Ambarita, H. et al. Studi Awal Desain dan Pengujian Mesin Pengering Kerupuk Opak Sistem Pompa Kalor

## Studi Awal Desain dan Pengujian Mesin Pengering Kerupuk Opak Sistem Pompa Kalor

## A Preliminary Study on Design and Testing of a Heat Pump Drying System for Opak Crackers
H. Ambarita 1* , T. Sitepu 1 , E. Siahaan 2 , D.M. Nasution 3
1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara
2 Program Studi Ilmu Manajemen, Universitas Sumatera Utara
3 Program Studi Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknik Harapan
* Email: himsar@gmail.com
Abstrak – Dalam tulisan ini, telah dilakukan sebuah studi awal mengenai desain dan pengujian mesin pengering sistem pompa kalor. Tujuannya untuk mendapatkan unjuk kerja mesin pengering dalam mengeringkan produk makanan berupa kerupuk opak. Ruang pengering berukuran 1200 mm × 700 mm × 888 mm dengan jumlah rak 10 diintegrasikan dengan unit pompa kalor. Pompa kalor yang digunakan beroperasi pada siklus kompresi uap dengan daya masukan  800W dan fluida  kerja  refrigerant  R22.  Sampel  kerupuk  opak  dengan  berat  awal  10  kg  dikeringkan  sebanyak  tiga  kali.  Hasil pengujian diperoleh temperatur dan kelembaban udara ruang pengering masing-masing 57.5°C dan 45% pada laju aliran udara  0.24  m/s.  Kinerja  total  dari  mesin  pengering  diperoleh  rata-rata  10,22.  Kesimpulan  utamanya  bahwa  sistem pengering pompa kalor dapat digunakan untuk mengeringkan kerupuk opak.
Kata kunci: pengering pompa kalor, unjuk kerja, kerupuk opak
Abstract – In this paper, a preliminary study on design and testing of a heat pump drying system has been carried out. The objective is to examine the performance of the dryer in the drying of food products such as opak crackers. A drying room with a dimension of 1200 mm × 700 mm × 888 mm with the number of tray 10 integrated with heat pump unit. The heat pump operated by vapor compression cycle with power input of 800W and refrigerant R22 as a working fluid . Samples of opak crackers with initial weight of 10 kg was dried for three times. The results show that the temperature and humidity of drying room is 57.5°C and 45% for air velocity 0.24 m/s , respectively. The average total performance of drying system is 10.22. The main conclusion can be drawn here is that the heat pump drying system can be used to dry the opak crackers.
Keywords: heat pump dryer, performance, opak crackers

## I. PENDAHULUAN
Kombinasi  teknologi  pompa  kalor  dengan energi surya adalah konsep yang sangat menarik. Teknologi  ini  memiliki  koefisien  prestasi  yang tinggi  dan  berpotensi  memperbaiki  kualitas produk  yang  dikeringkan.  Beberapa  penelitian mengenai  pengering  hibrida  pompa  kalor  dan tenaga  surya  dapat  ditemukan  dalam  literatur. Ronak  Daghigh  et  al  [1]  melakukan  ulasan mengenai  sistem  pengering  hibrida  pompa  kalor dan  tenaga  surya  untuk  produk  pertanian  dan kelautan. Hasil dan observasi studi menunjukkan bahwa  sistem  pengering  ini  dapat  meningkatkan kualitas  produk,  mengurangi  konsumsi  energi, dan  meningkat  koefisien  prestasi  serta  efisiensi termal.  Haifeng  LI  et  al  [2]  melakukan  studi mengenai  sistem  pengering  hibrida  pompa  kalor dan tenaga surya untuk pengeringan biji-bijian di dalam  gudang  pengeringan.  Hasil  analisis menunjukkan bahwa fraksi tenaga surya dari unit
