
−
ℎ
−
4 = �
...……………………….…........(14)
Berdasarkan jumlah kehilangan panas dari sistem tungku (Q Ltu) yaitu QL1,
QL2 dan QL3 , efisiensi sistem tungku dapat dihitung dengan persamaan 15.
−
ɳ �
�
=
=
….….…....…........(15)
=

1

+

2+

3

…………..……….....(16)

13
Perbandingan antara panas yang diterima air (Qa) dan panas yang
diberikan tungku ke tangki pemanas air (Qtu) merupakan efisiensi dari sistem
pemanasan air. Efisiensi tersebut dapat dihitung dengan persamaan 17.
1− 2
ɳ �
� � =
……...…..…….....(17)

Sistem Heat Exchanger dalam Tangki Pemanas Air (HE1)
Dalam sistem pemanasan air ini terdapat penukar kalor, penukar kalor yang
digunakan dalam tangki yaitu penukar kalor tipe aliran berlawanan arah
(CrossFlow). Pada sistem penukar panas ini keseimbangan energi meliputi panas
dari air yang dipanaskan (Qa), panas dari laju aliran udara yang melewati penukar
panas (Qu) dan beban panas teoritis dari penukar panas (Qhe). Skema aliran
pindah panas pada penukar panas yang digunakan pada sistem pemanasan air
dapat dilihat pada Gambar 10. Dari konsep keseimbangan energi diperoleh
(Rachmansyah 1999) :
…….……………………..…….……..…..(18)
Qa = Qu = Qhe
atau
….….(19)
−
=� 1
1−
2 =
1�
Nilai ϵ merupakan nilai efektifitas penukar panas, secara umum nilai
efektivitas ini tergantung dari faktor suhu yang terjadi pada penukar panas selama
proses berlangsung. Nilai efektifitas penukar kalor dengan Cmin/Cmaks = 0 dapat
dihitung dengan persamaan 21 ( Holman 1986 ).
(
) �
......................................................….(20)
= � =
(

�

= 1−
=

−�

)

....................................…..(21)

�

.......................................…….(22)
Nilai koefisien pindah panas pada heat exchanger ini dapat dihitung
menggunakan persamaan 4, disesuaikan dengan geometri dari bentuk heat
exchanger tersebut.
NTU ( number of heat transfer units ) adalah jumlah satuan perpindahan
panas yang merupakan tolak ukur perpindahan panas suatu penukar kalor.
�

Gambar 10 Skema aliran pindah panas penukar kalor dalam tangki pemanas air

14
Sistem Heat Exchanger dalam Ruang Pengering (HE2)
Pada sistem heat exchanger dalam ruang pengering ini memiliki
keseimbangan energi yang sama dengan heat exchanger yang terdapat dalam
tangki air. Sistem aliran pada HE2 dapat dilihat pada Gambar 6.
Nilai efektivitas pada sistem penukar kalor dapat dicari dengan persamaan
(Holman 1986):
......................................................................(23)
=
=

�

−

=

−

�

.................(24)

Dimana panas maksimal yang mungkin terjadi dapat dihitung dengan
persamaan (Holman 1986) :
= (ṁ ) �
−
=(ṁ ) �
ℎ
� −
�
....(25)
Setelah mendapatkan nilai efektivitas, nilai NTU untuk penukar kalor aliran
silang dapat dihitung dengan persamaan (Holman 1986 ) :
1
1+
]
�
= − [1 +
..................................(26)

HASIL DAN PEMBAHASAN
Sistem Pemanasan Air dan Tungku
Efisiensi Sistem Pemanasan Air dan Tungku
Efisiensi pemanasan sistem pemanasan air dan tungku merupakan
perbandingan jumlah panas yang diterima air dengan panas hasil pembakaran
bahan bakar. Hal ini menunjukan kemampuan pemanas air yaitu tungku dan
tangki pemanas air untuk menaikan suhu air dengan melepaskan panas dari hasil
pembakaran bahan bakar biomassa selama proses berlangsung. Berikut data hasil
pengukuran pada sistem pemanasan air dan tungku dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air dan tungku
Percobaan
1
2
3

