Pengujian Performansi Mesin Pengering Tenaga Surya Dengan Produk Yang Dikeringkan Adalah Cassava Dengan Bentuk Produk Bujur Sangkar
PENGUJIAN PERFORMANSI MESIN PENGERING TENAGA
SURYA DENGAN PRODUK YANG DIKERINGKAN ADALAH
CASSAVA DENGAN BENTUK PRODUK BUJUR SANGKAR
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
INDRA GUNAWAN PURBA
NIM. 080401047
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah
melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan
penyusunan Tugas Akhir ini yang berjudul :“θengujian θerformansi εesin Pengering
Tenaga Surya Dengan Produk Yang Dikeringkan Adalah Cassava Dengan Bentuk Produk
Bujur Sangkar”
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1
(S1) pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara
(USU).
Dalam penyusunan tugas akhir ini bukan semata karena kemampuan
penyusun, tapi juga karena adanya campur tangan berbagai pihak yang mau
meluangkan waktu, tenaga, dan pikiran dalam penyelesaian tugas akhir ini. Oleh
karena itu, dalam kesempatan ini penulis juga mengucapkan banyak terima kasih
kepada:
1. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku Dosen pembimbing, yang telah membantu
dalam bimbingan, saran, serta dukungan dalam penulisan laporan tugas
akhir ini.
2. Bapak Ir.M.Syahril Gultom,MT. selaku dosen pembanding I dan bapak
Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembanding II.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera.
5. Kedua orang tua penulis, Netapken Purba dan Rasmita br Ginting, abang
dan kakak penulis Sahat R. Gultom dan Nerawati br Purba, adik penulis
Roy Damenta Purba yang tidak pernah putus-putusnya memberikan
dukungan, do’a serta kasih sayangnya yang tidak terhingga kepada
penulis.
6. Bapak Ir.Tekad Sitepu selaku Dosen Wali penulis.
Universitas Sumatera Utara
7. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang
telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama
penulis kuliah.
8. Rekan-rekan satu tim skripsi yaitu Nehemia Sembiring dan Fadly Ryan
Arikundo yang telah bersama-sama berjuang untuk menyelesaikan skripsi
dan saling bertukar pikiran selama proses penyusunan skripsi.
9. Ibu S. Farah Dina dan Abang Haznam yang juga telah membantu penulis
selama proses penyusunan skripsi ini mulai dari awal sampai akhir.
10. Rekan-rekan khususnya May Martin S, Herto M. Marbun, Edison M.
Manurung, yang bersama-sama dengan penulis menuntaskan kerja praktek
dan semua teman-teman angkatan 2008 lainnya yang belum disebut
namanya yang telah membantu penulis menyelesaikan laporan serta
memberikan petunjuk kepada penulis semasa perkuliahan.
11. Kepada pihak-pihak lain yang turut membantu penulis yang tidak dapat
disebutkan satu per satu.
Dalam menyelesaikan tulisan ini penulis telah mencoba semaksimal mungkin
guna tersusunnya skripsi ini. Penulis sadar bahwa skripsi ini masih kurang sempurna.
Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima
saran dan kritik yang dapat membangun den mendukung penulis demi tercapainya isi
tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi
manfaat kepada pembaca. Terima kasih.
Medan, Mei 2013
INDRA GUNAWAN PURBA
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Mesin pengering tenaga surya merupakan suatu peralatan yang dapat
digunakan untuk mengeringkan produk hasil pertanian dan perkebunan, Contoh
salah satu produk hasil pertanian dan perkebunan yang dikeringkan menggunakan
mesin pengering adalah singkong. Tujuan pengujian ini adalah membangun model
matematik karakteristik pengeringan untuk singkong dan mendapatkan efisiensi
rata-rata kolektor surya selama proses pengujian. Pada kolektor surya plat datar,
radiasi matahari yang datang akan diteruskan oleh kaca sehingga dapat diserap
oleh plat absorber panas yang dihasilkan oleh absorber akan mengalir ke dalam
ruang pengering secara konveksi natural. Di dalam ruang pengering, panas yang
datang dari kolektor akan memanaskan ruang pengering. Kadar air yang terdapat
pada singkong diuapkan sehingga uap air dan panas bercampur menjadi satu dan
keluar dari ruang pengering melewati chimney. Pada pengujian yang telah
dilakukan didapat model metematik karakteristik pengeringan dari singkong yaitu
. Efisiensi rata-rata tertinggi untuk
kolektor surya selama proses pengujian pengeringan adalah 37,09%.
Kata kunci : singkong, pengeringan, kolektor surya, konveksi natural
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
Solar drying machine is a device that can be used for drying agricultural
products and plantation. One example of agricultural and plantation products are
dried using a dryer is cassava. The purpose of testing is to build mathematical
models for cassava drying characteristics and obtain an average efficiency of the
solar collectors during the testing process. On a flat plate solar collectors, solar
radiation coming will be forwarded by the glass so it can be absorbed by the
absorber plate heat generated by the absorber will flow into the natural
convection drying chamber. In the drying chamber, the heat coming from the
collector will heat the drying chamber. Water content contained in the cassava
was evaporated to steam and hot water mixed into one and out of the drying
chamber through the chimney. In the testing that has been done metematik models
obtained
from
cassava
drying
characteristics
ie
. The highest average efficiency for the
solar collectors during the drying test is 37.09%.
