KAJIAN PENGERING ROTARI TIPE CO-CURRENT UNTUK PENGERINGAN SAWUT UBIJALAR

HENDRI SYAH

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

2008

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI

Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis “Kajian Pengering Rotari Tipe Co-Current untuk Pengeringan Sawut Ubijalar” adalah karya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun 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 pada bagian akhir tesis ini.

Bogor, Juli 2008 Hendri Syah NIM F151050041

ABSTRACT

HENDRI SYAH. Study on Co-Current Rotary Dryer for Sweet Potato Grates. Under supervision of I WAYAN BUDIASTRA, SUROSO, and LEOPOLD OSCAR NELWAN.

Rotary drying is a very complicated process that implies not only thermal drying but also movement of wet material within the dryer. The objective of this research were to evaluate performance of rotary dryer, to identify amount of energy consumption which are used during the drying process, to develop model of rotary drying and to identify drying cost per kg of sweet potato grates. Drying characterisctics of product need to be established because of important information for the design, prediction, and modelling. The model of rotary drying was constructed based on energy and mass balance. The differential equations were solved by simultaneous-numerically. This model applied to predict temperature dryer chamber, temperature product, moisture content and RH.

The result showed that the performance of rotary dryer depends on feed rate sweet potato grates into drying chamber. High feed rate could decrease temperature in drying chamber. The residence time of all experiments were 18 minutes. Hold-up of all experiments in this study were relatively low that ranges 9-36 kg. The specific energy consumption in all of the experiments was between 5.51-14.26 MJ/kg H2O. The high feed rate (3 kg/1 min) had the lowest specific energy consumption. Conversely, the lowest feed rate (3 kg/4 min) had the highest specific energy consumption for all experiments. The high total efficiency could be found from high feed rate, the feed rate (3 kg/1 min) is highest total efficiency for all experiments. The model can be used to obtain temperature profiles of air and the product in dryer chamber. Using the model, change of air temperature and product during drying were successfully predicted. Coefficient of determination (COD) between measured and calculated ranges 0.819-0.992, respectively. However, the model could not predict moisture content and RH accurately. The drying cost of grates is Rp 1 494 per kg wet grates. It is relatively expensive for drying.

Key words : co-current rotary dyer, specific energy consumption, feed rate,

efficiecy

RINGKASAN HENDRI SYAH. Kajian Pengering Rotari Tipe Co-current untuk Pengeringan Sawut Ubijalar. Dibawah bimbingan I WAYAN BUDIASTRA, SUROSO, dan LEOPOLD OSCAR NELWAN.

Pengeringan sawut merupakan salah satu rantai pengolahan tepung ubijalar

yang kritis karena proses ini sangat mempengaruhi mutu dan daya guna untuk

pengolahan selanjutnya serta penyimpanan. Pengering tipe kontinyu merupakan

pengering buatan yang sesuai digunakan untuk kebutuhan industri pengolahan

tepung yang menekankan kepada kualitas, kuantitas, dan kontinuitas produksi.

Dalam kajian ini digunakan pengering rotari tipe co-current sebagai alternatif

pengering tipe kotinyu untuk pengeringan sawut ubijalar. Pengering dengan

kapasitas yang besar akan banyak menghadapi berbagai masalah seperti kinerja,

konsumsi energi, serta biaya yang dikeluarkan untuk pengeringan. Pengunaan

model matematik diperlukan untuk menduga distribusi suhu udara, suhu bahan,

kadar air dan RH di dalam ruang pengering yang sulit diukur secara langsung.

Secara garis besar penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi kinerja dan

menentukan konsumsi energi pengering rotari untuk pengeringan sawut ubijalar,

mengembangkan model matematika pengering rotari dan melakukan simulasi

serta menentukan biaya pokok pengeringan sawut ubijalar.

Penelitian ini didahului dengan pengukuran sifat termofisik dari sawut

ubijalar sebagai parameter pengeringan. Penentuan kadar air keseimbangan (Me)

