BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Dasar Pengeringan Dari

BAB II
KAJIAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Dasar Pengeringan
Dari sejak dahulu pengeringan sudah dikenal sebagai salah satu metode
untuk membuat agar bahan makanan menjadi awet. Prinsip dasar dari pengeringan
adalah
suatu proses pemindahan panas dan uap air secara simultan yang
memerlukan energi untuk menguapkan kandungan air yang dipindahkan dari
permukaan bahan yang dikeringkan oleh media pengering yang biasanya berupa
panas (Taib G, dkk, 1987). Tujuan dasar pengeringan adalah untuk mengurangi kadar
air bahan secara termal sampai ke tingkat tertentu sehingga kerusakan akibat mikroba
dan reaksi kimia dapat diminimalisasi untuk dapat tetap menjaga kualitas produk
kering dari bahan tersebut. Proses pengeringan merupakan suatu proses akhir dari
suatu deretan operasi proses, dan setelah pengeringan bahan siap untuk disimpan
atau dijual. Menurut cara kontak media pengering dan bahan yang dikeringkan,
dibedakan atas dua yakni pengeringan langsung (direct drying) dan pengeringan
tidak langsung (indirect drying). Kedua hal tersebut diuraikan dengan rincian
sebagai berikut :
1.Pengeringan langsung (direct drying)
Pada pengeringan langsung ini bahan yang dikeringkan kontak langsung dengan
udara yang dipanaskan.
2. Pengeringan tidak langsung (indirect drying)
Pada pengeringan tidak langsung, udara panas kontak dengan bahan yang
dikeringkan melalui perantara, umumnya berupa dinding-dinding atau tempat
meletakkan bahan. Bahan akan kontak dengan panas secara konduksi.
6
7
Secara simultan terjadi dua proses pada saat suatu bahan dikeringkan. Proses
proses tersebut adalah perpindahan energi panas dan perpindahan massa.
Perpindahan energi panas dari lingkungan dapat menguapkan air dari bahan yang
dikeringkan dan perpindahan massa disebabkan oleh penguapan tersebut.
2.2 Dasar-Dasar Perpindahan Kalor
Definisi dari perpindahan kalor adalah berpindahnya energi dari suatu bidang
ke bidang lainnya sebagai akibat adanya perbedaan suhu di antara kedua bidang
tersebut. Secara umum perpindahan kalor dapat dikategorikan dalam tiga cara yang
berbeda yaitu :
1. Perpindahan panas konduksi adalah suatu proses pertukaran panas panas
mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi menuju daerah yang bersuhu lebih
rendah di dalam satu media (padat, cair dan gas), atau antara media-media yang
berlainan yang bersinggungan secara lansung. Untuk menghitung laju aliran secara
konduksi dapat dijabarkan dalam suatu persamaan yang dinyatakan dengan hukum
Fourier, (Wiranto Arismunandar,1985):yaitu :
 dT 
qkond  kA 
 dx 
(2.1)
Dimana :
qkond
: Laju perpindahan panas konduksi, (W)
k
: Konduktivitas thermal, (W/m.K)
A
: Luas penampang tegak lurus pada aliran panas, (m2)
dx,dT : Gradien temperatur dalam arah aliran panas
Dalam aliran panas konduksi, perubahan energi terjadi karena hubungan molekul
secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul-molekul yang cukup besar.
8
2. Perpindahan panas konveksi
Adalah suatu
proses perpindahan panas yang terjadi antara permukaan padat
dengan fluida yang mengalir disekitarnya, dengan menggunakan
media
penghantar berupa fluida (cairan/gas). Perpindahan panas secara konveksi sangat
penting sebagai mekanisme perpindahan panas antara permukaan benda padat dan
cairan atau gas. Panas secara konveksi menurut cara pergerakannya dibagi dua
bagian yaitu :
1. Konveksi alamiah (natural convection) terjadi jika gerakan mencampur
berlansung semata-mata akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh
gradien massa jenis.
2. Konveksi paksa (forced convection) terjadi jika gerakan mencampur di
sebabkan oleh suatu alat dari luar seperti pompa atau kipas.