Keywords: cassava, drying, solar collectors, natural convection
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .......................................................................................i
ABSTRAK ........................................................................................................ iii
ABSTRACT ........................................................................................................iv
DAFTAR ISI ......................................................................................................v
DAFTAR TABEL .............................................................................................vii
DAFTAR GAMBAR .........................................................................................ix
DAFTAR GRAFIK ...........................................................................................xi
DAFTAR SIMBOL ...........................................................................................xiii
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ........................................................................................1
1.2 Batasan Masalah......................................................................................1
1.3 Tujuan Pengujian ....................................................................................2
1.4 Manfaat Pengujian ..................................................................................2
1.5 Sistematika Penulisan .............................................................................2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengeringan Hasil Pertanian dan Perkebunan.........................................4
2.2 Jenis - Jenis Pengeringan ........................................................................4
2.3 Faktor Yang Memepengaruhi Pengeringan ............................................6
2.4 Sekilas Tentang Singkong (Cassava) ....................................................8
2.5 Matahari (Surya) .....................................................................................10
2.5.1 Karakteristik Matahari ...................................................................10
2.5.2 Teori Dasar Radiasi Surya .............................................................12
2.5.3 Rumusan Radiasi Surya .................................................................14
2.6 Kolektor Surya ........................................................................................21
2.7 Perpindahan Panas ..................................................................................25
2.7.1 Perpindahan Panas Konduksi .........................................................25
Universitas Sumatera Utara
2.7.2 Perpindahan Panas Konveksi .........................................................26
2.7.3 Perpindahan Panas Radiasi.............................................................28
2.7.4 Perpindahan Massa .........................................................................29
BAB III METODOLOGI PENGUJIAN
3.1 Waktu dan Tempat Pengujian .................................................................31
3.2 Metode Pengujian Performansi ...............................................................31
3.3 Alat dan Bahan yang Digunakan .............................................................32
3.3.1 Alat .................................................................................................32
3.3.2 Bahan ..............................................................................................39
3.4 Experimental Set Up................................................................................43
3.5 Prosedur Pengujian ..................................................................................45
BAB IV DATA DAN ANALISIS DATA
4.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari ........................................................46
4.1.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 1 Maret 2013 ..........46
4.1.2 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 2 Maret 2013 ..........48
4.1.3 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 5 Maret 2013 ..........50
4.1.4 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 6 Maret 2013 ..........52
4.2 Laju Aliran Massa Udara Di Dalam Kolektor Surya ( ̇ ) Dan
Temperatur Rata-Rata Keluar Dari Kolektor ( ̅ out ) ..............................53
4.3 Hasil Pengukuran Temperatur Ruang Pengering dan Inti Cassava ........64
4.3.1 Hasil Pengukuran Temperatur Pengeringan Sampel 1 ...................64
Universitas Sumatera Utara
4.3.2 Hasil Pengukuran Temperatur Pengeringan Sampel 2 ...................67
4.4 Analisa Model Persamaan Pengeringan Cassava ...................................69
4.4.1 Analisa Moisture Ratio (MR) Pada Pengeringan Cassava ............69
4.4.2 Analisa Koefisien Diffusifitas Efektif (Deff) ..................................73
4.4.3 Analisa Slope (k) ............................................................................75
4.5 Analisa Koefisien Perpindahan Massa (hm) ............................................75
4.6 Efisiensi Kolektor Surya .........................................................................77
4.7 Energi Untuk Pengeringan ......................................................................83
4.7.1 Kalor Uap Untuk Singkong (Cassava) .........................................83
4.4.2 Kalor Yang Diterima Dari Kolektor .............................................86
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ..............................................................................................88
5.2 Saran .......................................................................................................88
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................90
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Daftar Komposisi Kimia Cassava (singkong)/100 gr bahan ................ 9
