Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-34

Rancang Bangun Kondenser pada Pengering Beku Vakum

Iwan Kurniawan1, a*,Awaludin Martin2, b, Mintarto3, c

1,2,3Laboratorium Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Riau

Kampus Bina Widya km 12,5 Simpang Baru, Pekanbaru, Indonesiaaiwan.ktm@gmail.com, bAwaludinmartin01@gmail.com, cmintarto.tito@gmail.com

AbstrakPengeringan ialah suatu cara atau proses untuk mengeluarkan atau menghilangkan sebagian atauseluruh air dari suatu bahan dengan cara menguapkan sebagian besar air yang dikandungnya denganmenggunakan energi. Faktor yang mempengaruhi laju pengeringan antara lain ialah temperatur,tekanan, laju aliran udara, luas permukaan bahan, kadar air bahan, komposisi kimia bahan.Pengeringan beku (freeze drying) adalah salah satu metode pengeringan yang mempunyaikeunggulan dalam mempertahankan mutu hasil pengeringan, khususnya untuk produk-produk yangsensitif terhadap panas. Penelitian ini bertujuan meningkatkan hilangnya kadar air pada bahan yangakan dikeringkan dengan melengkapi proses pengering beku vakum dengan proses penguapan(secondary drying) dengan memanfaatkan panas buang kondenser. Perhitungan dan pembuatanyang dilakukan menghasilkan kondenser dengan panjang tube 17,58 m dengan diameter bagiandalam tube 0,008 m dan diameter luar 0,0095 m dimana bahan tube yang dipilih adalah tembaga.Tube yang dibuat berbentuk helical coil dengan jumlah lilitan 41 lilitan dan ketinggiannya 0,6 m.Kondenser yang dirancang dan dibuat mampu menaikan temperatur air sampai dengan 40oC.

Kata kunci: Pengering Beku Vakum, Rancang Bangun, Kondenser, Helical Coil

1. Pendahuluan

Pengeringan beku (freeze drying)merupakan salah satu teknik pengeringanpangan yang mulai dikembangkan pada saatPerang Dunia (PD) II sebagai teknik pilihanuntuk pengawetan plasma darah gunakeperluan darurat di medan perang. Denganteknologi pengeringan beku makadimungkinkan diperoleh stok plasma darahyang tidak rusak dan bisa disimpan lamadengan tanpa memerlukan refrigerasi. SetelahPD II berakhir, teknologi ini kemudiandiaplikasikan untuk pengembangan produk-produk untuk konsumen umum. Produkpangan pertama yang diproses denganteknologi pengeringan beku adalah kopikhususnya kopi instan ([1].

Teknologi pengeringan beku ini sangatberperan penting pada pengembangan danproduksi berbagai jenis produk inovatiflainnya terutama untuk keperluan campingdan/atau hiking, ekspedisi luar angkasa, obat,vaksin, enzim, dan lain sebagainya. Padaprinsipnya berbagai bahan pangan yang cocok

dan relatif mudah untuk proses pengeringan-beku adalah produk pangan larutan, lapis tipisdaging, dan irisan buah dan sayuran, ataubuah/sayuran utuh yang berukuran kecil.Hampir semua jenis buah dan sayuran bisadikering-bekukan seperti kacang- kacangan,jagung, tomat, berries, nanas dan lain-lain [1]

Pengeringan ialah suatu cara atau prosesuntuk mengeluarkan atau menghilangkansebagian air dari suatu bahan dengan caramenguapkan sebagian besar air yangdikandungnya dengan menggunakan energipanas. Pengeringan dapat dilakukan denganberbagai metode seperti penjemuran ataupengeringan menggunakan matahari,pengeringan buatan dengan menggunakan alatpengering (oven, spray drying, vacuumdrying, dan lain-lain), dan pengeringan secarapembekuan.

