Pengujian Alat Pengering Hibrida Pompa Kalor dan Surya Untuk Mengeringkan Biji Kakao
PENGUJIAN ALAT PENGERING HIBRIDA POMPA KALOR
DAN SURYA UNTUK MENGERINGKAN BIJI KAKAO
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
SABDA TUAH RAJA BANGUN
(100401106)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ungkapkan atas kehadirat Allah SWT karena dengan Rahmat
dan Hidayah-Nya penulis diberikan kesehatan, kesempatan dan kemampuan sehingga
dapat menyelesaikan skripsi dengan judul Pengujian Alat Pengering Hibrida Pompa
Kalor dan Surya Untuk Mengeringkan Biji Kakao
Dalam mengerjakan skripsi ini banyak kesulitan dan tantangan yang dihadapi
oleh penulis, tetapi berkat bimbingan, dorongan serta bantuan dari semua pihak baik
berupa moril maupun materi akhirnya
skripsi ini dapat diselesaikan. Pada
kesempatan ini dengan kerendahan hati hati penulis menyampaikan rasa hormat dan
ucapan terima kasih yang tak terhingga kepada:
1. Ketua Departemen Teknik Mesin, Bapak Dr.Eng Ikhwansyah Isranuri, yang
telah mengijinkan topik skripsi ini kepada penulis.
2. Sekretaris Departemen Teknik Mesin bapak Ir. Syahril Gultom M.T yang
telah menizinkan mengarahkan ke dosen pembimbing.
3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT selaku pembimbing yang telah
memberikan waktu dan pemikiran untuk memberikan masukan kepada
penulis.
4. Ibu Dr. Ir. Sari Farah Dina M.T yang telah menyumbangkan ide-ide dalam
pengerjaan skripsi ini dan juga materilnya.
5. Kedua orang tua tercinta penulis Ir.Sahudin Bangun dan ibu Amanita Br
Sinulingga, yang telah membesarkan dan mendidik penulis selama ini dengan
segala kasih sayang.
6. Abang dan adik saya Alm Tua Bastari Prima Bangun S.P, Kharisma P
Bangun, dan Intania C S Bangun.
7. Para dosen di program studi Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera
Utara yang telah memberikan saran maupun dorongan kepada penulis.
8. Ka.Lab Instalasi Uap bapak Ir.Jaya Arjuna dan Ka.Lab Foundry bapak
Suprianto ST.MT. yang telah mengizinkan menggunakan laboraturium
tersebut untuk pembuatan skripsi ini.
Universitas Sumatera Utara
9. Bapak Sarjana ST atas bantuan teknis dan nonteknisnya, dalam membantu
skripsi kami.
10. Seluruh rekan-rekan mahasiswa S1 dan satu team khususnya Budi Harry
Cipta dan Nico Hermanto serta rekan Ekstensi yang selalu menyediakan
waktu untuk saling mengingatkan dan memberikan kritik dan saran kepada
penulis.
11. Staf/karyawan program studi Departemen Teknik Mesin USU
12. Seluruh pihak yang telah membantu yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Dalam Penulisan skripsi ini penulis menyadari tentunya masih banyak terdapat
kekurangan dikarenakan keterbatasan dan kemampuan yang penulis miliki, untuk itu
penulis mengharapkan saran maupun sumbangan pemikiran dari semua pihak yang
sifatnya membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhirnya semoga
skripsi ini berguna dan bermanfaat bagi semua pihak. Terimakasih
Medan,
Juni 2015
Sabda Tuah Raja B
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Pengujian Alat Pengering Hibrida Pompa Kalor dan Surya untuk
Mengeringkan Biji Kakao dilatar belakangi dengan dibutuhkannya alat pengering biji
kakao yang bekerja pada temperatur dan kelembapan udara yang rendah dapat
digunakan tidak hanya pada siang hari tetapi juga pada saat malam hari dan saat
hujan, hal ini diperlukan karena selama ini pengeringan biji kakao dilakukan dengan
menjemur langsung dibawah sinar matahari dan dengan tambahan bantuan angin
(bergantung pada cuaca). Seiring dengan berkembangnya teknologi industri
pengering yang khususnya untuk tanaman pangan yang nilai ekonomisnya tinggi,
herbal dan obat-obatan membutuhkan pengeringan dengan temperature rendah dan
kelembapan rendah untuk menghindari kerusakan pada bahan dan juga
kandungannya, yang tidak bergantung pada cuaca, hemat energy dan ramah
lingkungan. Penelitian ini bertujuan melakukan pengujian
yang meliputi
penghitungan kinerja Pompa kalor (COP), perhitungan Total Performance,
perhitungan konsumsi energy (SEC), perhitungan laju ekstraksi (SMER) dan
mengetahui karakteristik pengeringan biji kakao. Adapun variabel dalam penelitian
ini adalah kecepatan udara yang mengalir dalam ruang pengering bervariasi dan biji
kakao yang diuji memiliki kadar air yang berbeda serta waktu yang dibutuhkan untuk
mengeringkan bahan. Dari hasil penelitian diperoleh: temperatur udara rata-rata ruang
pengering pada proses pengeringan biji kakao dengan sistem pompa kalor hibrida
untuk sample 1 39.85oC, sample 2 41.690C dan sample 3 44.030C dan kelembaban
udara rata-rata untuk sample 1 55.93%, sample 2 54,58% dan sample 3 50,31%, COP
dari pompa kalor adalah 4,4328 dan Total Performance (TP) sistem pompa kalor
adalah 11,06; SEC untuk masing-masing sample yang dikeringkan adalah: sample 1
5,8137 kWh/kg, sample 2 4.017 kWh/kg dan sample 3 3.467 kWh/kg. secara
bersamaan diperoleh nilai SMER sample 1 0.172 kg/kWh, sample 2 0.24892 kg/kWh
dan sample 3 0.28836 kg/kWh. Kadar air untuk sample 2 7,2 % dan sample 3 sebesar
6.13%.
