Kajian Distribusi Suhu, RH dan Aliran Udara Pengering untuk Optimisasi Desain Pengering Efek

216 Pages·2016·3.57 MB·Indonesian

by  Dyah Wulandani

KAJIAN DISTRIBUSI SUHU, RH DAN
ALIRAN UDARA PENGERING UNTUK
OPTIMISASI DISAIN PENGERING
EFEK RUMAH KACA

DYAH WULANDANI

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2005
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN
SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi “Kajian Distribusi Suhu, RH
Dan Aliran Udara Pengering Untuk Optimisasi Disain Pengering Efek
Rumah Kaca” adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apa
pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau
dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian disertasi
ini.

Bogor, Nopember 2005

Dyah Wulandani
NRP 98 5084
ABSTRAK
DYAH WULANDANI. Kajian Distribusi Suhu, RH Dan Aliran Udara
Pengering Untuk Optimisasi Disain Pengering Efek Rumah Kaca.
Dibimbing oleh KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY HARTULISTIYOSO dan
ACHMAD INDRA SISWANTARA.
Pengering Efek Rumah Kaca (ERK) adalah bangunan pengering berdinding
transparan, di dalamnya terdapat plat absorber sebagai pengumpul panas dan
wadah produk (rak atau bak) serta kipas untuk mengeluarkan uap air hasil
pengeringan. Sumber energi pada pengering ERK diperoleh dari surya dan
pembakaran biomassa (arang kayu). Pengering ERK ini menjadi salah satu
pilihan bagi petani maupun pedagang pengumpul cengkeh untuk mengatasi
masalah pengeringan dengan cara penjemuran langsung menggunakan lamporan,
karena pengering ERK menggunakan sumber energi termal dari surya dan
biomassa. Metoda penjemuran selama ini digunakan karena murah dan mudah
dilakukan, tetapi sangat tergantung adanya sinar surya dan produk mudah
terkontaminasi kotoran. Penelitian sebelumnya menyatakan bahwa pengering
ERK dipilih karena lebih murah dibandingkan dengan pengering surya yang
menggunakan kolektor datar terpisah. Agar petani dapat membeli pengering ERK
dengan harga yang terjangkau, maka untuk mengurangi biaya konstruksi
seminimal mungkin tanpa mengurangi kehandalan performansi alat, dalam
penelitian ini dilakukan perhitungan optimisasi biaya konstruksi pengering ERK.
Berdasarkan hasil ini diperoleh ukuran komponen-komponen utama dalam
pengering ERK. Selain itu dengan menggunakan teknik CFD (analisis dinamika
fluida), dapat diketahui lokasi komponen-komponen utama dalam pengering ERK
(seperti inlet, outlet, kipas dan penukar panas), sehingga dapat diperoleh
keseragaman suhu, RH dan kecepatan aliran udara di dalam ruang pengering.
Secara umum tujuan penelitian adalah untuk mendapatkan disain pengering
ERK optimum baik dari segi teknis maupun secara ekonomis, melalui proses
optimisasi dan simulasi aliran udara panas serta pengujian performasi pengeringan
cengkeh menggunakan pengering ERK. Output penelitian ini berupa disain
pengering optimum yang dapat dimanfaatkan oleh petani atau pengusaha cengkeh,
dan pedagang pengumpul atau eksportir cengkeh serta bagi peneliti yang tertarik
di bidang pengeringan.
Hasil penelitian ada beberapa tahap; pertama, optimisasi biaya konstruksi
pengering ERK (biaya investasi awal) dipecahkan dengan metoda Pengganda
Lagrange menggunakan persamaan keseimbangan energi di dalam ruang
pengering dan persamaan karakteristik pengeringan cengkeh. Salah satu hasil
optimisasi adalah disain pengering ERK untuk kapasitas maksimum 386 kg
cengkeh dengan dimensi 3.6 m x 3.6 m x 2.4 m dengan biaya konstruksi optimum
Rp 10.123.000,-. Pengering ERK ini terdiri dari 8 rak berukuran 7.84 m2, plat
absorber berukuran 5.12 m2, kipas dengan daya 247 W, penukar panas seluas 1.2