Pada umumnya, perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan
dengan suatu fluida dapat dihitung dengan suatu persamaan, yaitu :
qc  hATw  T f 
(Sumber Holman, J.P Perpindahan Panas, hal. 11)
Dimana :
qc : Laju perpindahan panas konveksi, (W)
A : Luas permukaan perpindahan panas, (m2)
h : Koefesien perpindahan panas konveksi, (W/m2.K)
Tf : Temperatur fluida, (K)
Tw : Temperatur dinding, (K)
(2.2)
9
3. Perpindahan Panas Radiasi
Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda bersuhu tinggi
menuju ke suatu benda yang bersuhu lebih rendah, bila benda-benda itu terpisah
dalam ruangan dan bahkan bila terdapat ruang hampa di antara benda-benda
tersebut. Untuk menghitung laju pancaran radiasi pada suatu permukaan dapat
digunakan persamaan sebagai berikut :
qr  AT 4
(2.3)
(Sumber Holman, J.P Perpindahan Panas, hal 11)
Dimana :
qr : Laju perpindahan kalor radiasi, (W)
 : Emisivitas benda,
 : Konstanta Stefan-Boltzznann, 5,67 x 10-8 W/(m2.K4)
T4 : Perpindahan temperatur, (K)
A : Luas permukaan bidang, (m2)
Pada kenyataannya, permukaan bukan merupakan pemancar atau pun penyerap
yang sempurna dari radiasi termal. Permukaan tersebut ditandai oleh fraksi-fraksi
dari jumlah ideal yang dipancarkan (  , emisivitas) dan diserap (α, absorbsivitas).
Perpindahan panas yang terjadi dalam sebuah kolektor surya adalah perpindahan
panas radiasi dari plat penyerap ke plat penutup kaca. Hubungan untuk plat paralel
dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut,
𝑞=
𝜎𝐴(𝑇14 −𝑇24 )
1 1
− −1
𝜀1 𝜀2
(2.4)
10
2.3 Pengering Energi Surya
Potensi sumber energi surya antara 4,8 sampai 5,2 kWh/m2 per hari terdapat di
sebahagian besar wilayah Indonesia. Sumber energi surya merupakan bagian dari
sumber energi terbarukan yang sifatnya bersih dan pada saat penggunaannya tidak
menghasilkan emisi. Dalam perkembangannya, energi surya digunakan sebagai
sumber energi pada sistem pengering. Sebuah pengering surya adalah unit tertutup
yang bertujuan untuk menjaga makanan aman dari kerusakan yang diakibatkan
oleh burung, serangga, dan curah hujan yang tak terduga. Berdasarkan jenis energi
yang
digunakan,
pengering
surya
dapat
diklasifikasikan
menjadi
tiga
(Baker&ChristopherGJ, 1997) yaitu :
1. Solar Natural Dryer, adalah suatu metode pengering yang menggunakan
energy surya alami tanpa menggunakan bantuan peralatan luar untuk mengalirkan
fluida kerja.Yang termasuk ke dalam kelompok ini adalah (a) Cabinet dryers, (b)
Tent type dryers, (c) Shelf type dryers.
Gambar 2.1 Tent type solar dryer. Sumber. (Baker&ChristopherGJ, 1997)
2. Semi Artifical Solar Dryer, adalah pengering surya dengan konveksi paksa,
memanfaatkan bantuan peralatan luar untuk mengalirkan fluida kerja. Yang
11
termasuk ke dalam jenis ini adalah a. Solar tunnel dryers , b. Greenhouse-type
solar dryers, c. Solar room dryers.
Gambar 2.2 Solar room dryer. Sumber (Baker&ChristopherGJ, 1997)
3. Solar-Assisted Artificial Dryer, adalah pengering surya yang memanfaatkan
lebih dari satu sumber energy matahari dan sumber energi lain hanya bersifat
sebagai energi pembantu.
Pengering surya terdiri dari dua bagian penting yaitu kolektor surya dan ruang
pengering. Keduanya merupakan konstruksi sederhana dan dapat dibangun dengan
menggunakan bahan-bahan lokal yang tersedia seperti kayu, batu bata, pelat logam
dan lembaran plastik transparan. Metode pengeringan surya didasarkan pada
pengalaman jangka panjang dan terus digunakan di seluruh dunia untuk tanaman
kering, biji, daging, ikan, dan produk pertanian lainnya.
2.4 Kolektor Surya
Hal yang paling utama dalam sistem surya termal adalah kolektor surya.
