teknologi pendinginan dan pembekuan by kiman siregar

M.K TEKNIK PENDINGINAN DAN PEMBEKUAN

Oleh : Dr.Kiman Siregar, S.TP,M.Si

E-mail : [email protected] : 08128395848, WA : 085260408568

Program Studi Teknik PertanianFakultas Pertanian Universitas Syiah Kuala

Banda Aceh2015

mailto:[email protected]

Pendinginan dan Pembekuan Tujuannya : Memperpanjang masa simpan produk pertanian Mempertahankan mutu produk pertanian

Jenis-jenis mesin/teknologi pendinginan :Pendinginan Kompresi UapPendinginan AbsorbsiPendinginan Cooling TowerPendinginan NokturnalPendinginan Vakum

RANGKAIAN SISTEM PENDINGIN KOMPRESI UAP

P

tev

m

1

22`3

4

tk

tev

tk

h3=h4 h1 h2 h

DIAGRAM HUBUNGAN TEKANAN DAN ENTHALPI (P – h)

Kapasitas Refrigerasi Kapasitas refrigerasi diperoleh dari perubahan refrigeran dari fase cair

ke gas dan menerima panas dari lingkungan yang terjadi pada

evaporator. 41refev hhmq

KompresorKerja yang dilakukan refrigeran selama kompresi isentropik dihitung berdasarkan perubahan entalphi dikalikan dengan laju aliran refrigeran.

12ref hhmThp

Mesin Pendinginan Absorbsi

Kompresi uap- kompresor

Absorbsi :- absorber- generator

Kondensor

Evaporator

Katupcekik

uaptekanantinggi

tekananrendah

Gambar 6-1 Perbedaan siklus kompresi uap dengansiklus absorbsi

generator kondensor

evaporatorabsorber

1

2

3

4

5

Gambar 6-2 Bagan alir proses pendinginan absorbsi

katupcekik

tekanantinggi

tekananrendah

larutan pekat (zat penyerap + refrigeran)

larutan encer (zat penyerap + refrigeran)

uap refrigeran

refrigeran cair

Catatan :

katupcekik 6

78

Mesin Pendinginan Absorbsi

PENDINGINAN VAKUM

• Proses terjadi pendinginan vakum didasarkan pada proses penguapan sebagian air dari bahan yang didinginkan yang terjadi pada tekanan ruang yang sangat rendah

• Pada saat terjadinya penguapan, diperlukan entalpi berupan panas laten penguapan yang dapat diserap dari bahan itu sendiri (lingkungan sekitarnya)

Keunggulan Pendinginan Vakum :

• Laju pendinginan yang cepat • Keseragaman suhu yang baik, karena proses

perpindahan panas yang terjadi melalui perubahan fase (phase-change heat transfer methode), sedangkan metode yang lain mode perpindahan panas terjadi secara konduksi dan konveksi

• Penularan penyakit dari satu bagian terinfeksi ke bagian lainnya lebih kecil, karena tidak menggunakan media (ruang hampa)

Kelemahan Pendinginan Vakum :

• Penerapannya yang hanya terbatas pada sayuran daunan dan produk berkadar air tinggi

• Kebutuhan energi dan biaya yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan metode pendinginan yang lain

PROSES TERJADINYA PENDINGINAN VAKUM

• Mekanisme pendinginan vakum didasarkan pada proses perubahan fase (pendidihan) sebagian air dalam bahan yang berlangsung cepat pada kondisi tekanan ruang rendah

• Secara termodinamika, air yang berada pada ruang bertekanan rendah dapat mendidih pada suhu rendah, seperti diperlihatkan pada Tabel 1

Tabel 1. Sifat Termodinamika Air

Tekanan (kPa)

Suhu Titik

Didih (oC)

Panas Laten Penguapan

(kJ/kg)

Volume Jenis Uap

(m3/kg)

0,61

1,0

3,2

10,0

101,3

0,01

7,0

25,0

45,8

100,0

2501,3

2484,9

2442,3

2392,8

2257,0

206136,0

129208,0

43360,0

14674,0

1672,9

Sumber : Keenan, et al .(1978)

Dari Tabel 1 dapat dilihat bahwa pada tekanan normal (101,3 kPa), air mendidih pada suhu 100oC, sedangkan pada tekanan ruang 0,61 kPa, air dapat mendidih pada suhu mendekati 0oC.Saat terjadi pendidihan diperlukan entalpi (panas laten penguapan).

