BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu Dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan pada bulan Desember 2012 sampai dengan Maret 2013. 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. Keempat 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 boks pengering.
Kolektor yang dipilih dalam perancangan ini adalah kolektor pelat datar, karena tingkat kesulitan pembuatan yang rendah namun memiliki efisiensi yang cukup
baik dan sesuai dengan kebutuhan untuk penelitian. Perencanaan kolektor yang akan dibahas meliputi pelat absorber, penutup transparan kaca, dan isolasi pada
kolektor. Pada boks terdapat rak tray dan cerobong. Rak tray berfungsi sebagai tempat meletakkan sampel, sementara cerobong berfungsi sebagai tempat
keluarnya udara dari boks. Perencanaan alat pengering bertujuan untuk membantu para petani dalam
mengolah hasil produksi perkebunan dan pertanian. Oleh karena itu pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam perencanaan pengering yaitu: ekonomis,
produktifitas tinggi, mudah pembuatan, kuat dan mudah dioperasikan.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.1 Kolektor
3.2.1 Perancangan Pelat Absorber
Pelat absorber berfungsi untuk menyerap radiasi surya dan
mengkonversikan menjadi panas. Energi dialirkan melalui fluida kerja udara secara konveksi. Dengan mengacu fungsi absorber maka dipilih sifat bahan antara
lain: • Absorbsivitas tinggi α
• Emisifitas panas rendah ε • Kapasitas panas kecil Cp.
• Konduktifitas besar k • Refleksi rendah ρ
• Tahan panas dan tahan korosi • Kaku dan mudah dibentuk
• Ada dipasaran
Bahan-bahan yang biasa dipakai untuk pelat pengumpul yaitu: seng, aluminium, tembaga, kuningan, dan baja. Dalam perancangan ini digunakan seng sesuai
pertimbangan di atas. Seng yang digunakan mempunyai ketebalan 0,35 mm. Permukaannya dilakukan pelapisan dengan cat semprot hitam kusam, agar jangan
terjadi refleksi dan mempunyai absorsivitas maksimum.
kayu sterofoam
rockwool kaca
Universitas Sumatera Utara
3.2.2 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 dipasaran dan kuat
Dengan pertimbangan sifat di atas, maka digunakan dua lapis kaca bening dengan ketebalan 5mm. Transmisivitas kaca
�= 0,85, refleksi ρ = 0,09 dan absorsivitas α = 0,06.
3.2.3 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.
Isolator yang dipilih dalam perancangan terdiri dari tiga lapisan yaitu rockwoll dimana kehantaran termalnya 0.042 Wm
o
C, sterofoam dimana kehantaran termalnya 0.036 W m
o
C dan kayu dimana kehantaran termalnya 0.19 W m
o
C.
3.2.4 Perancangan Rangka Mesin Pengering
Rangka mesin pengering terbuat dari besi siku 30 mm yang kemudian dirangkai dan dilas agar bisa sebagai tumpuan absorber dan boks pengering.
Pemilihan rangka mesin pengering ini mempertimbangkan beban yang akan
Universitas Sumatera Utara
dipikul oleh rangka tersebut dengan kemiringan kolektor 60
o
agar dapat berdiri kokoh.
3.2.5 Perancangan Boks Pengering
Boks pengering adalah tempat terjadinya proses pengeringan,dimana udara panas yang dihasilkan oleh kolektor disalurkan ke dalam boks pengering untuk
mengeringkan produk yang akan dikeringkan.
Gambar 3.2 Boks Pengering
Boks pengering terbuat dari pelat seng dengan tebal 0.35 mm yang dicat dengan warna hitam buram, agar dapat menyerap panas dengan lebih cepat. Untuk
dinding boks pengering sengaja tidak dibuat isolator, agar panas akibat radiasi sinar matahari pada dinding dapat membantu proses pengeringan. Boks pengering
dirancang agar pada ruang boks pengering dapat berada pada suhu minimal 45
o
C dan tidak lebih dari 80
o
C tujuannya untuk mendapatkan kualitas yang baik. Pada boks pengering dilengkapi dengan pintu yang berguna untuk
memasukkan dan mengeluarkan produk yang dikeringkan. Dibagian atas boks pengering dibuat cerobong udara, bertujuan untuk memperlancar sirkulasi udara
pada proses pengeringan.
Rangka boks pengering terbuat dari besi siku 30 mm yang kemudian dirangkai dan dilas agar bisa sebagai tumpuan boks pengering dan juga kolektor.