Radiasi matahari ini dikumpulkan dan diserap lalu dikonversikan menjadi energi
panas. Absorber pada kolektor surya berfungsi untuk menyerap sinar dan panas
12
dari matahari, selanjutnya sebagian cahaya matahari akan dipantulkan kembali ke
lingkungan, sedangkan sebagian besarnya akan diserap dan dikonversi menjadi
energi panas, dan panas tersebut dipindahkan kepada fluida yang bersirkulasi di
dalam kolektor surya untuk dimanfaatkan pada berbagai aplikasi yang
membutuhkan panas. Untuk mengeringkan suatu produk pertanian, dibutuhkan
energi yang sangat besar. Petani kebanyakan melakukan penjemuran di bawah
teriknya sinar matahari. Temperatur lingkungan adalah sekitar 33° C, sedangkan
temperatur pengeringan untuk komoditi ikan berkisar 60-70°C. Jika kita
menggunakan udara pemanas bertemperatur lingkungan atau lebih rendah dari
temperatur pengeringan tersebut, maka akan membutuhkan waktu yang lebih
panjang untuk mengeringkan suatu produk. Untuk memperpendek waktu
pengeringan bahan maka komoditi yang dikeringkan tersebut dihembuskan udara
panas yang didapat dari pengumpulan panas pada kolektor surya. Bagian bagian
utama dari kolektor ini (Duffie John A.,dan William A.Beckman,1991) terdiri atas
beberapa bagian, antara lain :
1. Cover, berfungsi untuk memperkecil terbuangnya energi panas ke udara sekitar
Secara konveksi
2. Absorber, sebagai tempat untuk menyerap radiasi matahari
3. Kanal, sebagai tempat mengalirnya fluida .
4. Isolator, sebagai tempat untuk mengurangi kehilangan panas karena konduksi
dari absorber menuju udara sekitar.
5. Frame,sebagai tempat untuk menyangga kolektor energi surya.
13
Besarnya energi yang dapat diserap oleh kolektor bergantung pada sifat
absorbsivitas bahan kolektor. Berikut ditunjukkan besarnya energi radiasi matahari
yang dapat diserap oleh kolektor :
𝜙𝑎 = 𝜏𝛼𝐼𝑟 𝐴𝑐 …………………………………………………………….(2.5)
Dimana :
𝜙𝑎 = panas radiasi yang diserap kolektor, (W)
𝜏 = transmisivitas bahan penutup, (0≤ 𝜏 ≤ 1)
𝛼 = absorbsivitas plat penyerap kolektor, (0≤ 𝛼 ≤ 1), atau 𝛼 = 1 – 𝜌
𝜌 = refleksivitas, (0≤ 𝜌 ≤ 1)
Besarnya energi radiasi matahari yang diterima kolektor adalah sebagai berikut :
𝜙𝑟𝑠 = 𝐴𝑐 𝐼𝑟 (2.6)
Dimana :
𝜙𝑟𝑠 = panas radiasi yang diterima, (W)
𝐴𝑐 = luas permukaan kolektor, (𝑚2 )
𝐼𝑟 = intensitas radiasi matahari, (𝑊⁄𝑚2 )
Tidak semua energi panas yang masuk dapat dipakai seluruhnya sebab ada faktor
kerugian panas pada kolektor termal. Kerugian panas ini terjadi pada bagian atas
kolektor yang disebut kerugian panas bagian atas dan pada bagian bawah kolektor
yang disebut kerugian panas bagian bawah. Jumlah dari kedua kerugian panas
tersebut merupakan kerugian panas total. Kerugian panas tersebut dapat dihitung
dengan persamaan berikut,
14
𝜙1 = 𝐴𝑐 𝑈𝑙 (𝑇𝑎 − 𝑇𝑜 ) (2.7)
Dimana :
𝜙1 = panas yang terbuang ke udara lingkungan, (W)
𝑈𝑙 = koofesien transfer panas keseluruhan, (𝑊⁄𝑚2 𝐾 )
𝑇𝑎 = temperatur plat penyerap, (K)
𝑇𝑜 = temperatur udara lingkungan, (K)
Untuk mendapatkan efisiensi kolektor surya yang semakin besar, kolektor surya
harus dapat memanfaatkan energi radiasi matahari yang lebih besar yang dapat
dimanfaatkan oleh kolektor untuk memanaskan udara pengering. Besarnya
efisiensi dari kolektor surya dapat dihitung dengan menggunakan persamaan
berikut,

qu / A
I
(2.8)
Dimana :
 = efisiensi kolektor surya (%)
qu= panas yang berguna
A = luas permukaan
I = total energi surya
Atau,
𝜂𝑐 =
𝑚.̇𝐶𝑝 (𝑇𝑐,𝑜𝑢𝑡 −𝑇𝑐,𝑖𝑛 )
𝑄𝑟
x 100%
Dimana :
ηc = efisiensi kolektor surya, (%)
(2.9)
15
m= mass flow rate (kg/s)
cp= kapasitas panas jenis fluida (J/(kg.°C)
Tc,out= temperatur fluida keluar kolektor (°C)
Tc,in= temperatur fluida masuk kolektor (°C)
Qr = panas radiasi (W)
Luaspermukaan total darikolektoriniterkaitdenganefisiensikeseluruhandari total
sistem pengering :
𝑀 𝐿
𝜂𝑝 = 𝐼 𝑤𝐴 𝑡𝑡 ………………………………………………………….(2.10)
𝑟 𝑐
Dimana:
Ac
: luas permukaan total kolektor,
t
: total waktu,
Lt
:panas
Ir
: Intensitas radiasi matahari
laten penguapan
2.5 Konstanta Surya
Matahari akan selalu memancarkan suatu spektrum radiasi yang kontinyu.