dan konstanta pengeringan (k) menggunakan pengeringan lapisan tipis sedangkan

perhitungannya dipecahkan menggunakan metode non linear least square. Uji

kinerja pengering rotari didahului dengan menguji suhu inlet dan ruang pengering

tanpa menggunakan kontrol suhu dan tanpa beban. Pengujian selanjutnya adalah

mengunakan kontrol suhu yang terbagi dua pengujian yaitu pengujian tanpa beban

dan menggunakan beban (pengeringan sawut ubijalar). Pengujian tersebut diiringi

dengan pengukuran laju konsumsi bahan bakar, listrik, dan parameter pengeringan

lain untuk menghitung konsumsi energi. Pengujian dengan menggunakan kontrol

suhu dan beban dibagi menjadi 4 percobaan berdasarkan laju pengumpanan sawut

yaitu 3 kg/1 menit, 3 kg/2 menit, 3 kg/3 menit, dan 3 kg/4 menit. Model

matematik pengering rotari dibagun dengan acuan keseimbangan massa dan

energi, persamaan diferensial diselesaikan secara numerik dengan metode beda

hingga Euler secara simultan. Biaya pokok pengeringan setiap percobaan

didasarkan kepada biaya tetap dan biaya tidak tetap.

Pada penelitian ini waktu tinggal (waktu pengeringan) semua percobaan

adalah sama sebesar 18 menit, dengan hold-up berkisar antara 9-36 kg sawut. Laju

pengumpanan sawut ke ruang pengering menyebabkan penurunan suhu di ruang

pengering. Semakin besar laju pengumpanan maka semakin besar juga penurunan

suhunya dan sebaliknya. Kadar air sawut kering rata-rata yang diperoleh pada

percobaan I, II, III, dan IV masing-masing 64.98, 36.23, 19.29, dan 9.01%bk.

Semakin kecil laju pengumpanan maka semakin rendah kadar air sawut kering

yang dihasilkan.

Konsumsi minyak tanah pada semua percobaan berkisar antara 0.183-0.207

lt/menit, lebih rendah daripada konsumsi minyak tanah tanpa kontrol suhu yaitu

sebesar 0.256 lt/menit. Konsumsi energi spesifik merupakan total jumlah energi

per jumlah air yang diuapkan selama proses pengeringan, Konsumsi energi

terendah dihasilkan dari laju pengumpanan yang tinggi (3 kg/1 menit) sebesar

5.09 MJ/kg H2O. Efisiensi total tertinggi juga dihasilkan dari percobaan dengan

laju pengumpanan yang tinggi yaitu 43.91%. Kebalikannya, percobaan dengan

laju pengumpanan yang rendah (3 kg/4 menit) memiliki mutu fisik sawut kering

yang paling baik dengan kadar air rata-rata 8.26%bb dan nilai L sebesar 82.76.

Model matematik dapat digunakan untuk memprediksi suhu ruang pengering,

hal ini terlihat dari nilai Coefficient of Determination (COD) berkisar antara

0.819-0.992. Demikian pula dengan suhu sawut juga dapat diduga profil suhunya,

dimana error yang dihasilkan cukup rendah berkisar antara 0.6-1.3 oC. Tetapi,

model tidak dapat menduga distribusi kadar air dan RH secara akurat.

Biaya pokok pengeringan yang diperoleh sebesar Rp 1 494/kg sawut basah

atau Rp 4 747/kg sawut kering. Ini merupakan biaya pokok pengeringan yang

ideal karena sawut yang dihasilkan sudah kering atau kadar airnya rendah.

Kata kunci: pengering rotari tipe co-current, sawut, laju pengumpanan, kinerja, konsumsi energi spesifik, Coefficient of Determination.

© Hak cipta milik IPB, tahun 2008 Hak cipta dilindungi Undang-undang

1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa

mencantumkan atau menyebutkan sumber : a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan

karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah

b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang menggunakan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya

tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.

KAJIAN PENGERING ROTARI TIPE CO-CURRENT UNTUK PENGERINGAN SAWUT UBIJALAR

HENDRI SYAH

Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Magister Sains pada Departemen Ilmu Keteknikan Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

2008

Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Rokhani Hasbullah, M.Si

Judul Tesis : Kajian Pengering Rotari Tipe Co-Current untuk Pengeringan Sawut Ubijalar Nama : Hendri Syah NIM : F151050041

Disetujui

Komisi Pembimbing

Dr. Ir. I Wayan Budiastra, M.Agr Ketua

Dr. Ir. Suroso, M.Agr Dr. Ir. Leopold Oscar Nelwan, M.Si

Anggota Anggota

Diketahui

Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana Ilmu Keteknikan Pertanian

Prof.Dr.Ir.Armansyah H Tambunan Prof.Dr.Ir Khairil Anwar Notodiputro, MS

Tanggal Ujian : Tanggal Lulus :

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya

sehingga tesis ini berhasil diselesaikan. Judul dari tesis ini ialah “Kajian Pengering

Rotari Tipe Co-Current untuk Pengeringan Sawut Ubijalar ”.

Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Ir. I Wayan Budiastra, M.Agr selaku

ketua komisi pembimbing dan Dr. Ir. Suroso, M.Agr dan Dr. Ir. Leopold Oscar

Nelwan, M.Si selaku anggota komisi pembimbing yang telah memberikan saran dan

kontribusi yang sangat berharga terhadap tesis ini. Disamping itu, penghargaan

penulis sampaikan kepada Program kemitraan Agro-Machinery Industrial Interface

Unit (AMIn unit) Departemen TEP dan Program RUSNAS Diversifikasi Pangan

Departemen ITP IPB yang telah membantu penelitian ini, Bapak Pen Supendi dan

Bapak Edi di KUD Jasa Mukti Cibungbulang Bogor, Bapak Harto, Mas Firman,

dan Mas Darma di Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian Departemen

TEP IPB atas bantuan dan dukungan tempat dan peralatan penelitian, serta kepada

teman-teman seangkatan S2 TEP 2005 dan S2 TPP 2006 atas kebersamaan dan

persahabatan.

Ungkapan rasa terima kasih yang mendalam disampaikan kepada ayahanda

(Abdullah Y), ibunda tercinta (Sitti Hasanah), serta seluruh keluarga, atas segala doa

dan kasih sayangnya.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Juli 2008 Hendri Syah

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Tapaktuan (Aceh Selatan), 5 April 1977. Penulis

merupakan putra kedua dari pasangan Abdullah Y dan Sitti Hasanah.

Pada tahun 1995, penulis diterima sebagai mahasiswa di Jurusan Teknik

Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian IPB melalui jalur USMI dan lulus tahun

1999. Pada tahun 2005, penulis melanjutkan pendidikan di Sekolah Pascasarjana

IPB pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian dengan beasiswa dari

Departemen Pendidikan Nasional, Dirjen Pendidikan Tinggi melalui BPPS.

Penulis bekerja sebagai dosen tetap sejak tahun 2002 di Universitas Syiah

Kuala, Fakultas Pertanian, Jurusan Teknik Pertanian.

DAFTAR ISI

Halaman DAFTAR ISI ......................... ............................................................................. i DAFTAR TABEL ................. ............................................................................. ii DAFTAR GAMBAR ............ ............................................................................. iii DAFTAR LAMPIRAN ......... ............................................................................. v DAFTAR SIMBOL ............... ............................................................................. vi PENDAHULUAN .............................................................................................. 1

Latar Belakang .............................................................................................. 1 Tujuan ........................................................................................................... 3

TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................... 4

Ubijalar .......................................................................................................... 4 Mekanisme Pengeringan ............................................................................... 6 Termofisik Udara Pengering ......................................................................... 8 Kadar Air Keseimbangan (Me) dan Konstanta Pengeringan (k) .................. 9 Pengering Rotari (Rotary Dryer) .................................................................. 11

PENDEKATAN TEORI ................................................................................... 15

Sistem Pengering Rotari ................................................................................ 15 Kebutuhan Energi dan Efisiensi Pengering Rotari ....................................... 18 Model Fisik Pengering Rotari ....................................................................... 20

METODOLOGI PENELITIAN ...................................................................... 23

Tempat dan Waktu Penelitian ....................................................................... 23 Bahan dan Alat .............................................................................................. 23 Deskripsi dan Spesifikasi Pengering Rotari .................................................. 23 Metode Penelitian ......................................................................................... 27 Simulasi Model dan Validasi ........................................................................ 33

HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................................... 35 Sifat Termofisik ............................................................................................ 35 Suhu dan RH Lingkungan ............................................................................. 41 Performansi Pengering Rotari ....................................................................... 43 Kebutuhan Energi Pengering Rotari ............................................................. 59 Mutu Pengeringan ......................................................................................... 64 Validasi Model .............................................................................................. 65 Biaya Pokok Pengeringan ............................................................................. 73

SIMPULAN DAN SARAN ............................................................................... 76 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 77 LAMPIRAN ....................................................................................................... 81

DAFTAR TABEL Halaman 1. Sifat fisik ubijalar berdasarkan varietas (Hilman 2005) ............................... 5 2. Mutu Ubijalar (SNI 01- 4493-1998) ............................................................. 5 3. Perbandingan antara pengering rotari dengan pengering pesaingnya

