Pemanfaatan Limbah Sekam Padi Sebagai Sumber Kalor Ruang Pengering Produk Pertanian
Anak Agung Putu Susastriawan 1* , Fredy Surahmanto 2 , Suparni Setyowati Rahayu 3
1 Jurusan Teknik Mesin, Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta, Indonesia
2 Jurusan Teknik Mesin, Universitas Negeri Yogyakarta, Indonesia
3 Jurusan Teknik Lingkungan, Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta, Indonesia * Koresponden email : agung589E@akprind.ac.id
Diterima: 14 Juni 2023 Disetujui: 22 Juli 2023

## Abstract
Biomass  potential  in  Indonesia  is  promising  resources  as  a  heat  source  of  biomass  dryer.  The  present research purposes to utilize waste of rice husk as energy source of biomass dryer and investigate dryer’s performance. The work is started by designing and manufacturing the dryer which is consist of biomass furnace, drying cabinet, blower, and exhaust fan. The dryer is tested for drying red chili.  The performance of the dryer in terms of efficiency and specific energy consumption (SEC) is evaluated at force convection and natural convention modes. The result shows the dryer work properly for drying chili  either  in force convection mode or natural convection force. Efficiency of the dryer operated in force convection mode is higher than that operated in natural convection mode. The SEC of the dryer is lower for force convection mode. Efficiency of the dryer under force convection mode and natural convection mode are 25,12% and 10,50%. Meanwhile, the SEC are 198370,37 kJ/kg water vapor for force convection dryer and 918171,42 kJ/kg water vapor for free convection dryer.
Keywords: Heat, waste, dryer, agriculture, rice husk

## Abstrak
Limbah  biomassa  di  Indonesia  sangat  berpotensi  sebagai  sumber  energi  kalor  ruang  pengering  produk pertanian.  Penelitian  ini  bertujuan untuk  memanfaatkan  limbah  sekam padi  menjadi  sumber  kalor untuk pengeringan produk pertanian serta mengetahui unjuk kerja ruang pengering dengan bahan bakar sekam padi.  Penelitian  diawali  dengan  pembuatan  rancang  bangun  mesin  pengering  yang  dilanjutkan  dengan pengujian  unjuk  kerja.  Mesin  pengering  memiliki  komponen  utama  berupa  tungku  pembakaran,  ruang pengering, blower, dan suction fan .  Pengujian unjuk kerja mesin pengering dilakukan untuk pengeringan cabai.  Tujuan  penelitian  adalah  untuk  mengetahui  pengaruh  mode  aliran  konveksi flue  gas terhadap efisiensi dan konsumsi energi spesifik (SEC) mesin pengering. Hasil penelitian menunjukkan bahwa mesin pengering dapat beroperasi dengan baik. Efisiensi mesin pengering aliran konveksi paksa lebih tinggi dari efisiensi mesin pengering aliran konveksi alami dan sebaliknya SEC mesin pengering aliran paksa lebih rendah dari SEC mesin pengering aliran konveksi alami. Efisiensi mesin pengering mencapai 25,12% untuk aliran konveksi paksa dan 10,50% untuk aliran konveksi alami. Sedangkan SEC mesin pengering aliran konveksi paksa sebesar 198370,37 kJ/kg uap air dan 918171,42 kJ/kg uap air untuk aliran konveksi alami. Kata Kunci: kalor, limbah, pengering, pertanian, sekam padi

## 1. Pendahuluan
Salah  satu  potensi  biomassa  di  Indonesia  berasal  dari  limbah  pengolahan  hasil  panen  pertanian, seperti limbah sekam padi.  Indonesia mempunyai sekitar 60.000 mesin penggiling padi yang tersebar di seluruh daerah yang menghasilkan limbah berupa sekam padi sebanyak 15 juta ton per tahun. Beberapa mesin penggiling padi dengan kapasitas besar dapat menghasilkan limbah 10-20 ton sekam padi per hari [1].  Limbah  sekam  padi  ini  dapat  dimanfaatkan  sebagai  sumber  energi  baru  terbarukan  melalui  proses pembakaran langsung maupun melalui proses gasifikasi. Selama ini sekam padi digunakan sebagai bahan bakar untuk keperluan memasak.