Mekanisme Pendingingan Vakum

• Pada pendinginan vakum, air yang didihkan berasal dari bahan yang akan didinginkan, sehingga panas laten yang dibutuhkan berasal dari bahan tersebut.

• Dengan demikian, bahan melepaskan panas sehingga terjadi penurunan suhu (pendinginan).

• Proses pendinginan tersebut berlangsung diseluruh permukaan bahan yang berhubungan langsung dengan udara di dalam ruang pendinginan dengan kecepatan yang hampir sama dengan penurunan tekanan ruangan.

Perbandingan Penurunan Suhu Dengan Kehilangan Air

• Dari Tabel 1 terlihat bahwa proses pendidihan air pada tekanan yang lebih rendah membutuhkan panas laten yang lebih besar, sehingga terdapat hubungan yang erat antara penurunan tekanan dan suhu dalam pendinginan vakum.

• Panas yang masuk dan menyebabkan perubahan suhu disebut panas sensible, karena perubahan panas dapat dirasakan, dihitung dengan persamaan :

• Dimana : Qs (Panas sensible yang dipindahlan/kJ), m (massa bahan/kg), Cp (Panas jenis bahan/kJ/kg.K), dT (Perubahan suhu bahan/K)

dTCpmQs ..

Jenis-jenis Mesin/Teknologi Pembekuan

Pembekuan (dengan hembusan udara (air blast freezing) : Kecepatan rata–rata udara pada proses pembekuan ini adalah 1,5 – 7.0 m/dt dan suhu udara dingin –29 oC sampai -40 oC

Air Impigment Blast Freezer : Laju pembekuan yang dicapai lebih cepat dari metode air blast dan kehilangan air dari pemukaan lebih rendah.

Fluidized bed freezing : berdekatan dengan cara pembekuan air blast freezing, tetapi peralatan ini dilengkapi dengan suatu sistem khusus yang dapat menimbulkan getaran-getaran yang bertujuan untuk mengapungkan bahan sehingga mempercepat proses pembekuan

Jenis-jenis Mesin/Teknologi Pembekuan

• Pembekuan lempeng sentuh : bahan diletakkan di atas suatu plat, sedangkan jenis yang lain dilakukan dengan menempatkan bahan yang didinginkan di antara dua buah plat. Tidak membutuhkan gerakan udara, suhu plat dipertahankan sampai suhu -40 oC.

Pembekuan Kriogenik : Dilakukan dengan mencelupkan atau membiarkan kontak langsung antara bahan yang akan dibekukan dengan bahan-bahan kriogenik (bahan yang mempunyai suhu sangat rendah). Beberapa bahan kriogenik di antaranya adalah CO2 padat, dan N2 cair.

Kurva Penurunan Suhu Bahan Pangan Selama Proses Pembekuan

-30

0

-10

-20

10 32

Tem

pera

tur (

°C)

Waktu (jam)

Pusat

Antara pusat danpermukaan

Permukaan

Mediumpembeku

• Tahap pendinginan Waktu suhu menurun hingga sedikit di bawah 0 oC, yakni pada titik beku air

• Tahap pembekuan Lebih banyak panas yang harus dipindahkan dari ikan agar sejumlah besar air, sekitar ¾ bagian, diubah menjadi es. Pada tahap ini suhu menurun sampai -7 oC.

• Tahap pembekuan lanjutan Dimana air yang masih tersisa membeku. Suhu ikan menurun cepat dan panas yang dipindahkan sedikit.

LAJU PEMBEKUAN

lama(jam)

bahan(cm)tebalpembekuanLaju

Faktor yang mempengaruhi LP : 1. Metode pembekuan2. Suhu operasi mesin pembeku3. Sistem refrigerasi dan kondisi operasi4. Kecepatan udara untuk mesin pembeku hembusan

udara5. Suhu awal bahan6. Ketebalan bahan7. Bentuk bahan8. Jenis kemasan9. Properties produk yang akan dibekukan

Keuntungan pembekuan cepat dibandingkan pembekuan lambat : - Ukuran kristal es yang terbentuk lebih kecil, sehingga kerusakan sel yang terjadi lebih sedikit- Difusi garam dan pemisahan air dalam pembentukan es tidak terlalu banyak- Suhu produk akan lebih cepat turun dari kondisi yang dapat menyebabkan perkembangan bakteri dan jamur, sehingga dapat mencegah proses pembusukan saat pembekuan

LAJU PEMBEKUAN Laju pembekuan 3 golongan : • Laju pembekuan lambatWaktu pembekuan ≥ 30 menit per cm bahan

yang dibekukan. •Laju pembekuan sedang jika waktu pembekuan antara 20 s.d 30 menit per cm bahan yang dibekukan•Laju pembekuan cepat waktu pembekuan ≤ 20 menit per cm bahan yang dibekukan.