Kata Kunci: Coefficient of Performance(COP),Total Performance (TP), Specific
Energi Consumption(SEC), Specific moisture extraction rate(SMER), Pengering,
Pompa Kalor, kadar air.
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
Testing of Equipment Dryer Heat Pumps and Solar Hybrid Drying Cocoa Beans for
background with cocoa beans needed dryers that work in temperatures and low
humidity can be used not only during daylight hours but also at night and when it
rains, it is needed because during this drying cocoa beans carried out by direct drying
under the sun and with the addition help of the wind (dependent on weather). In line
with the development of industrial technologies dryers are especially for food crops
of high economic value, herbs and medicines require drying with low temperature
and low humidity to avoid damage to material as well as its contents, which do not
depend on the weather, energy-efficient and eco friendly. This study aimed to test the
heat pump covers the Coefficient of Performance (COP), the calculation of the Total
Performance (TP), the calculation of Specific Energy Consumption (SEC), the
calculation of the Specific Moisture extraction rate (SMER) and determine the
characteristics of cocoa beans drying. The variables in this study is the velocity of air
flowing through the drying chamber is varied and cocoa beans tested had different
moisture content as well as the time required to dry the material. The result showed:
the average air temperature in the drying chamber drying process cocoa beans with a
hybrid heat pump system for 39.85 0C sample 1, sample 2 is 41.69 0C and sample 3
44.03 0C and air humidity average 55.93% for sample 1, sample 2 54.58% and
50.31% of sample 3, the COP of the heat pump is 4.4328 and Total Performance (TP)
heat pump system is 11.06; SEC for each sample is dried: sample 1 5.8137 kWh / kg,
sample 2 4,017 kWh / kg and sample 3 3,467 kWh / kg. simultaneously obtained
sample value Smer 1 0172 kg / kWh, sample 2 0.24892 kg / kWh and sample 3
0.28836 kg / kWh. The water content of 7.2% for sample 2 and sample 3 at 6.13%.
Keywords: Coefficient of Performance (COP), Total Performance (TP), Specific
Energy Consumption (SEC), Specific Moisture Extraction Rate (SMER), dryer, heat
pump, moisture content.
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ......................................................................................... i
ABSTRAK ........................................................................................................... iii
ABSTRACT ......................................................................................................... iv
DAFTAR ISI ........................................................................................................ v
DAFTAR TABEL ............................................................................................... vii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... viii
DAFTAR GRAFIK ............................................................................................. ix
DAFTAR SIMBOL ............................................................................................. xi
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang
1
1.2 Tujuan Penelitian ...................................................................................... 3
1.3 Perumusan Masalah
3
1.4 Batasan Masalah
4
1.5 Manfaat Penelitian ……………………………………………………
4
1.6 Sistematika Penulisan
4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA......................................................................... 5
2.1 Pengenalan
5
2.2 Heat Pump
7
2.2.1 Dasar dari pompa kalor…………………………………………
7
2.2.2 Refrigerant………………………………………………………
8
2.2.3 Aplikasi Pompa Kalor…………………………………………..
9
2.3 Pengering Pompa Kalor
9
2.3.1 Klasifikasi Pompa Kalor………………………………………..
10
2.3.2 Ulasan mengenai Pompa Kalor-pengering tambahan (Heat
Pump-Assisted Dryer…………………………………………
11
2.3.2.1 Sistem pengering Pompa Kalor dengan media Udara..
11
Universitas Sumatera Utara
2.3.3. Sistem Pompa Kalor Dengan Cairan Kimia…………………… 15
2.3.4 Pengering Pompa Kalor bersumber dari Bumi (Geothermal)……. 17
2.3.5
Klasifikasi Sistematis Pompa Kalor kombinasi Kolektor Surya
(SAHP)………………………………………………………..
19
2.3.6 Klasifikasi Sistematis Pompa Kalor kombinasi Kolektor Surya
(SAHP)………………………………………………………
21
2.3.6.1 Energi Surya membantu Sistem Pengering Pompa
Kalor……………………………………………….