Petani  di  Indonesia  seringkali  menghadapi  masalah  akan  lamanya  waktu  pengeringan  produk pertanian  dengan  penjemuran  di  bawah  sinar  matahari.  Permasalahan  ini  diatasi  dengan  menggunakan mesin pengering yang menggunakan fluida kerja udara panas. Kalor untuk memanaskan udara dapat berasal dari sinar matahari dengan menggunakan kolektor surya [2-4], pembakaran biomassa [5-7], model hibrid kolektor surya-biomassa [8, 9], atau dari gas buang generator set [10]. Mesin pengering dapat dioperasikan
secara  konveksi  alami  atau  konveksi  paksa.  Mesin  pengering  aliran  konveksi  paksa  memiliki  efisiensi termal yang lebih tinggi dari mesin pengering konveksi alami [2, 8].
Selain jenis konveksi yang digunakan, unjuk kerja mesin pengering juga dipengaruhi oleh beberapa faktor,  antara  lain  debit  dan  temperatur  media  pemanas  [10].  Laju  pengeringan  meningkat  dengan bertambahnya debit dan temperatur media pemanas [2]. Liu dkk. [11] menyatakan bahwa pengaruh debit media pemanas terhadap efisiensi pengeringan lebih besar daripada pengaruh temperatur media pemanas. Temperatur di dalam ruang pengering harus dijaga stabil dan seragam untuk mendapatkan efisiensi yang maksimal [7]. Parameter unjuk kerja mesin pengering dapat juga dinyatakan dengan laju pengeringan [12, 13] maupun energi konsumsi spesifik [14].
Selama ini sebagian besar mesin pengering menggunakan udara panas sebagai media pemanasnya, belum  ada  mesin  pengering  produk  pertanian  yang  menggunakan  media  pemanas  flue  gas  pembakaran limbah  biomassa.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  membuat  rancang  bangun  mesin  pengering  produk pertanian  dengan  sumber  kalor  limbah  sekam  padi  serta  mengetahui  pengaruh  mode  konveksi  terhadap unjuk kerja mesin pengering untuk pengeringan cabai.

## 2. Metode Penelitian
Pelaksanaan  penelitian  dibagi  menjadi  fabrikasi,  pengujian,  dan  analisa  data.  Komponen  utama mesin pengering di fabrikasi di bengkel teknik PT. Purosani Prima Yogyakarta. Gambar 1 menampilkan gambar desain dan foto mesin pengering yang memiliki komponen utama tungku biomassa (f urnace ), ruang pengering ( drying cabinet ), blower , dan exhaust fan . Tungku biomassa dibuat dari pelat besi 12 mm dengan dimensi 574 x 570 x 594 mm. Ruang pengering juga dibuat dari pelat besi 12 mm dengan dimensi 1000 x 600 x 1200 mm. Ruang pengering memiliki saluran media pemanas khusus sehingga tidak terjadi kontak langsung antara produk yang dikeringkan dengan media pemanasnya ( indirect type dryer ).
Gambar 1. Gambar desain (unit: mm) dan foto mesin pengering
