ANALISA KONSUMSI DAN BIAYA ENERGI PADA MESIN PENGERING PAKAN TERNAK SISTEM POMPA KALOR DENGAN DAYA 1 PK
Ronal P Hutagalung 1 , Himsar Ambarita 2 , Tulus B. Sitorus 3 , Dian M. Nasution 4 , Terang UHS Ginting 5 , Andianto Pintoro 6 , Taufiq B. N 7 , Farel H. Napitupulu 8 1,2,3,4,5,6,7,8 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Email: ronal_galung@yahoo.com

## ABSTRAK
Analisa  ini  bertujuan  untuk  mengatasi  masalah  yang  dihadapai  para  produsen  pakan  ternak    untuk mengeringkan  pakan  ternak  yang  sudah  dicacah    dalam  keadaan  lembab  menjadi  kering  agar  tahan lebih  lama.  Oleh  sebab  itu  dilakukan  perancangan  yang  bertujuan  untuk  menghasilkan  suatu  unit mesin  pengering  pakan  ternak portable dengan  menggunakan  AC  rumah  yang  berorientasikan  pada upaya efisiensi energi listrik yang dapat diaplikasin pada skala kecil dan besar . Analisa konsumsi dan biaya energi pada mesin pengering pakan ternak sistem pompa kalor dengan daya 1 PK ini didasarkan pada  hasil  perhitungan  teoritis  dan  pompa  kalor  yang  digunakan  beroperasi  menggunakan  siklus kompresi uap menjadi batasan masalahnya. Manfaat penelitian ini adalah untuk memenuhi kebutuhan pengeringan  pada  sektor  peternakan,  pertanian,  maupun home  industry khususnya  bagi  wilayah- wilayah  yang  memiliki  tingkat  curah  hujan  yang  tinggi  di  Indonesia.  Kesimpulan  perancangan  ini diperoleh  bahwa  nilai  laju  ekstraksi  air  spesifik  ( Spesific  Moisture  Extraction  Rate) untuk  mesin pengering  pakan  ternak  sistem  pompa  kalor  adalah  0.0106  kg/kWh.  Besarnya  konsumsi  energi spesifik ( Spesific Energi Consumption ) pada mesin pengering pakan ternak ini adalah 22,787 kWh/kg. Biaya  Pokok  Produksi  yang  dibutuhkan  untuk  proses  pengeringan  1  kg  pakan  ternak  dengan menggunakan sistem pompa kalor adalah Rp 20,012,- per kilogram.
Kata  kunci:  refrigerant,  Spesific  Energi  Consumption  (SEC),  Spesific  Moisture  Extraction  Rate (SMER).

## 1.  PENDAHULUAN
Pakan  ternak  merupakan  penganti  makanan  ternak  dari  alam.  Pakan  ternak  di  produksi  dari indusri  rumahan  ataupun  di  pruduksi  secara  massal.  Dalam  setiap    pruduksi,  produsen  pakan  ternak biasanya  mengeringkan  hasil  produksinya  menggunakan  sinar  matahari.  Jika  menggunakan  cahaya matahari  saja  hasil  pruduksi  tidak  mencukupi  permintaan  atas  pakan  ternak  di  Indonesia.  Untuk  itu kebutuhan mesin pengering sangat dibutuhkan guna menunjang hasil produksi pakan ternak.
Mesin  yang  sering  di  jumpai  di  pasaran  menggunakan  alat  pemanas  ( heater) dan  alat  ini menggunakan  tenaga  arus  listrik  yang  sangat  besar.  Untuk  itu  penulis  mencoba  menggunakan  alat yang  tidak  lajim  digunakan  di  mesin  pengering  yaitu  AC.  Panas  yang  didapat  untuk  mengeringkan didapat dari kondensor, udara yang beruap air rendah  di keluarkan  oleh  evavorator AC tersebut. AC yang  digunakan  disini  adalah  jenis  AC  yang  biasa  di  temukan  di  pasaran  yaitu  AC  Polytron  dengan daya 1 PK.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1. Teori 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 engering yang biasanya berupa panas.
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
▪ Tidak memerlukan tempat yang luas
▪ Kondisi pengeringan dapat dikontrol
▪ Pekerjaan lebih mudah.