Diagram Alir Perancangan

Perancangan SistemRefrigerasi TipeKompresi Uap

Perbandingandengan rancangan

lain

Perancangan danPerhitungan

Kotak Pendingin

Target suhubahan & laju

No

Yes Print

3 hal penting :1. Perancangan sistem

refrigerasi tipe kompresi uap dengan konveksi bebas

2. Pengkajian karakteristik

3. Analisis kelayakan teknik dan kelayakan finansial.

Diagram Alir Perancangan Alat Pendingin dan Pembeku

Skema pendekatan perancangan dan pembuatan mesin cold storage untuk pembekuan ikan

Membuat mesin cold storagesesuai dengan yang ada

dipasaran

Identifikasi dan pembelianbahan material & sistem

refrigerasi

Perakitan dan pembuatancold storage di pabrik

Memodifikasi cold storagemenjadi mesin pembeku

Perhitungan danperancangan umum

Kajian karakteristik produkyang dibekukan dan besar

energi pembekuan

PerbandinganRancangan dan

proses pembekuan

Menghitung dan merancangulang cold storage yang ada

dipasaran

Kajian karakteristik produkyang akan dibekukan


Perbandingan hasil coldstorage dan proses

pembekuan

Identifikasi performance daricold storage yang akan dibuat

dan pencatatan spesifikasi

Perhitungan danperancangan sistem

refrigerasi & kotak pendingin

Perhitungan danperancangan sistem

refrigerasi & kotak pendingin


Kajian karakteristik produkyang akan dibekukan

TAHAP 1 TAHAP 2 TAHAP 3

Tahap 1 Mesin untuk pembekuan ikan patin, dengan lama pembekuan sekitar 2 hari (48 jam) dengan kapasitas penuh. Spesifikasi mesin cold storage , sebagai berikut :

NO URAIAN SPESIFIKASI KETERANGAN

A. Kotak Pendingin : Made by Denmark

1. Panjang 1.75 m

3. Lebar 0.625 m

4. Tinggi 0.625 m

5. Tebal dinding 0.0625 m

Volume ruang

pendingin

0.56 m3

B. Dinding Pendingin : Terdiri dari 3 lapisan

1. Tebal lapisan luar 0.002 m Terbuat dari plat besi

2. Tebal lapisan

tengah

0.0595 m Terbuat dari polyurithane

3. Tebal lapisan

dalam

0.001 m Terbuat dari aluminium

C. Kompresor :

1. Daya 1 HP Made by Jerman

D. Pipa Evaporator : Bahan dari tembaga

1. Total panjang pipa

tembaga

104 m

Ada di 5 sisi kotak pendingin

(kiri-kanan, muka-belakang,

dan di lantai kotak

pendingin)

2. Dimensi pipa 0.5 inchi

3. Jarak lilitan antara

pipa tembaga

4-5 cm

E. Sistem refrigerasi terdiri dari : Sistem refrigerasi mengikuti

sistem kompresi uap dengan

menggunakan Freon R-134a

1. Kompresor

2. Kondensor

3. Katup Ekspansi

4. Evaporator

F. Harga Rp 7.500.000,- Informasi dari pembeli

Lanjutan Tahap 1 :

Tahap 2Tahap 2 Dirancang ulang mesin cold storage yang sudah ada. Indikator perhitungan dan perancangan ulang, sebagai berikut :

• Besar beban pendingin• Laju pendinginan/pembekuan • Karakteristik energi pendinginan/pembekuan • Karakteristik produk yang didinginkan/dibekukan• Efisiensi mesin pendingin• COP mesin pendingin

Isometri mesin cold

storage yang akan dibuat

Analisa Terhadap Keadaan Awal Cold Storage

• Pada keadaan awal, mesin cold storage terbagi atas ruangan penyimpanan dan sistem refrigerasi. Evaporator berada pada dinding ruang pembeku (Gambar 8.4a)

• Perpindahan panas yang terjadi antara bahan dengan evaporator berlangsung secara konduksi dan konveksi bebas. Perpindahan panas konduksi terjadi pada bahan yang menempel langsung dengan dinding, sedangkan pada bahan yang berada di tengah perpindahan panas terjadi secara konveksi bebas dengan medium udara yang ada dalam ruangan penyimpanan tersebut.