Qbb
W
10018.5
10389.6
10061.2

Qa
W
5585.1
5559.0
5246.9

ɳ
%
55.7
53.5
52.2

Efisiensi yang didapatkan dari hasil pengukuran berkisar 52-56 %, panas
yang dihasilkan dari pembakaran diserap untuk proses pemanasan air dan
sebagian hilang diserap oleh dinding tungku, dinding tangki dan ke lingkungan.
Efisiensi yang didapatkan dari nilai kehilangan pada sistem tungku dapat
dilihat pada Tabel 3 dengan contoh perhitungan yang tersaji pada Lampiran 11.
Pada analisis pindah panas yang dilakukan, tidak semua kehilangan panas pada
seluruh komponen tungku diperhitungkan seperti pembakaran yang tidak
sempurna. Kemungkinan efisiensi tungku yang dihasilkan dalam perhitungan ini

15
masih lebih besar daripada efisiensi tungku aktual. Nilai efisiensi tungku yang
diperoleh merupakan perbandingan panas yang diterima tungku dan panas yang
diberikan oleh bahan bakar biomassa.
Tabel 3 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem tungku
Qbb
W
10018.5
10389.6
10061.2

Percobaan
1
2
3

QLtu
W
2920.3
2701.2
2276.9

ɳ
%
70.8
74.0
77.4

Qtu
W
7098.2
7688.4
7784.3

Panas yang diterima tangki pemanas air digunakan untuk memanaskan air.
Efisiensi sistem pemanasan air merupakan perbandingan antara panas yang
diterima air dan panas yang diberikan oleh tungku ke tangki pemanas air. Nilai
efisiensi sistem pemanasan air dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4 Hasil pengukuran efisiensi pada sistem pemanasan air
Qtu
W
7098.2
7688.4
7784.3

Percobaan
1
2
3

ɳ
%
78.7
72.3
67.4

Qa
W
5585.1
5559.0
5246.9

Kehilangan Panas pada Sistem Pemanasan Air dan Tungku
Panas yang hilang pada sistem pemanasan air dan tungku antara lain
kehilangan panas pada dinding tungku (QL1), kehilangan panas pada lubang udara
masuk pada tungku (QL2), kehilangan panas pada gas buang cerobong (Q L3),
sedangkan Pada tangki air terjadi kehilangan panas pada dinding tangki (Q L4).
Tabel 5 Kehilangan panas pada sistem pemanasan air dan tungku
Percobaan
1
2
3

QL1
Watt

QL2
Watt

QL3
Watt

QL4
Watt

248.0
250.1
208.9

2524.9
2327.4
1805.1

109.8
96.7
78.6

117.0
118.5
130.6

Dari Tabel 5 dapat dilihat panas yang hilang pada sistem ini. Kehilangan
panas terbesar pada sistem ini terdapat pada lubang udara pada tungku sebesar
1800- 2525 Watt. Hal ini dikarenakan panas dari hasil pembakaran terbuang
secara langsung ke lingkungan melalui lubang udara pada tungku. Untuk
mengurangi kehilangan panas yang terjadi pada sistem ini diperlukan modifikasi,
terutama desain lubang pemasukan bahan bakar yang terbuka langsung.

16
Efektivitas dan NTU Heat Exchanger
Pada alat pengering tipe rak berputar-hybrid ini memiliki dua buah heat
exchanger. Kemampuan heat exchanger dalam memberikan panas dapat dilihat
dari nilai efektivitasnya, yaitu panas aktual yang terjadi terhadap panas maksimal
yang mungkin diberikan oleh heat exchanger. Nilai efektivitas kedua heat
exchanger disajikan pada Tabel 6 dengan contoh perhitungan yang tersaji pada
Lampiran 10. Nilai efektivitas HE1 sebesar 0.34-0.35, yang berarti efektivitas dari
heat exchanger cukup kecil. Hal tersebut dikarenakan panas aktual yang diterima
air jauh lebih kecil dibandingkan dengan panas maksimal yang diberikan heat
exchanger. Nilai Efektivitas HE2 lebih besar dibanding HE1 yaitu sebesar 0.630.68. Luas permukaan HE2 yang besar mempengaruhi banyaknya panas yang
diterima ruang pengering sehingga efektivitasnya cukup tinggi. Nilai NTU pada
heat exchanger merupakan tolak ukur perpindahan panas suatu penukar kalor,
semakin tinggi nilai NTU semakin tinggi efektivitasnya.
Tabel 6 Efektivitas dan NTU heat exchanger
Percobaan
I
II
III

