Chapter II

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Proses Pengeringan

Pengeringan adalah proses perpindahan panas dan uap air secara simultan

yang memerlukan energi panas uantuk menguapkan kandungan air yang

dipindahkan dari permukaan bahan yang dikeringkan oleh media pengering yang

biasanya berupa panas. Proses pengeringan berlaku apabila bahan yang

dikeringankan kehilangan sebahagian atau keseluruhan air yang dikandungnya.

Proses utama yang terjadi pada proses pengeringan adalah penguapan. Penguapan

terjadi apabila air yang dikandung oleh suatu bahan teruap, yaitu apabila panas

diberikan kepada bahan tersebut.

Prinsip pengeringan biasanya akan melibatkan dua kejadian yaitu panas

yang diberikan pada bahan dan air harus dikeluarkan dari bahan. Dua fenomena

ini menyangkut pindah panas ke dalam dan pindah massa ke luar. Yang dimaksud

dengan pindah panas adalah peristiwa perpindahan energi dari udara ke dalam

bahan yang dapat menyebabkan berpindahnya sejumlah massa (kandungan air)

karena gaya dorong untuk keluar dari bahan (pindah massa).

Dalam pengeringan umumnya diinginkan kecepatan pengeringan yang

maksimum, oleh karena itu diusahakan untuk mempercepat pindah panas dan

pindah massa. Perpindahan panas dalam proses pengeringan dapat terjadi melalui

dua cara yaitu pengeringan langsung dan pengeringan tidak langsung.

Pengeringan langsung yaitu sumber panas berhubungan dengan bahan yang

dikeringkan, sedangkan pengeringan tidak langsung yaitu panas dari sumber

panas dilewatkan melalui permukaan benda padat (conventer) dan conventer

tersebut yang berhubungan dengan bahan. Setelah panas sampai ke bahan maka

air dari sel-sel bahan akan bergerak ke permukaan bahan kemudian keluar.

2.2 Pengeringan Buatan

Pengeringan dengan menggunakan alat pengering dimana, suhu,

kelembapan udara, kecepatan udara dan waktu dapat diatur dan di awasi.

Keuntungan Pengering Buatan:

Tidak tergantung cuaca

Kapasitas pengeringa dapat dipilih sesuai dengan yang diperlukan

Universitas Sumatera Utara

Tidak memerlukan tempat yang luas

Kondisi pengeringan dapat dikontrol

Pekerjaan lebih mudah.

2.2.1 Jenis Jenis Pengeringan Buatan

Berdasarkan media panasnya,

Pengeringan adiabatis ; pengeringan dimana panas dibawa ke alat

pengering oleh udara panas, fungsin udara memberi panas dan

membawa air.

Pengeringan isotermik; bahan yang dikeringkan berhubungan langsung

dengan alat/ plat logam yang panas.

2.2.2 Proses pengeringnan:

Proses pengeringan diperoleh dengan cara penguapan air

Dengan cara menurunkan RH dengan mengalirkan udara panas

disekeliling bahan

Proses perpindahan panas; proses pemanasan dan terjadi panas

sensible dari medium pemanas ke bahan, dari permukaan bahan

kepusat bahan.

Proses perpindahan massa ; proses pengeringan (penguapan), terjadi

panas laten, dari permukaan bahan ke udara

Panas sensible ; panas yang dibutuhkan/ dilepaskan untuk menaikkan

/menurunkan suhu suatu benda

Panas laten ; panas yang diperlukan untuk mengubah wujud zat dari

padat kecair, cair ke gas, dst, tanpa mengubah suhu benda tersebut.

2.2.3 Faktor faktor yang mempengaruhi pengeringan.

Pada pengeringan selalu diinginan kecepatan pengeringan yang maksimal.

Oleh karena itu perlu dilakukan usah- usah untuk memercepat pindah panas dan

pindah massa ( pindah massa dalam hal ini adalah perpindahan air keluar dari

bahan yang dikeringksan dalam proses pengeringan tersebut.

Ada beberapa faktor yang perlu diperhatikan untuk memperoleh kecepatan

pengeringan maksimum, yaitu :

(a) Luas permukaan

(b) Suhu


(c) Kecepatan udara

(d) Kelembapan udara

(e) Tekanan atm dan vakum

(f) Waktu.

Dalam rancang mesin ini faktor yang perlu diperhatikan untuk memperoleh

kecepatan pengeringan maksimum adalah :

• Suhu

Semakin besar perbedaan suhu ( antara medium pemanas dengan

bahan bahan) maka akan semakin cepat proses pindah panas

berlangsung sehingga mengakibatkan proses penguapan semaki cepat

pula. Atau semkain tinggi suhu udara pengeringan maka aka semakin

besar anergi panas yang dibawa ke udara yang akan menyebabkan

proses pindahan panas semakin cepat sengingga pindah massa akan

berlangsung juga dengan cepat.