m2, dan tungku dengan laju pembakaran 1.1 kg arang per jam. Pengeringan
dilakukan pada suhu 45oC, RH 52 % dan laju aliran udara di atas rak 0.04 m/dt.
Dengan alat tersebut pengeringan cengkeh dari kadar air awal 72.8 % hingga 12
% bb berlangsung selama 50 jam.
Kedua, berdasarkan disain hasil optimisasi dilakukan uji performansi pada
pengering ERK untuk pengeringan cengkeh. Dari uji performansi diperoleh hasil
bahwa percobaan menggunakan suhu 48oC, RH 46.5 % dan kecepatan 0.04 m/dt,
pada tingkat radiasi surya 310 W/m2, memberikan performansi pengeringan yang
lebih baik dibandingkan kedua percobaan lainnya yang diuji dalam penelitian ini.
Bahan bakar biomassa (arang kayu) digunakan pada pagi dan sore untuk
mempertahankan suhu 48oC. Untuk mengeringkan cengkeh dengan kapasitas 80
kg diperlukan bahan bakar arang sebanyak 29 kg. Pengeringan bunga cengkeh
dari kadar air 72.8 % bb menjadi 12 % membutuhkan waktu dengan kisaran 38
hingga 50 jam. Hasil pengujian mutu cengkeh menunjukkan mutu-1 dengan
kandungan minyak atsiri cukup tinggi yaitu 23 % dan cengkeh kering berwarna
coklat kehitaman.
Percobaan pengeringan cengkeh di lapang masih menghasilkan perbedaan
kadar air antara rak atas dan bawah, hal ini disebabkan oleh ketidakseragaman
suhu yang terjadi di dalam ruang pengering, dengan nilai ragam suhu 2.4oC.
Tahap ketiga, melalui analisis aliran fluida menggunakan bantuan software
Geomesh/Gambit dan Fluent dan berdasarkan dimensi pengering hasil optimisasi
di atas telah diketahui posisi inlet, outlet, kipas dan penukar panas yang tepat,
sehingga tingkat keseragaman suhu, RH dan kecepatan di dalam ruang lebih baik.
Di antara 3 skenario disain pengering ERK, disain terbaik dari hasil simulasi
tersebut adalah disain skenario-3 yang dicirikan dengan rendahnya nilai standar
deviasi dari suhu, RH dan kecepatan aliran udara, masing-masing sebesar 1.6oC,
3.7 % dan 0.03 m/dt.
Disain skenario-3 tersebut terdiri dari dua buah inlet masing-masing
berukuran 0.1 m x 1 m pada ketinggian 1.4 m. Dua buah outlet masing-masing
berukuran 0.2 m x 0.8 m pada ketinggian 0.8 m pada dinding yang berseberangan
dengan inlet. Tiga buah kipas dengan diameter masing-masing 0.2 m digunakan
sebagai perata udara pengering. Kipas 1 (kipas bawah) terletak 0.2 m di depan
penukar panas pada ketinggian 0.4 m dari lantai bangunan dengan daya 100 W.
Kipas 2 (kipas tengah) terletak di tengah bangunan di atas rak paling atas dengan
daya 40 W. Kipas 3 (kipas atas) terletak di atas penukar panas pada ketinggian
1.8 m sejajar dengan posisi rak paling atas (rak 8) dengan daya 100 W. Penukar
panas seluas 1.2 m2 terletak 0.2 m dari dinding pada ketinggian 0.4 m dari lantai
pengering. Pada malam hari disarankan hanya menggunakan kipas bawah untuk
meratakan suhu dan kecepatan udara.
Validasi model simulasi aliran udara yang dilakukan pada pengering ERK
skala laboratorium menggunakan curve fitting, menunjukkan hasil kecenderungan
yang sama antara suhu, RH dan kecepatan udara hasil simulasi dengan suhu, RH
dan kecepatan udara hasil pengukuran.
Tahap akhir, analisis biaya pengeringan dilakukan dengan membandingkan
antara penjemuran (lamporan) dan pengering ERK. Pada kasus pengeringan di
atas, hasil analisis biaya menunjukkan bahwa usaha pengeringan cengkeh
menggunakan pengering ERK, baik untuk petani maupun pedagang pengumpul
layak diusahakan. Pedagang pengumpul disarankan menggunakan pengering
ERK, karena memberikan keuntungan yang lebih besar dibandingkan dengan
menggunakan lamporan. Berdasarkan analisis biaya dapat dikatakan bahwa
pengeringan menggunakan pengering ERK baik pada tingkat petani maupun
pedagang pengumpul mempunyai prospek yang baik untuk dilaksanakan.
ABSTRACT