Tabel 2.2 Urutan Hari Berdasarkan Bulan ............................................................ 15
Tabel 2.3 Faktor Koreksi Iklim ............................................................................. 20
Tabel 3.1 Spesifikasi Pyranometer ....................................................................... 35
Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor .......................................................... 36
Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus ..................................................... 37
Tabel 3.4 Spesifikasi T and RH Smart Sensor ...................................................... 38
Tabel 3.5 Spesifikasi Load Cell ............................................................................ 39
Tabel 4.1 Data Radiasi Matahari Pengukuran pada tanggal 1 Maret 2013 ........... 46
Tabel 4.2 Perbandingan Data Hasil Pengujian Dengan BMKG Kota Medan ...... 47
Tabel 4.3 Data Radiasi Matahari Pengukuran pada tanggal 2 Maret 2013 ........... 48
Tabel 4.4 Perbandingan Data Hasil Pengujian Dengan BMKG Kota Medan ...... 49
Tabel 4.5 Data Radiasi Matahari Pengukuran pada tanggal 5 Maret 2013 ........... 50
Tabel 4.6 Perbandingan Data Hasil Pengujian Dengan BMKG Kota Medan ...... 51
Tabel 4.7 Data Radiasi Matahari Pengukuran pada tanggal 6 Maret 2013 ........... 52
Tabel 4.8 Perbandingan Data Hasil Pengujian Dengan BMKG Kota Medan ...... 52
Tabel 4.9 Laju aliran massa udara dan temperatur udara keluar kolektor
untuk sampel 1 pada 1 maret 2013 ...................................................... 59
Tabel 4.10 Laju aliran massa udara dan temperatur udara keluar kolektor
untuk sampel 1 pada 2 maret 2013 ...................................................... 60
Tabel 4.11 Laju aliran massa udara dan temperatur udara keluar kolektor
untuk sampel 2 pada 5 maret 2013 ...................................................... 62
Tabel 4.12 Laju aliran massa udara dan temperatur udara keluar kolektor
untuk sampel 2 pada 6 maret 2013 ...................................................... 63
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.13 Temperatur dan kelembaban ralatif (RH) pada 1 maret 2013 ............ 65
Tabel 4.14 Temperatur dan kelembaban ralatif (RH) pada 2 maret 2013 ............ 67
Tabel 4.15 Temperatur dan kelembaban ralatif (RH) pada 5 maret 2013 ............ 68
Tabel 4.16 Temperatur dan kelembaban ralatif (RH) pada 6 maret 2013 ............ 68
Tabel 4.17 Moisture ratio cassava sampel pertama.............................................. 70
Tabel 4.18 Moisture ratio cassava sampel kedua ................................................. 71
Tabel 4.19 Efisiensi mesin pengering untuk sampel 1 tanggal 1 maret 2013 ....... 79
Tabel 4.20 Efisiensi mesin pengering untuk sampel 1 tanggal 2 maret 2013 ....... 80
Tabel 4.21 Efisiensi mesin pengering untuk sampel 2 tanggal 5 maret 2013 ....... 81
Tabel 4.22 Efisiensi mesin pengering untuk sampel 2 tanggal 6 maret 2013 ....... 82
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 MesinPengering................................................................................. 10
Gambar 2.2 Matahari ............................................................................................ 11
Gambar 2.3 Radiasi surya ..................................................................................... 13
Gambar 2.4 Lapisan atmosfer bumi ...................................................................... 13
Gambar 2.5 Pergerakan bumi terhadap matahari .................................................. 14
Gambar 2.6 Hubungan matahari dan bumi ........................................................... 14
Gambar 2.7 Sudut sinar dan posisi sinar matahari ................................................ 17
Gambar 2.8 Komponen-komponen umum kolektor ............................................. 22
Gambar 2.9 Kolektor surya pelat datar ................................................................. 23
Gambar 2.10 Kolektor surya prismatic ................................................................. 24
Gambar 2.11 Kolektor surya konsentrator ............................................................ 24
Gambar 2.12 Evacuated tube collector ................................................................. 25
Gambar 2.13 Perpindahan panas konduksi ........................................................... 26
Gambar 2.14 Perpindahan panas konveksi ........................................................... 27
Gambar 2.15 Perpindahan panas konveksi pada plat datar ................................... 27
Gambar 2.16 Perpindahan panas radiasi ............................................................... 28
Gambar 3.1 Mesin pengering ................................................................................ 32
Gambar 3.2 Laptop................................................................................................ 33
Gambar 3.3 Agilient 34972 A ................................................................................ 33
Gambar 3.4 Spesifikasi Agilient 34972 A ............................................................... 34
Gambar 3.5 Hobo Microstation data logger ......................................................... 35
Gambar 3.6 Alat ukur Hobo Microstation data logger......................................... 38
Gambar 3.7 load cell ............................................................................................. 39
Gambar 3.8 Cassava ............................................................................................. 40
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.9 Triplek ............................................................................................... 40
Gambar 3.10 Rockwool ......................................................................................... 40