Kecepatan udara

Umumnya udara yang bergerak akan lebih banyak mengambil uap air

dari permukaan bahan yang dikeringkan. Udara yang bergerak adalah

udara yang mempunyai kecepatan gerak yang tinggi yang berguna

untuk mengambil uap air dan menghilangkan uapa air dari permukaan

bahan yang dikeringkan, sehingga dapat mencegah terjadinya udara

jenuh yang dapat memperlambat penghilangan air.

Kelembaban Udara (RH)

Semakin lembab udara di dalam ruang pengering dan sekitarnya maka

akan semakin lama proses pengerngan berkangsung kering, begitu juga

sebaliknya. Karena udara kering dapat mengabsobsi dan menahan uap

air. Setiap bahan mempunyai keseimbangan kelembaban nisbi ( RH

keseimbangan) masing- maasin, yaitu kelembaban pada suhu tertentu

dimana bahan tidak akan kehilangan air ( pindah) ke atmosfir atau

tidak akan mengambil uap air dari atmosfir.


Jika RH udara < RH keseimbangan maka bahan masih dapat

dikeringkan

Jika RH udara > RH keseimbangan maka bahan malahan akan menarik

uap air dari udara.

Waktu

Semakin lama waktu (batas tertentu) pengeringan maka akan semakin

cepat proses pengeringan selesai. Dalam pengeringan diterapkan

konsep HTST ( High Temperature Short Time), short time dapat

menekan biaya pengeringan.

2.3 Pompa Kalor (Heat Pump)

Pompa kalor (heat pump) adalah suatu perangkat yang mentransfer panas

dari media suhu rendah ke suhu tinggi. Pompa kalor merupakan perangkat yang

sama dengan mesin pendingin (Refrigerator), perbedaannya hanya pada tujuan

akhirnya. Mesin pendingin bertujuan menjaga ruangan pada suhu rendah (dingin)

dengan membuang panas dari ruangan. Sedangkan pompa kalor bertujuan

menjaga ruangan berada pada suhu yang tinggi (panas). Hal ini di ilustrasikan

seperti pada gambar 2.1.

Ruang Panas (ruang yang

dimanfaatkan)

Ruang Panas

R

Ruang dingin (ruang yang

dimanfaatkan)

Wnet, in (required input)

QH

QL (desired output)

Ruang Dingin

HP Wnet, in (required input)

QL

QH (desired output)


Gambar 2.1 Refrigerator dan pompa kalor (heat pump)

Sumber: (Cengel and Boles 2006)

Pompa kalor memanfaatkan sifat fisik dari penguapan dan pengembunan

dari suatu fluida yang disebut dengan refrigeran. Pada aplikasi sistem pemanas,

ventilasi dan pendingin ruangan, pompa kalor merujuk pada alat pendinginan

kompresi-uap yang mencakup saluran pembalik dan penukar panas sehingga arah

aliran panas dapat dibalik. Secara umum, pompa kalor mengambil panas dari

udara atau dari permukaan. Beberapa jenis pompa kalor dengan sumber panas

udara tidak bekerja dengan baik setelah temperatur jatuh di bawah -5oC (23oF)

(http://id.wikipedia.org/wiki/Pompa_kalor n.d.).

2.3.1 Siklus Refrigerasi kompresi uap

Siklus refrigerasi kompresi uap merupakan silkus yang paling umum

digunakan untuk mesin pendingin dan pompa kalor. Komponen utama dari sebuah

siklus kompresi uap adalah :

1. Kompresor

Pada sistem mesin refrigerasi, kompresor berfungsi seperti jantung.

Kompresor berfungsi untuk mensirkulasikan refrigeran dan menaikan tekanan

refrigerant agar dapat mengembun di kondensor pada temperatur di atas

temperatur udara sekeliling.(www:Google/Komponen Utama Siklus Kompresi

Uap)

Berdasarkan cara kerjanya, kompresor yang biasa dipakai pada sistem

refrigerasi dapat dibagi menjadi:

.