HE1
NTU
0.43
0.42
0.42

HE2
ϵ
0.35
0.35
0.34

NTU
1.18
1.32
1.15

ϵ
0.63
0.68
0.63

Nilai efektivitas HE1 yang diperoleh sesuai dengan hasil penelitian Rukmini
(2006) menyatakan, nilai efektivitas heat exchanger berkisar 0.28-0.36. Heat
exchanger yang digunakan hampir sama dengan HE1 yaitu tipe counterflow,
namun berbeda dari segi desain. Prinsip kerja heat exchanger pada penelitian
Rukmini, udara masuk memanaskan pipa-pipa heat exchanger kemudian pipa
tersebut memanaskan udara pengering. Hal ini berbeda dengan HE1 pada
penelitian ini, pipa-pipa penukar panas memanaskan air dalam tangki. Nilai HE2
yang diperoleh dalam pengujian mendekati hasil peneltian Rachmansyah (1999)
yaitu berkisar 0.56-0.68. Heat exchanger yang digunakan berupa radiator dan
bahan bakar yang digunakan untuk memanaskan air yaitu minyak tanah.

Pemodelan Tanpa Beban Pengeringan
Pemodelan simulasi dilakukan untuk mengetahui sebaran suhu pada ruang
pengering, suhu absorber, suhu air yang masuk kedalam HE2. Tujuan dan manfaat
dari simulasi ini adalah untuk memperkirakan suhu ruang pengering selama
proses pengeringan. Pemodelan dari simulasi ini dapat digunakan untuk
mengevaluasi metode pengoperasian terbaik atau sebagai acuan untuk
memperbaiki peforma pada alat pengering ini. Proses simulasi ini merupakan
pengembangan dari pemodelan matematis yang telah dimodifikasi sesuai dengan
keadaan dalam proses pengeringan berdasarkan keseimbangan energi pada setiap
komponen penyusun pengering ERK (Kamaruddin 1994).
Pendugaan sebaran suhu pada simulasi didapatkan dari persamaan
keseimbangan panas yang terjadi antara suhu ruang pengering, absorber, dan air

17
dalam HE2. Perhitungan hasil simulasi ini didapatkan dari data suhu lingkungan
(TL), iradiasi surya (I), suhu air yang keluar dari HE2 (Ta2) dan laju pemasukan
biomassa (ṁbb) pada saat pengambilan data tanpa beban selama 24 jam. Simulasi
ini menggunakan parameter-parameter yang ada, dapat dilihat pada Tabel 1.
Berikut adalah pengembangan dari pemodelan matematis yang digunakan
dalam proses simulasi pengeringan tanpa beban:
 Pada ruang pengering
=
−
+� ℎ
−
+� 2
+�
−
......................…. (27)
2
1−
∆
+ �
′

2

=

+ �



′

−
2

+[
2

=

2

1
∆
1

−

×{

−

+�

+�

−

−

+�

−

−

−

ℎ

+�

}]

+

…….................… (28)
ℎ

−

.................. (29)

Persamaan 29 digunakan untuk menduga suhu ruang pengering pada
ruang pengering yang dipengaruhi oleh kondisi plat absorber, suhu
absorber, suhu lingkungan dan suhu heat exchanger. Peningkatan suhu
pada ruangan dipengaruhi oleh panas yang diberikan absorber, heat
exchanger dan panas yang keluar dari ruang ke lingkungan. Pada
persamaan ini menggunakan asumsi panas yang diberikan heat exchanger
sebesar 0.4 dan asumsi panas dari absorber 0.6 (siang) dan 0.8 (malam).
Nilai 0.4 digunakan asumsi, yang dimaksud hanya 40% panas yang
diberikan heat exchanger ke ruangan, sementara panas yang diberikan
absorber ke ruangan pada siang hari hanya 60% dan panas yang diterima
absorber pada malam hari hanya 80%.
Pada absorber
= � ℎ
−
+ � �
....... (30)
∆
+ � �

+ �

′

=

�

′

−

+[
}]

