TEKNIK PERTANIAN: November 2017

PENGANTAR ANALISIS SISTEM PENGERINGAN ALAS TETAP

Pada bab-bab sebelumnya tentang prinsip psikometrik, kadar air kesetimbangan dan aliran udara telah dibahas. Bab ini berisi pengembangan prinsip-prinsip tersebut diatas menjadi analisis yang disederhanakan tentang pengeringan bijian dengan alas tetap. Analisis ini menggunakan persamaan kesimbangan panas sederhana yang memungkinkan perhitungan yang berhubung dengan waktu pengeringan, air yang dibuang dan sifat-sifat daerah pengeringan.

Proses Pengeringan

Gambar 7.1 adalah kurva dari proses pengeringan alas tetap. Udara pengering bergerak dari dasar ke alas-alas. Pertukaran kadar air dari biji ke udara terjadi pada kedalaman yang tetap atau pada daerah bijian. Pada awal proses pengeringan, daerah pengeringan terdapat pada dasar alas. Setelah pengeringan berlangsung terus, daerah ini bergerak keatas, dan bila daerah ini telah melampaui semua bijian, keseluruhan massa bijian dikeringkan dalam keseimbangan dengan udara pengering.

Bijian dibawah daerah pengeringan mencapai kondisi kesetimbangan dengan udara yang masuk dan memiliki kandungan air sebesar M_e. Bijian diatas daerah pengeringan belum mulai mengalami pengeringan dan tetap mempunyai kadar air sebesar M_o. Udara yang melewati bijian diatas daerah pengeringan dalam kesetimbangan dengan kadar air awal bijian. Saat melewati daerah pengeringan, udara membawa uap air secara evaporasi dan didinginkan dengan proses evaporasi dari T_a ke T_g.

Terdapat 2 gradien yang melintasi daerah pengeringan:

1. Gradien kadar air dari M_eke M_o

2. Gradien suhu dari T_e ke T_g.

Jika alas bijian adalah dangkal dan atau kecepatan udara adalah tinggi, daerah pengeringan biji berkembang meliputi seluruh alas, rata-rata kadar air akhir yang diinginkan bisa dicapai sebelum lapisan biji bawah mencapai kesetimbangan dengan udara pengering.

Kesetimbangan Panas Untuk Pengeringan

Bagian berikut ini membahas berbagai elemen dari persamaan (7.1)

Pada persamaan (7.1) dianggap bahwa panas sensibel yang ditangkap oleh udara yang melewati biji sama dengan panas laten penguapan yang diperlukan untuk menguapkan air dari bijian. Persamaan ini tidak mempertimbangkan perubahan suhu bijian yang terjadi bila udara lebih panas atau lebih dingin dibandingkan bijian pada saat mulai operasi. Juga persamaan (7.1) tidak mempertimbangkan kondensasi yang mungkin terjadi pada lapisan atas bijian pada saat mulai operasi pengeringan, atau perubahan kondisi sekitar.

PARAMETER PARAMETER PERSAMAAN KESETIMBANGAN PANAS (7.1) :

Laju Aliran Udara

Laju aliran udara (Q) melalui suatu sistem pengeringan bisa diperoleh dengan menggambar kurva sistem versus kursa kipas angin, seperti telah dijelaskan pada bab 6. Laju aliran udara ke sistem yang bekerja bisa juga diperoleh dengan pengukuran tekanan statis pada sistem dan menghitung aliran udara dari tekaan.

Suhu Udara Dan Volume Spesifik

Volume spesifik udara (v) dan penurunan suhu melalui massa bijian (Tn – Tg) diperoleh dari diagram psikrometrik. Sebelum nilai-nilai ini dapat ditentukan, dipilih kondisi udara sekitar daerah tersebut serta musim yang berlaku. Nilai yang ini mempunyai pengaruh penting pada perhitungan-perhitungan, terutama bila udara biasa digunakan untuk pengeringan.

Peta Suhu Bola Basah

Waite and Bern (1987) dan Schmidt and Waite (1962) menggambarkan peta-peta daerah di Amerika Serikat dan Kanda Selatan yang menunjukkan garis-garis dengan suhu sama untuk tiap bulan dalam satu tahun dari rata-rata suhu bola basah dan rata-rata penurunan suhu bola basah beserta simpangan bakunya.