Dalam penelitian ini, matahari dianggap sebagai sebuah benda hitam, sebuah
radiator sempurna pada temperatur 5762 K. Radiasi yang dipancarkannya pada
permukaan matahari, Es, adalah sama dengan hasil perkalian konstanta Stefan –
boltzman σ, pangkat empat temperatur absolute Ts4 dan luas permukaan π x ds2.
Es = σ x π x ds2 x Ts4(2.11)
Dimana :
Es
= Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari ( W )
16
σ
= 5,67x 10-8 W/ m2. K4
Ts
= temperatur permukaan = 5672 K
π ds2 = luas permukaan matahari (m2)
Pada radiasi ke semua arah, energi yang diradiasikan mencapai luas permukaan
bola dengan matahari sebagai titik tengahnya. Jari – jari R adalah sama dengan
jarak rata – rata antara matahari dan bumi. Luas permukaan bola adalah sama
dengan 4 π R2, dan fluks radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut
yang dinamakan iradiansi, menjadi :
2
G=σ
4
d s Ts
(W/ m2 )...........................................................................(2.12)
2
4R
Dengan garis tengah matahari 1,39 x 109 m, temperatur permukaan matahari 5762
K, dan jarak rata – rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 1011 m, maka fluks
radiasi persatuan luas dalam arah tegak lurus pada radiasi tepat diluar atmosfer
bumi adalah :
5,67 x10 8 W
G =
x(1,39 x10 9 ) 2 m 2 x(5,762 x10 3 ) 4 K 4
m2 K 4
(2.13)
4 x(1,5 x1011 ) 2 m 2
= 1353 W/m2
dimana harga G ini disebut juga konstanta surya, Gsc .
Untuk mengetahui energi radiasi yang jatuh pada permukaan bumi dibutuhkan
beberapa parameter letak kedudukan dan posisi matahari, hal ini sangat perlu untuk
dapat mengkonversikan harga fluks berkas yang diterima dari arah matahari
17
menjadi hubungan harga ekivalen ke arah normal permukaan. Berikut ini adalah
beberapa definisi yang digunakan, antara lain :
1.
ø =sudut lintang, sudut lokasi suatu tempat dipermukaan bumi terhadap
khatulistiwa, dimana arah utara – selatan, - 90 ≤ ø ≤ 90 dengan utara positif.
2.  = sudut datang berkas sinar (angle of incident ), sudut yang dibentuk antara
radiasi langsung pada suatu permukaan dengan garis normal permukaan tersebut.
3. θz =sudut zenith, sudut antara radiasi langsung dengan garis normal bidang
horisontal.Sudut zenith θz diperlihatkan sebagai sudut antara zenith z, atau garis
lurus vertikal dan garis pandang ke matahari.
4. Sudut azimuth θA, juga diperlihatkan sebagai sudut antara garis yang mengarah
ke utara dan proyeksi garis pandang ke matahari pada bidang horizontal, ke arah
timur dianggap positif.Sudut zenith dapat ditentukan dengan persamaan sebagai
berikut :
Cosθz = sin δ sin ø + cosδcos ø cosω
(2.14)
Gambar 2.3 Penentuan sudut zenithθz dan sudut azimuthθA
5. h = sudut ketinggian matahari, yaitu sudut antara radiasi langsung matahari
dengan bidang horisontal.
18
6. ω = sudut jam (hour of angle), sudut antara bidang yang dimaksud dengan
horisontal, berharga nol pada saat jam 12.00 waktu surya, setiap jam setara dengan
15oke arah pagi negatif dan kearah sore positif.
7. θA = sudut azimuth surya, adalah pergeseran anguler proyeksi radiasi langsung
pada bidang datar terhadap arah utara.
8. δ = deklinasi, posisi angular pada matahari di bidang khatulistiwa pada saat
jam 12.00 waktu matahari.