23
2.3.6.2 Sistem Pengering Pompa Kalor Hybrid terintegrasi Surya
(SAHPD)……………………………………………….. 30
2.3.6.3 Sistem Pompa Kalor Kimia Terintegrasi Pengeringan
Surya…………………………………………………..
34
2.4 Tren dimasa depan dalam penelitian dan pengembangan SAHPD
40
2.5 Kesimpulan
42
2.6 Review jurnal-jurnal yang berkaitan dengan Pengering Pompa Kalor
43
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ......................................................... 52
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
52
3.2 Metode Pengujian
52
3.2.1 Pemilihan Heat Pump atau Pompa Kalor
52
3.2.2 Perancangan Solar Collector atau Kolektor Surya
53
3.3 Alat dan Bahan
53
3.3.1 Peralatan Pengujian
53
1. Heat Pump …………………………………………… …...53
2. Solar Collector ……………………………………………. 54
3. Ruang Pengering………………………………………….. 55
4. Kontrol Panel……………………………………………… 56
5. Load Cell………………………………………………….
56
6. Rh (Relative Humidity) Meter…………………………….
58
7. Anemometer………………………………………………
59
Universitas Sumatera Utara
8. Pressure Gauge…………………………………………… 61
9. Agilient 34972A…………………………………………...
62
10. Clamp Meter Digital………………………………………
63
3.3.2 Bahan
64
3.4 Data Penelitian
65
3.5 Diagram Alir Penelitian
66
3.6 Set-Up Eksperimental…………………………………………………
68
BAB IV Hasil Dan Pembahasan ........................................................................ 70
4.1 Hasil Penelitian
70
4.1.1 Data hasil Pengeringan
70
1. Kecepatan Udara…………………………………………...
70
2. Temperatur dan kelembapan udara……………………… ….. 71
3. Tekanan Refrigerant………………………………………..
71
4.1.2 Menghitung Coefficient of performance (COP) pompa kalor…
72
4.1.3 Kolektor Surya………………………………………………….
75
4.1.4 Menghitung SMER dan SEC………………………………….
82
1.Sample Kakao 1………………………………………….
83
2. Sample Kakao 2…………………………………………..
90
3. Sample Kakao 3…………………………………………..
95
Universitas Sumatera Utara
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 99
5.1 Kesimpulan
99
5.2 Saran
99
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1
Diagram siklus dasar pompa kalor dengan media udara ...................... 8
Gambar 2.2
Skema diagram pompa kalor ............................................................. 10
Gambar 2.3
Klasifikasi Pompa Kalor..................................................................... 11
Gambar 2.4
Type standart dari Pompa kalor kimia................................................ 16
Gambar 2.5
Skema Diagram SAHP ....................................................................... 21
Gambar 2.6
Pengering Surya untuk kacang dilengkapi dengan pompa kalor
absorpsi dan penyimpanan panas ....................................................... 25
Gambar 2.7
Sistem Kompleks pengering pompa kalor dikombinasikan dengan
surya ................................................................................................... 26
Gambar 2.8
Skema diagram
pengering pompa kalor dibantu surya
dan
pemanas air ......................................................................................... 29
Gambar 2.9
Skematik diagram Pompa kalor dibantu pengeringan Surya
menggunakan kolektor surya multifungsi ......................................... 29
Gambar 2.10 Kapasitas pengeringan pompa kalor: mengurangi kelmbapan
udara dari 80% menjadi 45%, dan meningkatkan suhu udara dari
30
sampai
400C
di
20
menit………………………………………………………………. 31
Gambar 2.11 Variasi suhu udara di ruang pengering dengan menggunakan
kolektor surya multifungsi di radiasi matahari dari 440 W / m2 ....... .32
Gambar 2.12 Suhu dan kelembaban relatif udara dalam pengeringan ketika
kolektor surya bertindak sebagai pendingin. ...................................... 33
Gambar 2.13 Para kolektor panas matahari multifungsi sebagai pendingin. ........... 33
Gambar 2.14 Kolektor panas matahari multifungsi bertindak sebagai evaporator .. 34
Gambar 2.15 Diagram skematik surya hibrida pengering pompa kalor kimia ........ 36
Gambar 2.16 Radiasi per jam rata-rata di Malaysia pada bulan Desember ............. 37
Gambar 2.17 Suhu lingkungan rata di Malaysia pada bulan Desember .................. 38
Gambar 2.18 Sistem fraksi surya ............................................................................. 39
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.19 COP of SACHPD ............................................................................... 39
Gambar 2.20 System power output .......................................................................... 40
Gambar 3.1
Pompa Kalor ....................................................................................... 54
Gambar 3.2
Solar Collector .................................................................................... 55
Gambar 3.3
Ruang pengering ................................................................................. 55
Gambar 3.4
Kontrol Panel ...................................................................................... 56
Gambar 3.5
Aluminium S Type Load Cell ............................................................ 57
Gambar 3.6
Rh Meter ............................................................................................. 58
Gambar 3.7