Pengujian  dilakukan  di  Laboratorium  Teknik  Manufaktur  Institut  Sains  &  Teknologi  AKPRIND Yogyakarta.  Pengujian  dilakukan  untuk  pengeringan  cabai  dan  sekam  padi  sebagai  sumber  kalornya. Pengujian  bertujuan  untuk  mengetahui  pengaruh  mode  konveksi  terhadap  unjuk  kerja  mesin  pengering. Data yang diambil saat pengujian adalah temperatur flue gas masuk dan keluar ruang pengering, kecepatan flue  gas ,  temperatur  ruang  pengering,  massa  cabai  sebelum  dan  sesudah  dikeringkan.  Pengukuran temperatur menggunakan termokopel K dan data logger Graphtec 240, kecepatan flue gas diukur dengan anemometer di saluran keluar flue gas , dan massa sampel ditimbang dengan timbangan digital. Selanjutnya data hasil pengukuran digunakan untuk menghitung unjuk kerja mesin pengering dengan rumus-rumus seperti berikut,
𝑄 𝑓,𝑖𝑛 = 𝑚 𝑏 𝐻𝐻𝑉 𝑏 (1)
𝑚 𝑔 = 𝑣 𝑔 𝐴𝜌 𝑔 (2)
𝑄 𝑓,𝑜𝑢𝑡 = 𝑚 𝑔 𝑐 𝑔 (𝑇 𝑔 − 𝑇 𝑎 ) (3)
872,00 570,00 75 7, 00 31 7, 00 10 0, 00 574,00 41 1, 80 18 0, 20 21 57 ,0 0 1000,00 95 7, 00 12 00 ,0 0 600,00 600,00 30 0, 00 10 0, 00
𝜂 𝑓 = 𝑄 𝑓,𝑜𝑢𝑡 𝑄 𝑓,𝑖𝑛 × 100%
(4)
𝑄 𝑑,𝑖𝑛 = 𝑚 𝑔 𝑐 𝑔 (𝑇 𝑔,𝑖𝑛 − 𝑇 𝑔,𝑜𝑢𝑡 ) (5)
𝑚 𝑣 = 𝑚 𝑠,𝑖𝑛 − 𝑚 𝑠,𝑜𝑢𝑡 (6)
𝑄 𝑑,𝑜𝑢𝑡 = 𝑚 𝑠 𝑐 𝑠 (𝑇 𝑠,𝑖𝑛 − 𝑇 𝑠,𝑜𝑢𝑡 ) + 𝑚 𝑣 ℎ 𝑓𝑔 (7)
𝜂 𝑑 = 𝑄 𝑑,𝑜𝑢𝑡 𝑄 𝑑,𝑖𝑛 × 100% (8)
𝜂 𝑜 = 𝜂 𝑓 𝜂 𝑑 (9)
𝑆𝐸𝐶  = 𝑄 𝑓,𝑖𝑛 𝑚 𝑣 (10)
Dimana : Q f,in adalah kalor hasil pembakaran sekam padi (kJ) m b adalah massa sekam padi yang digunakan (kg) HHV b adalah nilai kalor sekam padi (13,39 MJ/kg) [15] m g adalah massa flue gas (kg) v g kecepatan flue gas (m/s)
A adalah luas penampang outlet flue gas (m 2 ) 𝜌 𝑔 adalah massa jenis flue gas (1,08 kg/m 3 ) Q f,out adalah kalor yang dihasilkan ruang bakar (kJ) c g adalah kalor jenis flue gas (1 kJ/kg.K) [16] T g adalah temperatur flue gas (  C) T a adalah temperatur di lokasi pengujian (  C) 𝜂 𝑓 adalah efisiensi tungku (%) SEC adalah konsumsi energi spesifik (kJ/kg uap air)
Q d,in adalah kalor yang mengalir di saluran flue gas (kJ) T g,in dan  T g,out adalah  kalor  yang  masuk  dan  keluar saluran flue gas (  C) m v adalah massa uap air (kg) m s,in dan m s,out adalah massa cabai sebelum dan sesudah pengeringan (  C) c s adalah kalor jenis cabai (1,87 kJ/kg.K) T s,in dan  T s,out adalah  temperatur  cabai  sebelum  dan sesudah pengeringan (  C) h fg adalah kalor penguapan air (2260 kJ/kg) 𝜂 𝑑 adalah efisiensi ruang pengering (%) 𝜂 𝑜 adalah efisiensi keseluruhan mesin (%)

## 3. Hasil dan Pembahasan
Gambar 2 menyajikan profil temperatur flue gas saat masuk ke saluran dan keluar saluran flue gas dengan mode  konveksi  paksa  maupun  mode konveksi  alami  konveksi  alami  selama  4  jam  pengeringan. Temperatur flue gas mengalami kenaikan di 1 jam awal pengeringan dan mengalami penurunan setelahnya. Hal  ini  diakibatkan karena  kalor optimal  yang dilepaskan  dari  pembakaran  sekam padi di  dalam  tungku tercapai pada 1 jam awal pengeringan. Temperatur flue gas di inlet dan outlet dengan aliran konveksi paksa lebih tinggi dari temperatur flue gas di inlet dan di outlet dengan mode konveksi alami. Massa flue gas yang dialirkan dengan konveksi paksa lebih banyak dari massa flue gas yang mengalir secara alami di saluran flue gas . Semakin banyak flue gas maka kandungan energi dalam bentuk kalor juga semakin tinggi sehingga temperatur flue gas juga lebih tinggi.