## 2.2. Siklus kompresi Uap
Sistem kompresi uap merupakan dasar sistem refrigerasi yang terbanyak di gunakan, dengan komponen  utama  nya  adalah  kompresor,  evaporator,  katup  ekspansi (Throttling  Device), dan kondensor.Keempat  komponen  tersebut  melakukan  proses  yang  saling  berhubungan  dan  membentuk siklus refrigerasi kompresi uap seperti yang ditunjukan pada gambar berikut :
Gambar 2.1 . Siklus Kompresi Uap [1] (Cengel, A., Yunus, Boles, A., Michael,1989),
Proses yang terjadi pada Siklus Refrigerasi Kompresi Uap adalah sebagai berikut :

## 2.2.1  Proses Kompresi (1 – 2)
Proses ini berlangsung di kompresor secara isentropik adiabatik. Kondisi awal refrigeran pada saat masuk di kompresor adalah uap jenuh bertekanan rendah, setelah di kompresi refrigeran menjadi uap bertekanan tinggi seperti yang ditunjukan pada gambar berikut :
Gambar 2.2. Proses kerja Kompresi [1] (Cengel, A., Yunus, Boles, A., Michael,1989),
W = =

## 2.2.2  Proses Kondensasi (2 – 3)
Proses ini berlangsung di kondensor, refrigeran yang bertekanan dan temperatur tinggi keluar dari kompresor membuang kalor sehingga fasanya berubah menjadi cair seperti yang ditunjukan pada gambar berikut :
Gambar 2.3. Proses Kerja Kondensasi [1] (Cengel, A., Yunus, Boles, A., Michael,1989),

## 2.2.3  Proses Ekspansi (3 – 4)
Proses ini berlangsung secara isoentalpi, hal ini berarti tidak terjadi penambahanentalpi tetapi terjadi drop tekanan dan penurunan temperatur.
=

## 2.2.4  Proses Evaporasi (4 – 1)
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 seperti yang ditunjukan pada gambar berikut :
Gambar 2.4 . Proses Kerja Evaporasi [1] (Cengel, A., Yunus, Boles, A., Michael,1989),

## 2.3. Komponen Utama Pompa Kalor Siklus Kompresi Uap

## 2.3.1 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.

## 2.3.2 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 kondensor.

## 2.3.3 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

## 2.3.4 Evaporator
Evaporator  berfungsi  melakukan  perpindahan  kalor  dari  ruangan  yang  didinginkan  ke refrigeran yang mengalir di dalamnya melalui permukaan dindingnya. Pada diagaram P – h dari siklus kompresi  uap  sederhana,  evaporator  mempunyai  tugas  merealisasikan  garis  1–4.  Setelah  refrigeran turun dari kondensor melalui katup ekspansi masuk ke evaporator dan di uapkan, kemudian dikrim ke kompresor. Pada prinsipnya evaporator hampir sama dengan kondensor, yaitu sama – sama APK yang fungsinya  mengubah  fasa  refrigeran.  Bedanya,  jika  pada  kondensor  refrigeran  berubah  dari  uap menjadi cair, maka pada evaporator berubah dari cair menjadi uap.

## 2.4. Refrigerant
Refrigerant adalah  fluida  kerja  utama  pada  suatu  siklus  refrigerasi  yang  bertugas  menyerap panas pada temperatur dan tekanan rendah dan membuang panas pada temperatur dan tekanan tinggi. Umumnya refrigerant mengalami perubahan fasa dalam satu siklus.
1.  Kecepatan refrigeran pada Evaporator di titik 4
V 4 = w . v 4 2.  Bilangan Reynolds Re = V 3 .D/  4. v 4 3.  Faktor gesek f = 0,33/Re 0. 25 4.  Faktor gesek rata-rata untuk tiap ruas
f m = 2 4 3 f f +
5.  Kecepatan rata-rata refrigeran
V m = 2 4 3 V V + ( ) ( ) 3 4 . 2 4 3 2 V V m A v V x D L x f P P m m − =          − −