Gambar 3.11 Kaca................................................................................................. 41
Gambar 3.12 Styrofoam ........................................................................................ 41
Gambar 3.13 Pelat Seng ........................................................................................ 42
Gambar 3.14 Lem Kaca ........................................................................................ 42
Gambar 3.15 Cat ................................................................................................... 42
Gambar 3.16 Experimental set up ......................................................................... 43
Gambar 3.17 Diagram blok proses pengerjaan skripsi ......................................... 45
Gambar 4.1 Konveksi natural pada plat absorber ................................................. 54
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1 perbandingan data intensitas radiasi matahari hasil pengukuran pada
pengujian dengan data BMKG Kota Medan pada tanggal
1 Maret 2013 ........................................................................................ 51
Grafik 4.2 perbandingan data intensitas radiasi matahari hasil pengukuran pada
pengujian dengan data BMKG Kota Medan pada tanggal
2 Maret 2013 ........................................................................................ 53
Grafik 4.3 perbandingan data intensitas radiasi matahari hasil pengukuran pada
pengujian dengan data BMKG Kota Medan pada tanggal
5 Maret 2013 ........................................................................................ 54
Grafik 4.4 perbandingan data intensitas radiasi matahari hasil pengukuran pada
pengujian dengan data BMKG Kota Medan pada tanggal
6 Maret 2013 ........................................................................................ 56
Grafik 4.5 ̇ dan ̅ untuk pengujian sampel 1 pada tanggal 1 Maret 2013 ......... 62
Grafik 4.6 ̇ dan ̅ untuk pengujian sampel 1 pada tanggal 2 Maret 2013 ......... 64
Grafik 4.7 ̇ dan ̅ untuk pengujian sampel 2 pada tanggal 5 Maret 2013 ......... 66
Grafik 4.8 ̇ dan ̅ untuk pengujian sampel 2 pada tanggal 6 Maret 2013 ......... 67
Grafik 4.9 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 1 hari 1 .......... 68
Grafik 4.10 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 1 hari 2 ........ 69
Grafik 4.11 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 2 hari 1 ........ 70
Grafik 4.12 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 2 hari 2 ........ 71
Grafik 4.13 moisture ratio ubi kayu sampel pertama ........................................... 74
Universitas Sumatera Utara
Grafik 4.14 moisture ratio ubi kayu sampel kedua ............................................... 75
Grafik 4.15 ln MR vs waktu sampel 1................................................................... 76
Grafik 4.16 ln MR vs waktu sampel 2................................................................... 77
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
SIMBOL
KETERANGAN
A
Luas Penampang
m2
A
Altitude ( ketinggian dari permukaan laut )
km
B
Konstanta Yang Bergantung Pada n
Panas Jenis
SATUAN
kJ/kg K
cos θz
Cosines sudut zenith
D
Lebar kolektor
m
Deff
Diffusifitas kelembaban efektif
m2/menit
dT
dx
Gradien temperatur dalam aliran panas
K/m
E
Faktor Persamaan Waktu
menit
g
Percepatan gravitasi (9.81)
m/s2
Radiasi Matahari Yang Jatuh Langsung
Ke Permukaan Bumi
W/m2
Radiasi Difusi
W/m2
Gon
Radiasi Yang Diterima Atmosfer Bumi
W/m2
Gsc
Daya radiasi rata-rata yang diterima
atmosfer bumi (1367)
W/m2
Radiasi Total
W/m2
GrL
Bilangan Grashof
h
Koefisien Perpindahan Panas Konveksi
W/m2 K
Universitas Sumatera Utara
hm
Koefisien perpindahan massa
m/s
I
Tanggal
I
Intensitas radiasi
W/m2
k
slope (drying constant)
1/menit
k
Konduktivitas Bahan Termal
W/m K
L
Panjang kolektor
m
L
Setengah dari ketebalan slab (ukuran ubi kayu)
m
Le
Bilangan Lewis
Lloc
Posisi Bujur
o
Lst
Standart Meridian untuk waktu lokal
o
m
Air mass
Moisture Ratio
M
Massa spesimen pada saat pengeringan
gr
Me
Massa kering specimen
gr
Mi
Massa awal specimen
gr
Laju Aliran Massa Udara
kg/s
̇
Nu
Bilangan nusselt
Re
Bilangan Reynold
ST
Solar Time (Jam Matahari)
STD
Waktu Lokal
Ti
Temperatur udara lingkungan
K
Tr
Temperatur udara sekitar
K
Universitas Sumatera Utara
Ts
Temperatur dinding
K
T∞
Temperatur udara lingkungan
K
̅
Temperatur Rata-Rata Keluar Dari Kolektor
K
t
Waktu pengeringan
menit
u
Kecepatan udara ruang pengering
m/s
Qc
Laju perpindahan panas konduksi
Watt
Qh
Laju perpindahan panas konveksi
Watt
Qin
Panas yang diterima kolektor
W/m2
Qu
Panas yang dimanfaatkan kolektor
W/m2
Sc
Bilangan schmidt
V
Kecepaatan rata-rata dari fluida
m/s
Kecepatan karakteristik yang merupakan
fungsi jarak searah panjang plat (sumbu-y)
m/s
Profil kecepatan dalam lapisan batas
Perbedaan temperatur awal dan akhir
o
Δt
Selang waktu perhitungan
s
θz
Sudut zenith
o
Sudut posisi lintang
o
Sudut deklinasi
o
Tebal lapisan batas
m
Sudut pergeseran semu matahari
o
ω
C
Universitas Sumatera Utara
Fraksi radiasi yang Dditeruskan untuk masuk
ke atmosphere bumi
Efisiensi
µ
%
Viskositas dinamik
Massa Jenis
kg/m3
Emisivitas panas permukaan
Kontanta Stefan Boltzomann (5,67 x 10-8)
W/m2 K4
Koefisien Udara
1/K
Universitas Sumatera Utara
SURYA DENGAN PRODUK YANG DIKERINGKAN ADALAH
CASSAVA DENGAN BENTUK PRODUK BUJUR SANGKAR
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
INDRA GUNAWAN PURBA
NIM. 080401047
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah
melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan
penyusunan Tugas Akhir ini yang berjudul :“θengujian θerformansi εesin Pengering
Tenaga Surya Dengan Produk Yang Dikeringkan Adalah Cassava Dengan Bentuk Produk
Bujur Sangkar”
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1
(S1) pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara
(USU).