DYAH WULANDANI. Study on Temperature, RH and Air Flow Velocity
Distribution of Dryer for the Design Optimization of Greenhouse Effect Solar
Dryer. The advisors of the dissertation are KAMARUDDIN ABDULLAH, EDY
HARTULISTIYOSO and ACHMAD INDRA SISWANTARA.
Greenhouse Effect (GHE) Solar Dryer is a transparent wall structure,
consists of an absorber plate as solar collector, product holders (rack, tray or
batch) and fans to discharge vapor evaporated from the product. The GHE solar
dryer uses thermal energy source from the sun and biomass stove as an auxiliary
heating and other devices to control continuous drying processes. Previous study
had recommended the design configuration as an alternative artificial drying
facility for the farmer and merchant of cloves to overcome several demerits of
using direct sun drying, including the construction cost. Farmer often uses direct
sun drying method because it is cheap and simple. However, the method greatly
dependent on the existence of solar irradiation, and foreign materials or dirt easily
contaminates the product.
Considering the poor condition of local farmer, previous GHE design
required further construction cost reduction so that it can be affordable by the
farmer. For this purposes, in this study an optimization process for a prototype of
GHE solar dryer was conducted in order to reduce further construction cost by
determining the proper sizing of each principle component of the dryer. In
addition, a CFD technique was applied to determined proper locations of key
component of the dryer to create uniform airflow rate, RH and drying
temperature.
Therefore, the objective of this study was to get the optimum design of GHE
solar dryer, through optimization, testing the performance of GHE solar dryer and
airflow simulation process.
First, the construction cost optimization was based on the drying equations
for clove and energy balance equations of drying air, absorber plate, heat-
exchanger and product. Lagrange Multiplier was used in the optimization
process, aided by Microsoft Excel. The result showed that the optimum design of
a GHE solar dryer with 3.6 m x 3.6 m x 2.4 m dimension, gave an optimum
construction cost of Rp 10.123.000,- for drying of 386 kg of cloves. The
Prototype of dryer consisted of 8 trays with area of each tray was 7.84 m2.
Surface area of the absorber plate was 5.12 m2, the power of fan was 247 W
(A.C.) , the heat transfer area of the heat exchanger was 1.2 m2, and the charcoal
combustion rate was 1.1 kg/h. The average drying temperature was 45oC, while
the RH required was 42 % and the local airflow velocity on the product was 0.04
m/s. The drying time (initial moisture content of 72.8 % wb and final moisture
content of 12 % wb) used this experiment was 50 hours.
Second, according to the above optimization result, a series of performance
test of an actual GHE solar dryer was conducted. The results showed that the best
operating condition of the dryer was using the drying temperature of 48oC, RH of
46.5 % and velocity of 0.04 m/s, while the average of solar irradiation was at 310
W/m2. The supply of thermal energy was obtained from the sun and from the
charcoal stove. The experiment indicated that to dry 80 kg cloves, the required
amount of the charcoal combustion was 29 kg. The average drying time for 80 kg
of cloves with initial moisture content of 72.8 % wb and final moisture content of
12 % wb was 50 hours. The quality of clove was categorized as grade-1, with
essential oil content of 23 %. The final color of dried cloves was brown-black.
The test result, however indicated that the final moisture content of the
products was still non-uniform (standard deviation was 3.8 %) due to the non-
uniformity in the drying air temperature. The observed average standard
deviation of the drying temperature was at 2.4oC.
In order to solve this remaining problem, in the third step of this study,
airflow simulation aided by Fluent and Gambit/Geomesh software was used to
determine the optimum location of air inlet and outlet, fans and the heat
exchanger. The analysis was aimed to obtain uniform distribution of drying air
temperature, RH and velocity within the chamber. Simulation study had selected
three different modes of design configuration namely:
Mode 1. Inlets at the position 1 m from the floor were placed on one side of the
wall. The outlets at the position 1.6 m from the floor were placed on
the opposite side of the wall.
Mode 2. Inlets at the position 1.4 m above the floor were placed on one side of
the wall. The outlets were located at the position 0.8 m above the floor
placed on the opposite side wall.
Mode 3. Inlets and outlets were the same as in the Mode 2. Fan-3 was added
above of the heat exchanger to mix the drying air.
The simulation results had confirmed that by rearranging the location of
inlet and outlet and the quantity and the capacity of the fans, uniform air
temperature, RH and velocity distribution within the chamber was obtained. The
best mode obtained in this study was mode 3. The results indicated that Mode 3
showed the smallest standard deviation in terms of air temperature, which was 1.6
degree C, the air velocity, 0.03 m/s and RH 3.7%, respectively. Therefore, it was
concluded that the operating condition indicated by Mode 3 was the optimum
operating condition and should become the standard for the house type GHE solar
dryer with trolleys of trays. Adding three mixing fans on the top of the rack, one
above the heat exchanger, one in front of the heat exchanger, and one at the outlet
position on the opposite wall had resulted in a uniform air flow, temperature and
RH distributions. For night operation of the dryer it was suggested to use one fan
only (in front of the heat exchanger) in order to obtain better drying performance.
Finally, cost analysis of GHE solar drying for the above case study, showed
that the drying project was feasible for the farmer as well as for the merchant. It
was concluded that a 0.386 ton capacity GHE solar dryer could provide more
benefit than sun drying for the merchant.
(cid:211) Hak cipta milik Dyah Wulandani, tahun 2005
Hak cipta dilindungi
Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari
Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam
Bentuk apa pun, baik cetak, fotokopi, microfilm, dan sebagainya
KAJIAN DISTRIBUSI SUHU, RH DAN
ALIRAN UDARA PENGERING UNTUK
OPTIMISASI DISAIN PENGERING
EFEK RUMAH KACA