Faktor yang mempengaruhi laju pengeringanantara lain ialah temperatur, tekanan, laju

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-34

aliran udara, luas permukaan bahan, kadar airbahan, komposisi kimia bahan. Pengeringanbeku (freeze drying) adalah salah satu metodepengeringan yang mempunyai keunggulandalam mempertahankan mutu hasilpengeringan, khususnya untuk produk-produkyang sensitif terhadap panas. Keunggulanproduk hasil pengeringan beku antara lainadalah dapat mempertahankan stabilitasproduk, mempertahankan stabilitas strukturbahan dan dapat meningkatkan daya rehidrasi[2].

Penelitian ini bertujuan meningkatkanhilangnya kadar air pada bahan yang akandikeringkan dengan melengkapi prosespengering beku vakum dengan prosespenguapan dengan memanfaatkan panasbuang kondenser. Panas buang kondenserakan disimpan di air, ketika temperatur padaruang pengering sudah tercapai dan air yangterkandung dalam bahan yang dikeringkansudah melewati garis sublimasi maka airdengan temperatur yang lebih tinggi daritemperatur ruang pengering akan dialirkan kedalam ruang pengering melalui alat penukarkalor yang telah dirancang sebelumnya.

2. Metodologi

Data rancangan kondenser pada sistemrefrigerasi pengeringan beku vakumbengkuang diperoleh dari penelitiansebelumnya. Dimana laju aliran refrigerasiadalah 0,002739 kg/s [3]. Adapun analisissistem refrigerasi yang dilakukan ialah sepertiyang ditunjukkan pada gambar di bawah iniuntuk menentukan perancangan condenser.

Gambar 1 Diagram p-h Rancangan

Berdasarkan pada gambar 1 diperoleh datasebagai berikut:

1p = 51,209 kPa dan 2p = 862,63 kPa

1h = 374 kJ/kg dan 2h = 416,72 kJ/kg

serta 4h = 3h = 247,54 kJ/kg

2.1 Perancangan KondenserKondensor yang dirancang yaitu

kondensor jenis helical coil dimana mediapendinginnya adalah air, pemilihan jenishelical coil karena laju perpindahan panaspada helical coil lebih besar disebabkanadanya secondary flow[6,7]. Air yang keluardari kondensor akan dialirkan ke ruangpengering untuk mempercepat prosessublimasi pada bahan. Dalam perancangankondenser ukuran dan material tube dipilihsesuai dengan yang ada dipasar dimanadiameter dalam ( iD ) 0,008 m dan diameter

luar ( oD ) 0,0095 m dan material tube adalah

tembaga. Temperatur air yang direncanakan

w inT = 27˚C, dan w outT = 40˚C. Berdasarkanasumsi temperatur air masuk dan temperaturair keluar sifat fisik air seperti densitas ρadalah 994,6 kg/m3 dan panas spesifik air pc

adalah 4,178 kJ/kg.K.Laju aliran massa air dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan sebagaiberikut:

konw

p

Qm

c T

……………………..(1)

laju aliran volume air adalah :

ww

mv

………………...…….. (2)

Temperatur air keluar dapat dihitung denganmenggunakan persamaan sebagai berikut :

w

kondco ci

w p

QT T

m c

………………(3)

Aliran yang akan dirancang yaitu counterflow dimana beda temperatur rata-ratalogaritmik adalah:

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-34

1 2dan Tcihi co ho TT T T T ..(4)

Refrigerant yang melepas kalor ke mediapendingin akan berubah fasa menjadi cairsehingga perlu dihitung kecepatan rata-ratapengembunan pada refrigeran denganpersamaan :

refm

mv

A …………………… (5)

Angka Reynold

Re m hv D

v ………………… (6)

Dikarena aliran laminar dan nilai Prdiantara 0,6 < Pr < 50 maka Angka Nusseltsebagai berikut :[4]

1/2 1/30,332Re PrNu ……… (7)

