6

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.

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 :

dx

dTkAqkond (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 :

fwc TThAq (2.2)

(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)

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 :

4ATqr (2.3)

(Sumber Holman, J.P Perpindahan Panas, hal 11)

Dimana :

rq : 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,

(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 :

= …………………………………………………………….(2.5)

Dimana :

= panas radiasi yang diserap kolektor, (W)

= transmisivitas bahan penutup, (0 )

= absorbsivitas plat penyerap kolektor, (0 ), atau = 1 –

= refleksivitas, (0 )

Besarnya energi radiasi matahari yang diterima kolektor adalah sebagai berikut :

= (2.6)

Dimana :

= panas radiasi yang diterima, (W)

= luas permukaan kolektor,

= intensitas radiasi matahari,

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

= (2.7)

Dimana :

= panas yang terbuang ke udara lingkungan, (W)

= koofesien transfer panas keseluruhan,

= temperatur plat penyerap, (K)

= 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,

I

Aqu / (2.8)

Dimana :

= efisiensi kolektor surya (%)

qu= panas yang berguna

A = luas permukaan

I = total energi surya

Atau,

=

x 100% (2.9)

Dimana :

= efisiensi kolektor surya, (%)

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 :

=

………………………………………………………….(2.10)

Dimana:

Ac : luas permukaan total kolektor,

t : total waktu,

Lt :panas laten penguapan

Ir : Intensitas radiasi matahari

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 ds

2.

Es = σ x π x ds2 x Ts

4(2.11)

Dimana :

Es = Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari ( W )

16

σ = 5,67x 10-8

W/ m2. K

4

Ts = temperatur permukaan = 5672 K

π ds2 = luas permukaan matahari (m

2)

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 :

G = σ2

42

4R

Td ss (W/ m2

)...........................................................................(2.12)

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 :

G = 2211

44322942

8

)105,1(4

)10762,5()1039,1(1067,5

mxx

KxxmxxKm

Wx

(2.13)

= 1353 W/m2

dimana harga G ini disebut juga konstanta surya, scG .

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

I h = 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=totR

AT . = K.A ( Ts – Ta ) (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)