pengering  lebih  tinggi  20%,  koefisien  prestasi sistem  (COP S )  diperoleh  5.19,  dan  spesific moisture extraction rate (SMER) dapat mencapai 3.05 kg/kWh. Slim et al [3] mengevaluasi kinerja sebuah  sistem  pengeringan  lumpur  pada  rumah kaca  menggunakan  pompa  kalor  dan  tenaga surya  yang  diberi  nama Solar  and  Heat  Pump Sludge  Drying  System (S&HPSDS).  Prinsip model dibangun menggunakan hukum kekekalan massa, energi, momentum, serta korelasi perpindahan  panas.  Fokus  studi  mengarah  pada kajian  termo-ekonomi  yang  optimal  dalam  hal konsumsi  energi.  Fadhel  et  al  [4]  melakukan analisis  performansi  sebuah  pengering  hibrida pompa  kalor  kimia  dan  tenaga  surya.  Kinerja sistem  telah  dievaluasi  pada  kondisi  cuaca  di Malaysia.  Sistem  terdiri  dari  4  komponen  utama yaitu kolektor surya (tipe evacuated tube ), tangki penyimpanan, unit pompa kalor gas-padatan, dan ruang  pengering.  Sebuah  simulasi  dibangun
Ambarita, H. et al. Studi Awal Desain dan Pengujian Mesin Pengering Kerupuk Opak Sistem Pompa Kalor
untuk  membandingkan  hasil  eksperimen  dengan hasil  simulasi.  Hasil  studi  diperoleh  efisiensi kolektor  surya  80%  untuk  simulasi  dan  74% untuk  eksperimen.  Nilai  fraksi  tenaga  surya  dari simulasi  dan  ekperimen  masing-masing  0.795 dan  0.713,  sedangkan  COP  diperoleh  2,2  untuk simulasi  dan  2  untuk  ekperimen.  Hawlader  et  al [5]  merancang  dan  menguji  sistem  pengering pompa  kalor  dan  pemanas  air  sekaligus  yang dibantu dengan tenaga surya. Kinerja sistem telah diteliti  pada  kondisi  iklim  di  Singapura.  Sistem terdiri  dari  kompresor,  kolektor  evaporator, tangki penyimpanan, kondensor, pemanas tambahan, blower, ruang pengering, dehumidifier ,  dan  kolektor  udara.  Sebuah simulasi  menggunakan  bahasa  Fortran  dibangun untuk  mengevaluasi  kinerja  sistem.  Hasil menunjukkan  bahwa  nilai  COP  simulasi  dengan eksperimen masing-masing 7.0 dan 5.0, sedangkan fraksi surya (SF) masing-masing 65% dan  61%  untuk  simulasi  dan  ekperimen. Ambarita  et  al  [6]  melaporkan  studi  mengenai performansi  dan  karakteristik  pengering  pakaian sistem pompa kalor. Parameter kinerja dibandingkan dengan sistem pengeringan pakaian  menggunakan  panas  buangan  dari kondensor  AC  ( Waste  heat  of  RAC ).  Hasil penelitian menunjukkan bahwa waktu pengeringan dan laju pengeringan dari pengering pompa  kalor  lebih  cepat  dibandingkan  dengan sistem panas buangan dari AC.
Literatur  di  atas  menunjukkan  bahwa kombinasi  pompa  kalor  dengan  tenaga  surya dilakukan untuk mendapatkan performansi sistem  yang  semakin  baik  dengan  konsumsi energi yang semakin rendah dan kualitas produk yang  tetap  terjaga.  Namun,  untuk  pengetahuan terbaik  dari  penulis,  tidak  ada  studi  dilaporkan berfokus  pada  aplikasi  pompa  kalor  dengan tenaga  surya  untuk  kasus  Indonesia  ditemukan dalam literatur. Dalam tulisan ini, telah dilakukan rancangbangun  dan  pengujian  mesin  pengering hibrida  pompa  kalor  dan  tenaga  surya  sebagai studi  permulaan  ( preliminary  study ).  Tujuan awalnya  untuk  mendapatkan  performansi  mesin pengering  hibrida  dalam  mengeringkan  produk hasil  pertanian.  Sampel  yang  diuji  dipilih  biji kakao  karena  secara  konvensional  dikeringkan dengan tenaga surya. Hasil penelitian diharapkan teknologi  ini  dapat  diterapkan  untuk  proses pengeringan  produk-produk  pertanian  maupun kelautan.

## II. METODE

## A. Prinsip Kerja
Pompa  kalor  ( heat  pump )  merupakan perangkat  yang  sama  dengan  mesin  pendingin ( Refrigerator ),  perbedaannya  hanya  pada  tujuan akhirnya.  Mesin  pendingin  bertujuan  menjaga ruangan  pada  suhu  rendah  dengan  membuang panas  dari  ruangan.  Sedangkan  pompa  kalor bertujuan  menjaga  ruangan  berada  pada  suhu yang  tinggi.  Sama  halnya  dengan  mesin pendingin, pompa kalor juga beroperasi menggunakan  siklus  kompresi  uap  (SKU)  yang diilustrasikan melalui Diagram p-h pada Gambar 1.  Komponen  utamanya  yaitu  kompresor, kondensor,  katup  expansi,  dan  evaporator.  SKU ideal terdiri dari 4 proses yaitu 1-2 disebut proses kompresi isentropis; 2-3 disebut proses kondensasi; 3-4 disebut proses ekspansi adiabatik;  dan  4-1  disebut  proses  evaporasi isobarik.