Profil  temperatur  ruang  pengering disajikan  dalam Gambar  3 . Profil  temperatur  ruang  pengering meningkat  drastis  di  1  jam  awal  pengeringan  dengan  aliran  konveksi  paksa  dan  mengalami  penurunan setelahnya.  Sedangkan  temperatur  ruang  pengering  mengalami  kenaikan  secara  perlahan  selama pengeringan  dengan  aliran  konveksi  alami.  Tren  profil  temperatur  ruang  pengering  mengikuti  tren temperatur flue  gas .  Semakin  tinggi  temperatur flue  gas (energi  kalor  semakin  tinggi),  maka  semakin banyak  kalor  yang ditransfer  ke  ruang  pengering,  sehingga  temperatur  ruang  pengering  juga  meningkat. Begitu juga sebaliknya temperatur ruang pengering akan menurun dengan penurunan temperatur flue gas .
Gambar 2. Profil temperatur flue gas
Gambar 3 . Profil temperatur ruang pengering
Sementara itu efisiensi dan konsumsi energi spesifik (SEC) mesin pengering untuk konveksi paksa dan alami ditampilkan dalam Gambar 4 . Efisiensi mesin pengering aliran konveksi paksa lebih tinggi dari efisiensi mesin pengering aliran alami. Efisiensi mencapai 25,12% untuk aliran konveksi paksa dan hanya 10,50%  dengan  aliran  konveksi  alami.  Kecepatan flue  gas dengan  aliran  paksa  lebih  tinggi  sehingga koefisien  konduksi  lebih  tinggi  dari  koefisien  konduksi  aliran  alami  sehingga  laju  perpindahan  kalor konveksi dari flue gas ke ruang pengering lebih besar pada aliran konveksi paksa. Hal ini menunjukkan bahwa useful energy pada aliran paksa lebih  tinggi dari pada aliran alami. Dari Gambar 4 dapat dilihat konsumsi energi spesifik (SEC) aliran paksa  lebih rendah dari aliran lama. Kalor yang diperlukan untuk menguapkan  1  kg  air  pada  mesin  pengering  konveksi  paksa  sebesar  198370,37  kJ  sedangkan  untuk konveksi alami memerlukan 918171,42 kJ.
Sedangkan Gambar 5 menampilkan visual cabai sebelum dan sesudah dikeringkan. Dari Gambar 5 dapat  terlihat  bahwa  selama  4  jam  pengeringan  sebagian  besar  cabai  sudah  mengalami  pengeringan dengan pengurangan kadar air mencapai 75%.
0 100 200 300 400 500 600 700 0 30 60 90 120 150 180 210 240 T em pe ra tur ( o C ) Waktu (menit) inlet konveksi paksa outlet konveksi paksa inlet konveksi alami outlet konveksi alami 0 20 40 60 80 100 120 0 30 60 90 120 150 180 210 240 T em pe ra tur ( o C ) Waktu (menit) Konveksi Paksa Konveksi Alami
Gambar 4. Efisiensi dan SEC
Gambar 5 . Visual cabai sebelum dan sesudah pengeringan

## 4. Kesimpulan
Mesin pengering dengan sumber kalor sekam padi berhasil difabrikasi dan berhasil digunakan untuk pengeringan cabai. Dari hasil pengujian dapat disimpulkan bahwa efisiensi dan konsumsi energi spesifik dipengaruhi oleh mode aliran konveksi. Mesin pengering dengan aliran konveksi paksa memiliki efisiensi lebih tinggi dari pada mesin pengering aliran konveksi alami. Efisiensi mesin pengering ini relatif masih rendah dan perlu ditingkatkan dengan optimalisasi jumlah sekam padi dan laju aliran flue gas .

## 5. Ucapan Terima Kasih
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  yang  sebesar-besarnya  kepada  BRIN  dan  LPDP  yang  telah mendanai  penelitian  ini  melalui  skema  Riset  dan  Inovasi  Untuk  Indonesia  Maju  (RIIM)  Batch  II  2022 dengan nomor 82/II.7/HK/2022.

## 6. Daftar Pustaka
[1] S. Pujotomo. Potensi Pemanfaatan Biomassa Sekam Padi untuk Pembangkit Listrik Melalui Teknologi Gasifikasi, Energi & Kelistrikan  9(2): 126-135, 2017
[2] M. S. K. Asnaz and A. O. Dolcek, “Comparative performance study of different types of solar dryers towards  sustainable  agriculture,” Energy  Reports ,  vol.  7,  pp.  6107–6118,  2021,  doi: 10.1016/j.egyr.2021.08.193.