Koefisien Perpindahan Kalor pada sisiRefrigeran

ih

kh Nu

D ……………….. (8)

Perhitungan koefisien perpindahan kalorkonveksi paksa pada sisi air pada kondensordihitung dengan menggunakan sifat-sifat airpada temperatur rata-rata. Kecepatan rata-rataair dihitung dengan menggunakan persamaan:

airm

mv

A ……………….. (9)

Diameter shell yaitu 0,046 m, maka :

Karena aliran laminar dan nilai AngkaNusselt dalam tabung adalah :

1 0,14

1 331,86 Re.Pr .

w

dNu

L

.. (10)

Setelah diketahui perpindahan kalor padamasing-masing fluida maka perpindahankalor menyeluruh sementara pada kondensordapat ditentukan dengan persamaan :

11 1

U

hi ho

……………(11)

Untuk mencari dimensi kondenser yangdibutuhkan, yakni panjang tube maka dapatdihitung dengan menggunakan persamaan :

. .

.

s lm

slm

Q U A T

QA

U T

……………(12,13)

Maka diperoleh nilai L sementara :

sAL

D …………………(14)

Berdasarkan tabel Faktor Pengotoran,maka faktor pengotor dari kedua fluida kerjakondensor, Sisi air, foR = 0,0001 m2K/W

Sisi refrigeran, fiR = 0,0002 m2K/W

Nilai konduktivitas tembaga yaitu tembagak =

385 W/mK [5]

i i

o

A D L

A D L

Perpindahan kalor yang terjadi padakondenser yaitu secara konveksi pada bagiandalam tube, konduksi pada dinding tube dankonveksi pada luar tube.

Untuk menentukan perpindahan kalormenyeluruh yaitu :

ln /1 1

2fi foo i

i i i o o o

R RD DR

h A A kL A h A (15)

1hitung

o

URA

…………… (16)

Maka panjang tube yang dibutuhkan adalah :

20,44217,58

.0,008sA m

L mD m

Setelah di iterasi diperoleh panjang tube17,58 m

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-34

Proses pembuatan helical coil ada beberapadimensi yang harus diketahui, antara lain:

Gambar 2 Dimensi Helical Coil

Diameter senter helical coil (DH) = 0,127 m,do = 0,0095 m dan P = 1,5. do

Untuk menentukan jumlah lilitan dapatditentukan dengan menggunakan persamaan :

22

LN

r p

……….(17)

Tinggi helical coil dapat ditentukan denganpersamaan :

.H N P do ………..(18)

2.2 Pembuatan Kondensor

Proses pembuatan kondenser melaluibeberapa tahapan dimulai dari membuathelical coil sampai dengan pengisianrefigeran dan pengujian pada sistemrefrigerasi. Adapun tahapan pembuatankondenser ditunjukan pada diagram alir padagambar 3.

Gambar 3 Skema Alir Pembuatan Kondenser

2.2.1 Pembuatan Helical Coil

Dalam pembuatan kondensor terdiri daridua bahan yaitu shell dan tube. Shellmenggunakan pipa PVC yang berukuran 4inci dan 6 inci dan di kedua ujungnya ditutupdengan kap/dop 6 inci. Sedangkan tubemenggunakan tembaga ukuran 3/8 inci danketebalan 0,81 mm dengan panjang tube17,58 m atau 17,6 m.

Tube dibentuk menjadi helical coil dengandiameter 127 mm dengan panjang tube adalah41 lilitan dan ketinggiannya 0,6 m. Prosespembuatan helical coil heat exchanger ialahdengan cara melilitkan koil diluar pipa bajakarbon yang berdiameter 5 inci, sepertiditunjukan pada gambar 4

Gambar 4 Proses Pembuatan Helical Coil

Tube pada ruang pengering sebagai tempatmeletakan bahan yang akan diuji dapat dilihatpada gambar 5. Tube ini berisi air yang

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-34

mengalir dengan temperatur 40oC sesuaidengan rancangan.