(b) Refrigerator (a) Heat pump


KOMPRESOR

RECIPROCATING ROTARY EJEKTOR TURBO

VANE SCROLL ROLLINGPISTON SCREW CENTRIFUGAL AXIAL

Gambar 2. 2 Pembagian Kompresor (Teknik Pendingin & Pengkondisian Udara

,Dr. Eng. Himsar Ambarita, 2012, hal : 46)

Kompresor yang memerangkap refrigeran dalam suatu ruangan yang

terpisah dari saluran masuk dan keluarnya, kemudian dimampatkan. Kompresor

ini dapat dibagi lagi menjadi:

a. Kompresor torak (reciprocating)

b. Kompresor putar (rotary)

c. Kompresor sudu luncur (rotary vane atau sliding vane)

d. Kompresor ulir (screw)

e. Kompresor gulung (Scroll)

2. Kondensor,

Kondensor berfungsi sebagai untuk membuang kalor ke lingkungan,

sehingga uap refrigeran akan mengembun dan berubah fasa dari uap ke cair.

Sebelum masuk ke kondenser refrigeran berupa uap yang bertemperatur dan

bertekanan tinggi, sedangkan setelah keluar dari kondenser refrigeran berupa

cairan jenuh yang bertemperatur lebih rendah dan bertekanan sama (tinggi) seperti

sebelum masuk ke kondenser.

3. Katup Ekspansi,

Komponen utama yang lain untuk mesin refrigerasi adalah katup ekspansi.

Katup ekspansi ini dipergunakan untuk menurunkan tekanan dan untuk

mengekspansikan secara adiabatik cairan yang bertekan dan bertemperatur tinggi

sampai mencapai tingkat tekanan dan temperatur rendah, atau mengekspansikan


refrigeran cair dari tekanan kondensasi ke tekanan evaporasi, refrigeran cair

diinjeksikan keluar melalui oriffice, refrigeran segera berubah menjadi kabut yang

tekanan dan temperaturnya rendah.

Selain itu, katup ekspansi juga sebagai alat kontrol refrigerasi yang berfungsi :

1. Mengatur jumlah refrigeran yang mengalir dari pipa cair menuju

evaporator sesuai dengan laju penguapan pada evaporator.

2. Mempertahankan perbedaan tekanan antara kondensor dan evaporator

agar penguapan pada evaporator berlangsung pada tekanan kerjanya.

4. Evaporator,

berfungsi melakukan perpindahan kalor dari ruangan yang didinginkan ke

refrigeran yang mengalir di dalamnya melalui permukaan dindingnya.

Siklus refrigerasi kompresi uap ini dapat digambarkan seperti gambar

berikut:

Ruang panas

Condenser

QH

Evaporator

Katup ekspansi

Dingin Proses refrigerasi

Compressor Win

(a) Skema


Gambar 2.3 Skema, diagram T-s dan diagram P-h dari siklus refrigrasi

kompresi uap (Cengel and Boles 2006)

Dari gambar diatas, Siklus ini terdiri dari 4 proses, yaitu:

1-2 : Proses kompresi

Proses berlangsung dalam kompresor dan berlangsung secara isentropik

adiabatik. Refrigeran meninggalkan evaporator dalam wujud uap jenuh

dengan temperatur dan tekanan rendah, kemudian masuk dalam kompresor,

selanjutnya oleh kompresor uap dinaikkan tekanannya menjadi uap

bertekanan dan temperaturnya meningkat.

Dalam pengujian besarnya daya kompresor untuk melakukan kerja dapat

juga ditentukan dengan rumus:

.........................(handbook of industrial drying, third edition)

(2.1)

Dimana :

= daya listrik kompresor (Watt)

= tegangan listrik (Volt)

= kuat arus listrik (Ampere)

(c) Diagram T-s (b) Diagram P-h


= sudut antara daya nyata dan daya aktif (0,6 – 0,8)

2-3 : Proses kondensasi (pengembunan)

Proses berlangsung dalam kondensor. Refrigeran yang berasal dari

kompresor dengan tekanan tinggi dan temperatur tinggi masuk kedalam

kondensor untuk mengubah wujudnya menjadi cair. Terjadi pertukaran

kalor antara refrigeran dengan lingkungan (udara) sehingga panas berpindah

dari refrigeran ke udara pendingin yang menyebabkan uap refrigeran

mengembun menjadi cair.

Besarnya kalor per satuan waktu yang di lepaskan di kondensor

dinyatakan sebagai:

.........................................................................(2

.2)

(Teknik Pendingin & Pengkondisian Udara ,Dr. Eng. Himsar Ambarita,

2012, hal :5)

Dimana :

= besarnya kalor dilepas di kondensor (kJ/kg)

= entalpi refrigeran saat masuk kondensor (kJ/kg)

= entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg)

= laju aliran refrigeran pada sistem (kg/s)

3-4 : Proses ekspansi

Refrigeran (dalam wujud cair jenuh) mengalir melalui katup ekspansi.

Refrigeran mengalami ekspansi pada entalpi konstan dan berlangsung

secara irreversibel. Terjadi penurunan tekanan dan temperatur.