Dalam penyusunan tugas akhir ini bukan semata karena kemampuan
penyusun, tapi juga karena adanya campur tangan berbagai pihak yang mau
meluangkan waktu, tenaga, dan pikiran dalam penyelesaian tugas akhir ini. Oleh
karena itu, dalam kesempatan ini penulis juga mengucapkan banyak terima kasih
kepada:
1. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku Dosen pembimbing, yang telah membantu
dalam bimbingan, saran, serta dukungan dalam penulisan laporan tugas
akhir ini.
2. Bapak Ir.M.Syahril Gultom,MT. selaku dosen pembanding I dan bapak
Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembanding II.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera.
5. Kedua orang tua penulis, Netapken Purba dan Rasmita br Ginting, abang
dan kakak penulis Sahat R. Gultom dan Nerawati br Purba, adik penulis
Roy Damenta Purba yang tidak pernah putus-putusnya memberikan
dukungan, do’a serta kasih sayangnya yang tidak terhingga kepada
penulis.
6. Bapak Ir.Tekad Sitepu selaku Dosen Wali penulis.
Universitas Sumatera Utara
7. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang
telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama
penulis kuliah.
8. Rekan-rekan satu tim skripsi yaitu Nehemia Sembiring dan Fadly Ryan
Arikundo yang telah bersama-sama berjuang untuk menyelesaikan skripsi
dan saling bertukar pikiran selama proses penyusunan skripsi.
9. Ibu S. Farah Dina dan Abang Haznam yang juga telah membantu penulis
selama proses penyusunan skripsi ini mulai dari awal sampai akhir.
10. Rekan-rekan khususnya May Martin S, Herto M. Marbun, Edison M.
Manurung, yang bersama-sama dengan penulis menuntaskan kerja praktek
dan semua teman-teman angkatan 2008 lainnya yang belum disebut
namanya yang telah membantu penulis menyelesaikan laporan serta
memberikan petunjuk kepada penulis semasa perkuliahan.
11. Kepada pihak-pihak lain yang turut membantu penulis yang tidak dapat
disebutkan satu per satu.
Dalam menyelesaikan tulisan ini penulis telah mencoba semaksimal mungkin
guna tersusunnya skripsi ini. Penulis sadar bahwa skripsi ini masih kurang sempurna.
Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima
saran dan kritik yang dapat membangun den mendukung penulis demi tercapainya isi
tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi
manfaat kepada pembaca. Terima kasih.
Medan, Mei 2013
INDRA GUNAWAN PURBA
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Mesin pengering tenaga surya merupakan suatu peralatan yang dapat
digunakan untuk mengeringkan produk hasil pertanian dan perkebunan, Contoh
salah satu produk hasil pertanian dan perkebunan yang dikeringkan menggunakan
mesin pengering adalah singkong. Tujuan pengujian ini adalah membangun model
matematik karakteristik pengeringan untuk singkong dan mendapatkan efisiensi
rata-rata kolektor surya selama proses pengujian. Pada kolektor surya plat datar,
radiasi matahari yang datang akan diteruskan oleh kaca sehingga dapat diserap
oleh plat absorber panas yang dihasilkan oleh absorber akan mengalir ke dalam
ruang pengering secara konveksi natural. Di dalam ruang pengering, panas yang
datang dari kolektor akan memanaskan ruang pengering. Kadar air yang terdapat
pada singkong diuapkan sehingga uap air dan panas bercampur menjadi satu dan
keluar dari ruang pengering melewati chimney. Pada pengujian yang telah
dilakukan didapat model metematik karakteristik pengeringan dari singkong yaitu
. Efisiensi rata-rata tertinggi untuk
kolektor surya selama proses pengujian pengeringan adalah 37,09%.
Kata kunci : singkong, pengeringan, kolektor surya, konveksi natural
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
Solar drying machine is a device that can be used for drying agricultural
products and plantation. One example of agricultural and plantation products are
dried using a dryer is cassava. The purpose of testing is to build mathematical
models for cassava drying characteristics and obtain an average efficiency of the
solar collectors during the testing process. On a flat plate solar collectors, solar
radiation coming will be forwarded by the glass so it can be absorbed by the
absorber plate heat generated by the absorber will flow into the natural
convection drying chamber. In the drying chamber, the heat coming from the
collector will heat the drying chamber. Water content contained in the cassava
was evaporated to steam and hot water mixed into one and out of the drying
chamber through the chimney. In the testing that has been done metematik models
obtained
from
cassava
drying
characteristics
ie
. The highest average efficiency for the
solar collectors during the drying test is 37.09%.