Hot Wire Anemometer ....................................................................... 59
Gambar 3.8
Pressure gauge .................................................................................... 61
Gambar 3.9
Agilient 34972 A ................................................................................ 62
Gambar 3.10 Clamp Meter Digital ........................................................................... 63
Gambar 3.11 Biji Kakao basah................................................................................. 64
Gambar 3.12 Diagram alir proses pelaksanaan penelitian ....................................... 66
Gambar 3.13 Set Up Eksperimental……………………………………………. . 69
Gambar 3.14 Foto Aplikasi Lapangan……………………………………………. 69
Gambar 4.1
Grafik waktu vs intesitas radiasi tanggal 10 Mei 2015…………….. 76
Gambar 4.2
Grafik waktu vs temperature kolektor 1 tanggal 10 Mei 2015……...76
Gambar 4.3
Grafik waktu vs temperature kolektor 2 tanggal 10 Mei 2015……...77
Gambar 4.4
Gambar 4.5
Gambar 4.6
Gambar 4.7
Gambar 4.8
Gambar 4.9
Gambar 4.10
Gambar 4.11
Gambar 4.12
Gambar 4.13
Gambar 4.14
Gambar 4.15
Gambar 4.16
Gambar 4.17
Gambar 4.18
Grafik waktu vs intensitas radiasi tanggal 13 Mei 2015
……….78
Grafik waktu vs temperature kolektor 1 tanggal 13 Mei 2015……...78
Grafik waktu vs temperature kolektor 2 pada tanggal 13 Mei 2015.. 80
Grafik waktu vs intesitas radiasi tanggal 15 Mei 2015…………….. 80
Grafik waktu vs temperature kolektor 1 tanggal 15 Mei 2015……... 81
Grafik waktu vs temperatur kolektor 2 tanggal 15 Mei 2015……….82
Sample Kakao 1…………………………………………………….. 84
Penurunan berat biji kakao sampel 1 hari pertama…………………. 84
Grafik Rh, T ruang pengering Hari pertama……………………….. 85
Penurunan berat biji kakao sampel 1 hari kedua…………………….85
Grafik Rh, T ruang pengering hari kedua
……………………… 86
Penurunan berat biji kakao sample 1 hari ketiga…………………….86
Grafik Rh, T ruang pengering hari ketiga…………………………... 87
Sample Biji Kakao 2…………………………………………………90
Penurunan berat biji kakao sample 2 hari pertama…………………..91
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.19
Gambar 4.20
Gambar 4.21
Gambar 4.22
Gambar 4.23
Gambar 4.24
Gambar 4.25
Gambar 4.26
Grafik Rh, T ruang pengering hari pertama…………………………91
Penurunan biji kakao sample 2 hari kedua…………………………. 92
Grafik Rh,T Ruang pengering hari kedua……………………………92
Biji kakao sample 3…………………………………………………. 95
Grafik penurunan berat biji kakao sample 3 hari pertama ………. 96
Grafik Rh,T ruang pengering hari pertama………………………….96
Grafik penurunan berat biji kakao sample 3 hari kedua……………..97
Grafik Rh,T Ruang pengering hari kedua……………………………97
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Refrigeran .................................................................................................. 9
Tabel 2.2 Agricultural and marine product ............................................................ 13
Tabel 4.1 Kecepatan dan temperatur udara menuju ruang pengering ..................... 71
Tabel 4.2 Data temperatur dan kelembaban………………………………………72
Tabel 4.3
Data termodinamik refrigeran R22……………………………………..
75
Tabel 4.4 Laju pengeringan, SMER dan SEC biji kakao Hybrida dan pompa
kalor 90
Tabel 4.5 Laju pengeringan, SMER dan SEC biji kakao 2……………………… 95
Tabel 4.6 Laju pengeringan, SMER dan SEC biji kakao 3……………………… 97
Tabel 4.7 Temperatur dan kelembaban rata-rata udara, pengeringan
Biji kakao sample
3………………………………………………………………………. 98
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
Lambang
Pgauge
Pabsolut
̇
̇
̇
̇
A
P
L
v
̇
TP
Keterangan
Tekanan pressure gauge
Tekanan 1 atm
Energi untuk kompressor
Energi untuk fan dan blower
Coefficient of performance Heat Pump
Kalor kondensor
LajuAliran Massa Udara
Berat Jenis Udara
Luas Penampang Saluran Udara
Panjang Penampang
Lebar Penampang
Kecepatan Udara
Panas jenis spesifik udara
Suhu Udara Keluar Kondensor
Suhu Udara Masuk Kondensor
LajuAliranRefrigeran
Entalpi Dalam Kondisi Vapor
Entalpi Dalam Kondisi Vapor
Entalpi Dalam Kondisi Liquid
Entalpi Dalam Kondisi Liquid
Kalor Evaporator
Total Performance
Satuan
kPa
kPa
watt
watt
kW
kg/s
kg/m3
m2
m
m
m/s
K
K
kg/s
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
kW
Universitas Sumatera Utara
DAN SURYA UNTUK MENGERINGKAN BIJI KAKAO
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
SABDA TUAH RAJA BANGUN
(100401106)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ungkapkan atas kehadirat Allah SWT karena dengan Rahmat
dan Hidayah-Nya penulis diberikan kesehatan, kesempatan dan kemampuan sehingga
dapat menyelesaikan skripsi dengan judul Pengujian Alat Pengering Hibrida Pompa
Kalor dan Surya Untuk Mengeringkan Biji Kakao
Dalam mengerjakan skripsi ini banyak kesulitan dan tantangan yang dihadapi
oleh penulis, tetapi berkat bimbingan, dorongan serta bantuan dari semua pihak baik
berupa moril maupun materi akhirnya
skripsi ini dapat diselesaikan. Pada
kesempatan ini dengan kerendahan hati hati penulis menyampaikan rasa hormat dan
ucapan terima kasih yang tak terhingga kepada:
1. Ketua Departemen Teknik Mesin, Bapak Dr.Eng Ikhwansyah Isranuri, yang
telah mengijinkan topik skripsi ini kepada penulis.