Hubungan antara masing-masing parameter sudut matahari tersebut ditunjukkan
dalam gambar berikut:
Gambar 2.4 Hubungan parameter sudut matahari terhadap permukaan bidang
2.6 Beban Kalor Ruang Pengering
Perpindahan kalor ruang pengering dipengaruhi oleh beberapa hal seperti jenis
bahan yang digunakan dan faktor-faktor iklim. Perhitungan dari beban kalor ruang
pengering bertujuan untuk memperkirakan perolehan energi radiasi matahari
melalui dinding pengering. Secara umum beban kalor ruang pengering dihasilkan
melalui beberapa cara yaitu sebagai berikut :
a. Beban kalor radiasi
Beban kalor melalui radiasi disebabkan oleh penjalaran energi matahari melalui
dinding pengering yang tembus pandang atau penyerapan oleh dinding pengering
19
yang tidak tembus cahaya. Radiasi matahari dapat digolongkan dalam radiasi
matahari langsung dan radiasi matahari tidak langsung seperti terlihat pada
Gambar (2.5). Jumlah kedua jenis radiasi tersebut diberi nama radiasi matahari
total.
Gambar 2.5 Radiasi matahari langsung dan tak langsung
Sesuai dengan kedudukan permukaan bidang terhadap arah datangnya radiasi,
maka radiasi matahari langsung adalah :
In = 1164.Pcosec h(2.16)
Iv =1164. Pcosec h.cos h
(2.17)
Ih = 1164.Pcosec h sin h
(2.18)
Iβ = 1164.Pcosec h cos h cos β(2.19)
Dimana:
In
= radiasi matahari langsung pada bidang tegak lurus arah datangnya radiasi
(Kcal/m2jam)
Iv = radiasi matahari langsung pada bidang vertikal (Kcal/m2jam).
Ih
= radiasi matahari langsung pada bidang horisontal(Kcal/m2jam)
20
Iβ = radiasi matahari langsung pada bidang vertikalpada posisi
membuat sudut
samping β dari arah datangnya radiasi (Kcal/m2jam)
1164 = konstanta intensitas radiasi matahari di angkasa
P
= permeabilitasatmosferik = 0,6 – 0,75 pada hari yang cerah
h
= ketinggian matahari
 = sudut antara datangnya matahari dan dinding
Gambar 2.6 Radiasi sorotan pada permukaan miring
Besarnya radiasi tak langsung dari atmosfer untuk kondisi udara yang cerah adalah
Ira = C . In.Fsa (2.20)
Dimana :
Ira = radiasi tak langsung dari atmosfer
C = koefisien radiasi tak langsung dari angkasa
In = radiasi matahari langsung pada bidang normal
Fsa = faktor sudut permukaan ke atmosfer
Besarnya pantulan radiasi dari tanah adalah 20% dari radiasi matahari langsung
yang diterima tanah. Hal tersebut dapat dihitung dengan persamaan:
I rg = Ih. 0,2 . Fsg (2.21)
21
Dimana :
I rg = radiasi tak langsung dari tanah
Ih
= radiasi langsung pada bidang horisontal.
Fsg = faktor sudut tanah ke permukaan dinding pengering
Besarnya faktor sudut permukaan ke atmosferFsa adalah:
Fsa = ( 1- cos  ) / 2 (2.22)
Dimana :
 = besarnya sudut antara permukaan dinding pengering ke bidang horizontal
Besarnya faktor sudut dari tanah ke dinding pengering Fsg adalah:
Fsg = 1-Fsa (2.23)
Jumlah radiasi tak langsung dari atmosfer dan radiasi tak langsung dari tanah
adalah besarnya radiasi matahari tak langsung total. Perolehan kalor melalui
dinding pengering diperoleh dengan menjumlahkan radiasi langsung dan tak
langsung dikalikan dengan faktor transmisibahan dinding seperti persamaan
berikut :
Qjr =  IT x ε(2.24)
Dimana:
Qjr = perolehan kalor radiasi oleh dinding (Kcal/jam)
 IT = jumlah radiasi matahari yang diterima dinding (Kcal/m2.jam)
ε
= transmisivitas bahan dinding
b. Beban kalor transmisi
Beban kalor yang dihasilkan secara transmisi thermal yang terjadi bila ada
perbedaan temperatur antara kedua sisi dinding pengering. Besarnya beban kalor
22
yang dihasilkan melalui transmisi thermal adalah dihitung dengan menggunakan
persamaan :
Q=
T. A
= K.A ( Ts – Ta )
Rtot
(2.15)
Dimana :
Q = beban kalor (W)
K = koefisien konduksi = 0,2 (W/m2K)
A = luas permukaan ( m2 )
Ts – Ta = beda temperatur luar dan dalam ruang pengering (K)