= �

∆

×{�

ℎ

−

..................................................... (31)
ℎ

−

................................................................. (32)

Persamaan 32 digunakan untuk menduga suhu absorber pada ruang
pengering yang dipengaruhi oleh iradiasi surya, luasan plat absorber,
koefisien pindah panas plat absorber, suhu pada plat absorber dan suhu
ruang pengering. Peningkatan suhu pada absorber dipengaruhi oleh panas
yang diberikan oleh iradiasi surya dan ruang pengering. Pada persamaan
ini menggunakan asumsi energi surya yang diterima oleh absorber sebesar
0.2 dan asumsi panas dari ruangan sebesar 0.6 (siang) dan 0.8 (malam).

18



Nilai 0.2 yang digunakan sebagai asumsi, maksudnya adalah dari energi
surya keseluruhan yang diterima oleh absorber dalam ruang pengering,
hanya 20%. Asumsi panas dari ruangan sama dengan persamaan 29 yaitu
60% dan 80 %.
Pada sistem pemanasan air
1
=ɳ
−
1−
2
1
1
................. (33)
1

∆

1′

1

=

1′

1

−

+[

1
∆

=ɳ

× ɳ

−

1

−

−

1

......... (34)

2

−

2

]

... (35)

Persamaan 35 digunakan untuk menduga suhu air dalam tangki yang
akan masuk ke HE2 dan dipengaruhi oleh kondisi suhu air dalam tangki,
kondisi tungku dan kondisi heat exchanger.
Validasi Pemodelan Simulasi
Validasi pemodelan simulasi ini dilakukan terhadap suhu ruang pengering,
suhu absorber dan suhu air di dalam HE2. Validasi bertujuan untuk membuktikan
kebenaran model dalam menggambarkan kondisi nyata. Validasi ini didapatkan
dengan membandingkan hasil simulasi dengan data pengukuran hasil percobaan.
Validasi suhu dapat dilihat pada Gambar 11 (validasi suhu ruang pengering),
Gambar 12 (validasi suhu absorber) dan Gambar 13 (validasi suhu air dalam heat
exchanger).
90
80
60

50
40
30
20

10
0
12.00
13.00
14.00
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
21.00
22.00
23.00
00.00
01.00
02.00
03.00
04.00
05.00
06.00
07.00
08.00
09.00
10.00
11.00

Suhu (ᵒC)

70

Pukul
Truang ukur

Truang Simulasi

Gambar 11 Validasi simulasi suhu ruang pengering

90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
12.00
13.00
14.00
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
21.00
22.00
23.00
00.00
01.00
02.00
03.00
04.00
05.00
06.00
07.00
08.00
09.00
10.00
11.00

Suhu (ᵒC)

19

Pukul
Tabs ukur

Tabs simulasi

90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
12.00
13.00
14.00
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
21.00
22.00
23.00
00.00
01.00
02.00
03.00
04.00
05.00
06.00
07.00
08.00
09.00
10.00
11.00

Suhu (ᵒC)

Gambar 12 Validasi simulasi suhu absorber

Pukul

Tair ukur

Tair simulasi

Gambar 13 Validasi simulasi suhu air dalam heat exchanger
Pada Gambar 11, 12, 13, pola sebaran suhu hasil simulasi telah mengikuti
pola sebaran suhu hasil pengukuran. Pada Gambar 12, suhu hasil simulasi
absorber ketika pukul 09.00-10.00 meningkat drastis, hal ini dikarenakan nilai
iradiasi pada saat pengukuran sangat tinggi. Nilai error dari validasi suhu diatas
dapat dilihat pada Tabel 7. Nilai error tersebut masih dapat diterima, sehingga
persamaan tersebut dapat digunakan untuk simulasi pada alat pengering ERKhybrid tipe rak berputar. Suhu hasil simulasi absorber dan ruang pengering lebih
tinggi dibanding suhu hasil pengukuran. Hal ini disebabkan oleh radiasi surya
yang diterima oleh plat absorber terhalang oleh susunan rak yang ada diatasnya
dan panas yang diberikan HE2 tidak maksimal dikarenakan kinerja HE2 yang
mulai menurun. Hasil validasi suhu air dalam heat exchanger cukup mendekati,