## 1. Pengelompokan Refrigrant
Refrigerant dirancang untuk ditempatkan didalam siklus tertutup atau tidak bercampur dengan udara luar. Tetapi, jika ada kebocoran karena sesuatu hal yang tidak diinginkan, maka refrigerant akan keluar  dari  system  dan  bisa  saja  terhirup  manusia.  Untuk  menghindari  hal-hal  yang  tidak  diinginkan maka  refrigerant  harus  dikategorikan  aman  atau  tidak  aman.  Ada  dua  faktor  yang  digunakan  untuk mengklassifikasikan  refrigerant  berdasarkan  keamanan,  yaitu  bersifat  racun  ( toxicity )  dan  bersifat mudah terbakar ( flammability ).
Refrigerant  ini  akan  terbakar  jika  konsentrasinya  kurang  dari  0,1  kg  kg/m 3 atau  kalor pembakarannya  lebih  dari  19  MJ/kg.  Berdasarkan  defenisi  ini,  sesuai  standard  34-1997,  refrigerants diklassifikasikan menjadi 6 kategori ,[2] ( Refrigerasi dan Pengkondisian Udara, Edisi II, W.F. Stoecker ). , yaitu:
1. A1: Sifat racun rendah dan tidak terbakar
2. A2: Sifat racun rendah dan sifat terbakar rendah
3. A3: Sifat racun rendah dan mudah terbakar
4. B1: Sifat racun lebih tinggi dan tidak terbakar
5. B2: Sifat racun lebih tinggi dan sifat terbakar rendah B3: Sifat racun lebih tinggi dan mudah terbakar.
Tabel 2.1 Pembagian Refrigerant berdasarkan keamanan [3] ASHRAE Inc., (2008). ASHRAE Handbook – HVAC Systems and  Equipment. SI Edition. Atlanta .

## 2. 5   Pengering Pompa Kalor
Melalui skema siklus refrigrasi kompresi uap, panas yang dikeluarkan oleh kondensor beserta udara  keluaran  evaporator  yang  mempunyai  RH  rendah  dialirkan  ke  saluran  pengeringan  dan dimanfaatkan  untuk  mengeringkan  pakan  ternak.  Udara  panas  dari  kondensor  dialirkan  ke  saluran pengeringan.  Proses  pengeringan  terjadi  pada  saat  pakan  ternak  dijatuhkan  dari  tower  pengering
masuk  melalui  pipa  saluran  pengeringan  lalu  ditampung  dibawah  dan  dilakukan  berulang  sampai paken  ternak  cukup  kering  dan  selanjutnya  udara  hasil  pengeringan  dibuang  ke  udara  bebas. Demikian seteruanya siklus dari udara pengering tersebut bersikulasi.

## 2. 6   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  bahan  dengan  energi  untuk  memanaskan  udara  pengering.  Efisiensi  pengeringan  biasanya dinyatakan  dalam  persen.  Semakin  tinggi  nilai  efisiensi  pengeringan  maka  alat  pengering  tersebut semakin baik.

## 2. 7 Nilai Laju Ekstraksi Air Spesifik (Spesific Moisture Extraction Rate)
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 ,[4] (Mahlia, Hor and Masjuki 2010):
SMER  = ( ) Wc T T x Cp x m X out in udara + −
2. 8 Konsumsi Energi Spesifik (Spesific Energy Consumption)
Energi  yang  dikonsumsi  spesifik  atau specific  energy  consumption (SEC)  adalah perbandingan  energi  yang dikonsumsi dengan  kandungan air yang  hilang, dinyatakan dalam kWh/kg dan dihitung dengan menggunakan persamaan ,[4] (Mahlia, Hor and Masjuki 2010):
SEC =
( ) X Wc T T x Cp x m out in udara + −

## 2. 9   Biaya Pokok Produksi
Biaya pokok produksi  merupakan biaya yang dibutuhkan  dalam  menguapkan 1 kg air dalam satuan  rupiah/kWh.  Dalam  hal  ini  biaya  pokok  produksi  merupakan  perkalian  antara spesific  energy consumption (kWh/kg) dengan tarif dasar listik (Rupiah/kWh).