Suhu Udara Plenum dan Volume Spesifik

Kondisi udara pada plenum yang merupakan masukan (input) pada persamaan (7.1) tergantung pada apakah udara telah mengalami pemanasan. Selama pengeringan udara alami, udara tidak dipanaskan dan kondisi plenum dan sekitarnya dianggap sama.

Kondisi Udara Luar

Pada bab 4, data kadar air kesetimbangan ditunjukkan sebagai garis-garis dengan suhu yang sama pada gambar kadar air versus kelembaban relatif. Pada analisis pada bab ini, penting sekali untuk menggabungkan data pada diagram psikrometrik sebagai kurva kelembaban kesetimbangan kadar sama.

Panas Penguapan

Panas yang diperlukan untuk menguapkan satu pound air dari bijian adalah merupakan fungsi kadar air bijian dan suhu dimana terjadi penguapan. Melintasi daerah pengeringan, penguapan terjadi pada suhu dan kadar air biji yang berubah terus menerus. Oleh sebab itu nilai panas penguapan juga berubah terus. Panas penguapan tertinggi terjadi pada bagian bawah dari daerah pengeringan dimana kadar air bijian adalah paling rendah dan panas penguapan paling rendah terjadi pada bagian atas dari daerah pengeringan dimana kadar air bijian adalah tertinggi.

Bahan Kering

Pada persamaan (7.1), DM adalah jumlah bahan kering didalam wadah. Jika kehilangan bahan kering karena diabaikan, kandungan bahan kering akan sama pada awal dan akhir proses pengeringan. Oleh sebab itu, penting sekali jumlah bahan kering awal pada proses pengeringan dapat dihitung.

Kadar Air Bijian

Pernyataan kadar air M_e dan M_o (berbasis kering, desintal) menyatakan kadar air pada awal pengeringan dan kadar air saat bijian mencapai kesetimbangan dengan kondisi udara pada plenum (M_e). Bila pengeringan dilaksanakan pada alas yang dalam (beberapa kali dari kedalaman daerah pengeringan), daerah pengeringan berada di atau dekat bagian atas massa bijian pada akhir operasi dan keseluruhan massa bijian mempunyai kadar air.

Penggunaan Persamaan (7.1)

Contoh 7.2 :

Wadah berdiameter 27 ft diisi sedalam 8ft dengan jagung pipil dengan kadar air 12.5% basis basah. Wadah ini terletak di Ames, lowa. Tekanan statis diukur pada kedalaman ft dari permukaan bijian dan tercatat 0.31 inchi air. Hitung waktu pengeringan jika digunakan udara tidak dipanaskan pada bulan september.

Penyelesaian 7.2 :

Aliran udara adalah ΔP = 0.93 inchi air/ 3 ft = 0.31 inchi air/ft

Dari kesamaan (6.2). aliran udara adalah 28.5 cgm/ft2

Total cfm = 28.5 cfm/ft2 x luas lantai (ft2)

= 28.5 x 573 = 16330 cfm

Kondisi udara sekeliling yang dibaca dari peta schmidt and waite (gambar c-2) adalah : Tab = 57.2ͦ F dan penurunan suhu bola basah = 63.5ͦ F.C = 0.24 Btu/lbͦ F dan hfg = 1.200 Btu/lb. Kondisi udara pada plenum dari diagram psikrometrik.

Ta = 63.5ͦ F, φa = 67%, v= 13.60 ft3/lb

Analisis Sistem Pengeringan Alas Dalam

Kurva pada gambar 7.4 diciptakan Hukill (1947, 1954). Kurva ini dinamakan kurva pengeringan “total” dan dapat digunakan untuk kadar air pada seberang kedalaman bijian pada sistem pengeringan dengan dalam pada setiap saat setelah pengeringan dimulai.

Perbandingan Kadar Air

Pernyataan matematik untuk kura pada gambar 7.4 dinyatakan dengan persamaan (7.2)

Dimana : MR = (M-Me) / (M_o-M_e)

Faktor Kedalaman

Salah satu faktor kedalaman berisi jumlah bahan kering yang dapat dihitung dengan kesetimbangan panas yang mirip dengan persamaan (7.1). Dalam hal ini, t dibuat sama dengan t2 dan DM’ dihitung:

Satuan Waktu

Daerah Pengeringan

Kurva pada gambar 7.4 menduga pendekatan terhadap M_o dan M_e sebagai suaru “asimtot”. Dari kurva ini akan sulit untuk menyatakan kapan kadar air bijian mulai jatub dibawah M_o atau kapan M_e. Untuk menghilangkan keraguan, kita anggap daerah pengeringan berisi 13 faktor kedalaman.