Keywords: cassava, drying, solar collectors, natural convection
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .......................................................................................i
ABSTRAK ........................................................................................................ iii
ABSTRACT ........................................................................................................iv
DAFTAR ISI ......................................................................................................v
DAFTAR TABEL .............................................................................................vii
DAFTAR GAMBAR .........................................................................................ix
DAFTAR GRAFIK ...........................................................................................xi
DAFTAR SIMBOL ...........................................................................................xiii
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ........................................................................................1
1.2 Batasan Masalah......................................................................................1
1.3 Tujuan Pengujian ....................................................................................2
1.4 Manfaat Pengujian ..................................................................................2
1.5 Sistematika Penulisan .............................................................................2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengeringan Hasil Pertanian dan Perkebunan.........................................4
2.2 Jenis - Jenis Pengeringan ........................................................................4
2.3 Faktor Yang Memepengaruhi Pengeringan ............................................6
2.4 Sekilas Tentang Singkong (Cassava) ....................................................8
2.5 Matahari (Surya) .....................................................................................10
2.5.1 Karakteristik Matahari ...................................................................10
2.5.2 Teori Dasar Radiasi Surya .............................................................12
2.5.3 Rumusan Radiasi Surya .................................................................14
2.6 Kolektor Surya ........................................................................................21
2.7 Perpindahan Panas ..................................................................................25
2.7.1 Perpindahan Panas Konduksi .........................................................25
Universitas Sumatera Utara
2.7.2 Perpindahan Panas Konveksi .........................................................26
2.7.3 Perpindahan Panas Radiasi.............................................................28
2.7.4 Perpindahan Massa .........................................................................29
BAB III METODOLOGI PENGUJIAN
3.1 Waktu dan Tempat Pengujian .................................................................31
3.2 Metode Pengujian Performansi ...............................................................31
3.3 Alat dan Bahan yang Digunakan .............................................................32
3.3.1 Alat .................................................................................................32
3.3.2 Bahan ..............................................................................................39
3.4 Experimental Set Up................................................................................43
3.5 Prosedur Pengujian ..................................................................................45
BAB IV DATA DAN ANALISIS DATA
4.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari ........................................................46
4.1.1 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 1 Maret 2013 ..........46
4.1.2 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 2 Maret 2013 ..........48
4.1.3 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 5 Maret 2013 ..........50
4.1.4 Analisa Intensitas Radiasi Matahari Tanggal 6 Maret 2013 ..........52
4.2 Laju Aliran Massa Udara Di Dalam Kolektor Surya ( ̇ ) Dan
Temperatur Rata-Rata Keluar Dari Kolektor ( ̅ out ) ..............................53
4.3 Hasil Pengukuran Temperatur Ruang Pengering dan Inti Cassava ........64
4.3.1 Hasil Pengukuran Temperatur Pengeringan Sampel 1 ...................64
Universitas Sumatera Utara
4.3.2 Hasil Pengukuran Temperatur Pengeringan Sampel 2 ...................67
4.4 Analisa Model Persamaan Pengeringan Cassava ...................................69
4.4.1 Analisa Moisture Ratio (MR) Pada Pengeringan Cassava ............69
4.4.2 Analisa Koefisien Diffusifitas Efektif (Deff) ..................................73
4.4.3 Analisa Slope (k) ............................................................................75
4.5 Analisa Koefisien Perpindahan Massa (hm) ............................................75
4.6 Efisiensi Kolektor Surya .........................................................................77
4.7 Energi Untuk Pengeringan ......................................................................83
4.7.1 Kalor Uap Untuk Singkong (Cassava) .........................................83
4.4.2 Kalor Yang Diterima Dari Kolektor .............................................86
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ..............................................................................................88