Gambar 5 Ruang Pengering Vacuum FreezeDrying

2.2.2 Pemasangan Kondenser padaSistem Refrigerasi

Pemasangan kondenser pada sistemrefrigerasi dipasang deng menggunakan lasoxy-acetyline dengan cara menyambung tubepada sistem tersebut. Proses penyambungandiberi penambahan batang pengisi sebagaielektroda berupa batang tembaga, seperti padagambar 6

Gambar 6 Penyambungan Tube denganMenggunakan Las Oxy-Acetiline

Hasil pemasangan kondenser dan aliran airdari bak penampungan menuju kondenserditunjukan pada gambar 7. Selainmenggunakan union socket, prosespenyambungan juga menggunakansambungan elbow dan PVC Male AdapterThread x Socket serta ball valve. Dimana PVCMale Adapter Thread x Socket digunakanmenyambungkan flowmeter pada instalasipipa aliran air.

Gambar 7 Kondenser Terpasang pada SistemRefrigerasi

3. Hasil dan Pembahasan

Tahapan selanjutnya melakukan uji cobakondenser terpasang pada sistem refrigerasi.Rancangan yang diharapkan temperatur airyang keluar yaitu 40°C. setelah dilakukanpengujian menunjukan hasil temperatur airyang keluar dari kondensor yaitu 40,10 °Cdalam waktu 45 menit, seperti ditunjukanpada gambar 8

Gambar 8 Hasil Pengujian Kondenser

Bila pengujian dilakukan secara konstan,maka temperatur air akan terus meningkat halini dikarenakan air yang keluar darikondenser dialirkan kembali pada bakpenampungan. Untuk menjaga temperatur airtetap pada temperatur 40°C, maka sebaiknyaair yang keluar dari kondenser ditampungpada bak penampungan air yang berbeda.

4. Kesimpulan

Perhitungan dan pembuatan yangdilakukan menghasilkan kondenser denganpanjang tube 17,58 m dengan diameter bagiandalam tube 0,008 m dan diameter luar 0,0095

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-34

m dimana bahan tube yang dipilih adalahtembaga.

Tube yang dibuat berbentuk helical coildengan jumlah lilitan 41 lilitan danketinggiannya 0,6 m. Kondenser yangdirancang dan dibuat mampu menaikantemperatur air sampai dengan 40oC

Pengujian kinerja kondenser dilakukanpada saat sistem vacuum freeze dryingdihidupkan. Hasilnya menujukan temperaturair yang keluar dari kondensor yaitu 40,10 °Cdalam waktu 45 menit.

5. Daftar Pustaka

[1] Hariyadi, Purwiyatno, Freeze DryingTechnology, Food Review Indonesia,Vol. VIII. No 2, 2013

[2] Pujihastuti, Isti, TeknologiPengawetan Buah Tomat DenganMetode Freeze Drying, Metana, Vol. 6No. 01, 2009

[3] Awal Januari, PengeringanBbengkuang dengan Sistempengeringan Beku Vakum (vacuumfreeze drying system), Skripsi, JurusanTeknik Mesin, FT-UR, 2014

[4] Holman, J.P., Heat Transfer,McGraw-Hill, 2010

[5] Cengel, Yunus A, Heat and MassTransfer- Fundamentals andApplications, 5th Edition, McGraw-Hill, 2015.

[6] Zachar, A. Analysis of coiled-tubeheat exchangers to improve heattransfer rate with spirally corrugatedwall. International Journal of Heat andMass Transfer. 2010, pp. 3928-3939.

[7] Prabhanjan, D.G., Raghavan, G.S.V.,Rennie, T.J. Comparison Of HeatTransfer Rates Between A StraightTube Heat Exchanger And A HelicallyCoiled Heat Exchanger. InternationalCommunications in Heat and MassTransfer. 2002, pp. 185-191.