## 3. METODE PENELITIAN

## 3.1. Tempat dan Waktu Penelitian.
Penelitian dilakukan di laboratorium Teknik pendingin Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan direncanakan dilaksanakan selama 5 bulan.
Tabel 3.1 Jadwal pelaksanaan penelitian

## 3.2.   Bahan dan Alat
3.2.1 Bahan.
1. Pakan
Gambar 3.1 Pakan ternak yang  sudah dicacah. 2. Pompa Kalor ( Heat Pump )
Gambar 3.2 Rancangan Mesin  Pengering Pompa Kalor.

## 3.2.2 Alat
Peralatan yang digunakan untuk mengukur variabel-variabel penelitian, antara lain:
1. Load Cell
2. Rh ( Relative Humidity ) Meter
3. Annemometer
4. Pressure Gauge

## 3. 3  Data Penelitian
Adapun  data  yang  direncakana  akan  dikumpulkan  dan  selanjutnya  dilakukan  analisis  dalam penelitian ini antara lain adalah sebagai berikut :
1. Massa Pakan Ternak (M)
Massa dari pakan di ukur pada saat keadaan basah dan pada saat keadaan kering.
2. Waktu pengeringan (t)
Waktu pengeringan yang dibutuhkan untuk mengeringkan pakan.
3. Temperatur (T)
Temperatur  yang  di  ukur  adalah  temperatur  udara  pada  saat  masuk  ke  evaporator  (T 1 ),  masuk kondensor (T 2 ), keluar kondensor (T 3 ) dan keluar ruang pengeringan (T 4 ).
4. Kelembaban udara (Rh)
Kelembaban  udara  yang  diukur  pada  titik  saat  masuk  ke  evaporator  (Rh 1 ),  keluar  evaporator (Rh 2 ), ruang pengeringan (Rh 3 ) dan kelur ruang pengeringan (Rh 4 ).
5. Kecepatan aliran udara (V)
Udara yang mengalir didalam saluran aliran di ukur kecepatannya.
6. Tekanan (P)
Refrigeran  yang  masuk  ke  dalam  kompresor  (P 1 ),  ke  luar  kompresor  (P2)  dan  masuk  ke  dalam evaporator (P 3 ) di ukur tekanannya.
7. Kuat Arus (I)
8. Tegangan (V)

## 3. 4  Metode Pelaksanaan Penelitian
Gambar 3.3 Diagram alir proses pelaksanaan penelitian. 4.  HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN.

## 4.1. Data Hasil Pengujian
Dari hasil pengujian  mesin pengering pakan ternak dengan beban 1 kg pakan ternak  didapat data sebagai :

## Tabel 4.1 Hasil pengujian pengeringan
Dari  tabel  pengujian  diperoleh  suhu  udara  masuk  28 0 C  maka  massa  jenis  udara  (ρ)  sebesar  1,1738 (Selanjutnya dalam bentuk tabel)
Dari  tabel  pengujian  diperoleh  suhu  udara  masuk  28 0 C  maka  panas  jenis  udara  (Cp)  sebesar  1,0059 (Selanjutnya dalam bentuk tabel)

## 4.2. Laju Pengeringan
Laju pengeringan dapat di hitung dengan rumus :

## 4.3. Nilai laju Extraksi Air Spesifik
Untuk  menghitung  nilai  laju  ekstraksi  air  spesifik  atau specifik  moisture  extraction  rate (SMER)  pengeringan diperoleh dengan rumus :
SMER  = ( ) Wc T T x Cp x m X out in udara + −
❖ Untuk 5 menit pertama = 0,016kg/kWh
❖ Untuk 5 menit kedua = 0,0232kg/kWh
❖ Untuk 5 menit ketiga = 0,0273kg/kWh
❖ Untuk 5 menit keempat = 0,031kg/kWh
❖ Untuk 5 menit kelima = 0,0355kg/kWh
❖ Untuk 5 menit keenam = 0,040kg/kWh
❖ Untuk 5 menit ketujuh = 0,043kg/kWh