Pengaruh T1/2

Sumber : Brooker, D. B dan Bakker, F.W. 1974. Pengeringan Dan Penyimpanan Biji-Bijian Dan Biji Minyak Nabati, Terjemahan Rahmad Hari Purnomo tahun 1997. Indralaya : Fakultas Pertanian, Universitas Sriwijaya

ALIRAN UDARA PADA PENGERINGAN

Pada operasi pengeringan, udara membawa panas ke sistem untuk menguapkan kadar air dan kemudian membawa air hasil penguapan keluar dari sistem. Pada sistem aerasi, udara digunakan untuk membawa panas yang aa didalam siistem, sehingga menyebabkan pendinginan pada produk. Udara juga digunakan untuk membawa bahan kimiaa ke dalam sistem untuk pengendalin pertumbuhan mikro-organisme. Oleh sebab itu penting sekali dipahami prinsip-prinsip dasar pergerakan udara dan sifat-sifat peralatan penggerak udara.

TAHANAN TERHADAP ALIRAN UDARA

Tahanan Bijian Terhadap Aliran Udara

Jika udara di alirkan melalui suatu lapisan bijian, tahanan terhadap aliran, yang disebut sebagai penurunan tekanan akan terbentuk sebagai hasil kehilangan energi melalui gesekan dan turbulensi. Penurunan tekanan untuk liran udara melalui sebarang produk tergantung pada laju aliran udara, sifat-sifat permukaan dan bentuk produk, jumlah, ukuran dan susunan pori-pori, keragaman ukuran partikel, dan ketebalan produk.

Laju aliran udara dinyatakan sebagai laju aliran massa. Dta pada gambar 6-1A dan gambar 6-1B diperoleh dengan menggunakan persamaan di bawah ini:

Data dapat disajikan dalam bentuk persamaan dibawah ini, dengan Qa sebagai ∆P’ pada kisaran seperti persamaan diatas:

Tahanan Logam Berlubang Terhadap Aliran Udara

Bila udara dialirkan ke massa bijian melalui lantai logam berlubang, terbentuk penurunan tekanan melintang logam tersebut. Jika luasan lubang 10 % atau lebih luas permukaan total, penurunan tekanan melalui lubang adalah kecil dibanfdingkan penurunan tekanan melalui massa bijian serta dapat diabaikan.

Henderson menemukan bahwa penurunan tekanan melalui logam berlubang yang ditutupi oleh massa bijian adalah :

(Satuan Inggris)

dimana :

€ = ruang pori pada bijian % desimal

Q_f= bukaan lubang pada lantai logam, % desimal

KIPAS ANGIN

Kipas Angin Aliran Aksial

Baling-baling kipas angin aliran aksial langsung disambungkan pada poros motor; motor disambung didalam suatu tabung yang berfungsi sebagai rumah kipas dan rumah motor. Kipas angin baling-baling aksial memiliki sekelompok baling-baling pengatur didalam tabung yang terletak diatas dan dibawah baling-baling kipas. Baling-baling merubah sebagian energi dari putaran angin pada ujung baling dan energi putar udara dari kipas angin menjadi tekanan statis. Kipas angin ini digunakan untuk mengeringkan bijian yang memiliki perbandingan bagian pusat dan bagian ujung yang tinggi dengan diameter bagian pusat 50% lebih besar dari diameter bagian ujung.

Kipas Angin Sentrifugal

Jari-jari kipas angin sentrifugal berbentuk lengkung terbalik terdiri dari bagian pusat, plat belakang baling-baling dan cincin penahan. Kipas angin sentrifugal juga disusun dalam lebar ganda,pemasukkan ganda, dimana dua roda ganda diputar oleh satu poros dan udara masuk kedalam pada kedua sisi rumah kipas. Roda kipas dari kipas angin sentrifugal yang digunakan untuk pengeringan biji-bijian disambung pada poros motor.

Uji Kipas Angin

The Air Moving and Conditioning Association (AMCA) telah menciptakan kode uji baku peralatan penggerak udara. Informasi dari kode uji yang paling penting untuk memilih kipas angin bagi pengeringan biji-bijian adalah aliran udara versus tekanan statis, tenaga yang dikeluarkan oleh motor penggerak, dan efisiensi statis.