Gambar 1. Diagram p-h SKU ideal
Daya  kompresor  dalam  satuan  kJ/s  dapat dihitung dengan persamaan (1) berikut ini.
̇ ( ) (1)
dimana ̇ adalah  laju  aliran  massa  refrigeran (kg/s), dan masing-masing  merupakan entalpi  refrigeran  saat  masuk  dan  keluar kompresor  dalam  satuan  kJ/kg.  Jumlah  kalor yang  dilepas  kondensor  ke  udara  (kJ/s)  dihitung dengan persamaan (2) atau persamaan (3).
̇ ( ) (2)
̇ ( ) (3)
yaitu entalpi refrigeran saat keluar kondensor (kJ/kg), ̇ adalah laju aliran massa udara yang melewati  kondensor  (kg/s),
merupakan
Ambarita, H. et al. Studi Awal Desain dan Pengujian Mesin Pengering Kerupuk Opak Sistem Pompa Kalor
kalor  spesifik  udara  yang  melewati  kondensor (kJ/kg. ⁰ C),  dan , adalah  temperatur udara  saat  masuk  dan  keluar  kondensor.  Jumlah kalor  yang  diserap  evaporator  (kJ/s)  dihitung dengan persamaan (4).
̇ ( ) (4) (4)dimana merupakan entalpi refrigeran saat masuk evaporator (kJ/kg).
Pengering  pompa  kalor  telah  dikenal  sebagai usaha  efisiensi  energi  ketika  digunakan  pada proses  pengeringan.  Keuntungan  utama  dari pengering  pompa  kalor  berasal  dari  kemampuan pompa kalor dalam menghasilkan energi berguna dari  panas  buangan  serta  kemampuan  untuk mengontrol  temperatur  dan  kelembaban  udara pengeringan  [7].  Gambar  2  mengilustrasikan sebuah  diagram  skematis  dari  komponen  SKU yang terintegrasi dengan ruang pengering ( drying chamber ). Udara  pengeringan  bergerak  masuk melewati  ruang  pengering  pada  titik  1  dan menyerap kadar air dari produk yang dikeringkan.  Udara  yang  mengandung  kadar  air tinggi pada titik 2 kemudian diarahkan melewati koil  evaporator.  Selama  proses  dehumidifikasi (menurunkan  kelembaban)  dari titik  2  ke  titik  3, udara pengering pertama kali didinginkan  secara sensibel sampai pada titik embunnya ( dew point ). Proses pendinginan akan menghasilkan kondensasi  uap  air  yang  terkandung  di  udara pengering.
Gambar 2 . Sistem pengering pompa kalor
Kalor  laten  penguapan  kadar  air  kemudian diserap  oleh  evaporator  untuk    mendidihkan refrigeran.  Kalor  yang  dipulihkan  ( recovery ) akan  dipompa  ke  kondensor.  Udara  yang didinginkan  dan  diturunkan  kelembabannya selanjutnya  akan  menyerap  kalor  yang  dilepas kondensor  yang  bergerak  dari  titik  4  ke  titik  1 sebagai  pemanasan  sensibel  untuk  menaikkan temperatur  udara  pengering  [8].  Kinerja  sistem dinyatakan sebagai COP HP yang dihitung dengan persamaan (5)
( )
Jumlah  panas  yang  diterima  kolektor  surya dihitung dengan persamaan (6) berikut ini.
(6)
dimana    adalah  intensitas  radiasi  matahari  hasil perekaman  alat  ukur  (W/m 2 ), sebagai  luas penampang kolektor (m 2 ), sebagai transmisivitas  polycarbonate,  dan merupakan nilai absorbsivitas plat berwarna hitam (0.97).

## B. Set-up Eksperimen
Dalam pelaksanaan eksperimen, telah didesain dan dipabrikasi sebuah mesin pengering hibrida pompa kalor-tenaga surya skala laboratorium.  Komponen-komponen  utamanya yaitu  kolektor  surya,  kompresor,  kondensor, katup  ekspansi,  evaporator,  blower,  dan  ruang pengering.  Pompa  kalor  yang  diinstal  beroperasi pada  siklus  kompresi  uap  dengan  daya  masukan 800W  dan  fluida  kerja  Refrigeran22.  Blower yang  digunakan  memiliki  daya 0,04  kW . Ruang pengering berukuran 1200 mm × 700 mm × 888 mm dengan jumlah rak 10.