4-1 : Proses evaporasi (penguapan)


Proses terjadi didalam evaporator da berlangsung secara isobar isothermal

(tekanan konstan dan temperatur konstan). Refrigeran (fasa campuran uap-

cair) mengalir melalui evaporator. Panas dari lingkungan diserap refrigeran

melalui evaporator.

Proses ini berlangsung di evaporator secara isobar isotermal. Refrigerant

dalam wujud cair bertekanan rendah menyerap kalor dari lingkungan / media yang

di dinginkan sehingga wujudnya berubah menjadi gas bertekanan rendah.

Besarnya kalor yang diserap evaporator adalah :

............................................................ ................(2.3)

(Teknik Pendingin & Pengkondisian Udara ,Dr. Eng. Himsar Ambarita, 2012,hal

:5)

Dimana :

= kalor yang di serap di evaporator ( kW )

= efek pendinginan (efek refrigerasi) (kJ/kg)

= harga entalpi ke luar evaporator (kJ/kg)

= harga entalpi masuk ke evaporator (kJ/kg)

= laju aliran refrigeran pada sistem (kg/s)

2.3.2 Pengering Pompa Kalor

Prinsip kerja pengering pakaian pompa kalor diilustrasikan seperti gambar

2.4. Pompa kalor memberikan panas dengan mengekstraksi energi dari udara

sekitar. Panas kering udara diproses memasuki belakang drum dan berinteraksi

dengan cucian. Udara lembab yang hangat dari drum diproses melalui layar serat

dan melalui evaporator dimana sebagian besar kelembaban akan di hilangkan

sebelum mengalir melalui kondensor dan kembali ke drum.


Load Cell

RhT

RhT

RhT

1

23

C

RhT

RhT

RhT

1 2 3

Komputer(Data Logger)

EL-USB (Rh & Temperatur)

Gelas Ukur air

Kondensor

Kompresor

Kipas

Kipas

Katup Ekspansi

Evaporator

Anemometer

Gambar 2.4 Diagram pengering pakaian pompa kalor

Melalui skema siklus refrigrasi kompresi uap, panas yang dikeluarkan oleh

kondensor dimanfaatkan untuk mengeringkan pakaian. Udara panas dari

kondensor dialirkan ke ruang pengeringan, selanjutnya udara hasil pengeringan

menjadi lembab (basah). Udara dari ruang pengeringan kemudian dialirkan ke

evaporator untuk didinginkan dan dikeringkan, udara tersebut selanjutnya akan

menuju kondensor untuk dipanaskan. Demikian seteruanya siklus dari udara

pengering tersebut bersikulasi. Skema dari pengering pakaian ini terlihat pada

gambar 2.5.

Gambar 2.5 Skema pengeringan

Sumber: (Pal U.S 2010)

2.4 Kinerja Alat Pengering


Kinerja alat pengering salah satunya dapat ditentukan dari efisiensi

pengeringan. Efisiensi pengeringan merupakan perbandingan antara energi yang

digunakan untuk menguapkan kandungan air abahan dengan energi untuk

memanaskan udara pengering. Efisiensi pengeringan biasanya dinyatakan dalam

persen. Semakin tinggi nilai efisiensi pengeringan maka alat pengering tersebut

semakin baik.

2.4.1 Efisiensi Pengeringan

Perhitungan efisiensi pengeringan dapat dilakukan dengan menggunakan

persamaan:

.................................................................................... (2.4)

(Dipl. Ing (FH) D. Butz, Dipl. Ing (FH) M. Schwarz, Fachhochschule Fulda, Food

technology 2004 hal :142)

Dimana:

Qp adalah energi yang digunakan untuk pengeringan (kJ)

Q adalah energi untuk memanaskan udara pengering (kJ)

2.4.2 Spesific Moisture Extraction Rate (SMER)

Nilai laju ekstraksi air spesifik atau specific moisture extraction rate

(SMER) merupakan perbandingan jumlah air yang dapat diuapkan dari bahan

dengan energi listrik yang digunakan tiap jam atau energi yang dibutuhkan untuk

menghilangkan 1 kg air . Dinyatakan dalam kg/kWh.

Perhitungan SMER menggunakan persamaan (Mahlia, Hor and Masjuki

2010):

SMER = ( ) WcTTxCpxmX

outinudara +− ................................................ (2.5)

Dimana :

Mudara = laju aliran massa udara ( kg/s)

Cp = Panas Jenis udara (kJ/kg)

Tin = Temperatur udara masuk evaporator (0C)

Tout = Temperatur udara keluar evaporator (0C)

Wc = Daya kompressor (kW)

2.4.3 Specific Energy Consumption (SEC)


Documents

Chapter II