## 4.4. Konsumsi Energi Spesifik
Untuk  menghitung  konsumsi  energy  spesifik  atau  specific  energy  consumption(SEC)  kita menggunakan rumus sebagai berikut :
SEC = ( ) X Wc T T x Cp x m out in udara + −
❖ Untuk 5 menit pertama = 62,3kWh/kg
❖ Untuk 5 menit kedua = 43,03kWh/kg
❖ Untuk 5 menit ketiga = 36,53kWh/kg
❖ Untuk 5 menit keempat = 31,67kWh/kg
❖ Untuk 5 menit kelima = 28,13kWh/kg
❖ Untuk 5 menit keenam = 24,84kWh/kg
❖ Untuk 5 menit ketujuh = 22,78kWh/kg

## 4.4. Konsumsi Energi Spesifik
Dalam  menentukan  biaya  produksi  diperoleh  dengan  menggunakan  persamaan  energi  yang dikonsumsi  spesifik  atau specific  energy  consumption (SEC)  yang  dinyatakan  dalam  kWh/kg  dikali dengan tarif dasar listrik. Untuk harga tarif dasar listrik dibebankan sebesar Rp 966 per kWh.
❖ Untuk 5 menit pertama = Rp 60.181,-
❖ Untuk 5 menit kedua = Rp 41.570,-
❖ Untuk 5 menit ketiga = Rp 35.292,-
❖ Untuk 5 menit keempat = Rp 30.593,-
❖ Untuk 5 menit kelima = Rp 28.13,-
❖ Untuk 5 menit keenam = Rp 24.84,-
❖ Untuk 5 menit ketujuh = Rp 22.787,-

## 5.  KESIMPULAN
Berdasarkan analisa data dan pembahasan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1.  Berdasarkan  analisa  data  dapat  disimpulkan  bahwa  nilai  laju  ekstraksi  air  spesifik  atau Spesific Moisture  Extraction  Rate (SMER)  adalah  0.0106  kg/kWh.  SMER  untuk  mesin  pengering  pakan ternak  sistem  pompa  kalor  berbanding  lurus  dengan  dengan  temperatur  udara  keluar  evaporator, dan berbanding lurus terhadap waktu.
3.  Konsumsi  energi  spesifik  ( Spesific  Energi  Consumption )  untuk  mesin  pengering  pakan  ternak sistem pompa kalor dengan daya 1 PK adalah 22,787kWh/kg. SEC berbanding terbalik dengan laju ekstraksi  air  spesifik  ( Spesific  Moisture  Extraction  Rate) dan  berbanding  lurus  dengan  biaya produksi. Semakin kecil konsumsi energi spesifik, maka biaya produksi semakin kecil.
4. Biaya yang dibutuhkan untuk proses pengeringan pakan ternak dengan sistem pompa kalor adalah Rp 20,012,- per kilogram.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Cengel,  A.,  Yunus,  Boles,  A.,  Michael,  Thermodynamics  An  engineering  Approach,  Third Edition, WCB/ McGraw-Hill, United States of America, 1989.
[2]     Wilbert  F.Stoecker,  Jerold  W.Jones,  Supratman  Hara,  Refrigerasi  dan  Pengkondisian  Udara, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1989.
[3]  ASHRAE  Inc.  (2008).  ASHRAE  Handbook  –  HVAC  Systems  and    Equipment.  SI  Edition. Atlanta .
[4]    Mahlia,  T.M.I.,  et  al.,  2010.  Clothes  drying  from  room  air  conditioning  waste  heat: thermodynamics investigation. Arabian Journal for Science and Engineering.