5.2 Saran .......................................................................................................88
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................90
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Daftar Komposisi Kimia Cassava (singkong)/100 gr bahan ................ 9
Tabel 2.2 Urutan Hari Berdasarkan Bulan ............................................................ 15
Tabel 2.3 Faktor Koreksi Iklim ............................................................................. 20
Tabel 3.1 Spesifikasi Pyranometer ....................................................................... 35
Tabel 3.2 Spesifikasi Wind Velocity Sensor .......................................................... 36
Tabel 3.3 Spesifikasi Measurement Apparatus ..................................................... 37
Tabel 3.4 Spesifikasi T and RH Smart Sensor ...................................................... 38
Tabel 3.5 Spesifikasi Load Cell ............................................................................ 39
Tabel 4.1 Data Radiasi Matahari Pengukuran pada tanggal 1 Maret 2013 ........... 46
Tabel 4.2 Perbandingan Data Hasil Pengujian Dengan BMKG Kota Medan ...... 47
Tabel 4.3 Data Radiasi Matahari Pengukuran pada tanggal 2 Maret 2013 ........... 48
Tabel 4.4 Perbandingan Data Hasil Pengujian Dengan BMKG Kota Medan ...... 49
Tabel 4.5 Data Radiasi Matahari Pengukuran pada tanggal 5 Maret 2013 ........... 50
Tabel 4.6 Perbandingan Data Hasil Pengujian Dengan BMKG Kota Medan ...... 51
Tabel 4.7 Data Radiasi Matahari Pengukuran pada tanggal 6 Maret 2013 ........... 52
Tabel 4.8 Perbandingan Data Hasil Pengujian Dengan BMKG Kota Medan ...... 52
Tabel 4.9 Laju aliran massa udara dan temperatur udara keluar kolektor
untuk sampel 1 pada 1 maret 2013 ...................................................... 59
Tabel 4.10 Laju aliran massa udara dan temperatur udara keluar kolektor
untuk sampel 1 pada 2 maret 2013 ...................................................... 60
Tabel 4.11 Laju aliran massa udara dan temperatur udara keluar kolektor
untuk sampel 2 pada 5 maret 2013 ...................................................... 62
Tabel 4.12 Laju aliran massa udara dan temperatur udara keluar kolektor
untuk sampel 2 pada 6 maret 2013 ...................................................... 63
Universitas Sumatera Utara
Tabel 4.13 Temperatur dan kelembaban ralatif (RH) pada 1 maret 2013 ............ 65
Tabel 4.14 Temperatur dan kelembaban ralatif (RH) pada 2 maret 2013 ............ 67
Tabel 4.15 Temperatur dan kelembaban ralatif (RH) pada 5 maret 2013 ............ 68
Tabel 4.16 Temperatur dan kelembaban ralatif (RH) pada 6 maret 2013 ............ 68
Tabel 4.17 Moisture ratio cassava sampel pertama.............................................. 70
Tabel 4.18 Moisture ratio cassava sampel kedua ................................................. 71
Tabel 4.19 Efisiensi mesin pengering untuk sampel 1 tanggal 1 maret 2013 ....... 79
Tabel 4.20 Efisiensi mesin pengering untuk sampel 1 tanggal 2 maret 2013 ....... 80
Tabel 4.21 Efisiensi mesin pengering untuk sampel 2 tanggal 5 maret 2013 ....... 81
Tabel 4.22 Efisiensi mesin pengering untuk sampel 2 tanggal 6 maret 2013 ....... 82
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 MesinPengering................................................................................. 10
Gambar 2.2 Matahari ............................................................................................ 11
Gambar 2.3 Radiasi surya ..................................................................................... 13
Gambar 2.4 Lapisan atmosfer bumi ...................................................................... 13
Gambar 2.5 Pergerakan bumi terhadap matahari .................................................. 14
Gambar 2.6 Hubungan matahari dan bumi ........................................................... 14
Gambar 2.7 Sudut sinar dan posisi sinar matahari ................................................ 17
Gambar 2.8 Komponen-komponen umum kolektor ............................................. 22
Gambar 2.9 Kolektor surya pelat datar ................................................................. 23
Gambar 2.10 Kolektor surya prismatic ................................................................. 24
Gambar 2.11 Kolektor surya konsentrator ............................................................ 24
Gambar 2.12 Evacuated tube collector ................................................................. 25
Gambar 2.13 Perpindahan panas konduksi ........................................................... 26
Gambar 2.14 Perpindahan panas konveksi ........................................................... 27
Gambar 2.15 Perpindahan panas konveksi pada plat datar ................................... 27
Gambar 2.16 Perpindahan panas radiasi ............................................................... 28
Gambar 3.1 Mesin pengering ................................................................................ 32
Gambar 3.2 Laptop................................................................................................ 33
Gambar 3.3 Agilient 34972 A ................................................................................ 33
Gambar 3.4 Spesifikasi Agilient 34972 A ............................................................... 34
Gambar 3.5 Hobo Microstation data logger ......................................................... 35
Gambar 3.6 Alat ukur Hobo Microstation data logger......................................... 38
Gambar 3.7 load cell ............................................................................................. 39