Perbandingan Kipas Angin

Kinerja kipas angin aliran aksial dengan pemilihan ukuran kipas angin yang tepat pada sebarang operasi kerja, kipas angin aliran aksial akan beroperasi pada daerah efiseian dan motor tidak akan mendapatkan beban berlebih, bagaimanapun perubahan yang terjadi pada karakteristik sistem. Kipas angin aliran aksial digolongkan sebagai tidak memiliki beban berlebih. Kebanyakkan sistem pengeringan pada bidang pertanian akan bekerja pada tekanan besar sebesar 4 inci air 1000 pa atau kurang, oleh sebab itu kipas angin baking aksial adalah kipas angin yang paling terkenal pada pengerigan bidang pertanian. Sedangkan sistem pengering akan bekerja pada tekanan 6 inci 1200 pa atau lebih, maka harus menggunakan kipas angin sentrifugal.

KADAR AIR KESETIMBANGAN BIJIAN

Pada bab ini akan mempelajari tentang kadar air kesetimbangan bijian. Kadar air setimbang adalah kadar air bahan yang tidak bisa berubah lagi pada kondisi RH dan suhu tertentu. Dalam mempelajari pengeringan bijian sangat penting untuk mengetahui EMC atau kadar air kesetimbangan karena EMC menentukan kadar air minimum dimana bijian bisa dikeringkan pada kondisi pengeringan tertentu. EMC merupakan kadar air dimana tekanan uap di dalam produk berada dalam kesetimbangan dengan tekanan uap lingkungan sekitarnya. EMC tergantung pada kondisi kelembaban dan suhu lingkungan serta spesies, varietas, dan tingkat kematangan bijian.

Karena prinsip dasar pengeringaan adalah perbedaan tekanan uap air bahan dan tekanan uap air udara maka RH yang merupakan rasio tekanan uap air udara dengan tekanan uap air jenuh pada suhu yang sama akan menentukan apakah suatu bahan dapat dikeringkan atau tidak. Jika tekanan uap air bahan sama dengan tekanan uap air udara maka tidak akan terjadi pengeringan. Tekanan uap air bahan salah satunya detentukan oleh kadar airnya selain kandungan bahan kimia dan struktur bahan.Kadar air setimbang bahan pada berbagai RH diperlihatkan pada tabel berikut:

Penentuan Kadar Air Kesetimbangan

Teknik penentuan EMC pada tekanan atmosfir ada dua, yaitu yang bersifat dinamis dan bersifat statis. Metode statis memerlukan beberapa minggu sebelum mencapai kesetimbangan dan pada RH dan suhu tinggi kemungkinan bijian akan ditumbuhi cendawan sebelum mencapai kesetimbangan, sehingga banyak orang yang lebih menggunakan metode dinamis karena lebih cepat.

Persamaan Kelvin, Pada tahun 1871 Kelvin membuat model penyerapan kadar airbahan padat dengan menganggap pencairan secara kapiler didalam pori – pori. Hubungan antara tekanan uap pada cairan secara kapiler (P_v) dan tekanan uap jenuh pada suhu yang sama (P_vs) adalah dasar teori pencarian kapiler.

Persamaan Langmuir, model kinetik dari penyerapan yang dikembangkan oleh Langmuir (1918) menjelaskan bahwa penyerapan lapisan tunggal dari uap air pada permukaan bagian dalam kulit bijian dalam terminology gaya – gaya kimia yang tidak seimbang.

Keterangan:

V = volume uap air yang diserap secara isothermal oleh bijian.

V_m= volume uap air yang diserap saat permukaan bijian tertutup penuh molekul lapisan tunggal.

Persamaan BET, Brunauer, Emmet, dan Teller (1938) mengajukan persamaam BET untuk penyerapan molekuler lapisan majemuk, yang juga didasarkan pada energi kinetik. Pada model ini, permukaan bagian dalam kulit bijian dianggap sebagai susunan sisi penyerapan spesifik dan setiap sisi mampu menyerap lebih dari satu molekul air.

Persamaan Harkins – Jura, yaitu total kerja yang diperlukan untuk menyerap atau melepas suatu molekul dapat dianggap samadengan jumlah kerja yang diperlukan oleh suatu molekul uap untuk mengatasi kekuatan medan, ditambah kerja untuk kondensasi. Persamaan ini mampu memperkirakan dengan baik kesetimbangan kadar air isotermal pada RH diatas 30% (Gustafson,1072) dan RH dibawah 50% (Chirifie dan Iglesias, 1978).