2. Sekretaris Departemen Teknik Mesin bapak Ir. Syahril Gultom M.T yang
telah menizinkan mengarahkan ke dosen pembimbing.
3. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT selaku pembimbing yang telah
memberikan waktu dan pemikiran untuk memberikan masukan kepada
penulis.
4. Ibu Dr. Ir. Sari Farah Dina M.T yang telah menyumbangkan ide-ide dalam
pengerjaan skripsi ini dan juga materilnya.
5. Kedua orang tua tercinta penulis Ir.Sahudin Bangun dan ibu Amanita Br
Sinulingga, yang telah membesarkan dan mendidik penulis selama ini dengan
segala kasih sayang.
6. Abang dan adik saya Alm Tua Bastari Prima Bangun S.P, Kharisma P
Bangun, dan Intania C S Bangun.
7. Para dosen di program studi Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera
Utara yang telah memberikan saran maupun dorongan kepada penulis.
8. Ka.Lab Instalasi Uap bapak Ir.Jaya Arjuna dan Ka.Lab Foundry bapak
Suprianto ST.MT. yang telah mengizinkan menggunakan laboraturium
tersebut untuk pembuatan skripsi ini.
Universitas Sumatera Utara
9. Bapak Sarjana ST atas bantuan teknis dan nonteknisnya, dalam membantu
skripsi kami.
10. Seluruh rekan-rekan mahasiswa S1 dan satu team khususnya Budi Harry
Cipta dan Nico Hermanto serta rekan Ekstensi yang selalu menyediakan
waktu untuk saling mengingatkan dan memberikan kritik dan saran kepada
penulis.
11. Staf/karyawan program studi Departemen Teknik Mesin USU
12. Seluruh pihak yang telah membantu yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Dalam Penulisan skripsi ini penulis menyadari tentunya masih banyak terdapat
kekurangan dikarenakan keterbatasan dan kemampuan yang penulis miliki, untuk itu
penulis mengharapkan saran maupun sumbangan pemikiran dari semua pihak yang
sifatnya membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhirnya semoga
skripsi ini berguna dan bermanfaat bagi semua pihak. Terimakasih
Medan,
Juni 2015
Sabda Tuah Raja B
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Pengujian Alat Pengering Hibrida Pompa Kalor dan Surya untuk
Mengeringkan Biji Kakao dilatar belakangi dengan dibutuhkannya alat pengering biji
kakao yang bekerja pada temperatur dan kelembapan udara yang rendah dapat
digunakan tidak hanya pada siang hari tetapi juga pada saat malam hari dan saat
hujan, hal ini diperlukan karena selama ini pengeringan biji kakao dilakukan dengan
menjemur langsung dibawah sinar matahari dan dengan tambahan bantuan angin
(bergantung pada cuaca). Seiring dengan berkembangnya teknologi industri
pengering yang khususnya untuk tanaman pangan yang nilai ekonomisnya tinggi,
herbal dan obat-obatan membutuhkan pengeringan dengan temperature rendah dan
kelembapan rendah untuk menghindari kerusakan pada bahan dan juga
kandungannya, yang tidak bergantung pada cuaca, hemat energy dan ramah
lingkungan. Penelitian ini bertujuan melakukan pengujian
yang meliputi
penghitungan kinerja Pompa kalor (COP), perhitungan Total Performance,
perhitungan konsumsi energy (SEC), perhitungan laju ekstraksi (SMER) dan
mengetahui karakteristik pengeringan biji kakao. Adapun variabel dalam penelitian
ini adalah kecepatan udara yang mengalir dalam ruang pengering bervariasi dan biji
kakao yang diuji memiliki kadar air yang berbeda serta waktu yang dibutuhkan untuk
mengeringkan bahan. Dari hasil penelitian diperoleh: temperatur udara rata-rata ruang
pengering pada proses pengeringan biji kakao dengan sistem pompa kalor hibrida
untuk sample 1 39.85oC, sample 2 41.690C dan sample 3 44.030C dan kelembaban
udara rata-rata untuk sample 1 55.93%, sample 2 54,58% dan sample 3 50,31%, COP
dari pompa kalor adalah 4,4328 dan Total Performance (TP) sistem pompa kalor
adalah 11,06; SEC untuk masing-masing sample yang dikeringkan adalah: sample 1
5,8137 kWh/kg, sample 2 4.017 kWh/kg dan sample 3 3.467 kWh/kg. secara
bersamaan diperoleh nilai SMER sample 1 0.172 kg/kWh, sample 2 0.24892 kg/kWh
dan sample 3 0.28836 kg/kWh. Kadar air untuk sample 2 7,2 % dan sample 3 sebesar
6.13%.