• Perpindahan panas secara konveksi bebas tidak akan memberikan laju perpindahan panas yang baik, oleh karena itu perlu dilakukan modifikasi dalam rangka memperbaiki perpindahan panas

Perbaikan Disain• Salah satu cara memperbaiki perpindahan panas

adalah dengan konveksi paksa yaitu dengan memberikan kecepatan pada udara tersebut dengan menggunakan kipas.

• Dengan modifikasi melalui penggabungan antara konveksi bebas dengan penambahan konveksi paksa diharapkan perpindahan panas yang terjadi semakin baik dan merata demikian juga dengan laju pembekuan yang dicapai semakin cepat

Penampang Cold Storage tampak samping

Sistem refrigerasi

Dinding ruang pembeku

Ruang pembeku

kondensor

evaporator

kondensor

kompressor

rcv

Blower

Dinding ruang pembeku beserta evaporator

Plat penutup

50

4

115

175

16227.5

135

20

10015

62

evaporator

Motorpenggerak

Mesin cold storage sebelum dimodifikasi

Desain rancangan modifikasi mesin

cold storage menjadi mesin

pembeku melaui kombinasi

konvesksi bebas dan konveksi

paksa (hembusan udara dingin)

Diagram alir perhitungan pada perancangan mesin

pendingin/pembeku

mulai

Input data

Rancang bangun sistemPerkiraan lama Pembekuan

Kinerja mesin pembeku

END

Analisis Sistem Refrigerasi

Analisis Pindah Massa

Analisis Pindah Panaspd bahan

Analisis Pindah PanasPenukar panas

Target suhubahan

yes

no

Analisis Sistem Refrigerasi

Konfigurasi pipa, Dimensi pipa,Kapasitas Ref. Aktual, m udara

Analisis Pindah Panas I

Koefisien Pindah Panas

Kapasitas penukar panas,Tudara

mulai

END

Analisis Pindah Panas dibahan

Kap Kompresor, Suhu evaporator dankondensor, displacement

Kap. Refr. Aktual, kerja kompresor,kap. Kondensor, COP

Kebutuhan Evaporator

mulai

m ref

Properties R-134a

Kap. Refigerasi (ton)

Line Capacty

END

Koefisien PindahPanas pd Bahan

Skema Crank-Nicholson

Pindah panas pd Bahan

mulai

Jum. Bahan, Tebal bahan, Tawal bahan, vudara, Tudara

END

Hitung jml interval (i), perubahan sifat-sifat termal awal

Waktu = 0

Hitung sifat-sifat termal

Hitung selang waktu iterasi (rt )

Waktu = waktu

Hitung suhu pusat dan permukaan

Hitung elemen matrik

Hitung suhu-suhu pada titiklain dengan eliminasi

Gauss-Siedel

mulai

End

Skema Crank-Nicholson

Daya kipas, fungsi statik pressure

Analisis Pindah Massa

Penurunan tekanan

Debit kipas, kecepatan udara

mulai

END

Katup ekspansi

kondensor

evaporator

Garis cairan

Garis cairan

kompresor

Pipa isap (suction)

Cair jenuh

p3 = p2 T3 < T2

Gas p1 > p4 T2 = T1

Cair jenuh p4 < p3 T4 < T3

Cair jenuh

p3 = p2 T1 < T4

Pelepasan panas (Qk)

Penyerapan panas (Qo)

Garis ekspansi

Daerah tekanan tinggi

Daerah tekanan rendah

P

tev

m

1

22`3

4

tk

tev

tk

h3=h4 h1 h2 h

TERIMA KASIHDr.Kiman Siregar, S.TP,M.SIDosen Jurusan Teknik Pertanian Universitas Syiah Kuala-AcehE-mail : [email protected]; [email protected] : +62 812 8395848; WA : +62 852 60408568; Halo : +62 8111 954822



teknologi pendinginan dan pembekuan by kiman siregar

Engineering