Pemilihan rangka kolektor ini mempertimbangkan beban yang akan dipikul oleh rangka tersebut agar dapat berdiri kokoh.
Universitas Sumatera Utara
3.3 Alat dan Bahan yang Digunakan 3.3.1 Peralatan pengujian
Adapun beberapa alat pengujian yang digunakan adalah : 1.
Alat Pengering Spesifikasi :
Kolektor :
Tipe = Pelat datar
Panjang kolektor = 2 m
Lebar kolektor = 0,5 m
Tinggi kolektor = 0,17 m
Luas kolektor = 1 m
2
Kemiringan = 60
o
Boks Pengering :
Panjang boks = 0,5 m
Lebar boks = 0,5 m
Tinggi boks = 0,7 m
Tinggi kaki boks = 1,12 m
Tinggi chimney boks = 0,198 m Diameter chimney
= 0,05 m
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.3 Alat Pengering
Rak Tray :
Panjang tray = 0,4 m
Lebar tray = 0,4 m
Mesh tray = 30
2. Laptop
Digunakan untuk menyimpan dan mengolah data yang telah didapatkan dari Hobo Microstation data logger dan Agilient 34972 A.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.4 Laptop
Spesifikasi: a.
MSi VR440 series b.
Intel pentium dual-core processor c.
14 widescreen d.
Os: Microsoft windows xp
3. Agilient 34972 A
Alat ini dihubungkan dengan termokopel yang dipasang pada titik-titik yang akan diukur temperaturnya. Pencatatan data pengukuran disimpan
pada flashdisk yang dicolokkan pada bagian belakang alat ini.
Gambar 3.5 Agilient 34972 A
Universitas Sumatera Utara
Dengan Spesifikasi : a.
Daya 35 Watt b.
Jumlah saluran termokopel 20 buah c.
Tegangan 250 Volt d.
Mempunyai 3 saluran utama 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
4. Hobo Microstation Data Logger
Alat ini di hubungkan ke data logger untuk kemudian dihubungkan ke komputer untuk diolah datanya. Dengan Spesifikasi :
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 – 2 detik
Terdapat beberapa alat ukur pada Hobo Micro station data logger yaitu :
1 2
3
4
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.6 Hobo Microstation data logger
Keterangan 1
Pyranometer Alat ini digunakan untuk mengukur radiasi matahari pada suatu lokasi.
Satuan alat ukur ini adalah Wm
2
. 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 41mm Height x 32mm Diameter 1 58 x 1 14
2 Wind Velocity Sensor
Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan angin. Satuan alat ukur ini adalah ms. Berikut adalah spesifikasi wind velocity sensor.
Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor Parameter
pengukuran Kecepatan angin rata-rata
Kecepatan angin terttinggi Data Channels
2 Channel, 1 Port Rentang pengukuran
0 to 45 ms 0 to 100 mph Operasi kerja
Temperatur: -40C to 75C -40F to 167F Akurasi
±1.1 ms 2.4 mph atau 4
Universitas Sumatera Utara
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
3 Ambient Measurement apparatus
Alat ini digunakan untuk mengukur temperatur lingkungan sekitar. Satuan alat ukur ini adalah °C. Dengan spesifikasi:
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 1msec
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
Universitas Sumatera Utara
Lingkungan kerja Air, Water, Steam 0 to 100 RH
Berat 72 g 2.5 oz
Dimensi 10.1cm long x 1.75cm diameter
4 T and RH Smart Sensor
Alat ini digunakan untuk mengukur kelembaban. 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 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 .28 x 1.50 - Sensor saja
5 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.
Universitas Sumatera Utara
a b
Gambar 3.7 a Weight Display b load cell
Spesifikasi • Material
: Alloy steel atau stainless steel • Kapasitas
: 5 kg • Temperatur kerja max
: 60º C • Recommend excitation
: 10v DCAC
3.3.2 Bahan Pengujian
Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian sebelumnya sudah dibahas pada tahap perancangan. Bahan yang digunakan dalam pengujian ini
adalah: 1.
Ubi Kayu Sampel yang dipergunakan dalam proses pengeringan ini adalah ubi kayu
yang berkadar air 60 yang akan dikeringkan untuk mencapai kadar air 10, merupakan standar kering ubi kayu. Kemudian sampel di potong
dadu 1cm x 1cm x 1cm.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.8 Sampel Ubi Kayu
2. Triplek
Bahan ini digunakan sebagai kerangka luar dari pada solar collector yang akan dibuat. Juga digunakan sebagai isolator, sehingga dapat
meminimalkan panas yang hlang.