Sistem  akuisisi  data  diinstal  pada  setup eksperimen sebagai alat pengukuran. Temperatur dan  kelembaban  udara  pengeringan  diukur menggunakan  EL-USB data  logger dengan akurasi 0.3 ⁰ C dan 2%RH. Pengukuran temperatur  dan  kelembaban  udara  sebanyak  2 titik yaitu ruang pengering dan keluar evaporator. Pengukuran kecepatan udara pengeringan dilakukan  pada  saat  udara  melewati  kondensor dengan  menempatkan Anemometer tipe hot  wire dengan  akurasi  0.1  m/s . Untuk  mengukur  berat sampel  yang  dikeringkan  digunakan Load  cell tipe S dengan akurasi 1.0 gram yang ditempatkan pada  ruang  pengering  dan  pengukuran  tekanan kerja Refrigeran22 menggunakan pressure gauge pada  3  titik  pengukuran  yaitu  sisi  isap kompresor,  sisi  tekan  kompresor,  dan  sisi  keluar kondensor. Temperatur  kolektor,  kondensor,  dan evaporator diukur menggunakan Agilent 34972A dengan  ketelitian  0.03 ⁰ C.  Intensitas  radiasi matahari diukur menggunakan
Hobo
Microstation  Data  Logger dengan  akurasi 10.0 W / m 2 . Arus kerja pompa kalor diukur menggunakan Digital  clamp  meter dengan akurasi 0.1A. Instalasi kelistrikan dikemas dalam sebuah  kontrol  panel  yang  juga  dilengkapi pengukur  tegangan  listrik  dan pressure  switch sebagai  pengontrol  tekanan  sistem,  dan  saklar untuk  memudahkan  pengoperasian.  Gambar  3
Ambarita, H. et al. Studi Awal Desain dan Pengujian Mesin Pengering Kerupuk Opak Sistem Pompa Kalor
menunjukkan  desain,  diagram  skematis,  dan akuisisi data pengukuran dari setup eksperimen.

## C. Metode Pengeringan
Kerupuk  opak  yang  dikeringkan  sebanyak 10  kg  untuk  1  sampel.  Pengeringan  dilakukan sebanyak  3  kali.  Setiap  sampel  diukur  beratnya pada  kondisi  kering  dan  basah.  Rak  di  dalam ruang  pengering  berjumlah  10,  setiap  1  rak menampung  1  kg  kerupuk  opak  basah,  sehingga kapasitas  total  dalam  satu  siklus  pengeringan berjumlah 10 kg kerupuk opak. Diperoleh waktu pengeringan  rata-rata  selama  150  menit  hingga kerupuk  opak  kering.  Sistem  akuisisi  data  diatur untuk merekam pengukuran setiap 1 menit waktu pengeringan,  sedangkan  tekanan  dan  temperatur kerja  Refrigerant  22  diamati  secara  visual  setiap 2  menit  waktu  pengeringan.  Pengeringan dianggap  selesai  jika  berat  sampel  telah menunjukkan  nilai  berat  pada  kondisi  kering. Berat  akhir  sampel  rata-rata  yang  dihasilkan adalah 7,8 kg.
Jika  dibandingkan  dengan  pengeringan  langsung dengan sinar matahari, kerupuk opak membutuhkan  waktu  sekitar  6  jam  atau  360 menit  mulai  dari  pukul  09.00  hingga  15.00 sampai menjadi kering.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Studi  ini  telah  dilaksanakan  pada  bulan Nopember  2016  di  Pusat  Riset Sustainable Energy ,  Fakultas  Teknik  USU. Tabel  1 memperlihatkan hasil pengukuran temperatur dan kelembaban ruang pengering untuk ketiga sampel kerupuk  opak.  Nilai  temperatur  tertinggi  dan kelembaban  terendah  ruang  pengering  diperoleh
pada  pengeringan  sampel  3  yaitu  57.5 ⁰ C  dan 45%.
Tabel 1. Temperatur dan RH ruang pengering Tanggal  Percobaan  Temperatur
( ⁰ C) RH (%) 05/11/16 Sampel 1 50.8 51 06/11/16 Sampel 2 54.3 48 07/11/16  Sampel 3 57.5 45
Waktu  pengeringan  dapat  dihemat  58,3%  dari proses pengeringan  dengan sinar matahari. Akan tetapi  pengeringan  konvensional  tetap  memiliki keunggulan hingga saat ini karena sumber panas yang  gratis  serta  ketersediaan  lahan  mitra  yang cukup  luas  untuk  mengeringkan  kerupuk  opak dalam jumlah besar. Walaupun waktu pengeringan  cukup  lama  namun  tidak  akan mempengaruhi  jumlah  omset  yang  diperoleh. IPTEK  yang  telah  dihasilkan  ini  bersifat membantu  proses  pengeringan  opak  jika  terjadi musim  penghujan  agar  produktivitas  tidak menurun secara drastis
yang  dapat  mempengaruhi  omset  penjualan kerupuk opak.