(Mujumdar dan Devastin 2001) .................................................................... 13 4. Spesifikasi silinder dan flight ........................................................................ 24 5. Bagian dan spesifikasi dari penukar panas .................................................... 26 6. Perlakuan pengumpanan bahan ..................................................................... 31 7. Neraca massa ubijalar pra pengeringan ......................................................... 37 8. Nilai Me, k, dan faktor bentuk (A) hasil perhitungan ................................... 39 9. Laju aliran massa udara pada burner ............................................................ 44 10. Efisiensi tungku ............................................................................................. 44 11. Analisis dan kinerja penukar panas ............................................................... 46 12. Perhitungan penurunan tekanan pada penukar panas.................................... 47 13. Waktu operasi pengeringan dan waktu tinggal ............................................ 57 14. Laju aliran massa rata-rata uap air dan padatan ............................................ 59 15. Konsumsi minyak tanah ................................................................................ 60 16. Pemanfatan energi untuk pengeringan sawut ubijalar .................................. 61 17. Konsumsi energi dan efisiensi pengering rotari ............................................ 63 18. Mutu fisik sawut kering ................................................................................ 64 19. Berat sawut kering dan susut ........................................................................ 64 20. Faktor koreksi yang digunakan pada model ................................................. 71 21. Komponen biaya tidak tetap (Rp/kg sawut basah) ........................................ 73

DAFTAR GAMBAR

Halaman 1. Ubijalar (Ipomoea batatas L.) ....................................................................... 4 2. Diagram alir pengolahan ubijalar (Widowati et al. 2000) ............................ 6 3. Kurva karakteristik pengeringan ................................................................... 7 4. Proses pengeringan dalam grafik psikrometrik ............................................. 8 5. Aliran bahan dan udara pada pengering rotari tipe co-current (Barr-Rosin

1996) ............................................................................................................ 12 6. Perubahan suhu udara dan bahan pada pengering rotari tipe co-current

(Barr-Rossin 1996) ....................................................................................... 12 7. Sistem pengering rotari ................................................................................ 15 8. Susunan pipa penukar panas (Staggered arrangement) ................................ 18 9. Grafik faktor f dan x (Zukauskas 1985 dalam Cengel 2003) ........................ 18 10. Model fisik pengering rotari.......................................................................... 20 11. Volume Kendali ............................................................................................ 20 12. Silinder (a) dan Flight (b) ............................................................................. 24 13. Motor penggerak (a) dan burner pada tungku (b) ......................................... 25 14. Penukar panas (a) dan kipas (b) .................................................................... 27 15. Diagram alir pengeringan lapisan tipis sawut ubijalar .................................. 28 16. Algoritma perhitungan A, k, dan Me (Abdullah et al. 2007) ...................... 29 17. Proses penyawutan (a) dan penirisan (b) ...................................................... 30 18. Diagram alir proses pengeringan sawut ubijalar ........................................... 31 19. Pengukuran suhu: (a) sawut, (b) ruang pengering, dan (c) pembakaran ....... 33 20. Densitas curah sawut ubijalar........................................................................ 36 21. Penurunan kadar air sawut ubijalar pada pengeringan lapisan tipis ............. 39 22. Hubungan antara suhu absolut dengan konstanta pengeringan ..................... 40 23. Suhu dan RH lingkungan setiap percobaan: (a) percobaan I,

(b) percobaan II, (c) percobaan III dan (d) percobaan IV ............................ 42 24. Suhu, RH dan H rata-rata lingkungan selama proses pengeringan ............... 43 25. Suhu pembakaran dalam tungku ................................................................... 45 26. Suhu inlet tanpa kontrol suhu ........................................................................ 49 27. Suhu ruang pengering tanpa kontrol suhu ..................................................... 50 28. Suhu rata-rata sepanjang silinder (tanpa kontrol) ......................................... 51 29. Suhu inlet dan ruang pengering dengan kontrol suhu dan tanpa beban ....... 52 30. Suhu rata-rata sepanjang silinder (kontrol suhu dan tanpa beban) ............... 53 31. Profil suhu ruang pengering pada pengumpanan 3 kg/2 menit ..................... 54 32. Profil suhu ruang pengering pada pengumpanan 3 kg/4 menit ..................... 55 33. Kadar air awal dan akhir sawut ..................................................................... 58 34. Konsumsi energi spesifik .............................................................................. 62 35. Suhu ruang pengering (model dan pengukuran) pada pengumpanan

3 kg/1 menit .................................................................................................. 66 36. Suhu ruang pengering (model dan pengukuran) pada pengumpanan

3 kg/2 menit .................................................................................................. 66 37. Suhu ruang pengering (model dan pengukuran) pada pengumpanan