Kata Kunci: Coefficient of Performance(COP),Total Performance (TP), Specific
Energi Consumption(SEC), Specific moisture extraction rate(SMER), Pengering,
Pompa Kalor, kadar air.
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
Testing of Equipment Dryer Heat Pumps and Solar Hybrid Drying Cocoa Beans for
background with cocoa beans needed dryers that work in temperatures and low
humidity can be used not only during daylight hours but also at night and when it
rains, it is needed because during this drying cocoa beans carried out by direct drying
under the sun and with the addition help of the wind (dependent on weather). In line
with the development of industrial technologies dryers are especially for food crops
of high economic value, herbs and medicines require drying with low temperature
and low humidity to avoid damage to material as well as its contents, which do not
depend on the weather, energy-efficient and eco friendly. This study aimed to test the
heat pump covers the Coefficient of Performance (COP), the calculation of the Total
Performance (TP), the calculation of Specific Energy Consumption (SEC), the
calculation of the Specific Moisture extraction rate (SMER) and determine the
characteristics of cocoa beans drying. The variables in this study is the velocity of air
flowing through the drying chamber is varied and cocoa beans tested had different
moisture content as well as the time required to dry the material. The result showed:
the average air temperature in the drying chamber drying process cocoa beans with a
hybrid heat pump system for 39.85 0C sample 1, sample 2 is 41.69 0C and sample 3
44.03 0C and air humidity average 55.93% for sample 1, sample 2 54.58% and
50.31% of sample 3, the COP of the heat pump is 4.4328 and Total Performance (TP)
heat pump system is 11.06; SEC for each sample is dried: sample 1 5.8137 kWh / kg,
sample 2 4,017 kWh / kg and sample 3 3,467 kWh / kg. simultaneously obtained
sample value Smer 1 0172 kg / kWh, sample 2 0.24892 kg / kWh and sample 3
0.28836 kg / kWh. The water content of 7.2% for sample 2 and sample 3 at 6.13%.
Keywords: Coefficient of Performance (COP), Total Performance (TP), Specific
Energy Consumption (SEC), Specific Moisture Extraction Rate (SMER), dryer, heat
pump, moisture content.
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ......................................................................................... i
ABSTRAK ........................................................................................................... iii
ABSTRACT ......................................................................................................... iv
DAFTAR ISI ........................................................................................................ v
DAFTAR TABEL ............................................................................................... vii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... viii
DAFTAR GRAFIK ............................................................................................. ix
DAFTAR SIMBOL ............................................................................................. xi
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang
1
1.2 Tujuan Penelitian ...................................................................................... 3
1.3 Perumusan Masalah
3
1.4 Batasan Masalah
4
1.5 Manfaat Penelitian ……………………………………………………
4
1.6 Sistematika Penulisan
4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA......................................................................... 5
2.1 Pengenalan
5
2.2 Heat Pump
7
2.2.1 Dasar dari pompa kalor…………………………………………
7
2.2.2 Refrigerant………………………………………………………
8
2.2.3 Aplikasi Pompa Kalor…………………………………………..
9
2.3 Pengering Pompa Kalor
9
2.3.1 Klasifikasi Pompa Kalor………………………………………..
10
2.3.2 Ulasan mengenai Pompa Kalor-pengering tambahan (Heat
Pump-Assisted Dryer…………………………………………
11
2.3.2.1 Sistem pengering Pompa Kalor dengan media Udara..
11
Universitas Sumatera Utara
2.3.3. Sistem Pompa Kalor Dengan Cairan Kimia…………………… 15
2.3.4 Pengering Pompa Kalor bersumber dari Bumi (Geothermal)……. 17
2.3.5
Klasifikasi Sistematis Pompa Kalor kombinasi Kolektor Surya
(SAHP)………………………………………………………..
19
2.3.6 Klasifikasi Sistematis Pompa Kalor kombinasi Kolektor Surya
(SAHP)………………………………………………………
21
2.3.6.1 Energi Surya membantu Sistem Pengering Pompa
Kalor……………………………………………….