20
dengan efisiensi pemanasan air rata-rata yang didapatkan dari hasil perhitungan
sebesar 54 persen.
Tabel 7 Suhu rata-rata, nilai error hasil validasi
Suhu rata-rata (ᵒC)
Ukur
Simulasi
46.0
48.0
47.3
49.7

Keterangan
Suhu ruang pengering
Suhu absorber
Suhu air dalam HE2

71.4

71.5

Error
(%)
5.0
5.2
0.1

Modifikasi Sistem Pemanas Tambahan
Berdasarkan analisis pindah panas yang pada sistem pemanasan air dan
tungku serta simulasi yang dihasilkan, maka dilakukan beberapa modifikasi untuk
mencapai suhu ruang pengering antara 50-55ᵒC. Suhu yang digunakan untuk
pengeringan ubi berkisar 50-55ᵒC, suhu yang tidak melewati suhu kritis
antosianin, dimana pada suhu diatas 65ᵒC antosianin akan mulai terdegradasi
(Karleen 2010). Dilakukan beberapa skenario untuk mencapai suhu pengeringan
ubi tersebut, skenario dan hasil simulasi suhu ruang pengering dapat dilihat pada
Tabel 8 dan Gambar 14. Simulasi ini menggunakan parameter-parameter pada
penelitian ini, dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 8 Skenario modifikasi dan hasil simulasi ruang pengering
Skenario
0
1

Laju
bahan
bakar
(kg/jam)
2.29
2.29

QLsistem

ɳsistem

pemanasan
air &tungku

pemanasan
air &tungku

(watt)

4692.7
3391.0

Modifikasi atau perbaikan

Suhu
ruang
simulasi

(ᵒC)

(%)

54 Sebelum perbaikan
67 Modifikasi tungku (bahan bakar
tetap)
Modifikasi tungku (laju bahan bakar
menurun)
Meningkatkan daya pompa
Menaikan koefisien pindah panas
menyeluruh (UHE2= 25 W/m2ᵒC)
Meningkatkan laju bahan bakar

2

1.93

3391.0

62

3
4

2.29
2.29

4692.7
4692.7

54
54

5

4.47

9289.8

54

6
7

2.29
3.49

4692.7
5203.8

54 Memperluas permukaan HE2
67 Meningkatkan laju bahan bakar &

47.9
48.5
48.3
47.4
53.5
50.1
55.4
50.0

modifikasi tungku

Pada skenario 1, 2, dan 7 dilakukan modifikasi pada tungku yang bertujuan
mengurangi kehilangan panas pada tungku. Modifikasi yang mungkin dilakukan
adalah memakai penutup pada lubang pemasukan bahan bakar dengan sedikit
memberi ruang udara untuk proses pembakaran. Rekomendasi perbaikan pada
tungku dapat dilihat pada Lampiran 13. Dengan perbaikan pada lubang
pemasukan pada bahan bakar tungku, kehilangan panas pada bagian tersebut dapat
dihitung dengan persamaan 36. Bahan yang digunakan untuk penutup tungku

21
adalah plat besi. Laju aliran oksigen pada tungku setelah dimodifikasi
diasumsikan sama dengan laju pembakaran yang terjadi pada tungku sebelum
dimodifikasi.
4
4
�
−
+ � ɛ
−
............. (36)
2 =ℎ
Suhu simulasi ruang pengering (ᵒC)

65.00
60.00
55.00

S0
S1

50.00

S2
45.00

S3

S4

40.00

S5
35.00

S6
S7

30.00

Pukul

Gambar 14 Grafik perbandingan suhu simulasi pengeringan
Pada skenario 3, daya pompa yang awalnya 125 watt ditingkatkan menjadi
200 watt. Peningkatan daya pompa berhubungan dengan pressure drop dan debit
pompa. Dengan meningkatnya debit pompa, laju air yang mengalir pada HE 2 pun
meningkat. Hal ini bertujuan agar pindah panas air ke HE 2 semakin besar,
sehingga berpengaruh pada suhu ruangan yang meningkat. Namun hasil simulasi
suhu ruang pada skenario ini menurun, hal ini dikarenakan pada pemodelan
simulasi menggunakan data percobaan suhu air yang keluar dari HE 2 (Ta2) dan
nilai koefisien pindah panas UH