3 kg/3 menit .................................................................................................. 67

38. Suhu ruang pengering (model dan pengukuran) pada pengumpanan 3 kg/4 menit .................................................................................................. 67

39. Pengukuan suhu sawut pada bagian outlet a) laju pengumpanan 3 kg/3 menit dan b) laju pengumpanan 3 kg/4 menit ............................................... 69

40. Suhu sawut hasil simulasi ............................................................................. 69 41. Hasil simulasi penurunan kadar air setiap pengumpanan (faktor koreksi) ... 72 42. Biaya pokok pengeringan sawut ubijalar ...................................................... 75

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman 1. Gambar pengering rotari tipe co-current ...................................................... 81 2. Penukar panas (Heat Exchanger) .................................................................. 82 3. Mesin penyawut mekanis .............................................................................. 83 4. Data warna umbi ubijalar .............................................................................. 84 5. Data hasil pengukuran penurunan kadar air pada pengeringan lapisan

tipis sawut ubijalar ........................................................................................ 85 6. Sifat termofisik udara lingkungan tiap percobaan ........................................ 86 7. Suhu pembakaran di dalam tungku ............................................................... 87 8. Perhitungan penurunan tekanan .................................................................... 89 9. Suhu inlet dan ruang pengering dengan kontrol suhu dan tanpa beban

(pengujian I) .................................................................................................. 91 10. Grafik suhu ruang pengering pada pengumpanan 3 kg/1 menit (a) dan

Pengumpanan 3 kg/3 menit (b) ..................................................................... 93 11. Fluktuasi RH pada outlet ............................................................................... 94 12. Grafik kecepatan udara dalam ruang pengering ............................................ 95 13. Hasil pengukuran kadar air umbi dan sawut ubijalar .................................... 96 14. Data warna sawut kering ............................................................................... 97 15. Tampilan hasil simulasi ................................................................................ 98 16. Asumsi-asumsi perhitungan biaya pokok pengeringan ................................ 99

DAFTAR SIMBOL

Simbol A Luas permukaan panas (m2) AL Luas penampang saluran (m2) Cpu Panas spesifik udara (kJkg-1 oC-1) Cpp Panas spesifik sawut (kJkg-1 oC-1)

Cpl Panas spesifik uap air (kJkg-1 oC-1) Cpw Panas spesifik air (kJkg-1 oC-1) c1 dan c2 Konstanta pada persamaan Arhenius. D Diameter saluran (m) f Faktor gesekan Gu Debit udara (m3/s) hf Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg) hfg Panas laten penguapan air (kJ/kg) hcv Koefisien perpidahan panas volumetrik (W/oCm3) H Kelembaban mutlak (kg H20)/kg udara kering) k Konstanta pengeringan (s-1) L Panjang silinder (m) Lu Panas laten uap air (kJ/kg) Lp Panas laten produk (kJ/kg) LMTD Logarithmic Mean temperature Difference muap Massa uap air (kg H2O) Me Kadar air keseimbangan (%bk) M Kadar air bahan (%bk) m Kadar air bahan (%bb) NL Jumlah tube dalam shell secara tranversal (unit) N Jumlah tube pada penukar panas n Parameter pengeringan pada persamaan Page P Tekanan udara (Pa) Pv Tekanan uap air (Pa) Ps Tekanan uap air jenuh (Pa) Qu Panas untuk menguapkan air pada produk (J) Qp Panas untuk memanaskan produk (J) Qd Panas untuk pengeringan (J) Qt Panas total (J) Qm Energi mekanik (J) Q Laju aliran udara (m3/s m2) Re Bilangan reynold ST Jarak antar tube pada penukar panas (m) S1,2,..n Volume kendali pada model fisik pengering rotari Tu Suhu udara pengering (oC) Tp Suhu sawut (oC) Ts Suhu pembakaran (oC) Ta Suhu lingkungan (oC) tr Waktu tinggal (s)

U Koefisien perpindahan panas konveksi menyeluruh (W/oCm2) ΔP Penurunan tekanan (Pa) ρu Kerapatan udara (kg/m3) ε Faktor kekasaran pipa (mm) υ Kecepatan udara (m/s)

um•

Laju aliran massa udara (kg/s)

ukm•

Laju aliran massa udara kering (kg/s)

pm•

Laju aliran massa produk (kg/s)

pdm•

Laju aliran massa padatan (kg/s)

fm•

Laju aliran massa bahan bakar (kg/s)