23
2.3.6.2 Sistem Pengering Pompa Kalor Hybrid terintegrasi Surya
(SAHPD)……………………………………………….. 30
2.3.6.3 Sistem Pompa Kalor Kimia Terintegrasi Pengeringan
Surya…………………………………………………..
34
2.4 Tren dimasa depan dalam penelitian dan pengembangan SAHPD
40
2.5 Kesimpulan
42
2.6 Review jurnal-jurnal yang berkaitan dengan Pengering Pompa Kalor
43
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ......................................................... 52
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
52
3.2 Metode Pengujian
52
3.2.1 Pemilihan Heat Pump atau Pompa Kalor
52
3.2.2 Perancangan Solar Collector atau Kolektor Surya
53
3.3 Alat dan Bahan
53
3.3.1 Peralatan Pengujian
53
1. Heat Pump …………………………………………… …...53
2. Solar Collector ……………………………………………. 54
3. Ruang Pengering………………………………………….. 55
4. Kontrol Panel……………………………………………… 56
5. Load Cell………………………………………………….
56
6. Rh (Relative Humidity) Meter…………………………….
58
7. Anemometer………………………………………………
59
Universitas Sumatera Utara
8. Pressure Gauge…………………………………………… 61
9. Agilient 34972A…………………………………………...
62
10. Clamp Meter Digital………………………………………
63
3.3.2 Bahan
64
3.4 Data Penelitian
65
3.5 Diagram Alir Penelitian
66
3.6 Set-Up Eksperimental…………………………………………………
68
BAB IV Hasil Dan Pembahasan ........................................................................ 70
4.1 Hasil Penelitian
70
4.1.1 Data hasil Pengeringan
70
1. Kecepatan Udara…………………………………………...
70
2. Temperatur dan kelembapan udara……………………… ….. 71
3. Tekanan Refrigerant………………………………………..
71
4.1.2 Menghitung Coefficient of performance (COP) pompa kalor…
72
4.1.3 Kolektor Surya………………………………………………….
75
4.1.4 Menghitung SMER dan SEC………………………………….
82
1.Sample Kakao 1………………………………………….
83
2. Sample Kakao 2…………………………………………..
90
3. Sample Kakao 3…………………………………………..
95
Universitas Sumatera Utara
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 99
5.1 Kesimpulan
99
5.2 Saran
99
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1
Diagram siklus dasar pompa kalor dengan media udara ...................... 8
Gambar 2.2
Skema diagram pompa kalor ............................................................. 10
Gambar 2.3
Klasifikasi Pompa Kalor..................................................................... 11
Gambar 2.4
Type standart dari Pompa kalor kimia................................................ 16
Gambar 2.5
Skema Diagram SAHP ....................................................................... 21
Gambar 2.6
Pengering Surya untuk kacang dilengkapi dengan pompa kalor
absorpsi dan penyimpanan panas ....................................................... 25
Gambar 2.7
Sistem Kompleks pengering pompa kalor dikombinasikan dengan
surya ................................................................................................... 26
Gambar 2.8
Skema diagram
pengering pompa kalor dibantu surya
dan
pemanas air ......................................................................................... 29
Gambar 2.9
Skematik diagram Pompa kalor dibantu pengeringan Surya
menggunakan kolektor surya multifungsi ......................................... 29
Gambar 2.10 Kapasitas pengeringan pompa kalor: mengurangi kelmbapan
udara dari 80% menjadi 45%, dan meningkatkan suhu udara dari
30
sampai
400C
di
20
menit………………………………………………………………. 31
Gambar 2.11 Variasi suhu udara di ruang pengering dengan menggunakan
kolektor surya multifungsi di radiasi matahari dari 440 W / m2 ....... .32
Gambar 2.12 Suhu dan kelembaban relatif udara dalam pengeringan ketika
kolektor surya bertindak sebagai pendingin. ...................................... 33
Gambar 2.13 Para kolektor panas matahari multifungsi sebagai pendingin. ........... 33
Gambar 2.14 Kolektor panas matahari multifungsi bertindak sebagai evaporator .. 34
Gambar 2.15 Diagram skematik surya hibrida pengering pompa kalor kimia ........ 36
Gambar 2.16 Radiasi per jam rata-rata di Malaysia pada bulan Desember ............. 37
Gambar 2.17 Suhu lingkungan rata di Malaysia pada bulan Desember .................. 38
Gambar 2.18 Sistem fraksi surya ............................................................................. 39
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.19 COP of SACHPD ............................................................................... 39
Gambar 2.20 System power output .......................................................................... 40
Gambar 3.1
Pompa Kalor ....................................................................................... 54
Gambar 3.2
Solar Collector .................................................................................... 55
Gambar 3.3