Kinerja  utama  dari  mesin  pengering  ini adalah  kinerja  total  (COP HP ).  Kinerja  total  dapat meningkat  jika  kondensor  mampu  memanaskan udara  pengering  lebih  banyak  dengan  konsumsi daya  yang  tetap.  Dari  hasil  pengukuran  dapat dihitung kinerja sistem  menggunakan persamaan pompa  kalor  yang  telah  dijelaskan  sebelumnya. Unjuk  kerja  tersebut  diberikan  pada Tabel  2 . Dari  ketiga  proses  pengeringan  diperoleh  nilai kinerja  total  pompa  kalor  rata-rata  10.2,  yang berarti  bahwa  setiap  1  kWh  energi  listrik  yang
Gambar 3 . Desain, diagram skematis, dan akuisisi data pengukuran
Ambarita, H. et al. Studi Awal Desain dan Pengujian Mesin Pengering Kerupuk Opak Sistem Pompa Kalor
dibutuhkan mesin pengering dapat menghasilkan 10.2  kWh  energi  untuk  memanaskan  dan mendinginkan udara pengering.
Tabel 2. Koefisien prestasi mesin pengering Percobaan ̇
(kg/s) (kW) (kW) (kW) TP Sampel 1 0.041 4.41 3.64 0.8 10.06 Sampel 2 0.062 4.30 3.56 0.8 9.82 Sampel 3 0.049 4.49 3.69 0.8 10.21 Rata-rata 10.22

## IV. KESIMPULAN
Dari  hasil  pengujian  mesin  pengering  kerupuk opak  dapat  dilihat  bahwa  untuk  mengeringkan sampel dengan berat awal 10 kg hingga mencapai rata-rata  7.8  kg  dibutuhkan  waktu  selama  150 menit.  Jika  dibandingkan  dengan  pengeringan langsung  dengan  sinar  matahari,  kerupuk  opak membutuhkan  waktu  sekitar  6  jam  atau  360 menit  mulai  dari  pukul  09.00  hingga  15.00 sampai  menjadi  kering.  Kesimpulan  utama  dari studi  ini  adalah  bahwa  mesin  pengering  pompa kalor yang telah dirancangbangun dapat digunakan  untuk  mengeringkan  kerupuk  opak dan  dapat  berfungsi  dengan  baik.  Mesin pengering  ini  juga  dapat  diaplikasikan  untuk pengeringan  produk-produk  pertanian  lainnya yang bermutu tinggi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] R.  Daghigh,  M.H.  Ruslan,  M.Y.  Sulaiman,
K.  Sopian,  Review  of  solar  assisted  heat pump  drying  systems  for  agricultural  and marine products, Renewable and Sustainable  Energy  Reviews 14  (2010)
2564-2579.
[2] Haifeng  LI,  Yanjun  DAI,  Jianguo  DAI,  X. Wang,  L.  Wei,  A  solar  assisted  heat  pump drying  system  for  grain  in-store  drying, Energy Power Eng. 2010, 4(3) 386-391.
[3] R.  Slim,  A.  Zoughaib,  D.  Clodic,  Modeling of  solar  and  heat  pump  sludge  drying system, International Journal of Refrigeration 31 (2008) 1156-1168.
[4] M.I.  Fadhel,  K.  Sopian,  W.R.W.  Daud, Performance  analysis  of  solar-assisted chemical heat pump dryer, Solar Energy 84
(2010) 1920-1928.
[5] M.N.A. Hawlader, S.K. Chou, K.A.
Jahangeer,  S.M.A.  Rahman,  Eugene  Lau K.W,  Solar-assisted  heat-pump  dryer  and water heater, Applied Energy 74 (2003) 185- 193.
[6] H.  Ambarita,  D.M.  Nasution,  S.  Gunawan,
A.H. Nasution, Performance and characteristic  of  heat  pump  clothes  drier,
IOP Conference  Series,  Materials  Science and Engineering (2016).
[7] N.  Colak,  A.  Hepbasli,  A  review  of  heat pump  drying:  Part  1-Systems,  models  and studies, Energy Conversion and
Management 50 (2009) 2180-2186.
[8] C.S. Kiang and C.K. Jon, Heat pump drying systems: Handbook  of  Industrial  Drying, Third  Edition,  Taylor  and  Francis  Group , LLC, 1104-1130.