Gambar 3.9 Triplek
3. RockWool
Universitas Sumatera Utara
Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator, digunakan untuk mencegah panas dari solar collector hilang keluar. Jenis Rockwool yang dipakai
adalah jenis Wire Mesh yang memiliki konduktivitas 0.043
� � �
.
Gambar 3.10 Rockwool
4. Kaca
Bahan ini digunakan sebagai jalur masuknya radiasi matahari. Digunakan jenis double glasses, untuk meningkatkan performance dari solar
collector. Digunakan dua lapis kaca bening dengan ketebalan 5mm. Transmisivitas kaca
� = 0,85, refleksi ρ = 0,09 dan absorsivitas α = 0,06.
Gambar 3.11 Kaca
5. Sterofoam
Universitas Sumatera Utara
Bahan ini digunakan sebagai lapisan isolator, digunakan untuk mencegah panas dari solar collector hilang keluar.
Gambar 3.12 Sterofoam
6. Pelat Seng
Bahan ini digunakan sebagai absorber. Pelat Seng yang memiliki konduktivitas yang bagus dan di beri cat hitam agar radiasi yang masuk
pada solar collector akan diserap sepenuhnya oleh pelat seng.
Gambar 3.13 Pelat Seng
7. Cat
Bahan ini digunakan untuk mencat pelat seng. Cat yang digunakan adalah cat berwarna gelap hitam.
3.4 Persiapan Penelitian
Universitas Sumatera Utara
Penelitian dimulai dengan menghubungkan kabel-kabel termokopel antara agilient dan parameter-parameter yang akan diukur temperaturnya. Flashdisk
dimasukkan ke agilient untuk pencatatanpenyimpanan data selama pengukuran. Setelah agilient membaca temperatur selama waktu yang telah diatur, flashdisk
dicabut dan dibaca dalam bentuk Microsoft Excel pada komputer.
Gambar 3.14 Experimental Setup
Adapun beberapa parameter yang diukur ialah : 1.
Temperatur Permukaan Kayu T
1
2. Temperatur Ruang Kolektor T
2
3. Temperatur Permukaan Kaca T
3
4. Temperatur Lingkungan Sekitar T
4
5. Temperatur Permukaan Plat T
5
6. Intensitas Radiasi Matahari G
a
Parameter diatas digunakan untuk menghitung besarnya nilai energi panas yang hilang pada kolektor surya dan nilai dari effisiensi kolektor surya.
3.5 Prosedur Penelitian
Universitas Sumatera Utara
Kolektor surya adalah alat untuk mengkonversikan energi surya ke dalam energi panas. Ketika cahaya matahari menimpa absorber pada kolektor surya,
sebagian cahaya akan dipantulkan kembali ke lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi energi panas. Pada absorber, radiasi
surya di serap, kemudian dilalui fluida kerja udara sebagai pembawa energi panas
menuju boks pengering.
Adapun prosedur pengujian yang dilakukan adalah : 1.
Alat pengering kolektor surya dipersiapkan portable.
2. Pengering dipasang dalam posisi yang baik dan benar.
3. Semua alat ukur yang dibutuhkan selama pengujian dan ubi kayu
dipersiapkan.
4. Kabel-kabel termo couple dari agilient dipasang pada pelat absorber, boks
pengering dan inti ubi kayu.
5. Load cell dihidupkan, sebelum merekam data load cell ditare kan terlebih
dahulu agar di layar laptop massa berada pada posis 0 gr.
6.
Ubi kayu ditimbang dan dimasukkan kedalam boks pengering.
7.
Proses perekaman data dimulai.
8.
Pengeringan dilakukan sampai massa ubi kayu mencapai titik equilibrium.
9.
Hasil dari pengujian dianalisis.
Berikut diagram alir tahapan dalam pengerjaan tugas akhir :
Universitas Sumatera Utara
BAB IV
Perhitungan dan Diskusi Perancangan Pengering
Pabrikasi dan Memodifikasi Pengering
Pengukuran Data Awal Sampel
Pengambilan Data Mesin Pengering
Hasil Pengambilan data
HOBO dan Agilent
Analisa hasil percobaan
Kesimpulan
Selesai Mulai
Studi Literatur Buku Referensi,
Jurnal, Internet, dll
Validasi
Tidak
Universitas Sumatera Utara
HASIL DAN ANALISA DATA
4.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Solar Radiation