Ruang pengering ................................................................................. 55
Gambar 3.4
Kontrol Panel ...................................................................................... 56
Gambar 3.5
Aluminium S Type Load Cell ............................................................ 57
Gambar 3.6
Rh Meter ............................................................................................. 58
Gambar 3.7
Hot Wire Anemometer ....................................................................... 59
Gambar 3.8
Pressure gauge .................................................................................... 61
Gambar 3.9
Agilient 34972 A ................................................................................ 62
Gambar 3.10 Clamp Meter Digital ........................................................................... 63
Gambar 3.11 Biji Kakao basah................................................................................. 64
Gambar 3.12 Diagram alir proses pelaksanaan penelitian ....................................... 66
Gambar 3.13 Set Up Eksperimental……………………………………………. . 69
Gambar 3.14 Foto Aplikasi Lapangan……………………………………………. 69
Gambar 4.1
Grafik waktu vs intesitas radiasi tanggal 10 Mei 2015…………….. 76
Gambar 4.2
Grafik waktu vs temperature kolektor 1 tanggal 10 Mei 2015……...76
Gambar 4.3
Grafik waktu vs temperature kolektor 2 tanggal 10 Mei 2015……...77
Gambar 4.4
Gambar 4.5
Gambar 4.6
Gambar 4.7
Gambar 4.8
Gambar 4.9
Gambar 4.10
Gambar 4.11
Gambar 4.12
Gambar 4.13
Gambar 4.14
Gambar 4.15
Gambar 4.16
Gambar 4.17
Gambar 4.18
Grafik waktu vs intensitas radiasi tanggal 13 Mei 2015
……….78
Grafik waktu vs temperature kolektor 1 tanggal 13 Mei 2015……...78
Grafik waktu vs temperature kolektor 2 pada tanggal 13 Mei 2015.. 80
Grafik waktu vs intesitas radiasi tanggal 15 Mei 2015…………….. 80
Grafik waktu vs temperature kolektor 1 tanggal 15 Mei 2015……... 81
Grafik waktu vs temperatur kolektor 2 tanggal 15 Mei 2015……….82
Sample Kakao 1…………………………………………………….. 84
Penurunan berat biji kakao sampel 1 hari pertama…………………. 84
Grafik Rh, T ruang pengering Hari pertama……………………….. 85
Penurunan berat biji kakao sampel 1 hari kedua…………………….85
Grafik Rh, T ruang pengering hari kedua
……………………… 86
Penurunan berat biji kakao sample 1 hari ketiga…………………….86
Grafik Rh, T ruang pengering hari ketiga…………………………... 87
Sample Biji Kakao 2…………………………………………………90
Penurunan berat biji kakao sample 2 hari pertama…………………..91
Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.19
Gambar 4.20
Gambar 4.21
Gambar 4.22
Gambar 4.23
Gambar 4.24
Gambar 4.25
Gambar 4.26
Grafik Rh, T ruang pengering hari pertama…………………………91
Penurunan biji kakao sample 2 hari kedua…………………………. 92
Grafik Rh,T Ruang pengering hari kedua……………………………92
Biji kakao sample 3…………………………………………………. 95
Grafik penurunan berat biji kakao sample 3 hari pertama ………. 96
Grafik Rh,T ruang pengering hari pertama………………………….96
Grafik penurunan berat biji kakao sample 3 hari kedua……………..97
Grafik Rh,T Ruang pengering hari kedua……………………………97
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Refrigeran .................................................................................................. 9
Tabel 2.2 Agricultural and marine product ............................................................ 13
Tabel 4.1 Kecepatan dan temperatur udara menuju ruang pengering ..................... 71
Tabel 4.2 Data temperatur dan kelembaban………………………………………72
Tabel 4.3
Data termodinamik refrigeran R22……………………………………..
75
Tabel 4.4 Laju pengeringan, SMER dan SEC biji kakao Hybrida dan pompa
kalor 90
Tabel 4.5 Laju pengeringan, SMER dan SEC biji kakao 2……………………… 95
Tabel 4.6 Laju pengeringan, SMER dan SEC biji kakao 3……………………… 97
Tabel 4.7 Temperatur dan kelembaban rata-rata udara, pengeringan
Biji kakao sample
3………………………………………………………………………. 98
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
Lambang
Pgauge
Pabsolut
̇
̇
̇
̇
A
P
L
v
̇
TP
Keterangan
Tekanan pressure gauge
Tekanan 1 atm
Energi untuk kompressor
Energi untuk fan dan blower
Coefficient of performance Heat Pump
Kalor kondensor
LajuAliran Massa Udara
Berat Jenis Udara
Luas Penampang Saluran Udara
Panjang Penampang
Lebar Penampang
Kecepatan Udara
Panas jenis spesifik udara
Suhu Udara Keluar Kondensor
Suhu Udara Masuk Kondensor
LajuAliranRefrigeran
Entalpi Dalam Kondisi Vapor
Entalpi Dalam Kondisi Vapor
Entalpi Dalam Kondisi Liquid
Entalpi Dalam Kondisi Liquid
Kalor Evaporator
Total Performance
Satuan
kPa
kPa
watt
watt
kW
kg/s
kg/m3
m2
m
m
m/s
K
K
kg/s
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
kJ/kg
kW
Universitas Sumatera Utara