[3] J. P. Ekka, P. Muthukumar, K. Bala, D. K. Kanaujiya, and K. Pakshirajan, “Performance studies on mixed-mode  forced  convection  solar  cabinet  dryer  under  different  air  mass  flow  rates  for  drying of cluster fig,” Sol. Energy , no. October 2020, 2021, doi: 10.1016/j.solener.2021.06.086.
[4] A. A. Mathew and V. Thangavel, “A novel thermal energy storage integrated evacuated tube heat pipe solar dryer for agricultural products : Performance and economic evaluation,” vol. 179, pp. 1674–1693, 2021, [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.07.029.
[5] D. K. Rabha, “Performance investigation of a passive-cum-active dryer with a biomass- fi red heater integrated  with  a  plate  heat  exchanger,” Renew.  Energy ,  vol.  169,  pp.  598–607,  2021,  doi: 10.1016/j.renene.2020.12.126.
25,1223 10,5 0 5 10 15 20 25 30 Konveksi paksa Konveksi alami E fi si e n si ( % ) Mode konveksi 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 1000000 Konveksi paksa Konveksi alami S E C ( kj /kg) Mode konveksi
p-ISSN : 2528-3561 e-ISSN : 2541-1934
[6] I. B. Alit, I. G. B. Susana, and I. M. Mara, “Utilization of rice husk biomass in the conventional corn dryer based on the heat exchanger pipes diameter,” Case Stud. Therm. Eng. , vol. 22, no. September, p. 100764, 2020, doi: 10.1016/j.csite.2020.100764.
[7] S. Dhanushkodi, V. H. Wilson, and K. Sudhakar, “Design and performance evaluation of biomass dryer for cashewnut processing,” vol. 6, no. 8, pp. 101–111, 2015.
[8] Hamdani, T. A. Rizal, and Z. Muhammad, “Fabrication and testing of hybrid solar-biomass dryer for drying  fish,” Case  Stud.  Therm.  Eng. ,  vol.  12,  no.  April,  pp.  489–496,  2018,  doi: 10.1016/j.csite.2018.06.008.
[9] S. C. Bhattacharya, T. Ruangrungchaikul, and H. L. Pham, “Design And Performance of A Hybrid Solar/Biomass  Energy  Powered  Dryer  For  Fruits  And  Vegetables,”  in Worm  Renewable  Energy Congress V , 2000, pp. 1161–1164.
[10] Y. Cui, G. Zhang, W. Liu, Z. Li, and N. Jiang, “Research on heat and mass transfer characteristics of flue gas flow drying biomass particles,” Procedia Eng. , vol. 00, pp. 1–5, 2017.
[11] Y. Liu et al. , “Novel fluidized bed dryer for biomass drying,” Fuel Process. Technol. , vol. 122, pp. 170–175, 2014, doi: 10.1016/j.fuproc.2014.01.036.
[12] I. G. B. Susana, I. B. Alit, and I. D. K. Okariawan, “Rice husk energy rotary dryer experiment for improved solar drying thermal performance on cherry coffee,” Case Stud. Therm. Eng. , vol. 41, no. September 2022, p. 102616, 2023, doi: 10.1016/j.csite.2022.102616.
[13] C. Ononogbo et al. , “Thermal efficiency and drying Behaviour of Yam slices in a dryer driven by the waste  heat  of  exhaust  gases,” Sci.  African ,  vol.  17,  p.  e01310,  2022,  [Online].  Available: https://doi.org/10.1016/j.sciaf.2022.e01310%0A.
[14] H.  S.  El-Mesery  and  S.  E.  El-Khawaga,  “Drying  process  on  biomass :  Evaluation  of  the  drying performance and energy analysis of different dryers,” Case Stud. Therm. Eng. , vol. 33, no. February, p. 101953, 2022, doi: 10.1016/j.csite.2022.101953.
[15] A.A.P. Susastriawan, Y. Purwanto, Purnomo, A. Warisman, Development of An Air-Stage Downdraft Gasifier and Performance Evaluation on Feedstock of Rice Husk, Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences 84, Issue 1 (2021) 20-32
[16] J. Silva, A. Cristina, S. Teixeira, L. Martins, and E. Ferreira, “Sawdust drying process in a large-scale pellets facility : An energy and exergy analysis,” Cleaner Environmental Systems, vol. 2, p. 100037, 2021.