DYAH WULANDANI

Disertasi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Doktor pada
Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2005
Judul Disertas : Kajian Distribusi Suhu, RH dan Aliran Udara Pengering
untuk Optimisasi Disain Pengering Efek Rumah Kaca.
Nama : Dyah Wulandani
NIM : TEP-985084

Disetujui

Komisi Pembimbing

Prof.Dr. Kamaruddin Abdullah
Ketua

Dr.Ir. Edy Hartulistiyoso Ir. Achmad Indra Siswantara, PhD
Anggota Anggota

Diketahui

Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana IPB
Ilmu Keteknikan Pertanian

Prof. Dr.Ir. Budi Indra Setiawan Prof.Dr. Ir. Syafrida Manuwoto, MSc.

Tanggal Lulus: 18 Agustus 2004
PRAKATA
Segala puji bagi Allah Subhannahuwata’alla, karena atas karunia dan
rahmatNya, penulis dapat menyelesaikan disertasi ini. Tema yang dipilih dalam
disertasi ini adalah disain pengering Efek Rumah Kaca dengan judul Kajian
Distribusi Suhu, RH dan Aliran Udara Pengering untuk Optimisasi Disain
Pengering Efek Rumah Kaca.
Disertasi ini terdiri dari tiga bagian utama, masing-masing dinyatakan dalam
bab terpisah. Kaitan dari ketiganya dinyatakan dalam pembahasan umum.
Bagian pertama terdapat dalam Bab III disertasi ini berjudul Optimisasi Biaya
Konstruksi Pengering Efek Rumah Kaca. Bab ini telah diseminarkan dalam
Seminar Nasional PERTETA, Malang, Juli 2002 dan Asia-Australia Drying
Conference (ADC’01), Malaysia, 2001.
Bagian kedua terdapat dalam Bab IV berjudul Analisis Aliran Udara dalam
Alat Pengering Efek Rumah Kaca. Bab ini merupakan pengembangan dari naskah
artikel yang diajukan ke jurnal ilmiah (Buletin Keteknikan Pertanian, vol. 16, no.
3, th. 2003 dan Prosiding “The 14th International Symposium of Transport
Phenomena” 6-9 Juli 2003, Bali. Hal: 539-542).
Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada Prof. Dr.
Kamaruddin Abdullah sebagai Ketua Komisi Pembimbing, atas bimbingan, saran,
nasehat tentang filosofi keilmuan dan ide-ide yang begitu besar manfaatnya bagi
penulis, selama kuliah dan dalam penyelesaian disertasi ini, serta kegiatan-
kegiatan ilmiah lainnya.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Dr. Edy Hartulistiyoso sebagai
Anggota Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran serta nasehat yang dapat
mendorong penulis untuk selalu maju, baik selama penulis kuliah maupun selama
penyelesaian disertasi ini.
Penulis menyampaikan terima kasih kepada Ir. Achmad Indra Siswantara,
Ph.D. sebagai Anggota Komisi Pembimbing atas bimbingan, saran ilmu-ilmu baru
yang diberikan selama penulis kuliah dan penelitian, serta atas kesempatan yang
diberikan kepada penulis untuk menggunakan fasilitas yang sangat bermanfaat
bagi penyelesaian disertasi ini.
Kepada Dosen Penguji Luar Komisi Pembimbing, Dr. Meika Syahbana
Rusli dan Dr. Ridwan Thahir, atas kesediaan untuk menguji penulis dalam Ujian
Tertutup dan Ujian Terbuka dan memberikan saran serta kritikan yang
membangun demi kesempurnaan disertasi ini.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada para Pimpinan IPB yang
telah memberikan ijin kepada penulis untuk menempuh pendidikan ini. Ucapan
terima kasih juga penulis sampaikan kepada Prof. Dr. Budi Indra Setiawan,
M.Agr. sebagai Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Sekolah
Pascasarjana dan Pimpinan di Sekolah Pascasarjana IPB atas saran yang diberikan
demi kelancaran penulis dalam menyelesaikan studi di IPB ini, serta kepada Staf
administrasi yang juga membantu kelancaran dalam penyelesaian studi.
Kepada Dirjen Pendidikan Tinggi atas dana bantuan melalui Program BPPS,
dan proyek penelitian Tim Hibah Penelitian Pascasarjana, Penelitian Dasar, Hibah
Bersaing, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya. Kepada
Prof.Dr. Kamaruddin sebagai Kepala Bagian Energi dan Elektrifikasi Pertanian