Gambar 3.8 Cassava ............................................................................................. 40
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.9 Triplek ............................................................................................... 40
Gambar 3.10 Rockwool ......................................................................................... 40
Gambar 3.11 Kaca................................................................................................. 41
Gambar 3.12 Styrofoam ........................................................................................ 41
Gambar 3.13 Pelat Seng ........................................................................................ 42
Gambar 3.14 Lem Kaca ........................................................................................ 42
Gambar 3.15 Cat ................................................................................................... 42
Gambar 3.16 Experimental set up ......................................................................... 43
Gambar 3.17 Diagram blok proses pengerjaan skripsi ......................................... 45
Gambar 4.1 Konveksi natural pada plat absorber ................................................. 54
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GRAFIK
Grafik 4.1 perbandingan data intensitas radiasi matahari hasil pengukuran pada
pengujian dengan data BMKG Kota Medan pada tanggal
1 Maret 2013 ........................................................................................ 51
Grafik 4.2 perbandingan data intensitas radiasi matahari hasil pengukuran pada
pengujian dengan data BMKG Kota Medan pada tanggal
2 Maret 2013 ........................................................................................ 53
Grafik 4.3 perbandingan data intensitas radiasi matahari hasil pengukuran pada
pengujian dengan data BMKG Kota Medan pada tanggal
5 Maret 2013 ........................................................................................ 54
Grafik 4.4 perbandingan data intensitas radiasi matahari hasil pengukuran pada
pengujian dengan data BMKG Kota Medan pada tanggal
6 Maret 2013 ........................................................................................ 56
Grafik 4.5 ̇ dan ̅ untuk pengujian sampel 1 pada tanggal 1 Maret 2013 ......... 62
Grafik 4.6 ̇ dan ̅ untuk pengujian sampel 1 pada tanggal 2 Maret 2013 ......... 64
Grafik 4.7 ̇ dan ̅ untuk pengujian sampel 2 pada tanggal 5 Maret 2013 ......... 66
Grafik 4.8 ̇ dan ̅ untuk pengujian sampel 2 pada tanggal 6 Maret 2013 ......... 67
Grafik 4.9 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 1 hari 1 .......... 68
Grafik 4.10 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 1 hari 2 ........ 69
Grafik 4.11 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 2 hari 1 ........ 70
Grafik 4.12 Temperatur ruang pengering dan inti ubi kayu sampel 2 hari 2 ........ 71
Grafik 4.13 moisture ratio ubi kayu sampel pertama ........................................... 74
Universitas Sumatera Utara
Grafik 4.14 moisture ratio ubi kayu sampel kedua ............................................... 75
Grafik 4.15 ln MR vs waktu sampel 1................................................................... 76
Grafik 4.16 ln MR vs waktu sampel 2................................................................... 77
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SIMBOL
SIMBOL
KETERANGAN
A
Luas Penampang
m2
A
Altitude ( ketinggian dari permukaan laut )
km
B
Konstanta Yang Bergantung Pada n
Panas Jenis
SATUAN
kJ/kg K
cos θz
Cosines sudut zenith
D
Lebar kolektor
m
Deff
Diffusifitas kelembaban efektif
m2/menit
dT
dx
Gradien temperatur dalam aliran panas
K/m
E
Faktor Persamaan Waktu
menit
g
Percepatan gravitasi (9.81)
m/s2
Radiasi Matahari Yang Jatuh Langsung
Ke Permukaan Bumi
W/m2
Radiasi Difusi
W/m2
Gon
Radiasi Yang Diterima Atmosfer Bumi
W/m2
Gsc
Daya radiasi rata-rata yang diterima
atmosfer bumi (1367)
W/m2
Radiasi Total
W/m2
GrL
Bilangan Grashof
h
Koefisien Perpindahan Panas Konveksi
W/m2 K
Universitas Sumatera Utara
hm
Koefisien perpindahan massa
m/s
I
Tanggal
I
Intensitas radiasi
W/m2
k
slope (drying constant)
1/menit
k
Konduktivitas Bahan Termal
W/m K
L
Panjang kolektor
m
L
Setengah dari ketebalan slab (ukuran ubi kayu)
m
Le
Bilangan Lewis
Lloc
Posisi Bujur
o
Lst
Standart Meridian untuk waktu lokal
o
m
Air mass
Moisture Ratio
M
Massa spesimen pada saat pengeringan
gr
Me
Massa kering specimen
gr
Mi
Massa awal specimen
gr
Laju Aliran Massa Udara
kg/s
̇
Nu
Bilangan nusselt
Re
Bilangan Reynold
ST
Solar Time (Jam Matahari)
STD
Waktu Lokal
Ti
Temperatur udara lingkungan
K
Tr
Temperatur udara sekitar
K
Universitas Sumatera Utara
Ts
Temperatur dinding
K
T∞
Temperatur udara lingkungan
K
̅
Temperatur Rata-Rata Keluar Dari Kolektor
K
t
Waktu pengeringan
menit
u
Kecepatan udara ruang pengering
m/s
Qc
Laju perpindahan panas konduksi
Watt
Qh
Laju perpindahan panas konveksi
Watt
Qin
Panas yang diterima kolektor
W/m2
Qu
Panas yang dimanfaatkan kolektor
W/m2
Sc
Bilangan schmidt
V
Kecepaatan rata-rata dari fluida
m/s
Kecepatan karakteristik yang merupakan
fungsi jarak searah panjang plat (sumbu-y)
m/s
Profil kecepatan dalam lapisan batas
Perbedaan temperatur awal dan akhir
o
Δt
Selang waktu perhitungan
s
θz
Sudut zenith
o
Sudut posisi lintang
o
Sudut deklinasi
o
Tebal lapisan batas
m
Sudut pergeseran semu matahari
o
ω
C
Universitas Sumatera Utara
Fraksi radiasi yang Dditeruskan untuk masuk
ke atmosphere bumi
Efisiensi
µ
%
Viskositas dinamik
Massa Jenis
kg/m3
Emisivitas panas permukaan
Kontanta Stefan Boltzomann (5,67 x 10-8)
W/m2 K4
Koefisien Udara
1/K
Universitas Sumatera Utara